Ultraschall in Medizin und Technik

36 Pages·2017·1.416 MB·German

by  Gerhard Müller, Michael Möser (eds.)

Fachwissen Technische Akustik
Gerhard Müller
Michael Möser Hrsg.
Ultraschall in
Medizin und
Technik
Fachwissen Technische Akustik
Diese Reihe behandelt die physikalischen und physiologischen Grundlagen
derTechnischenAkustik,ProblemederMaschinen-undRaumakustiksowie
dieakustischeMesstechnik.VorgestelltwerdendieinderTechnischenAkus-
tiknutzbarennumerischenMethodeneinschließlichderNormenundRichtli-
nien,diebeidertäglichenArbeitaufdiesenGebietenbenötigtwerden.
(cid:129)
Gerhard Müller Michael Möser
Herausgeber
Ultraschall in Medizin
und Technik
Herausgeber
GerhardMüller MichaelMöser
LehrstuhlfürBaumechanik InstitutfürTechnischeAkustik
TechnischeUniversitätMünchen TechnischeUniversitätBerlin
München,Deutschland Berlin,Deutschland
FachwissenTechnischeAkustik
ISBN978-3-662-55441-8 ISBN978-3-662-55442-5(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-55442-5
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#Springer-VerlagGmbHDeutschland2017
Dieser Beitrag wurde zuerst veröffentlicht in: G. Müller, M. Möser (Hrsg.), Taschenbuch der
TechnischenAkustik,SpringerNachschlagewissen,Springer-VerlagBerlinHeidelberg2015,DOI
10.1007/978-3-662-43966-1_23-1
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Inhaltsverzeichnis
UltraschallinMedizinundTechnik ......................... 1
ChristianKoch
v
Autorenverzeichnis
Christian Koch Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig,
Deutschland
vii
Ultraschall in Medizin und Technik
Christian Koch
Zusammenfassung
Ultraschall hat, im Gegensatz zur Akustik im hörbaren Frequenzbereich
besondere Eigenschaften und wird deshalb in zahlreichen und sehr ver-
schiedenartigen Gebieten in Medizin, Technik und auch dem alltäglichen
Leben angewandt. In diesem Beitrag werden die technischen Grundlagen
und Besonderheiten des Ultraschalls erläutert und auf Erzeugung und
MessungvonUltraschallwirdeingegangen.InweiterenAbschnittenkom-
menEigenschaftendesSchallfeldesundKavitationzurSprache.Imzwei-
tenTeildesBeitragswerdeneinigewichtigeAnwendungenvonUltraschall
inMedizinundTechnikdargestellt.
1 Einleitung in einem eigenen Kapitel in diesem Handbuch
vorzustellen.
SollteeinKapitel€uberUltraschallineinemHand- UmdieBesonderheitendesUltraschallsdeut-
buch€ubertechnische Akustik stehen? DerUltra- lich zu machen, werden deshalb in einem ersten
schall verf€ugt €uber einige wichtige Besonderhei- KapitelseineEigenschaftenausakustischerSicht
tenundEigenschaftengegen€uberderAkustikdes diskutiert und Differenzen zum Hörschallbereich
HörschallsundhatsichdadurchsehrvieleBerei- herausgestellt. Dabei können wesentliche Merk-
che außerhalb der Akustik erschlossen. Allein male des Ultraschalls herausgearbeitet werden,
schondiemedizinischenAnwendungenvorallem die dann in weiteren Kapiteln vertieft und ange-
des diagnostischen Ultraschalls sind ein eigenes wandtwerden.
Arbeitsgebiet geworden, das Physiker, Ingenieu- Insbesondere die Erzeugung und Messung des
re,BiologenundbesondersÄrzteinterdisziplinär Ultraschalls nutzt vollkommen andere Methoden
vereint. Trotzdem ist es sinnvoll und vorteilhaft, alsinderAkustikdesHörschalls€ublichsind.Des-
UltraschallalsTeilderAkustikzuverstehenund halbwerdenTechnikundVerfahrendaf€urineinem
eigenenKapitelvorgestellt.DaimUltraschallnur
selten Kugelwellen vorkommen, ist die Beschrei-
bung des Schallfeldes ein weiterer Schwerpunkt,
C.Koch(*)
wobei das Schallfeld einer Kolbenmembran als
Physikalisch-TechnischeBundesanstalt,Braunschweig,
Musterbeispiel eines Ultraschallfeldes behandelt
Deutschland
E-Mail:[email protected] wird. Als weitere einzigartige Erscheinung des
#Springer-VerlagGmbHDeutschland2017 1
G.M€uller,M.Möser(Hrsg.),UltraschallinMedizinundTechnik,FachwissenTechnischeAkustik,
DOI10.1007/978-3-662-55442-5_23
2 C.Koch
UltraschallswirdkurzauchaufdasPhänomender Wellenlänge λ von ca. 210 μm. Da die meisten
Kavitationeingegangen. Ultraschallwandler eine aktive Fläche von mehre-
BesondereEigenschaftenschaffendieVoraus- ren Millimetern besitzen, ist die abstrahlende
setzungen f€ur besondere Anwendungen. Ultra- Flächedeutlichgrößer als die Wellenlänge undes
schall findet man heute in fast jedem Bereich werden keine Kugelwellen, sondern gerichtete
technischen und medizinischen Arbeitens. Die Schallfelder abgegeben. Das f€uhrt zu einer B€un-
Anwendungensindextremvielfältigundinterdis- delungdesSchallfelds.
