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Robuste Membranhydrophone für die Messung hochintensiver therapeutischer Ultraschallfelder

13.06.2016

In der AG 1.62 Ultraschall der PTB wurden in Kooperation mit der Gesellschaft für Angewandte Medizinische Physik und Technik (Opens external link in new windowGAMPT) mbH, Merseburg, besonders robuste piezoelektrische Membranhydrophone zur Messung extremer Schallwechseldruckverläufe zur Marktreife entwickelt.

Die Charakterisierung medizinischer hochintensiver therapeutischer Ultraschallgeräte stellt besondere Anforderungen an die dafür zur Schallwechseldruckmessung in Wasser eingesetzten Hydrophone. Für die Messung bei klinischen Pegeln im Fokalbereich der Sendewandler, die z. B. zur Krebstherapie durch Tumorablation eingesetzt werden, werden gleichzeitig extreme Robustheit, große Emfangsbandbreite, ein großer Dynamikbereich und kleine Empfängerelemente benötigt. Bisher vorhandene Messtechnik, wie z. B. faseroptische Hydrophone, konnte diese Anforderungen nur mit Einschränkungen erfüllen. Konventionelle piezoelektrische Membranhydrophone sind oftmals bevorzugte Messinstrumente, wenn es um die möglichst objektive Bestimmung von breitbandigen Ultraschallwellenformen geht, allerdings können sie bei sehr großen Schalldruckamplituden im Falle auftretender Kavitation sehr leicht zerstört werden.

Ausgehend von einem gemeinsamen vom BMWi geförderten MNPQ-Projekt (Messen, Normen, Prüfen, und Qualitätssicherung) von PTB und GAMPT mbH und einer in diesem Zusammenhang entstandenen Erfindung konnte die Entwicklung besonders robuster Membranhydrophone [1, 2] nun erfolgreich bis zur Marktreife vollendet werden. Bei dieser Konstruktion wird das empfindliche Sensorelement frontseitig durch eine dünne Edelstahlfolie geschützt (s. Abbildung 1), was dem Messgerät das Aussehen eines Taschenspiegels verleiht. Diese verhindert die Erosion der darunterliegenden Elektrode bei auftretender Kavitation im Wasser und außerdem erhöht sie durch ihre Glattheit die Schalldruckschwelle, ab der Kavitation an der Grenzfläche überhaupt auftritt. Die rückseitige Elektrode wird durch ein spezielles kavitationsfestes Öl geschützt, damit auch hier keine Kavitationsschäden auftreten. Das verwendete Öl besitzt eine an Wasser angepasste akustische Kennimpedanz, um akustische Reflexionen an der Rückseite zu minimieren.

 

Bild 1: Neuartige robuste Membranhydrophone („Taschenspiegel-Hydrophon“) zur Messung von hochintensiven therapeutischen Ultraschallwellen.

Nach erfolgter breitbandiger Kalibrierung der neuen „Taschenspiegel-Hydrophone“ in der PTB, können diese zur Ultraschallfeldmessung eingesetzt werden. Abbildung 2 zeigt beispielhafte Messergebnisse in Form von Schalldruckwellenformen für unterschiedliche Anregungspegel bei typischen Arbeitsfrequenzen von ca. 1 MHz und ca. 3 MHz im Fokus eines therapeutischen Sendewandlers. Man erkennt die mit zunehmendem Pegel zunehmende Verzerrung aufgrund der nichtlinearen Schallausbreitung und Beugung hin zu einer Sägezahnform mit deutlich größerem positiven als negativen Spitzenschalldruck. Ohne jegliche Schäden am Messinstrument konnten die dargestellten Messungen mit positiven und negativen Spitzenschalldrücken von bis zu 90 MPa bzw. 15 MPa durchgeführt werden. Das Empfangselement hat einen Durchmesser von nur 0,2 mm und Frequenzanteile bis zu 100 MHz werden berücksichtigt. Damit stellt das entwickelte Hydrophon eine signifikante Erweiterung der für die Ultraschallexposimetrie verfügbaren Messinstrumente und Werkzeuge dar. Erste Bestellungen für das Produkt liegen beim Kooperationspartner bereits vor.

Bild 2: Im Fokus eines hochintensiven therapeutischen Ultraschallfeldes gemessene Schalldruckverläufe bei 1,06 MHz (links) und 3,32 MHz (rechts) Anregungsfrequenz und diversen Pegeln.

 

Literatur:

[1] Wilkens, V., Sonntag, S., Georg, O., Robust spot-poled membrane hydrophones for measurement of large amplitude pressure waveforms generated by high intensity therapeutic ultrasonic transducers, J. Acoust. Soc. Am. 139, No.3, 1319-1332 (2016).

[2] Bessonova, O., Wilkens, V., Membrane hydrophone measurement and numerical simulation of HIFU fields up to developed shock regimes, IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr. 60 No.2 (2013) 290-300.

Ansprechpartner:

Volker Wilkens, FB 1.6, AG 1.62, E-Mail: Volker Wilkens, FB 1.6, AG 1.62, E-Mail: Opens window for sending emailvolker.wilkens(at)ptb.de