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Technik

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





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