Entwicklung eines Konzeptes zur Bestimmung der
Schallleistung von Ultraschall-Therapieköpfen
mittels piezokeramischer Sensoren
Machbarkeitsuntersuchung
Thomas
Lekscha
GLIEDERUNG
Einleitung ...
1
Grundlagen Ultraschall ...
1
Grundlagen Ultraschalltherapie ... 2
Grundlagen piezokeramischer Sensor... 4
Recherche Ultraschalltherapiegeräte ... 5
Laborversuchsreihen ... 7
Auswertung der Laborversuchsreihen ... 13
Schlussbetrachtung ... 16
Messgeräte und Messmittel ... 19
Bild- Tabellenverzeichnis ... 20
Literaturverzeichnis ... 21
Einleitung
In dieser Arbeit soll untersucht werden, ob Schall- Ausgangsleistungen von
Ultraschalltherapiegeräten -speziell deren Schallköpfe- mittels piezokeramischen
Sensoren ermittelt werden können.
Ziel dieser Machbarkeitsuntersuchung ist es, Eckdaten für ein angedachtes
zukünftiges Messgerät zu ermitteln, welches als Handheld-Messgerät in der Lage
sein soll, die Ultraschallleistung von Schallköpfen unterschiedlicher Ultraschall-
therapiegeräte zu messen.
Dabei soll ein besonderer Schwerpunkt auf den Einsatz des Gerätes im Service-
bereich gelegt werden. Der Einsatz im Servicebereich erfordert spezielle An-
forderungen an die Robustheit, einfache Bedienbarkeit und eine relativ genaue
Messsicherheit. Diese Anforderungen sollen bei der Machbarkeitsuntersuchung
sekundär mit beachtet werden.
Grundlagen Ultraschall
Als Ultraschall bezeichnet man Materieschwingungen (periodisch aufeinander
folgende Druckschwankungen in leitenden Medien), welche sich oberhalb der
menschlichen Hörgrenze befinden. Schallwellen oberhalb von 20 kHz bis zu
1 GHz werden als Ultraschallwellen bezeichnet.
Unterscheidung des Schalls anhand des Frequenzbereiches
[1]
:
Infraschall < 16 Hz
(für Menschen nicht hörbar, zu niederfrequent)
Hörschall von 16 Hz bis 20 kHz
(für Menschen hörbar)
Ultraschall von 20 kHz bis 1 GHz
(für Menschen nicht hörbar, zu hochfrequent)
Hyperschall > 1 GHz
(nur noch bedingt ausbreitungsfähige Schallwellen).
1
2
Grundlagen Ultraschalltherapie
Für die Anwendung von Ultraschall in der Therapie, benötigt man ein Ultraschall-
Therapiegerät. Eine Vielzahl von unterschiedlichen Therapiegeräten wird zurzeit
auf dem internationalen Markt angeboten. Der Aufbau dieser Therapiegeräte ist
in ihren Basismodulen aber immer gleich. Zur Erzeugung des Ultraschalls benötigt
man einen Hochfrequenzgenerator und einen Schallkopf mit einem integrierten
Schwingquarz. Der Hochfrequenzgenerator erzeugt eine Wechselspannung,
welche auf den Schwingquarz übertragen wird. Diese Wechselspannung bewirkt
am Schwingquarz (durch den piezoelektrischen Effekt) eine wechselnde Form-
veränderung. Der Schwingquarz schwingt und sendet Schallwellen im Ultraschall-
bereich aus. Um eine größere Bandbreite von Anwendungsmöglichkeiten zu
erhalten, kann die Anregung des Schwingquarzes entweder kontinuierlich oder
gepulst erfolgen. Je nach Indikation kann dann am Ultraschalltherapiegerät der
entsprechende Modus angewählt werden.
Die Ausgangsfrequenzen der meisten Therapiegeräte beschränken sich auf
1 MHz und 3 MHz. Mit diesen beiden Frequenzen und deren Modulationen sind
eine Vielzahl von Indikationen behandelbar. In der Regel hat jedes Gerät für
jede Frequenz einen separaten Ultraschallkopf. Um die Schallwellen an den
menschlichen Körper abgeben zu können, benötigt man zur Übertragung ein
Koppelmedium (Ankopplung des Schallkopfes an das menschliche Gewebe).
Dieses Koppelmedium ist in der Praxis ein Ultraschallgel oder Wasser. Da
unterschiedliche Medien den Ultraschall auch unterschiedlich absorbieren, ist
die Auswahl des richtigen Koppelmediums von Bedeutung.
