Entwicklung eines Konzeptes zur Bestimmung der Schallleistung von Ultraschall-Therapieköpfen mittels piezokeramischer Sensoren

GLIEDERUNG

Einleitung

Grundlagen Ultraschall

Grundlagen Ultraschalltherapie

Grundlagen piezokeramischer Sensor

Recherche Ultraschalltherapiegeräte

Laborversuchsreihen

Auswertung der Laborversuchsreihen

Schlussbetrachtung

Messgeräte und Messmittel

Bild- Tabellenverzeichnis

Literaturverzeichnis

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).

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.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1 [2]

Absorptionskoeffizienten in Abhängigkeit vom Medium und der Frequenz. Wasser ist wegen des geringen Absorptionskoeffizienten, bei 1MHz und 3MHz das bevorzugte Koppelmedium

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.

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.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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).

Recherche Ultraschalltherapie

Um eine Machbarkeitsstudie eines neu angedachten Messverfahrens durch-zuführen, mussten vorab Recherchen über die auf dem (deutschen) Markt erhältlichen Ultraschalltherapiegeräte durchgeführt werden. Die am häufigsten vertretenen Geräte und ihre Eckdaten wurden in der nachfolgenden Tabelle übersichtlich dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2

Zusammenstellung einer Recherche über Ultraschall-Therapiegeräte (Thomas Lekscha 2007)

Die Gegenüberstellung der am häufigsten verwendeten Ultraschalltherapiegeräte ermöglicht es, die Eckdaten für ein neu angedachtes Messverfahren zu ermitteln. Die entscheidenden Parameter sind demnach: Schallfrequenz, Ausgangsleistung, kontinuierliche und / oder gepulste Leistungsabgabe und die effektiven Schall-kopfflächen.

Für die Machbarkeitsuntersuchung wurden folgende Parameter bzw. Eckdaten ermittelt und für das neu angedachte Messverfahren als Grundlage vorausgesetzt:

- Ausgangsfrequenz des Schallkopfes = 1 MHz und 3 MHz
- Maximale Ausgangsleistung des Schallkopfes = 3 W/cm2
- Art der Ausgangsleistung des Schallkopfes = kontinuierlich und gepulst *
- Maximale effektive Schallkopffläche = 5 cm2.

* In der Machbarkeitsuntersuchung wurde mit einer kontinuierlichen Schallabgabe gearbeitet. Die kontinuierliche Beschallung stellt die höchste thermische Beanspruchung des Schwing-quarzes als Sensor und Empfänger dar.

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