WHITEPAPER – ULTRASCHALL-PIEZOELEMENTE IN DER MEDIZINTECHNIK
Dipl.-Physiker Frank Möller

Ultraschall-Piezoelemente in der Medizintechnik
Werkzeug, Therapiegerät und Sensor

PI Ceramic GmbH_Lindenstraße_07589_Lederhose
Tel. +49 36604 882-0, Fax +49 36604 882-4109 E-Mail info@piceramic.de, www.piceramic.de

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Dipl.-Physiker Frank Möller

Als Ultraschall bezeichnet man Schall mit Frequenzen

Dadurch verrichten die Piezoelemente dann beachtliche

oberhalb des menschlichen Hörfrequenzbereichs, alsomechanische Arbeit, z. B. bei der Nierensteinzertrümme-ab etwa 16 kHz. Medizintechnik aber auch Industrie undrung oder der Zahnsteinentfernung. Die typischen Fre-Forschung nutzen diesen Frequenzbereich in vielerlei

quenzen des Leistungs-Ultraschalls liegen dabei zwi-Hinsicht. Das Spektrum medizintechnischer Anwendun-schen 20 und 800 kHz.

gen reicht vom Pumpen und Dosieren bis hin zur Diagnostik und Therapie. Zum Erzeugen und Detektieren derUltraschallwellenbietenpiezoelektrischeKeramiken

beste Voraussetzungen. Sie lassen sich praktisch inbeliebigen Formen preisgünstig fertigen und bieten so
für die unterschiedlichen Anwendungen maßgeschneiderte Lösungen.
Piezoelektrische Materialien können bei Krafteinwirkungeine elektrische Spannung erzeugen (Piezoeffekt) oder
unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes ihre Abmessungen verändern (inverser Piezoeffekt). Sie wandeln mechanische in elektrische Energie um und umgekehrt, man spricht hier auch von piezoelektrischen
Wandlern oder Transducern. Während sich der direktePiezoeffekt für sensorische Anwendungen nutzen lässt,bietet sich der inverse Piezoeffekt für die Realisierungvon Aktoren an. Die Bewegung beruht dabei ausschließlich auf Festkörpereffekten, d. h., sie ist reibungs- undverschleißfrei. Piezos erzeugen außerdem keine Mag-Abb. 1 Bei Piezoelementen sind unterschiedliche Varianten realisierbar, die die Anpassung an die jeweilige Anwendung ermöglichen: z. B. Rohre, Scheiben, Bieger,
Scherelemente oder Translatoren
Bei Piezokomponenten sind neben der auf die jeweilige
Applikation bezogene Materialauswahl, unterschiedliche
geometrische Varianten und Resonanzfrequenzen reali-netfelder und werden auch nicht von solchen beeinflusst.

sierbar (Abb. 1), Bauelemente wie Dickenschwinger inKurze Ansprechzeiten, hohe Dynamik und flexible Bauformen

zorohre und Scherelemente mit Standardabmessungen

Das Erzeugen und Detektieren von Ultraschall ist die
klassische Piezo-Anwendung, denn beim Anlegen einer
Wechselspannung beginnt das Piezoelement zu schwin-Scheiben- bzw. Plattenform, Piezo-Ringscheiben, Piekönnen auf Basis vorrätiger Halbzeuge sehr kurzfristig
geliefert werden. Über die Standardabmessungen hinausgehende Geometrien sind auf Anfrage ebenfalls
erhältlich.

gen. Die kurzen Ansprechzeiten und die hohe Dynamik

Außerdem sorgt PI Ceramic für die Integration in das

dieser Bewegung kommen der Ultraschallerzeugung

endgültige Produkt. Dazu gehören sowohl die elektrischenatürlich ebenfalls entgegen. Die Piezoelemente vonKontaktierung der Elemente nach Kundenvorgaben als

PI Ceramic eignen sich für eine Vielzahl von Ultraschall-auch die Montage in bereitgestellte Bauelemente, dasanwendungen. Diese lassen sich grob klassifizieren inVerkleben oder der Verguss der Ultraschallwandler. Fürzumeist sensorische Anwendungen für Frequenzen bis

Durchfluss-, Füllstand- und Kraft- oder Beschleuni-

20 MHz und Leistungs-Ultraschall, bei dem die Energie-gungsmessung werden kundenspezifische Sensorkom-dichten höher sind.

ponenten hergestellt, die sich einfach in die jeweilige
Applikation integrieren lassen.

