WEBVTT - generated by Medienportal Hochschule Merseburg 1 00:00:00.520 --> 00:00:02.880 Mein Name ist Klaus Jenderka, ich hab hier an der Hochschule 2 00:00:02.880 --> 00:00:05.880 die Professur für Physik-, Sensor- und Ultraschalltechnik 3 00:00:05.960 --> 00:00:07.640 und ich möchte Ihnen heute erklären, 4 00:00:07.640 --> 00:00:10.960 wie man mithilfe von Ultraschall Werkstoffe prüfen kann, 5 00:00:11.480 --> 00:00:14.960 Bilder erzeugen kann von Werkstücken, aber auch von Menschen 6 00:00:16.200 --> 00:00:19.080 für die medizinische Diagnostik. 7 00:00:19.080 --> 00:00:19.520 Das Kernelement 8 00:00:19.520 --> 00:00:23.960 für diese Untersuchungen und Messungen sind Ultraschallwandler. 9 00:00:24.320 --> 00:00:27.320 Sie sehen hier ein Beispiel so eines Ultraschallwandlers. 10 00:00:27.320 --> 00:00:30.520 Das wesentliche Element in diesem Wandler ist eine Piezokeramik 11 00:00:30.800 --> 00:00:33.960 und wir nutzen den piezoelektrischen Effekt für das Erzeugen 12 00:00:33.960 --> 00:00:36.960 von Schallwellen, aber auch für das Empfangen von Schallwellen. 13 00:00:37.200 --> 00:00:38.680 Wir haben jetzt einen solchen 14 00:00:38.680 --> 00:00:43.360 Ultraschallwandler auf einem Teststück Probematerial platziert 15 00:00:43.840 --> 00:00:47.000 und von unserem Pulser-Reciever 16 00:00:47.360 --> 00:00:50.480 wird ein kurzer Spannungspuls erzeugt, 17 00:00:50.480 --> 00:00:53.560 der an diesem Schallkopf einen Ultraschallimpuls erzeugt. 18 00:00:53.560 --> 00:00:56.960 Der Ultraschallimpuls läuft durch die Probe durch, wird am Ende reflektiert 19 00:00:57.200 --> 00:00:58.360 und kommt zurück zum Schallkopf 20 00:00:58.360 --> 00:01:02.000 und erzeugt hier ein elektrisches Signal, was er dann auf dem Bildschirm darstellen kann, 21 00:01:02.000 --> 00:01:05.000 Wir sehen also hier auf dem Bildschirm ganz links das Sendesignal 22 00:01:06.000 --> 00:01:09.000 und hier als größeres Echo 23 00:01:09.000 --> 00:01:12.000 das Echo von der Rückwand dieses Probekörpers. 24 00:01:13.000 --> 00:01:15.000 Diese Laufzeit von 25 00:01:15.000 --> 00:01:18.000 ungefähr 60 Mikrosekunden entspricht also der Zeit, die der Schall braucht, 26 00:01:18.000 --> 00:01:22.000 um vom Schallkopf zu Rückwand zu gehen und von dort zurück zum Schallkopf. 27 00:01:23.000 --> 00:01:27.000 Wir können also über die mit Kenntnis der Schallgeschwindigkeit in diesem Medium 28 00:01:28.000 --> 00:01:31.000 Kunststoff etwas über 2000 Meter pro Sekunde 29 00:01:31.000 --> 00:01:35.000 können wir also auch den Abstand messen. Der Abstand wäre im Prinzip 30 00:01:35.000 --> 00:01:38.000 die Schallgeschwindigkeit mal die Zeit, 31 00:01:39.000 --> 00:01:42.000 Wir können also hier sehen das Echo von dieser Rückwand. 32 00:01:42.000 --> 00:01:43.000 Und wenn ich jetzt diesen Schallkopf 33 00:01:43.000 --> 00:01:47.000 etwas verschiebe, dann komme ich hier zum Beispiel auf ein 34 00:01:47.000 --> 00:01:50.000 und steht hier weiter vorn ein Echo, 35 00:01:50.000 --> 00:01:53.000 was wir gleichzeitig sehen mit dem Echo von der Rückwand. 36 00:01:53.000 --> 00:01:56.000 Und das ist jetzt das Echo, was hier an diesem, 37 00:01:56.000 --> 00:01:58.000 an dieser Störung, an dieser Bohrung entsteht. 38 00:01:58.000 --> 00:02:01.000 Ich könnte also jetzt hier messen den Abstand vom Schallkopf 39 00:02:01.000 --> 00:02:05.000 zu dieser Bohrung oder auch den Abstand von dem Bohrung zur Rückwand. 