Medium
Absorptionskoeffizient bei 1 MHz
Absorptionskoeffizient bei 3 MHz
Knochengewebe
3,22 cm
-1
-
Haut 0,62
cm
-1
1,86
cm
-1
Wasser (20°C)
0,0006 cm
-1
0,0018 cm
-1
Luft (20°C)
2,76 cm
-1
8,28
cm
-1
Muskelgewebe
0,76 cm
-1
2,28 cm
-1
Tabelle 1 [2]
Absorptionskoeffizienten in Abhängigkeit vom Medium und der Frequenz. Wasser ist wegen
des geringen Absorptionskoeffizienten, bei 1MHz und 3MHz das bevorzugte Koppelmedium
3
Durch die Ultraschalltherapie können unterschiedliche Effekte am menschlichen
Körper erzeugt werden. Im Wesentlichen werden zwei Effekte unterschieden:
Der mechanische Effekt
Die auf das menschliche Gewebe abgegebene Ultraschallleistung bzw.
die abgegebenen Ultraschallwellen, erzeugen mit derselben Frequenz
(1 MHz oder 3 MHz) Kompressionen und Expansionen im elastischen
menschlichen Gewebe. Dieser Effekt wird auch als Mikromassage
bezeichnet. Die Mikromassage führt zur Volumenänderungen von Zellen,
Erhöhung von Zellmembrandurchlässigkeiten und somit zu einem erhöhten
Austausch von Stoffwechselprodukten
Der thermische Effekt
Der thermische Effekt (die Erwärmung von Körpergewebe) ist auf die
unterschiedlichen Resorptionen und Absorptionen der Gewebsarten
bzw. Gewebsstrukturen zurückzuführen. Die größte thermische Wirkung
entsteht an den Grenzschichten unterschiedlicher Gewebsstrukturen.
Der thermische Effekt ist bei der kontinuierlichen Beschallung (auch
Gleichschall) ohne Pulsation besonders groß.
Als dritten Effekt der Ultraschallbehandlung kann auch noch der physiologische
Effekt erwähnt werden. Dieser Effekt entsteht aus den beiden oben genannten
Effekten und ist nicht immer eindeutig bestimmt bzw. zuzuordnen.
Die Anwendung des Ultraschalls zur Therapie am menschlichen Körper hängt
im Wesentlichen von seiner Frequenz, seiner Modulationsform und seiner
Ausgangsleistung ab. Auf eine Auflistung der unterschiedlichen Indikationen
und Krankheitsformen wird in dieser Arbeit verzichtet.
Indikationen und Behandlungsparameter bzw. Behandlungsdauer können den
meisten Bedienanleitungen der unterschiedlichen Ultraschall-Therapiegeräte
entnommen werden.
4
Grundlagen piezokeramischer Sensor
Zur Erzeugung des Ultraschalls in der medizinischen Anwendung werden
Schwingquarze (piezokeramische Bauteile) eingesetzt. Schwingquarze können
aus unterschiedlichen Materialien, wie: Quarz, Bariumtitanat und Blei-Zirkonat-
Titanat bestehen
[3]
.
Wenn auf diese Materialien eine mechanische Deformation ausgeübt wird,
entstehen an ihren Oberflächen elektrische Ladungen. Die Entstehung von
elektrischen Ladungen in Abhängigkeit zur Deformation bezeichnet man als
direkten piezoelektrischen Effekt.
Dieser Effekt ist aber auch umkehrbar. Wird eine Wechselspannung an einen
Schwingquarz angelegt, so verändert sich die Form des Materials (Dehnung,
Stauchung). Durch diese Formveränderungen -in Abhängigkeit zur angelegten
Spannung und Frequenz- können Druck- oder Schallwellen im Ultraschallbereich
erzeugt werden, wobei der erzeugte Wechseldruck abhängig von der angelegten
Wechselspannung ist. Diesen Vorgang bezeichnet man als inversen Piezoeffekt.
Bild 1
Darstellung eines Schwingquarzes (piezoelektrische Scheibe) und dessen alternierende
Ausrichtung (Druckwellen) beim Anlegen einer Wechselspannung
Schwingquarze können in unterschiedlichen Formen, aus unterschiedlichen
Materialien und mit vorrangigen Ausdehnungsrichtungen gefertigt werden.
Die jeweilige Aufgabenstellung bestimmt die Auswahl des richtigen Quarzes
(siehe auch Seite 17).
U = Wechselspannung
Elektrode
Elektrode
Schallwellenausbreitung
Schallwellenausbreitung
Schwingquarz
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