Qualität ist oberstes Gebot:

Ultraschall-Piezoelemente in der Medizintechnik

Dieses kabellose Fetalmonitoringsystem kann selbst bei Drillingsschwangerschaften die Herztöne aller Föten synchronisiert erfassen, d. h. mit derselben Impuls-Dichte. Bild: Philips

Ultraschall, also Schall oberhalb des menschlichen Hörfrequenzbereichs ab etwa 16 kHz, wird in der Medizintechnik und Forschung vielfältig genutzt. Das Spektrum reicht von Abstandsbestimmung und Objekterkennung, Füllstand- oder Durchflussmessungen über hochauflösende Materialprüfungen bis hin zur medizinischen Diagnostik und Therapie. Piezoelemente spielen hierbei häufig eine Schlüsselrolle, so auch bei einem neuen System zur kabellosen Überwachung von Mutter und Kind während Schwangerschaft und Geburt.

Das Erzeugen und Detektieren von Ultraschall ist die klassische Piezo-Anwendung, denn beim Anlegen einer Wechselspannung beginnt das Piezoelement zu schwingen. Bei Krafteinwirkung wird eine elektrische Spannung erzeugt (direkter Piezoeffekt) und unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes verändern sich die Abmessungen (inverser Piezoeffekt). Piezoelemente wandeln also mechanische in elektrische Energie um und umgekehrt, man spricht deshalb auch von Ultraschall-Wandlern. Der Piezoeffekt beruht dabei ausschließlich auf Verschiebungen innerhalb des Kristallgitters des piezoelektrischen Elements. Es gibt daher keine mechanische Reibung und keinen Verschleiß im klassischen Sinne und die Sensibilität ist hoch. Bereits kleinste Deformationen erzeugen unmittelbar eine messbare Ladungsverschiebung . Umgekehrt bewirkt eine kleine elektrische Spannung eine sofortige Auslenkung. Piezoelemente lassen sich dadurch gleichzeitig als Sensor und Aktor nutzen, können also nicht nur Ultraschall erzeugen, sondern auch detektieren. Die kurzen Ansprechzeiten und die hohe Dynamik dieser Bewegungen kommen der Ultraschallerzeugung natürlich ebenfalls entgegen.

Bei Piezoelementen sind unterschiedliche Varianten realisierbar, die die Anpassung an die jeweilige Anwendung ermöglichen: z.B. Rohre, Scheiben, Bieger, Scherelemente oder Translatoren. Bild: PI

Bei Piezoelementen sind unterschiedliche Varianten realisierbar, die die Anpassung an die jeweilige Anwendung ermöglichen: z.B. Rohre, Scheiben, Bieger, Scherelemente oder Translatoren.
Bild: PI

Außerdem lassen sich Piezoelemente auch gut an die jeweiligen Anwendungsanforderungen anpassen, denn neben der auf die jeweilige Applikation bezogene Materialauswahl sind unterschiedliche geometrische Varianten und Resonanzfrequenzen realisierbar. Je nach Anwendung gilt es allerdings bei der Fertigung der Piezos hohe Qualitätsstandards zu erfüllen. Bei Ultraschall-Wandlern für Herzton-Wehenschreiber (Fetalmonitore oder CTGs), also die Überwachung der Herztöne des ungeborenen Kindes, sind die Anforderungen besonders hoch.

Fetalmonitoring: identische Überwachung für bis zu drei Föten

Die Philips Medizin Systeme Böblingen GmbH gilt als Marktführer für Patienten-Monitoringsysteme. Jetzt hat das erfolgreiche Unternehmen einen neuen drahtlos arbeitenden Wehenschreiber entwickelt. Mit seiner Hilfe lassen sich selbst bei Drillingsschwangerschaften die Herztöne aller Föten synchron erfassen, d. h. mit derselben Impuls-Dichte. Alle Föten erhalten so die gleiche Überwachungsqualität; sie werden jeweils mit 3000 Ultraschall-Impulspaketen pro Sekunde (Bursts) überwacht.

Innenleben des Ultraschall-Transducers. Sieben identische Piezoelemente sind symmetrisch angeordnet und arbeiten sowohl als Sender als auch Empfänger für Ultraschall. Bild: Philips

Innenleben des Ultraschall-Transducers. Sieben identische Piezoelemente sind symmetrisch angeordnet und arbeiten sowohl als Sender als auch Empfänger für Ultraschall.
Bild: Philips

Im Inneren des Ultraschall-Aufnehmers (Transducers) sind sieben identische Piezoelemente symmetrisch angeordnet und arbeiten sowohl als Sender als auch Empfänger für Ultraschall. Das empfangene Signal wird einerseits in einem Signalverarbeitungsschritt von Träger abgetrennt, gefiltert und akustisch ausgegeben, um die Positionierung des Aufnehmers zu erleichtern, und andererseits einer weiteren Signalverarbeitungsstufe zugeführt. Dort wird das Signal gleichgerichtet, gefiltert und in der Abtastfrequenz reduziert. Mit Hilfe einer Autokorrelation wird aus diesem Signal die fötale Herzfrequenz, idealerweise für jeden Herzschlag, ermittelt. Die Grundlage für diese aufwendigen Berechnungen liefert der sogenannte Dopplereffekt, d.h. die Frequenzverschiebung zwischen abgestrahlter und am gleichen Piezowandler empfangener, reflektierter Wellenfront der Ultraschallwellen wird ausgewertet. Die Reflexion wird verursacht durch bewegte Strukturen wie zum Beispiel durch die Bewegung des Herzmuskels des ungeborenen Kindes. Der Herzschlag der Föten lässt sich auf diese Weise erkennen und überwachen.

