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Ein 500kHz Ultraschallwandler als HIFU System

Von Mai bis November 2007 habe ich in den USA (East Lansing, Michigan) meine Studienarbeit geschrieben.
Das Thema war: “A 500 kHz ultrasound phased array HIFU driving system”

Es ging darum die Steuerung eines 500 kHz Ultraschallwandlers zu bauen. 64 Piezzokristalle mussten so angesteuert werden, dass sich ein variabler Fokus des Schallfeldes einstellen lässt. Betrieben wurde der Ultraschallwandler an einem mit Wasser gefüllten Plexiglas Tank.

Anwendungsgebiete:

HIFU (high intensity focused ultrasound) Systeme:
Durch die Erzeugung von Hitze im Fokus kann krankes Gewebe (wie z.B. Tumore) zerstört werden. Durch Variation des Fokus können so auch ganze Gebiete behandelt werden. Die Vorteile dabei sind, dass die Methode nicht invasiv ist und aufgrund des kleinen Fokus sehr präzise arbeitet.
Außerdem kann man mit HIFU die Blut-Gehirn-Schranke zeitweise stören, um Medikamenten den Zugang zum Gehirn zu ermöglichen.

Gezielte Zulieferung von Medikamenten:
Durch die Möglichkeit das Medikament tPA (wird zur Behandlung von Schlaganfällen eingesetzt) an kleine Bläschen zu heften, ist es theoretisch möglich solche Bläschen im Blut zu erzeugen, mittels Ultraschall zu lenken und dann in Zielnähe kollabieren zu lassen. Die Entstehung von Microbläschen in Wasser durch Ultraschall nennt man Kavitation. Diesen Effekt in dem Wassertank zu erzeugen und zu erforschen war eines der Ziele des Projekts. Da beim Kollabieren der Bläschen sehr hoher Druck (mehrere hundert Atmosphären) und sehr hohe Temperaturen (mehrere tausend Kelvin) herrschen wird eine enorme Energie freigesetzt, die unter Umständen zu schweren Schäden führen kann. Daher ist es besonders wichtig den Kavitationseffekt genau zu untersuchen und zu verstehen.

Ergebnis:

Eine entsprechende Schaltung wurde entworfen, simuliert und getestet. Die eigentliche Steuerung erfolgt über einen PC, der mittels USB mit einem FPGA verbunden ist.

Xilinx FPGA, das die Signale für die Piezzokristalle erzeugt⁰

Dieses FPGA wurde so programmiert, dass es abhängig von der PC-Eingabe 64 Signale erzeugt, die dann, von einer Schaltung verstärkt, zu den Piezzokristallen weitergeleitet werden.

FPGA, verbunden mit der Schaltung zur Signalverstärkung (im blauen Kasten)

Das Programm auf dem PC besteht aus einer grafischen Benutzeroberfläche, in der man in einem Koordinatensystem den Fokus des Schallfeldes wählen kann. Anschließend werden die notwendigen Phasen für die einzelnen Kanäle berechnet und an das FPGA gesendet. Leider konnte ich das Gerät nicht in Betrieb beobachten, da bis zum Schluss ein Fehler in der USB-Kommunikation bestand.

Arbeitsplatz mit Steuerelektronik, Wassertank und Ultraschallwandler an der Unterseite des Tanks. Die Kabel sind jeweils mit einem der 64 Piezzokristalle verbunden.

Fazit:

Die Arbeit an diesem Projekt hat riesen Spaß gemacht. Ich hatte eine erstklassige Betreuung und konnte mir meine Arbeitszeit frei wählen. In wöchentlichen Meetings des Lehrstuhls wurden die Fortschritte besprochen und ein Betreuer, der an einem ähnlichen Projekt arbeitete, konnte mir wertvolle Tipps geben. Nur schade, dass ich zu früh wieder zurück musste um das Projekt fertig zu stellen. Dennoch war diese Arbeit eines der vielen Highlights, die ich in meinem Auslandsaufenthalt erlebt habe. Ich kann nur jedem, der die Gelegenheit hat empfehlen: versuche mehr kennen zu lernen als das, was der Studienplan vorschreibt! Ein Auslandsemester bietet hierfür eine tolle Gelegenheit. Was ich sonst so in den USA erlebt habe kann man hier nachlesen.

