Thermografie ist ein Verfahren der Oberflächentemperaturmessung, welches bildlich dargestellt wird. Unter Wärmeübertragung wird der Energieaustausch durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung verstanden. Bei der Thermografie wird der augenblickliche, statische, stationäre Zustand eines Wärmeflusses gemessen und bildlich in einem Thermogramm dargestellt [12: p. 18].

Unter Konduktion wird die Wärmeleitung, d.h. die weitergeleitete Wärmeenergie innerhalb eines Materials verstanden. Je höher die spezifische Wärmeleitfähigkeit eines Materials, desto höher ist die Wärmeleitfähigkeit des Materials [12: p. 25]. Konvektion beschreibt die thermische Gesamtbewegung von flüssiger und gasförmiger Materie. Beide beschriebenen Effekte treten bei der aktiven Thermografie auf, wie beispielsweise bei der Erwärmung durch einen Luftstrom [12: p. 25]. Bei der oben genannten Strahlung handelt es sich um Wärmestrahlung, die auch Infrarotstrahlung genannt wird. Im Strahlenspektrum kann die Infrarotstrahlung zwischen der sichtbaren Strahlung und den Radiowellen eingeordnet werden; mit den Unterbereichen naher Infrarotbereich (0,78–3 µm), mittlerer Infrarotbereich (3–7 µm), langwelliger Infrarotbereich (7–14 µm) und der ferne Infrarotbereich mit einer Wellenlänge oberhalb von 14 µm [13: p. 12].

Bei der Infrarotthermografie wird der sogenannte „schwarze Körper“ als Referenzpunkt für die Messungen verwendet, da er ein hypothetischer und idealisierter Körper ist, der auftreffende elektromagnetische Strahlung bei jeder Frequenz vollständig absorbiert [12, p. 58]. In der medizinischen Anwendung kann von den besonders günstigen Verhältnissen der Haut profitiert werden. Die menschliche Haut besitzt einen Emissionsgrad von ?ges = 0,98 ± 0,01 für ? > 2 µm (?: Wellenlänge) und ist damit einem schwarzen Körper sehr nahe [10: p. 293]. Ziel bei der medizinischen Anwendung ist die Feststellung abnormaler Temperaturverteilungen auf der Hautoberfläche. Aus diesen können dann Rückschlüsse auf eventuelle Krankheiten geschlossen werden. Beispiele sind Früherkennung von Brustkrebs, Erkennung von Tumoren, Metastasen, Verbrennungen und Erfrierungen, Wundheil- und Durchblutungsstörungen und rheumatische Erkrankungen [10: pp. 303–304].

Versuche am Hydrogel

Um Erkenntnisse über die Wärme zu gewinnen, die im Inneren des Phantoms durch therapeutischen Ultraschall entsteht, wurde ein gewebeähnliches Phantom erstellt. Es handelt sich um eine Mischung der Proteine BSA (Rinderserumalbumin, engl. bovine serum albumin) und PAG (Poly-Aldehydguluronat). Dieses Phantom besitzt sehr ähnliche thermische und akustische Eigenschaften wie weiches Gewebe [5: p. 2; 2: p. 1; 7: p. 1].

Für das Hydrogel werden nachstehende Chemikalien benötigt:

148,5 g destilliertes Wasser,

1 g N,N‘-Methylenbisacrylamid,

5 g Ammoniumperoxodisulfat,

0,0187 g Poly-Acrylsäure,

18,75 g Acrylamid, 7 g BSA.

Nach dem Abwiegen der verschiedenen Substanzen wurden zuerst Poly-Acrylsäure und Acrylamid vermischt. Danach wurde der Vernetzter N,N‘-Methylenbisacrylamid und der Initiator Ammoniumperoxodisulfat in das Becherglas hinzugefügt, und alles wurde erneut vermischt. Anschließend wurde das BSA untergemischt und in destilliertem Wasser aufgelöst. Die Masse wurde so lange mit einem Magnetrührer in einem 30 °C warmen Wasserbad vermischt, bis alles komplett aufgelöst war. Dabei wurde die Temperatur des Bades mit Tinytag-Temperatursensoren der Firma Gemini Data Loggers (UK) Ltd dauerhaft überwacht. Die Mischung verblieb so lange im Wasserbad, bis die Temperatur rapide zu steigen begann. Dann kam das Becherglas in ein kaltes Wasserbad und umgehend in den Kühlschrank, damit die Polymerisationstemperatur nicht zu hoch wurde.

Die Messungen an dem Hydrogel-Phantom wurden mit dem Ultraschallgerät PHYSIOSON-Expert der Praxis Dr. med. Kochs et al. in Aachen durchgeführt. Es wurden Messungen mit Impulsschall und mit Permanentschall durchgeführt. Das Hydrogel wurde in verschiedenen Dicken geschnitten und auf ein Stück Holzlatte gelegt. Es hatte Raumtemperatur. In das Hydrogel wurde zum Messen der Temperatur ein Tinytag Temperatursensor hineingeführt (Tab. 1).

Bei Impulsschall tritt keine erhebliche Erwärmung des Hydrogels auf. Die Temperatur bleibt konstant. Bei dieser Ultraschallart steht die mechanische „Massagewirkung“ in Vordergrund. Beim Permanentschall ist hingegen eine deutliche Temperaturerhöhung messbar. Bei dieser Ultraschallart liegt die thermische Wirkung im Vordergrund.

Dies war ein Modellversuch mit Holz. Im Körper trifft der Ultraschall auf kortikale Knochen. Nach Berechnung des Wellenwiderstands kann davon ausgegangen werden, dass der Wellenwiderstand bei Holz um den Faktor 5,3 höher ist als bei kortikalen Knochen.

Versuche am Probanden

Bei diesem Versuch wurden mit dem PHYSIOSON-Expert bei 1 MHz Ultraschall und 1 W/cm2 Leistung n = 5 Messungen mit pulsierenden Schall und n = 5 Messungen mit permanentem Schall am Knie durchgeführt. Dabei wird die Wärmeentwicklung mit einer Infrarotkamera des Modells VarioCAM HD der Firma InfraTec GmbH, Dresden, gemessen. Die Aufnahmerate betrug 2 Hz. Jede Messung dauerte t = 10 Minuten. Die Probanden saßen alle aufrecht auf einem Stuhl und wurden gebeten, möglichst still zu sitzen. Die Kamera stand auf einem Stativ vor ihnen und hat den Focus auf die Knie gesetzt. Die Messergebnisse der Infrarotkamera wurden mit einer zur Kamera gehörenden Auswertungssoftware von InfraTec bearbeitet.

Nach dem Auswerten der Daten können den Messreihen Formeln zugewiesen werden, welche die Trendlinien der Messungen beschreiben. Die Messreihe, bei der mit Impulsschall gearbeitet wurde, folgt der Geradengleichung y = –0,0041x + 14,792. Die Messreihe, bei der mit Permanentschall gearbeitet wurde, folgt der Gleichung y = 0,0023x + 9,9536. Beide Trendlinien werden in Abbildung 1 in demselben Diagramm über dieselbe Anzahl von Werten dargestellt.