40 00:02:06.000 --> 00:02:09.000 Und jetzt habe ich hier im Bild verschiedene Bohrungen, die sich immer 41 00:02:09.000 --> 00:02:15.000 näher am Schallkopf befinden und die kann ich jetzt nach und nach darstellen. 42 00:02:15.000 --> 00:02:19.000 Ich kann also in einem Werkstück verschiedene Defekte, 43 00:02:19.000 --> 00:02:21.000 Hohlräume detektieren. 44 00:02:21.000 --> 00:02:26.000 Hier ganz links haben wir eine Störung, die aus zwei sehr kleinen Löchern besteht. 45 00:02:27.000 --> 00:02:29.000 Auch die kann ich hier noch getrennt auflösen. 46 00:02:29.000 --> 00:02:30.000 Als zwei separate Störungen. 47 00:02:31.000 --> 00:02:32.000 Damit wäre 48 00:02:32.000 --> 00:02:38.000 das einfache Prinzip der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung funktional erklärt. 49 00:02:38.000 --> 00:02:40.000 Es beruht auf dem Impuls Echo Prinzip. 50 00:02:40.000 --> 00:02:44.000 Was man also damals schon nach der Titanic Katastrophe angefangen hat 51 00:02:44.000 --> 00:02:47.000 zu entwickeln, um die Hindernisse im Wasser zu erkennen. 52 00:02:49.000 --> 00:02:52.000 Das Verfahren wird als A-Bild 53 00:02:52.000 --> 00:02:55.000 bezeichnet, weil wir praktisch Amplituden 54 00:02:55.000 --> 00:02:58.000 der Echos darstellen, A wie Amplitude. 55 00:02:58.000 --> 00:03:03.000 Um aus dem A- Bild, was wir gerade besprochen haben, ein B-Bild zu erzeugen, 56 00:03:03.000 --> 00:03:06.000 das heißt aus dieser eindimensionalen eine zweitdimensionale Bildinformation zu machen, 57 00:03:07.000 --> 00:03:10.000 müssen wir den Schallkopf jetzt seitlich über die Probe verschieben. 58 00:03:11.000 --> 00:03:14.000 Das heißt, wenn wir das verschieben, wird Linie neben Linie aufgezeichnet 59 00:03:14.000 --> 00:03:18.000 und wir können die Amplituden umwandeln in Farbwerte oder Grauwerte 60 00:03:18.000 --> 00:03:19.000 und so ein Bild erstellen. 61 00:03:19.000 --> 00:03:23.000 Ich zeige das einmal, indem ich jetzt den Scan starte 62 00:03:23.000 --> 00:03:26.000 und dann manuell mit der Hand diesen Schallopf verschiebe. 63 00:03:39.000 --> 00:03:41.000 Wir haben auf diese Weise ein Bild erhalten, 64 00:03:41.000 --> 00:03:43.000 wo man hier sehr schön sieht, 65 00:03:43.000 --> 00:03:44.000 dass hier diese beiden 66 00:03:44.000 --> 00:03:47.000 Echos von diesen nah beieinander liegenden Bohrungen zu erkennen sind 67 00:03:48.000 --> 00:03:51.000 und dann nacheinander immer näher am Schallkopf 68 00:03:51.000 --> 00:03:54.000 dieser einzelnen Bohrung hier im Bild dargestellt sind. 69 00:03:54.000 --> 00:03:57.000 Das heißt, ich kann hier die räumliche Anordnung erkennen. 70 00:03:57.000 --> 00:04:01.000 Ich kann auch erkennen, ob es sich um große oder kleinere Bohrung handelt. 71 00:04:01.000 --> 00:04:03.000 Man sieht, auch wenn die Bohrung näher 72 00:04:03.000 --> 00:04:06.000 am Schallkopf ist, dass das Signal heller dargestellt wird. 73 00:04:07.000 --> 00:04:09.000 Und man kann auch erkennen, hier hinten bei diesen 74 00:04:09.000 --> 00:04:12.000 Rückwand Echos, dass dort wo eine Bohrung davor 75 00:04:12.000 --> 00:04:15.000 ist, das Rückwandecho jeweils etwas abgeschwächt ist. 76 00:04:15.000 --> 00:04:18.000 So entsteht ein Bild und ich kann Informationen aus dem Inneren 77 00:04:18.000 --> 00:04:20.000 einer Probe erhalten. 78 00:04:20.000 --> 00:04:22.000 Auch wenn ich hier nicht direkt reingucken könnte. 