⁰Quelle: Xilinx Memec Spartan 3 user guide

verfasst von: Marko

15.5.08 21:02


Zeit zum Lüften

Nicht nur ein warmes Zimmer im Sommer bringt das System zum Schwitzen. Auch neue Laufwerke erzeugen eine Menge Abwärme. Sind die Lüfter dann noch ungünstig platziert, kommt es schnell zum Hitzestau.

Durch etwas aufräumen im Gehäuse und den Einbau zwei neuer 80mm Lüfter konnte die System-Temperatur um über 10°C gesenkt werden. Das sorgt auch für sinkende thermische Belastung bei den anderen Komponenten. CPU, Graka und Festplatten wurden ebenfalls um bis zu 10°C kälter.

Insgesamt befinden sich nun acht aktive Lüfter im Gehäuse. Zwei saugen an der Front die Luft an, einer davon bläst dabei direkt über die Systemfestplatte. Einer bläst von der Seite hinein, direkt auf die Graffikkarte. Ein weiterer Lüfter saugt die Luft hinten aus dem Gehäuse. Somit ensteht ein direkter Durchzug durch das System.
Die vier verbleibenden Lüfter entfallen auf Graka, CPU und Netzteil.

Der Frontlüfter saugt die Luft ein. Hier können auch schön die lästigen Staubflocken beobachtet werden. Ab und an sollte das Gehäuse, zumindest grob, davon gereinigt werden. Staubpolster sind in der Lage die Kühlleistung zu beeinflussen. Bei Passiv/Aktiv Kühlkombinationen, wie sie z.B. auf der Grafikkarte oft zu finden sind, kann der Staub die Lamellen des Lüfters/Kühlers zusetzen. Dabei muß unbedingt darauf geachtet werden, dass es nicht zu statischen Auf- und Entladungen kommt - das kann die Elektronik nachhaltig beschädigen.


Verschiedene Farben illuminieren das Gehäuse. Ordentliche Kühlleistung bei angemessener Lautstärke sollte jedoch immer Priorität vor solchen Spielerein haben. Form follows function.


Der Hecklüfter saugt die warme Abluft ab. Unterhalb kann ein Blick auf den passiven Kühlkörper der CPU geworfen werden.

9.5.08 13:14


DVD RAM in Bildern


Die Sektorierung der RAM ist mit dem Auge leicht zu erkennen. Dadurch kann sie leicht von anderen Formaten unterschieden werden.


Die (Cartridge-)RAM kommt in der Regel mit einer weiteren Schutzhülle aus Plastik und einem Aufkleber-Set zur umfangreichen Beschriftung.


Hier ist deutlich der "Füllstand" des Mediums auszumachen. Der rote Pfeil markiert den manuellen Schreibschutz.


Ein Laufwerk benötigt spezielle mechanische Komponenten, um auf die Cartridge zugreifen zu können.


So sieht ordentliche Datensicherung aus.


Die Hülle der RAM wird erst kurz vor dem Zugriff geöffnet.


Neben dem optischen Laufwerk wurde eine Western Digital Enterprise Festplatte besorgt. Der Datenträger wurde am 17. März 2008 hergestellt. Die WD Greenpower-Reihe ist nicht besonders schnell, dafür aber sparsam, leise und kühl. Ideal also, um große Datenmengen bequem zu lagern und dennoch ständigen Zugriff darauf zu haben.

Für den Geschwindigkeitsfan gibt es seit kurzem die WD VelociRaptor, wie Tom's Hardware zu berichten weiß.
26.4.08 19:44


DVD RAM - Die beste Methode für den privaten Backup

Manche Daten sind unbezahlbar. In Zeiten der digitalen Fotografie sammeln sich schnell Berge von einigen Gigabyte Fotomaterial an. Da die Bilder noch mal bearbeitet werden sollen oder weil es schlicht nicht wirtschaftlich wäre alles auszudrucken (und auch Papier altert), bleibt alles in Binärcode auf der Festplatte abgelegt. Doch stets droht das Damokles-Schwert des Festplatten-Crashs zuzuschlagen.

Eine einfache Maßnahme wäre alles auf DVD oder CD-R zu speichern - doch wie lange sind diese Datenträger haltbar? 10 Jahre Garantie wird auf die Mechanik gewährt, doch die Daten können schon nach wenigen Jahren fehlerhaft werden oder gleich ganz unlesbar sein.

