Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWMUltraschall liefert Bilder mit Auflösungen bis in den Submillitmeterbereich in Echtzeit – die Technologie gehört deswegen zu den weltweit am meisten genutzten diagnostischen Bildgebungsverfahren in der Medizin. An der Weiterentwicklung des Ultraschallverfahrens arbeitet unser Team der Abteilung »Materialcharakterisierung und -prüfung« mit dem Fraunhofer-Institut für biomedizinische Technik IBMT im Projekt »FEMUT« (Innovative frequenzkodierte Volumenbildgebung mittels 3D Laser-induziert gefertigter kapazitiver Ultraschallwandler).
3D Mikro- und Mesodruck: FEMUT-Endoskop
© Fraunhofer ITWM / freepik
»FEMUT« – Neue Möglichkeiten für Ultraschall-Untersuchungen
Innovative frequenzkodierte Volumenbildgebung mittels 3D laser-induziert gefertigter kapazitiver Ultraschallwandler
Ultraschall-Systeme sollen günstiger in der Herstellung werden
Durch »FEMUT« entwickelt das Team um Dr. Erik Waller eine neue Herstellungsmethode für Ultraschallsensoren mittels 3D-Druck. Der Vorteil: Das flexible Verfahren fertigt schnell und kostengünstig Ultraschallsensoren auf beliebigen Untergründen, beispielsweise auf Glasfaserendfacetten.
Moderne Systeme arbeiten mit einer großen Zahl an regelmäßig angeordneten Ultraschallschwingern aus piezoelektrischen Keramikstäben. Piezoelektrische Materialien eignen sich für das Herstellen von Sensoren, da sie bei Druck, Scherspannung oder Biegung elektrische Ladungen erzeugen. Die einzelnen Schwinger müssen für die Bildgebung individuell angesteuert werden. Bislang besteht ein medizinischer Ultraschallsensor aus Hunderten von Elementen mit immer den gleichen Schwingungseigenschaften; die dazugehörige Elektronik hat ebenso viele Kanäle – dies macht die Systeme komplex und teuer.
Der im Projekt FEMUT verfolgte Ansatz soll mit nur einem elektronischen Kanal auskommen: Ultraschallschwinger, die mit unterschiedlichen Frequenzen schwingen und die flexibel mittels 3D Laserdruck hergestellt werden können, machen es möglich. Dieser Ansatz erfordert neue Abtastalgorithmen basierend auf »Compressed-Sensing«. Darunter versteht man eine Signalverarbeitungstechnik, die Signale schnell erfasst und rekonstruiert.
Über Membranstärke und Größe können die Schwingungseigenschaften gezielt eingestellt werden.
Der 3D-Laserdruck ermöglicht Membranstärken von wenigen Mikrometern.
Neue Algorithmen und Fertigungstechniken
Im Projekt »FEMUT« werden neue Algorithmen sowie Fertigungstechniken entwickelt, um erstmals breitbandige Ultraschallwandler als CMUT (micromachined capacitive ultrasound transducer) mit geringer Elementzahl und nur einem elektronischen Kanal für die Bildgebung einzusetzen.
Die Lösungsidee ist, anstelle einer Zeitkodierung eine Frequenzkodierung zu verwenden. Bislang basieren konventionelle Ultraschallwandler auf einer Zeitkodierung der Schallfelder mit einer vorgeschalteten Phasenplatte. Der FEMUT-Ansatz will erstmals durch ein additives Fertigungsverfahren eine lokal definierte Frequenzcodierung im Schallfeld ermöglichen.
Unterschiedliche Frequenzen machen es möglich, dass nicht mehr einzelne Elemente angesteuert werden müssen, sondern ein ganzes Schallfeld mit verschiedenen Frequenzen. Dafür gilt es mittels neuer Algorithmen das entsprechende Schallfeld zu designen. Diese Aufgabe liegt beim Fraunhofer-Institut für biomedizinische Technik IBMT.
Fraunhofer ITWM fertigt Prototypen
Am Fraunhofer ITWM hingegen geht es um die Herstellung von – zunächst – Prototypen. Mittels 3D-Druck kann innerhalb von Stunden ein entworfenes Design auf leitfähigen Substraten hergestellt, getestet und optimiert werden.
Das konkrete technologische Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines CMUT-basierten Ultraschallwandlers für die frequenzbasierte Bildgebung für die Anwendung in der medizinischen Diagnostik. Die extrem vereinfachte Technik soll dann zum Beispiel den Einsatz in minimal-invasiven Endoskopen erlauben.