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Schallintensitätsmessung an Sonographiegeräten mit thermoakustischen Sensoren

03.12.2004

Die Messung der Schallabgabe von diagnostischen Ultraschallgeräten ist im Hinblick auf die Patientensicherheit von großer Bedeutung. Üblicherweise wird die Schallfeldcharakterisierung mithilfe von Hydrophonmessungen im Rasterscanverfahren und die Bestimmung der insgesamt ausgesendeten Schallleistung nach der Methode der Schallstrahlungskraftmessung durchgeführt. Die Bestimmung der örtlichen, zeitlich gemittelten Ultraschallintensität - eine Größe, die vor allem zur Abschätzung des thermischen Gefährdungs­potentials benötigt wird -, erfordert insbesondere bei den kombinierten Bildgebungsmodi moderner Sonographie­geräte mit sehr komplizierten Impulssendefolgen einen hohen technischen Aufwand bei der Hydrophonmessung. Um alle zur Gesamtintensität am Messort beitragenden Ultraschall­wellen zu erfassen, müssen komplizierte Synchronisationsmethoden verwendet werden. In diesem Zuammenhang ist auch ein genauer Einblick in die Einzelheiten der Arbeitsweise des individuellen Sonographiegerätes notwendig, der üblicherweise nur dem Hersteller möglich ist.

Thermoakustische Sensoren stellen hier eine deutlich weniger aufwändige Alternative zur Intensitätsbestimmung dar. Aufgrund des thermischen Messprinzips führen die Sensoren inhärent eine zeitliche Mittelung über alle einfallenden Schallereignisse durch, ohne dass eine Synchronisation auf einzelne Impulse notwendig wäre. Das in der Arbeitsgruppe entwickelte thermoakustische Messverfahren wurde erstmalig für die Exposimetrie an Sonographiegeräten eingesetzt. Um quantitative Intensitätsmessungen zu ermöglichen, musste dazu zunächst eine Kalibrierung in einem speziell entwickelten Substitutions­verfahren durchgeführt werden. Die Kalibrierung erfolgte im Frequenzbereich von 1 MHz bis 9 MHz, wodurch der wichtigste Bereich der üblicherweise in der Sonographie verwendeten Mittenfrequenzen abdeckt wird. Die ermittelte Übertragungsfunktion (Bild 1) gibt die im Sensor erzeugte Temperaturerhöhung pro einfallender Schallintensität an. Erste Intensitätsmessungen an einem Sonographiegerät, zunächst bei einfachen Impulssendefolgen, haben die vorteilhafte Einsetzbarkeit des Verfahrens belegt. Der Vergleich mit den Ergebnissen aus Hydrophonmessungen zeigt eine gute Übereinstimmung, wenn der räumliche Mittelungseffekt der thermoakustischen Sensoren berücksichtigt wird. Die räumliche Auflösung ist durch den zurzeit verwendeten Empfängerdurchmesser von 3 mm beschränkt und soll zukünftig erhöht werden.

Übertragungseigenschaften Ultraschallsensor

Bild 1. Übertragungseigenschaften eines thermoakustischen Ultraschallsensors; experimentelle Kalibrierdaten und lineare Regression in zwei Frequenzbereichen.

Ansprechpartner:

V. Wilkens, FB 1.6, AG 1.62, E-mail: volker.wilkens@ptb.de