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).

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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

2

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.

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