Ultrasound transducers and beams for combined imaging and therapy

Ultralydteknologi for medisinske anvendelser er i rivende utvikling. Dette gjelder både tradisjonelle anvendelser som avbildning og diagnostikk, men også nye muligheter innen terapi, ved å stimulere transport og opptak av medikamenter. Viktige elementer i denne utviklingen er framstilling av to-frekvens transducere som også er i stand til å levere høye effekter. Dette muliggjør en langt bedre diskriminering mellom ulike vevstyper (ikke lineære materialegenskaper) samt kombinert avbilding og stimulert medisinering. I dette prosjektet har vi jobbet med å utvikle og karakterisere kritisk materialteknologi for framstilling av slike ultralydstransducere. Vi har utviklet numeriske modeller for å designe optimale transducere, samt nødvendig software for å kunne utnytte den nye informasjonen i billedbehandlingen. Et lite antall transducere er blitt produsert og karakterisert, og innledende kliniske tester har blitt gjennomført med godt resultat.

Prosjektet har hatt høy betydning ved å resultere i nye ultralydprober og programvare som vil bli brukt videre til kliniske studier av forbedret kreftterapi med ultralydstimulert transport av medikamenter. Prosjektet har også bidratt til å etablere nye forretningsområder for de involverte bedriftene.

Ultrasound has been used for medical imaging for decades. Recent work has shown that ultrasound also can be used for mediation of drugs. However, this therapeutic use requires much higher transmited power, which today cannot be supplied by the imaging probes. The reason is that the wide bandwidth transducer requires matching layers with low density and stiffness to effectively couple the energy from the transducer to the human tissue. The piezoelectric element has a high acoustic impedance (high pressure with low displacement) whereas the human tissue has a low impedance (low pressure with high displacement). The main challenge has been to make acoustic matching layers that combine low density and stiffness, and at the same time provides sufficiently good thermal conductivity to allow efficient cooling. The use of new material technology based on metallised polymer spheres makes it possible to produce such matching layers. The aim of the Sleipnir project is to utilize these materials to design, manufacture and characterize a new generation dual frequency ultrasound transducers that can be used for combined drug delivery and state of the art imaging. The design and production of ultrasound transducers is a complex task, involving advanced material technology, manufacturing technology and advanced numerical modelling. An important activity is to understand the acoustic properties and response of the medium in which the transducer is designed to operate, to deduce the correct design parameters for the transducer element. This latter task is the focus of a large ongoing research project, headed by Professor Catharina Davies, Department of Physics, NTNU in collaboration by several researchers at the Cancer Clinic, StOlavs Hospital. The Sleipnir project will be working in a very close collaboration with this project, also sharing scientific staff.