Nächster logischer Schritt wäre es, gleich eine hochwertigere Festplatte zu verwenden. Hierzu greift der interessierte Kunde am besten auf die sogenannten "Enterprise"-Serien der etablierten Hersteller zurück. Diese wurden speziell für die Bedürfnisse der Industrie, große Belastungen und lange Laufzeiten, ausgelegt. Durch Verwendung besserer Materialien als im Consumer-Bereich, wird die Lebenszeit und Sicherheit der Platten deutlich erhöht. Dieser Vorteil wird mit einem Aufpreis von ca. 50% gegenüber den herkömmlichen Modellen erkauft. Als Beispiel verlinke ich hier die Modelle vom Marktführer Western Digital. Doch auch diese Datenspeicher leben nicht ewig.

Die Lösung für alle Sorgen

Eine bislang sträflich vernachlässigte Technologie ermöglicht es hier der Privatperson, Daten von großer persönlicher oder geschäftlicher Bedeutung, absolut kompromisslos sicher zu speichern. Die DVD-RAM bürgt für eine Haltbarkeit von mindestens (!) 30 Jahren, 50 Jahre zu erwarten wäre nicht utopisch. Damit ist dieses Medium bedingungslos für die Langzeit-Archivierung zu gebrauchen. Unabhängige Experten bestätigen diese Aussage. Kein optischer Speicher im Consumer-Bereich weist eine vergleichbare Lebenszeit auf. Mir ist bewusst, dass es im industriellen Sektor sehr wohl überlegene und noch länger haltbare Formate gibt. Jedoch konzentriere ich mich in diesem Artikel ausschließlich auf die Möglichkeiten von Privatpersonen, oder meinetwegen eines kleinen Unternehmens, welche nicht tausende von Euro für Datensicherheit aufwenden können oder wollen.

Die DVD-RAM weist zudem noch weitere Eigenschaften auf, die sie gegenüber den DVD RW/CD-R Formaten überlegen macht. Es muss nicht in umständlichen Sessions die DVD gelöscht und wiederbeschrieben werden. Wie bei einer Festplatte werden die Daten per Drag & Drop auf die RAM verschoben und dort bearbeitet oder gelöscht. Eine Auflistung weiterer Vorteile ist hier zu finden (wurde für ein Stand-Alone Gerät geschrieben, gilt aber auch zum großen Teil für PC-Laufwerke).

DVD-RAM als Cartridge-Version für den ambitionierten Anwender

Wer sich das non plus ultra der Technik gönnen möchte, greift auf die DVD-RAMs in der Cartridge-Version zurück. Diese wird oft als Type 2 oder Type 4 bezeichnet, von der Bauart her sind beide gleich. Hier befindet sich der optische Datenspeicher in einer Hülle aus stabilem Plastik. Doch Vorsicht: Zwar sind diese RAMs aus der Hülle entnehmbar, doch das ist nicht der eigentliche Sinn dieser Aufbewahrungsart.
Es existieren spezielle Laufwerke, die auf diese in der Cartridge gesicherten Medien direkt zugreifen können. Hierzu kommt eine mechanische Vorrichtung zum Einsatz, wie sie mancher vielleicht noch von der Diskette kennt. Sogar ein manueller Schreibschutz kann hier gesetzt werden. Standardmäßig beherrschen DVD Kombilaufwerke die DVD RAMs verarbeiten, diese Technik nicht! Spezielle Laufwerke mit "Cartridge-Support" sind in Deutschland rar. Seit Jahren liefert als einzigster Hersteller Panasonic Laufwerke mit der notwendigen mechanischen Technik. Das SW-9576 ist hier die aktuellste Version (Stand: 17.04.08).

Ablösung nicht in Sicht

Wer hofft mir der Blu Ray eine weiterentwickelte Version der RAM zu erhalten, wird enttäuscht. Hier wird derzeit nur mit RW-Formaten geplant. Das HD DVD Konsortium plante eine aktualisierte "HD DVD RAM" auf den Markt zu bringen, doch diese Idee starb mit der HD DVD. Für den Heimanwender reichen jedoch auch noch die 4,7GB bis 9,4GB, welche die aktuelle DVD-RAM zu bieten hat.


Wer noch letzte Zweifel hat und/oder mehr erfahren will, dem empfehle ich folgende Links:

Stern-Artikel: Das unterschätzte Format

Wikipedia: DVD-RAM

17.4.08 20:06





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