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Breitbandige Referenzhydrophone für Ultraschall

Der von medizinischen Ultraschallgeräten erzeugte Schalldruck muss für eine sichere Anwendung dieser Diagnosetechnik bekannt sein. Für die Kalibrierung von Schalldruck-Messgeräten (Hydrophonen) wurde in der PTB ein neuartiges Referenzhydrophon entwickelt, das aufgrund seiner hohen Messbandbreite für die Messung der kurzen Schallpulse medizinischer Geräte besonders geeignet ist.

Herzstück des neuen Referenzhydrophons ist die vom roten Ring getragene dünne Folie mit einem 0,2 mm großen Elektrodenpaar im Zentrum.

Die korrekte Messung der kurzen und somit breitbandigen Impulse, die von diagnostischen Schallköpfen emittiert werden, erfordert Hydrophone mit einer Übertragungsfunktion, die im Idealfall über einen großen Frequenzbereich möglichst flach ist. Nichtideale Übertragungsfunktionen können mit der sogenannten Impulsentfaltungsmethode, die zukünftig Bestandteil der Normen für Hydrophonmessungen sein wird, kompensiert werden. Dafür benötigt man allerdings in einem großen Frequenzbereich nach Betrag und Phase bekannte Kalibrierdaten. An mehreren Stellen wird daher intensiv daran gearbeitet, den Frequenzbereich der Hydrophonkalibrierung zu erweitern.

In der PTB wurden spezielle breitbandige Referenz-Membranhydrophone entwickelt und hergestellt. Sie zeichnen sich durch einen geringen Durchmesser des Empfängerelektrodenpaars von 200 µm aus, das auf der Ober- und Unterseite einer dünnen piezoelektrischen Folie von nur 9 µm Dicke aufgebracht ist. Diese Konstruktion führt in Verbindung mit einer besonders breitbandigen Differentialverstärkerelektronik zu einem deutlich größeren nutzbaren Frequenzbereich als bei allen zurzeit kommerziell erhältlichen Hydrophonen. Der Frequenzgang ist bis 40 MHz extrem flach, und die für Hydrophone typische Dickenresonanz tritt bei dieser Foliendicke erst bei etwa 105 MHz auf. Für die Kalibrierung bei Frequenzen oberhalb von 70 MHz existieren allerdings bislang weltweit noch keine primären Normale und Kalibrierdaten basieren hier noch auf Modellannahmen oder auf Extrapolationen.

Für die Erweiterung und Verifikation von Kalibrierverfahren steht nun ein wichtiges, einfach nutzbares Hilfsmittel bereit. Neben einer solchen Verwendung als Sekundärnormal können Hydrophone dieser Bauart natürlich auch direkt zur Exposimetrie am Medizinprodukt vorteilhaft eingesetzt werden.

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