79 00:04:23.000 --> 00:04:23.000 So, wir haben 80 00:04:23.000 --> 00:04:27.000 jetzt hier ein Bildgebungsystem, wie man es auch im Krankenhaus findet. 81 00:04:27.000 --> 00:04:30.000 Für die Abbildung 82 00:04:31.000 --> 00:04:34.000 aus dem Inneren des Patienten, das heißt für die medizinische Bildgebung. 83 00:04:34.000 --> 00:04:35.000 Das heißt, die Ultraschall Bildgebung ist 84 00:04:35.000 --> 00:04:39.000 eines der vielen bildgebenden Verfahren in der medizinischen Diagnostik. 85 00:04:39.000 --> 00:04:42.000 Wir benutzen hier auch wieder Schallköpfe Schallwandler, 86 00:04:42.000 --> 00:04:46.000 die Ultraschallimpulse erzeugen, die Echos empfangen. 87 00:04:46.000 --> 00:04:51.000 Die Besonderheit bei diesen Schallköpfen hier ist, das wir hier eingebaut 88 00:04:51.000 --> 00:04:54.000 nicht nur einen Wandler haben, sondern ungefähr 128 parallel 89 00:04:54.000 --> 00:04:58.000 nebeneinander angeordnete Wandler, die alle einzeln angesteuert werden können. 90 00:04:59.000 --> 00:05:02.000 Dadurch ist es uns ermöglicht, elektronisch zu scannen. 91 00:05:02.000 --> 00:05:03.000 Ich muss also nicht mit der Hand 92 00:05:03.000 --> 00:05:06.000 den Schallkopf fahren, sondern das macht das Gerät automatisch. 93 00:05:07.000 --> 00:05:10.000 Hier ist ein typisches Tesobjekt, was man nutzen kann, 94 00:05:10.000 --> 00:05:13.000 um die Funktionsfähigkeit eines solches Gerätes zu überprüfen. 95 00:05:13.000 --> 00:05:16.000 Man hat hier eingebaut verschiedene Targets, 96 00:05:16.000 --> 00:05:20.000 Punktreflektoren, Hohlräume als sogenannte künstliche Zysten. 97 00:05:20.000 --> 00:05:21.000 Und hier noch Bereiche, 98 00:05:21.000 --> 00:05:24.000 die unterschiedlich stark den Ultraschall streuen. 99 00:05:24.000 --> 00:05:27.000 Ich setze den Schallkopf also auf, muss also auch hier Wasser 100 00:05:27.000 --> 00:05:29.000 als Koppelmedium nehmen. 101 00:05:29.000 --> 00:05:30.000 Wenn da bei 102 00:05:30.000 --> 00:05:33.000 einem Patienten würde man dann Gel nehmen und man sieht hier im Bild jetzt bereits 103 00:05:34.000 --> 00:05:36.000 diese einzelnen Punkte, das heißt diese einzelnen 104 00:05:36.000 --> 00:05:39.000 Targets als Reflektoren punktförmig dargestellt 105 00:05:40.000 --> 00:05:43.000 und ich kann jetzt den Schall verschieben, mir verschiedene Positionen 106 00:05:43.000 --> 00:05:44.000 hier anschauen. 107 00:05:44.000 --> 00:05:47.000 Jetzt kommen diese künstlichen Zysten ins Bild 108 00:05:47.000 --> 00:05:50.000 und hier noch weiter drüben diese Bereiche, die stärker streuen. 109 00:05:51.000 --> 00:05:54.000 Also dieser Helligkeitsunterschiede. 110 00:05:54.000 --> 00:05:56.000 Das können zum Beispiel verschiedene Organe sein. 111 00:05:58.000 --> 00:05:58.000 Der Vorteil von 112 00:05:58.000 --> 00:06:02.000 solchen Schallköpfen, die alle aus mehreren Piezoelementen 113 00:06:02.000 --> 00:06:04.000 bestehen, die separat angesteuert werden können, 114 00:06:04.000 --> 00:06:06.000 dass sich sowohl die Fokussierung, das heißt 115 00:06:06.000 --> 00:06:09.000 also das Fokussieren des Schallbündels auf einen bestimmten tiefen Punkt 116 00:06:10.000 --> 00:06:13.000 als auch das Scannen, das Abtasten alles elektronisch machen können. 117 00:06:13.000 --> 00:06:16.000 Durch die eingebaute Elektronik im Gerät. 