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Einfachere Charakterisierung der Schallbündel von Ultraschalldiagnostikgeräten mithilfe thermischer Intensitätssensoren

12.10.2009

In der PTB entwickelte thermische Sensoren können vorteilhaft zur Messung von Intensitätsprofilen moderner diagnostischer Ultraschallgeräte eingesetzt werden und ergänzen die konventionelle Hydrophonmesstechnik.

Die Messung der Schallabgabe von medizinischen Ultraschallgeräten ist unerlässlich im Hinblick auf Patientensicherheit und Qualitätssicherung. Internationale Normen verlangen die Charakterisierung der emittierten Schallbündel z. B. hinsichtlich der Leistung, der Intensität, des maximalen Schallwechseldrucks und der Bündelabmessungen. Räumlich maximale zeitlich gemittelte Intensitäten sind insbesondere wichtig, da sie in Verbindung mit einer potentiellen thermischen Schädigung des Patienten stehen. Gewöhnlich werden lokale Intensitätsparameter aus Hydrophonmessungen abgeleitet. Allerdings können die Messprozeduren im Falle moderner multimodaler diagnostischer Ultraschallsysteme technisch extrem schwierig, zeitaufwendig und kostenintensiv sein. Anstatt im realen Betriebszustand, wie er in der medizinischen Anwendung eingesetzt wird, kann die Exposimetrie in solchen Fällen oft nur in speziellen Testbetriebszuständen und nur vom Hersteller selbst realisiert werden.

Die praktische Anwendbarkeit einer in der PTB entwickelten einfacheren und Kosten einsparenden thermischen Intensitätssensortechnik wurde nun anhand von ausgiebigen Vergleichsmessungen gezeigt. Die kürzlich erfolgte Miniaturisierung der Sensoren bietet eine räumlich-laterale Auflösung von 0,6 mm, was ähnlich wie bei gewöhnlich eingesetzten Hydrophonen ist. Die Methode hat sich als angemessene Alternative erwiesen zur Bestimmung zeitlich gemittelter Intensitätsverteilungen, d. h. zur Messung von axialen und lateralen Schallbündelprofilen. Die Vorteile der thermischen Sensortechnik zeigen sich besonders deutlich bei der Intensitätsmessung in scannenden und kombinierten Betriebsmoden des Diagnostikgerätes, bei der die Synchronisation zwischen Hydrophonmessungen und dem komplizierten Impulsfolgemuster sehr schwierig wenn nicht unmöglich sein kann. Da bei der thermischen Sensortechnik eine zeitliche Mittelung inhärent erfolgt, besteht hier keine Notwendigkeit mehr, die individuellen Wiederholraten aller verschiedenen am Messort auftretenden Schalldruckwellenformen zu bestimmen. Sogar aufkommende diagnostische Systeme, die Betriebsmoden ganz ohne feste Impuls- und Scanwiederholraten verwenden können, können mit der neuen Methode einfach charakterisiert werden.

Vergleich von mit dem thermischen Sensor gemessenen axialen Intensitätsprofilen mit hydrophonbasierten Ergebnissen für einen konvexen Array-Schallkopf, der im Puls-Doppler-Modus mit verschiedenen Brennweiteneinstellungen zroi betrieben wurde. Unsicherheiten im Bereich von ±20% bis ±30% sind üblich und akzeptabel für von Hydrophonmessungen abgeleitete Intensitätswerte. Die erhaltenen Abweichungen sind geringer als diese Unsicherheiten außer für geringe Abstände z, bei denen Vielfachreflexionen zu Störungen führen.

Bild 1: Vergleich von mit dem thermischen Sensor gemessenen axialen Intensitätsprofilen mit hydrophonbasierten Ergebnissen für einen konvexen Array-Schallkopf, der im Puls-Doppler-Modus mit verschiedenen Brennweiteneinstellungen zroi betrieben wurde. Unsicherheiten im Bereich von ±20% bis ±30% sind üblich und akzeptabel für von Hydrophonmessungen abgeleitete Intensitätswerte. Die erhaltenen Abweichungen sind geringer als diese Unsicherheiten außer für geringe Abstände z, bei denen Vielfachreflexionen zu Störungen führen.

Ansprechpartner:

Dr. V. Wilkens, FB 1.6, AG 1.62, E-mail: Volker.Wilkens@ptb.de