ziplinär,waseingroßesPotenzialundeinebedeu- Diese Möglichkeit zur B€undelung ist die Vor-
tende Chance darstellt. Damit ist aber auch ver- aussetzungf€uralleAnwendungendesUltraschalls
bunden, dass ein Überblick €uber alles kaum inbildgebendenVerfahren.DiekleinenWellenlän-
gelingen kann. Deshalb beschränkt sich dieser generlaubendabeieinehoheräumlicheAuflösung,
Beitrag auf einige Themen der gegenwärtig ak- die durch Beugungsvorgänge begrenzt ist. Da die
tuellen Arbeiten. Die große Vielfalt ist nicht nur Schallb€undeldurchmesserimVergleichzurWellen-
f€ur diesen Beitrag hinderlich, sondern erschwert längegroßsind,wirddurchFokussierungeinewei-
auch oft die Zusammenarbeit von Arbeitsgrup- tere Verbesserung der Auflösung erreicht. F€ur die
pen. Die Herstellung von Kontakt und die Nut- Fokussierung werden, ganz analog zu optischen
zung von Erfahrungen aus anderen Bereichen ist Geräten,gekr€ummteFlächen,LinsenoderWellen-
eine große Herausforderung auf dem Gebiet der plattenverwendet.
heutigenUltraschalltechnik.
DieserBeitragrichtetsichalsoanalleInteres-
siertenderAkustik,dieeinenÜberblick€uberdas 2.2 HoheDruckamplituden
GebietdesUltraschallsgewinnenwollen.Erkann
nicht mehr als eine Einf€uhrung sein, zumal es in Obwohl Ultraschall auch in gasförmigen Me-
derLiteratursehrvieleumfassendeDarstellungen dien verwendet wird, nutzt die €uberwiegende
aller Aspekte des Ultraschalls gibt. Der Beitrag Mehrzahl der Anwendungen Ultraschallwellen in
bem€uht sich darum, viele der wirklich wichtigen Fl€ussigkeiten und Festkörpern. Da der Wellenwi-
Eigenschaften und Anwendungen zumindest zu derstandhiersehrvielhöheralsinGasenist,treten
erwähnen und gibt Zitate zum Weiterlesen, Wei- imVergleichzumHörschallsehrvielkleinereAus-
tersuchen und Weiterdenken an. Dabei ist der lenkungen und größere Druck-bzw. mechanische
Schwerpunkt auf umfassende Darstellungen in Spannungswerte auf. Das ist auch anschaulich zu
MonographienoderÜbersichtsartikelngelegt. verstehen,damansichleichtvorstellenkann,dass
einFestkörperungleich„schwerer“zubewegenist
alsGasmolek€ule.Sohatz. B.einImpuls,wieerf€ur
2 Ultraschallisteine„besondere“ dieobengenanntediagnostischeAnwendungver-
Akustik wendetwird,einenSpitzendruckvonetwa1MPa
undlenktdabeidieWasserteilchenmiteinerDichte
2.1 Bündelung ρ = 1000kg/m3nuretwa150nmaus.W€urdeman
ein Dauersignal unterstellen und die zeitlich ge-
mittelteIntensität/bestimmen,
Als Ultraschall bezeichnet man Schallwellen mit
Frequenzen oberhalb des Hörfrequenzbereichs, (cid:1) (cid:3)
dermeistmitetwa16kHznachobenabgegrenzt I ¼ p2 (1)
wird[1].IndenverschiedenstenAnwendungenin ρc
gasförmigen, fl€ussigen und festen Medien kom-
men Frequenzen f bis zu vielen MHz oder gar so w€urde sich ein Wert von I = 33 W/cm2 erge-
einigen GHz vor. F€ur eine typische medizinisch- ben,vieleGrößenordnungenhöheralsSignaleim
diagnostischeUntersuchungwerdenz. B.ca.7MHz Hörschallbereichnormalerweiseaufweisen.Diese
verwendet. In Wasser mit der Schallgeschwindig- Zahlreduziertsichallerdingsauchf€urdiegenann-
keitc = 1480m/sergibtsichdabeiausλ = c/feine tediagnostischeAnwendung,dadieImpulsesehr
UltraschallinMedizinundTechnik 3
kurzsindundimMitteldeutlichgeringereInten- f€urdieErzeugungundMessungvonSchallnicht
sitätswerte entstehen. Sie zeigt aber, dass Ultra- verwendetwerdenkönnen.Esm€ussenMethoden
schallaufGrundderhohenDruckamplitudenviel zur Anwendung kommen, die die hohen Kräfte
Energie transportieren kann. Gleichzeitig hat Ul- aufbringen können, ohne sich dabei mit großen
traschall dadurch auch ein Zerstörungspotenzial, Auslenkungen „zu verausgaben“. Hierf€ur kom-
dasebenfallsinAnwendungengenutztwird. men verschiedene physikalische Prinzipien z. B.
