Transducer Arrays for 3D Ultrasound Computed Tomography
Creators: name: Angerer, Martin
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: 3D USCT
ultrasound imaging
piezoelectric transducers
piezocomposites
transducer modeling
transducer fabrication
quality control
piezoelectric micromachined ultrasound transducer (PMUT)

description: Die Ultraschall-Computertomographie (USCT) ist ein vielversprechendes medizinisches Bildgebungsverfahren zur Früherkennung von Brustkrebs. Am Karlsruher Institut für Technologie wird derzeit ein Gerät der dritten Generation (3D-USCT-III) für 3D-Aufnahmen entwickelt. Unter den kritischsten und technologisch anspruchsvollsten Komponenten dieses Geräts sind die Schallwandlerarrays. Diese müssen eine pseudozufällige Positionierung einzelner Wandler ermöglichen, hohe Bandbreiten, große Öffnungswinkel und eine isotrope Schallabstrahlung aufweisen sowie den Vorschriften für Medizinprodukte genügen. In dieser Arbeit wird die Realisierung neuer Schallwandlerarrays (TAS-III) für die 3D-USCT-Bildgebung umfassend vorgestellt. Dies beinhaltet die Definition von Anforderungen, Systemdesign, automatisierte Fertigung, Charakterisierung und Entwurfsoptimierung. Kernelement des TAS-III-Designs sind Scheiben aus piezoelektrischen Verbundwerkstoffen, die 18 in Polymer eingebettete, räumlich verteilte piezokeramische Fasern enthalten. Zusätzliche Scheiben zur akustischenAnpassung und Dämpfung werden auf beiden Seiten angebracht, um die Arrays zu finalisieren. Für die Herstellung der benötigten 256 TAS-III wurde ein teilautomatisierter Fertigungsprozess entwickelt. Quantitative Qualitätsprüfungen ergaben, dass mehr als 96% der produzierten Wandler voll funktionsfähig waren. Die Amplitude und der Phasenwinkel des akustischen Feldes von 54 Wandlern wurden gemessen und ausgewertet. Die meisten der definierten Anforderungen wurden erfüllt. Es wurde eine mittlere Mittenfrequenz von 2,6 MHz, mit einer fraktionellen Bandbreite von 134% bei -10 dB ermittelt. Die Bandbreite resultiert dabei aus zwei unterschiedlichen Schwingungsmoden. Messungen in 3D zeigten isotrope Abstrahlcharakteristiken mit einem mittleren Öffnungswinkel von 42,8°. Für die Analyse und Optimierung des Designs wurden verschiedene Modellierungsansätze entwickelt. Geringfügige Änderungen der Länge und des Durchmessers der piezoelektrischen Fasern sowie eine höhere laterale Dämpfung konnten die Leistung in gewissem Maße verbessern. Der Umfang weiterer möglicher Verbesserungen zeigte jedoch, dass das TAS-III Design nahe am erreichbaren Optimum liegt. Alternative Wandlertechnologien wurden untersucht, umdie grundsätzlichen Grenzen von Verbundwerkstoffen bestehend aus piezoelektrischen Fasern in Bezug auf Öffnungswinkel und Bandbreite zu überwinden. Der Ersatz der Fasern durch einkristalline piezoelektrische Materialien verspricht eine Erhöhung der Bandbreite um 35%, erfordert jedoch umfangreiche Anpassungen in den Herstellungsprozessen. Die Charakterisierung von mikromechanischen Ultraschallwandlern ergab eine signifikante Vergrößerung des Öffnungswinkels, aber geringere erzeugte Schalldrücke. Dennoch machen die Eigenschaften und die verfügbare Designfreiheit diese Schallwandlertechnologie sehr vielversprechend für zukünftige 3D-USCT- Generationen. Die entworfenen und realisierten TAS-III erwiesen sich als rundum geeignet für den vorgesehenen Einsatz und wurden in zwei 3D-USCT-III-Geräten integriert. Ausführliche klinische Tests werden in naher Zukunft durchgeführt, um die Sensitivität und Spezifität dieser neuartigen 3D-Ultraschallbildgebungsmethode zu bewerten.