118 00:06:16.000 --> 00:06:19.000 Ich habe das Gerät mal umgestellt und den Schallkopf benutzt, 119 00:06:19.000 --> 00:06:22.000 um hier in meinen Finger hineinzuschauen. 120 00:06:23.000 --> 00:06:24.000 Man kann also sehen, 121 00:06:24.000 --> 00:06:29.000 dass ich hier schon noch kurz den Abstand auf die Knochenoberfläche treffe. 122 00:06:29.000 --> 00:06:30.000 Der Fingerknochen. 123 00:06:30.000 --> 00:06:34.000 Man kann auch hier den Gelenkspalt sehen, der sich hier im Finger befindet. 124 00:06:34.000 --> 00:06:38.000 Und wenn ich also meine Fingerspitze bewege, sieht man auch im Livebild, 125 00:06:38.000 --> 00:06:41.000 dass sich hier oben eine Sehne etwas verschiebt. 126 00:06:44.000 --> 00:06:47.000 Das heißt, der große Vorteil von Ultraschall gegenüber anderen 127 00:06:47.000 --> 00:06:51.000 Bildgebungsverfahren ist, dass es sich um ein Echtzeitbild handelt. 128 00:06:51.000 --> 00:06:55.000 Ich kann also jederzeit real sehen, was ich im Augenblick im Körper 129 00:06:56.000 --> 00:06:57.000 abspielt. 130 00:06:57.000 --> 00:07:01.000 Eine andere Anwendung wäre zum Beispiel, dass ich auch versuchen kann, 131 00:07:01.000 --> 00:07:04.000 meine Schilddrüse darzustellen. 132 00:07:04.000 --> 00:07:07.000 Da muss ich also etwa so umstellen. 133 00:07:07.000 --> 00:07:10.000 Hier sieht man jetzt die Schilddrüse, hier die Luftröhre, 134 00:07:10.000 --> 00:07:16.000 und hier wenn ich jetzt still bin, 135 00:07:17.000 --> 00:07:20.000 Sieht man auch, dass große Blutgefäße, was mein Gehirn mit Blut versorgt. 136 00:07:20.000 --> 00:07:22.000 Gott sei Dank. 137 00:07:22.000 --> 00:07:25.000 Wir haben ja gerade gesehen, dass man mit Ultraschall 138 00:07:25.000 --> 00:07:28.000 Informationen aus dem Körper oder aus Werkstücken gewinnen kann. 139 00:07:29.000 --> 00:07:30.000 Genauso kann man natürlich auch mit Ultraschall, 140 00:07:30.000 --> 00:07:34.000 wenn man die Energie, die Intensität vergrößert, auch Wirkung erzielen. 141 00:07:34.000 --> 00:07:37.000 Eine der bekanntesten Wirkungen von Ultraschall, die genutzt wird, 142 00:07:37.000 --> 00:07:39.000 ist die Ultraschallreinigung. 143 00:07:39.000 --> 00:07:42.000 Aber auch in der Medizin gibt es therapeutische Anwendungen, so 144 00:07:42.000 --> 00:07:47.000 die so genannte Focused Ultrasound Surgery, also Operationen mit Ultraschall. 145 00:07:47.000 --> 00:07:50.000 Ich kann also, wenn ich einen speziellen Schallkopf habe, 146 00:07:50.000 --> 00:07:54.000 der gewölbt ist, damit einen geometrischen Fokus besitzt, 147 00:07:54.000 --> 00:07:57.000 der ungefähr in fünf Zentimeter Abstand von diesem Schallkopf ist. 148 00:07:57.000 --> 00:08:00.000 Die gesamte Energie, die von dieser Fläche abgegeben wird, 149 00:08:00.000 --> 00:08:02.000 auf einen Punkt konzentrieren. 150 00:08:02.000 --> 00:08:05.000 Das heißt damit auch sehr, sehr hohe Ultaschallintensitäten. 151 00:08:05.000 --> 00:08:08.000 Und die sind so hoch, dass wenn der Ultraschall absorbiert wird, 152 00:08:08.000 --> 00:08:11.000 in einem Medium, zum Beispiel in einem Stückchen Kunststoff, 153 00:08:11.000 --> 00:08:15.000 solche Temperaturen erzeugt, so hoch, dass der Kunststoff aufgeschmolzen wird. 154 00:08:16.000 --> 00:08:18.000 Neben dem Aufschmelzen von Kunststoffen, zum Beispiel 155 00:08:18.000 --> 00:08:21.000 Plexiglas, gibt es auch die Möglichkeit für die Anwendung und die Therapie. 