Qualitätssicherung: Konstante Ultraschallparameter, Oberflächenreinheit und Klebung

Bei der Auswahl der eingesetzten Piezoelemente legte der Hersteller strenge Qualitätsanforderungen zugrunde. Nur wenn die Piezoelemente die geforderten Kriterien erfüllen, lassen sich die Ansteuerung des Transducers und die Algorithmen zur Auswertung optimal aufeinander abstimmen. Erst dadurch kommt man zu den genauen Ergebnissen, die die lückenlose Überwachung der bis zu drei Föten möglich machen. Wichtige Voraussetzungen sind deshalb die konstante Ultraschallperformance der Piezoelemente als Sender und Empfänger ebenso wie beispielsweise die Güte der Klebung. Diese muss einerseits möglichst fest sein, um die Ultraschallsignale optimal auf die Oberfläche zu leiten und in die auswertende Elektronik einzukoppeln, andererseits soll sie aber auch elastisch bleiben, um Stöße zu verkraften. Schließlich darf der Transducer im alltäglichen Klinikgebrauch auch bei einem versehentlichen Herunterfallen nicht gleich beschädigt werden.

Als ideal für die Anwendung erweisen sich schließlich scheibenförmige Piezoelemente der PI Ceramic GmbH, die zur PI-Gruppe gehört (vgl. Firmenkasten). Die Piezos „Made in Germany“ überzeugten mit sehr geringen Tolerierungen der für die Ultraschallperformance relevanten piezoelektrischen Parameter wie der Resonanzfrequenz, der elektrischen Kapazität und der Kopplungskoeffizienten. Außerdem weisen die Piezoelemente eine extrem hohe Oberflächenreinheit auf. Dadurch ermöglichen sie eine optimale, also feste und gleichzeitig elastische Klebung. Der Transducer trägt bei einem Fall aus 1,5 m Höhe schlimmstenfalls kosmetische Schäden davon.

Horizontalschnitt durch das Schallfeld eines Transducers, der am Boden eines Wasserbeckens angebracht ist, aufgenommen mit einem hochempfindlichen Hydrophon in etwa 20 mm Abstand von der Transduceroberfläche. Bild: Philips

Horizontalschnitt durch das Schallfeld eines Transducers, der am Boden eines Wasserbeckens angebracht ist, aufgenommen mit einem hochempfindlichen Hydrophon in etwa 20 mm Abstand von der Transduceroberfläche.
Bild: Philips

Konstante Ultraschallperformance

Im Fertigungsprozess wird die Qualität der Klebeverbindungen kontinuierlich durch entsprechende Messungen der Klebekraft überwacht. Natürlich wird auch die Signalstärke intensiv geprüft, damit alle sieben Piezoelemente im fertigen Transducer schlussendlich auch wirklich mit identischer Signalstärke arbeiten und beim Empfangen der Signale ebenfalls gleich reagieren. Das Schallfeld wird mit einem Drei-Achsen-Messsystem räumlich vermessen, um das Schallfeld zu optimieren. Ziel ist es, ein gleichmäßiges, möglichst zylinderförmiges Schallfeld zu erhalten.

Räumliche Darstellung des Schallfelds der Ultraschall-Sender. Die Signale der einzelnen Sender überlagern sich und führen zu einer Konzentration des Gesamtsignals. Bild: Philips

Räumliche Darstellung des Schallfelds der Ultraschall-Sender. Die Signale der einzelnen Sender überlagern sich und führen zu einer Konzentration des Gesamtsignals.
Bild: Philips

Das Resultat der qualitätsorientierten Produktion ist eine homogene Ultraschallperformance des Transducers. Außerdem lässt sich eine immer ausreichende Eindringtiefe des Ultraschalls garantieren. Letzteres ist wichtig, da sich in fast allen Ländern der Trend zu Adipositas fortsetzt und so immer mehr Gewebe von dem Ultraschall durchdrungen werden muss. Gleichzeitig ist sichergestellt, dass der Energieeintrag ins Gewebe so gering wie möglich ist. Er liegt deutlich unter den von den entsprechenden Normen geforderten Werten.

Außerdem galt es bei der Fertigung der Piezoelemente noch weitere applikationsspezifische Anforderungen zu berücksichtigen. So wurden die Polaritätsmarkierungen der Piezoelemente auf Wunsch des Anwenders so angebracht, dass sie auch bei der vor dem Einbau in die Transducer obligatorischen Reinigung nicht verwechselt werden. Die Handhabung beim Anwender vereinfacht sich durch die gut sichtbare Polaritätsmarkierung beträchtlich. Die Piezoelemente „Made in Germany“ haben bei dem neuen kabellosen Fetalmonitoringsystem damit nicht nur in technischer, sondern auch in praktischer Hinsicht überzeugt.

Über Physik Instrumente (PI)
Das Unternehmen Physik Instrumente (PI) ist für die hohe Qualität seiner Produkte bekannt und nimmt seit vielen Jahren eine Spitzenstellung auf dem Weltmarkt für präzise Positioniertechnik ein. Seit über 40 Jahren entwickelt und fertigt PI Standard- und OEM-Produkte mit Piezo- oder Motorantrieben. Mit vier Standorten in Deutschland und fünfzehn ausländischen Vertriebs- und Serviceniederlassungen ist die PI Gruppe international vertreten.

Titelbild: Philips

Dipl.-Phys. Birgit Schulze

Markt & Produkte bei Physik Instrumente (PI)

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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