Simulation und Messung der Ultraschallwellenausbreitung

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Projektbeschreibung

Ultraschall findet in der Medizin sowohl in der Diagnostik (Bildgebung) als auch in der Therapie (z. B. Lithotripsie, Thermotherapie, Hemostasis) Anwendung. Sowohl die Ultraschallbildgebung wie auch die Lithotripsie mittels Ultraschall werden bereits seit Jahren erfolgreich eingesetzt. Fortschritte können nur mehr erzielt werden, wenn die physikalischen Zusammenhänge im Entwicklungsprozess noch genauer erfasst und beschrieben werden.

Dafür wird am Lehrstuhl das bestehende Finite-Elemente-Simulations-Programm CFS++ um folgende wichtige Punkte ergänzt. Ein Knackpunkt der Simulation ist die Implementierung einer frequenzrichtigen Dämpfung. Messungen der Dämpfung von Ultraschallwellen in Gewebe folgen einem nichtlinearen Zusammenhang. Bestehende Simulationspakete können lediglich eine Dämpfung, die proportional zur Frequenz im Quadrat ist, berücksichtigen. Davon ausgehend kann die absorbierte Schallenergie und damit die Erwärmung in Gewebe berechnet werden. Des weiteren sollen nichtlineare Effekte bei der Schallausbreitung berücksichtigt werden, wie z. B. die Generierung von höheren Harmonischen resultierend aus einer Verzerrung der Wellenfront. Bereits 1980 wurde experimentell bestätigt, dass nichtlineare Ausbreitungseffekte schon bei Leistungsdichten, wie sie im diagnostischen Ultraschall Anwendung finden, eine Rolle spielen. Simulationsergebnisse werden durch Messungen am lehrstuhleigenen Ultraschallmessplatz verifiziert. Physikalische Größen wie Druck oder Temperatur werden in Prüfkörpern, so genannten TMMs (engl. tissue mimicking material), welche sich in deionisiertem Wasser befinden, gemessen.

Abbildung 1: Schallfeld eines fokussierenden Ultraschallwandlers.

Schlagworte:

Ultraschall, Finite-Elemente-Simulation, Absorption, Nichtlineare Wellenausbreitung