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Aerosolerzeugung für die Atemwegstherapie
Die Anwendungsgebiete piezokeramischer Bauelemente
in der Medizintechnik sind breit gefächert. Ein typischesBeispiel sind Therapiegeräte. Zur Behandlung vonAtemwegserkrankungen werden die Medikamente häufig
durch Vernebler direkt verabreicht. Klassischerweise
zerstäubt dabei Druckluft die Inhalationslösung in feinsteTröpfchen. Eine alternative Methode ist die Erzeugung
feinster Tröpfchen mit Hilfe der Piezotechnologie.
Speziell geformte Piezoscheiben wirken hier als Ultraschallwandler und regen eine mit mehreren tausend
Löchern versehene Edelstahlmembran zu Ultraschallschwingungen mit 35 Kilohertz an (Abb. 2). Dadurchwerden besonders homogene Aerosole erzeugt. Dies
bringt Vorteile für die präzise Dosierung – die hochwertigen Medikamente können gezielter verabreicht werden,
was den Zugang zu neuen Therapiekonzepten ermöglicht. Auch das Risiko von Nebenwirkungen wird so reduziert. Zudem verringert die Piezotechnologie die benö-Selbst die speziellen Hygieneanforderungen, die derEinsatz in der Medizintechnik mit sich bringt, meistert diePiezokeramik; die Aerosolerzeuger sind für die professionelle Sterilisation in Autoklaven geeignet, oder können
ausgekocht werden. Der Ultraschallbetrieb ist für den
Menschen geräuschlos, und der geringe Energiebedarf
der Piezokomponente ermöglicht auch den Batteriebetrieb.

Laufzeitmessungen für blasenfreien
Durchfluss und patientenfreundliche
Sonografie
Im medizinischen Bereich ist es häufig nötig, einen ungestörten Fluss ohne Luft- oder Gaseinschlüsse sicherzu stellen, z. B. in der Dialyse, bei Transfusionspumpen.
Dies gelingt mit Hilfe der Ultraschalltechnik in so genannten Blasendetektoren. In diesen Sensoren dienen
Piezoelemente zu Erzeugung und zum Empfang vonUltraschallwellen. Ausgewertet wird die Laufzeit desUltraschallsignals (Abb. 3).

tigte Zeit für die Verneblung von Medikamenten um biszu 50 % verglichen mit konventionellen Systemen. Gerade für Patienten mit chronischen Atemwegserkrankungen bedeutet dies einen Zugewinn an Lebensqualität.

Abb. 3 Laufzeitmessung für blasenfreien Durchfluss
Die Sensoren werden außen an flexiblen Schläuchen
angebracht und arbeiten ohne Kontakt zum transportierten Medium; sie beeinträchtigen daher weder die Durchflussmenge noch ist die Gefahr einer Kontamination
gegeben. Durch die nichtmagnetische Piezotechnologie
Abb. 2 Der Piezoring ist direkt mit dem Metallring derMembran verklebt. Beim Anlegen der Wechselspannung
schwingt das Piezoelement (Foto: Pari Pharma/PI)

ist – bei geeigneter Abschirmung der Elektronik – daher
sogar ein Betrieb in extremer Umgebung möglich, wie imBereich von Magnetresonanztomografen.