156 00:08:22.000 --> 00:08:25.000 So kann man also auch mit so sehr hohen Temperaturen in Körpern 157 00:08:25.000 --> 00:08:28.000 Zellen zerstören, zum Beispiel Tumorzellen. 158 00:08:29.000 --> 00:08:34.000 Und diese Anwendung gibt es heute schon, zum Beispiel für die Leber oder auch für 159 00:08:34.000 --> 00:08:38.000 gutartige Miome der Gebärmutter oder auch für Prostatakarzinom. 160 00:08:40.000 --> 00:08:41.000 Wir haben also hier einen Aufbau mit diesem fokussierten 161 00:08:41.000 --> 00:08:45.000 Schallkopf, einen Generator, der eine Frequenz erzeugt 162 00:08:45.000 --> 00:08:48.000 im Dauerschall wo der Wandel angesteuert wird. 163 00:08:48.000 --> 00:08:51.000 Entsprechend muss natürlich das Signal von Generator noch verstärkt werden. 164 00:08:52.000 --> 00:08:53.000 Ich bringe jetzt dieses Stückchen 165 00:08:53.000 --> 00:08:56.000 Kunststoff hier in den Bereich, Vor den Schall Kopf 166 00:08:56.000 --> 00:09:00.000 und schalte jetzt den Ultraschall ein und wir werden sehen, 167 00:09:00.000 --> 00:09:03.000 dass hier nach kurzer Zeit der Kunststoff auf schmilzt. 168 00:09:11.000 --> 00:09:13.000 Man kann also hier schon erkennen, 169 00:09:13.000 --> 00:09:16.000 dass das Plexiglas hier in diesem Bereich aufgeschmolzen ist. 170 00:09:16.000 --> 00:09:19.000 Es ist eine Blase entstanden. 171 00:09:19.000 --> 00:09:21.000 Das heißt, ein Material wurde zerstört. 172 00:09:21.000 --> 00:09:24.000 Wir haben heute gesehen, dass es vielfältige Anwendungen 173 00:09:24.000 --> 00:09:26.000 von Ultraschall gibt. 174 00:09:26.000 --> 00:09:29.000 Zur Diagnostik, sowohl in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, 175 00:09:29.000 --> 00:09:34.000 also Diagnostik von Bauteilen oder aber auch in der Diagnostik von Patienten, 176 00:09:34.000 --> 00:09:36.000 um Informationen aus dem Körperinneren zu gewinnen 177 00:09:36.000 --> 00:09:39.000 und so Einschätzungen und Befunde zu erheben. 178 00:09:39.000 --> 00:09:42.000 Genauso kann man Ultraschall auch anwenden, wenn man die Intensität erhöht 179 00:09:43.000 --> 00:09:48.000 und Wirkung erzielen will, zum Beispiel Werkstoffe bearbeiten. 180 00:09:48.000 --> 00:09:51.000 Es gibt Ultraschallschweißen, Ultraschallbohren, 181 00:09:52.000 --> 00:09:55.000 Ultraschallreinigung oder eben für therapeutische Zwecke der Medizin, 182 00:09:55.000 --> 00:09:58.000 kann man damit zum Beispiel Tumorzellen zerstören? 183 00:09:58.000 --> 00:10:01.000 Wir haben das hier gezeigt. Als Beispiel an einem Stückchen Kunststoff. 184 00:10:02.000 --> 00:10:03.000 Wichtig 185 00:10:03.000 --> 00:10:06.000 ist beim Ultraschall, dass man die richtige Frequenz wählt. 186 00:10:06.000 --> 00:10:09.000 Hohe Frequenz heißt wir haben kurze Wellenlängen, wir haben eine gute Auflösung. 187 00:10:09.000 --> 00:10:12.000 Wir können hochaufgelöste Bilder erzeugen. 188 00:10:12.000 --> 00:10:14.000 Es kommt auf die Spannung an, die Ultraschall 189 00:10:14.000 --> 00:10:17.000 Amplituden bei kleinen Amplituden, kleinen Intensitäten. 190 00:10:17.000 --> 00:10:19.000 Ist das Verfahren sicher. 191 00:10:19.000 --> 00:10:23.000 Es gibt keine ionisierende Strahlung, ist auch für die Medizin relevant 192 00:10:23.000 --> 00:10:27.000 Und wenn man Wirkung erzielen will, dann kann man ganz punktuell gezielt 193 00:10:27.000 --> 00:10:30.000 die Amplituden erhöhen, die Intensitäten erhöhen 194 00:10:30.000 --> 00:10:33.000 und damit eben auch Wirkung erzielen.