Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Referenzquellen für therapeutischen Ultraschall

27.08.2014

Wenn Ultraschall zu therapeutischen Zwecken eingesetzt wird, sind im Allgemeinen wesentlich höhere akustische Ausgangsleistungen vonnöten als für diagnostische Anwendungen. Die dafür benötigten hohen elektrischen Leistungen verursachen oftmals durch Erwärmung eine zeitliche Veränderung der Charakteristik der Ultraschallwandler. In der PTB wurde nun mit ausgewählten Geräten und einer Feed-forward-control-Software ein Referenz-Setup aufgebaut und damit die zeitliche Konstanz der Ultraschallfelder signifikant erhöht.

Stabile Betriebsbedingungen sind unerlässlich für die zuverlässige und reproduzierbare Charakterisierung von Ultraschallquellen. Für viele therapeutische Ultraschallanwendungen ist dies ein schwieriges Unterfangen, da die benötigten hohen elektrischen Leistungen die Ultraschallwandler während des Betriebs erwärmen und so deren elektrische Eigenschaften verändern.
Ein konkretes Szenario, bei dem dies zu Problemen führt, sind Sekundärkalibrierungen (z. B. von Schallstrahlungskraftmetern oder Hydrophonen), bei denen Messungen mit dem zu kalibrierenden Messgerät mit Messungen eines kalibrierten Messgerätes verglichen werden, was natürlich möglichst gleichbleibende Bedingungen erfordert.
Ein zweites Beispiel sind Bioeffekt-Studien, bei denen biologische Effekte in Gewebe mit akustischen Feldgrößen korreliert werden. Dazu wird in der Regel in einem ersten Schritt die interessierende akustische Größe (z. B. der negative Spitzendruck oder die zeitliche Durchschnittsintensität) gemessen und in einem zweiten Schritt die biologische Wirkung bei Beschallen des Gewebes unter gleichen Bedingungen bewertet.

In der PTB wurde nun untersucht, ob und wie die Stabilität therapeutischer Ultraschallfelder verbessert werden kann. Dazu wurden zunächst möglichst stabile Geräte zur Signalerzeugung, sowie zwei therapeutische Ultraschallwandler (ein Wandler für hochintensive therapeutische Ultraschall-Anwendungen (HITU) und ein Wandler für physiotherapeutische Anwendungen) ausgewählt. Im Bild 1 ist der transportabel gestaltete Aufbau abgebildet. Weiterhin wurde ein Feed-forward-control-Algorithmus implementiert, der die Eingangsspannung am Wandler kontinuierlich überwacht und computergesteuert stabilisiert.

Bild 1: Referenzquellen-Aufbau für therapeutischen Ultraschall mit Geräten zur Signalerzeugung und Spannungsmessung (im Rack), einem Laptop für die Feed-forward-control-Software und einem der beiden ausgewählten Ultraschallwandler (hinten im Wasserbehälter).

Mithilfe dieses Aufbaus wurde anschließend überprüft, ob die Stabilisierung der Eingangsspannung auch zu stabileren akustischen Feldwerten führt. In den gezeigten Diagrammen im Bild 2 ist deutlich erkennbar, dass die stabilisierte Eingangsspannung (rote Kurve im oberen Diagramm; schwarze Kurve: unstabilisierte Eingangsspannung zum Vergleich) auch zu einer deutlich stabileren Schalldruckamplitude (unteres Diagramm) führt.

Bild 2: Oberes Diagramm: Stabilisierte Eingangsspannung (rote Kurve im Vergleich zur schwarz dargestellten, unstabilisierten Eingangsspannung)
Unteres Diagramm: zugehörige Schalldruckamplituden.

Weiterhin wurden an diesem Aufbau über einen Zeitraum von einem Jahr zweimonatlich Ultraschall-Feldmessungen und -leistungsmessungen durchgeführt, um die Langzeit-Stabilität des Aufbaus zu überprüfen. Die Streuung der Werte über ein Jahr war mit 5 % (Feldmessungen) bzw. 2 % (Leistungsmessungen) dabei erfreulich gering.

Ansprechpartner:

Julian Haller, FB 1.6, AG 1.62, E-Mail: julian.haller@ptb.de
Volker Wilkens, FB 1. 6, AG 1. 62, E-Mail: volker.wilkens@ptb.de