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Ebenfalls auf dem Prinzip der Laufzeitmessung basiert

Bei Therapieverfahren, die mit Ultraschall arbeiten, wird

die Sonografie, deren Vorteil vor allem in der Unschäd-das Gewebe über einen Schallkopf mit Ultraschallwellenlichkeit der Schallwellen liegt. Der Schallkopf enthält einbestrahlt. Mechanische Längswellen erzeugen mechani-Piezoelement, das Ultraschallwellen erzeugt und auchsche Vibrationen im Gewebe, die beispielsweise Hei-wieder empfängt. Er sendet kurze und gerichtete

lungsprozesse fördern. Gleichzeitig wird ein Teil derSchallwellenimpulse aus, die in den Gewebeschichten

Ultraschallenergie in Wärme umgewandelt. Typischeunterschiedlich stark reflektiert und gestreut werden.

Arbeitsfrequenzen der Piezoelemente liegen im Bereich

Anhand der Messung von Laufzeit und Stärke der Refle-zwischen 0,8 bis über 3 MHz, wobei sowohl Dauer- alsxionen lässt sich dann ein Bild der untersuchten Strukturauch Impuls-Schallverfahren zum Einsatz kommen.

erzeugen.
Neben Laufzeitmessungen finden sich typische Anwendungen von Piezoelementen aber auch beim Pumpen
und Dosieren (Abb. 4). Die Dosiermengen reichen vom
Mikro- und Nano- bis in den Picoliterbereich. Dabeiüberzeugendiepiezobasierten

Mikrodosiersysteme

durch ihre minimalen Abmessungen, ihren geringen
Energieverbrauch und niedrige Kosten.

Abb. 5 Werkzeug für die Zahnsteinentfernung mit Ultraschall (OEM-Produkt). Die Piezoscheiben sind deutlicherkennbar
Abhängig vom Energiegehalt der Wellen lassen sichunterschiedlicheEffekteerzielen.

Hochenergetische

Stoßwellen werden z. B. zur Zertrümmerung von Nierensteinen genutzt. Stoßwellen niedrigerer Energie bewirken eine Art von Mikromassage und werden unter anderem zur Knochen- und Gewebebehandlung in der Physiotherapie eingesetzt.
Abb. 4 Neben Laufzeitmessungen finden sich typischeAnwendungen von Piezoelementen aber auch beim
Pumpen und Dosieren. Das Bild zeigt eine Schlauchpumpe

Werkzeuge und Therapieverfahren
mit Ultraschall

Im kosmetischen Bereich gewinnt die Ultrasonophorese,
also das Einbringen von Wirkstoffen unter die Haut,
immer mehr an Bedeutung. Für Piezoelemente bietet
sich damit in Medizintechnik ein immer breiteres Einsatzfeld.

Weitere interessante Anwendungsgebiete liegen im
Bereich des Leistungs-Ultraschalls.
Ultraschallgetriebene Werkzeuge ermöglichen heute
minimalinvasive Operationstechniken in der Augen- undKieferchirurgie. Auch Geräte zur Liposuktion (Fettabsaugung) basieren häufig auf Ultraschalltechnik ebenso wie
die Zahnsteinentfernung (Abb. 5), bei denen Piezoelemente schon seit Längerem als Ultraschallerzeuger zum
Einsatz kommen.

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Dipl.-Physiker Frank Möller

AutorDipl.-Physiker Frank Möller, Vertrieb und Marketing bei
der PI Ceramic GmbHÜber die PI Gruppe
In den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik Instrumente (PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden
Hersteller von Positioniersystemen mit Genauigkeiten imNanometerbereich entwickelt. Das privat geführte Unternehmen ist mit vier Sitzen in Deutschland und zehn
ausländischen Vertriebs- und Serviceniederlassungeninternational vertreten. Über 700 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Welt versetzen die PI Gruppe in dieLage, fast jede Anforderung aus dem Bereich innovativer
Präzisionspositioniertechnik zu erfüllen. Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen Haus entwickelt.
Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin zur Auslieferung kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik undElektronik ebenso wie die Positionssensorik. Die dafür
benötigten piezokeramischen Elemente werden bei derTochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem
der weltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet
aktorischerundsensorischer

Piezoprodukte.

DiePI miCos GmbH in Eschbach bei Freiburg ist spezialisiert auf flexible Positioniersysteme für Ultrahochvakuum-Anwendungen sowie parallelkinematische Positioniersysteme mit sechs Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.

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