Wenn hoheÜberdr€ucke auftreten,sind, wegen auf optischer oder mechanischer Grundlage wie
der Kontinuitätsbedingung f€ur die Masse der etwa spezielle Pfeifen oder laserthermische Ver-
Teilchen im Ausbreitungsmedium, auch hohe fahren zum Einsatz. F€ur die praktische Anwen-
Unterdr€uckeundoderZugspannungenvorhanden. dungsindaberderpiezoelektrischeEffektunddie
Die oben genannten Größenordnungen zeigen, Magnetostriktion ganz besonders gut geeignet.
dass dabei der atmosphärische Überdruck weit Generell haben sowohl Ultraschallwandler f€ur
unterschritten wird. Dadurch kann das Medium dieErzeugungalsauchHydrophonezurMessung
auseinanderreißen und es kann ein Hohlraum vonUltraschalldeutlichandereEigenschaftenals
entstehen, der Kavitation verursacht. Kavitation LautsprecherundMikrofone.
ist ein Wirkmechanismus der sehr viele Anwen-
dungen vor allem im industriellen Ultraschall er-
laubt(sieheAbschn. 4.3)[2]. 3 Erzeugung undMessung von
Ultraschall
2.3 HoheAbsorption 3.1 ErzeugungvonUltraschallmit
Hilfedespiezoelektrischen
Jede Schallwelle in einem realen Ausbreitungs- Effekts
mediumwirdgedämpft,daverschiedeneMecha-
nismen,wiez. B.dieviskoseDämpfungunddie UltraschalllässtsichaufzahlreichenWegenunter
Wärmeleitung zu einem Energieverlust f€uhren. Nutzungmechanischer,optischeroderauchelek-
Diese Wirkung steigt stark mit der Frequenz an, trischer Prozesse erzeugen. Die in heutigen
f€urdiebeidengenanntenProzesseproportionalzu AnwendungendominierendeMethodezurErzeu-
f2 (Kap. Ebene sinusförmige Wellen unendlich gung von Ultraschall beruht auf dem piezo-
kleinerAmplitudein[3]).DaimUltraschallsehr elektrischenEffekt.GeräteaufBasisvonMagne-
hohe Frequenzen vorkommen ist auch die Ab- tostriktion sind selten geworden und sollen hier
sorption vergleichsweise hoch und die transpor- nichtweiterbetrachtetwerden.
tierte große Energiemenge kann im Medium in Legt man an ein anisotropes dielektrisches
FormvonWärmedeponiertwerden.DieseEigen- oder ein ferroelektrisches Material ein äußeres
schaftdesUltraschallsistdieVoraussetzungz. B. elektrisches Feld E an, f€uhrt Letzteres zu einer
f€ur viele medizinisch-therapeutische Anwendun- Verformung S des Materials (reziproker dielek-
gen und f€ur das Ultraschallschweißen. Die Fre- trischer Effekt). Umgekehrt entsteht im Inneren
quenzbeeinflusstdabeidieEindringtiefe,waszu eine elektrische Verschiebung D wenn äußerlich
einer räumlichen Steuerung des Wärmeeintrags einemechanischeSpannungTwirkt(direkterpie-
genutztwerdenkann. zoelektrischer Effekt). Die den piezoelektrischen
Effekt beschreibende Proportionalitätskonstante
distdabeif€urbeideProzessegleich:
2.4 KleineAuslenkungen
S D
d ¼ ¼ (2)
Die in Abschn. 2.2 beschriebenen hohen Schall- E T
dr€uckewerdenvon,imVergleichzumHörschall,
geringenAuslenkungenbegleitet.Dasf€uhrtdazu, In einem realen Festkörper sind mechanische
dassdieausdemHörschallbekanntenStrategien Spannungen aber immer mit Verformungen