Ultraschall aus der Medizintechnik

Sehr günstig und als defektes Bastlergerät habe ich diesmal dieses schmucke Teil erworben. Es handelt sich um einen Esaote Sim7000 Challenge Ultraschallscanner, der in der Medizintechnik eingesetzt wurde. Das Gerät stammt aus dem Jahr 1998, hat in etwa die Größe eines alten PC-Gehäuses mit einer integrierten Tastatur und einen Trackball und wiegt knappe zehn Kilogramm. Ein eingebauter 10 Zoll Monochrommonitor ermöglicht das Arbeiten ohne weitere externe Geräte. Mitgeliefert wurde auch eine, als defekt markierte Ultraschallsonde der Type 5075 AA-C. Also ran an den "Speck" und sehen, ob man das nicht reparieren kann. Ein kurzer Funktionstest zeigt, dass die Sonde zwar prinzipiell arbeitet, aber ein absolut verwischtes Bild produziert. Diejenigen, die das Prinzip des Filmprojektors noch kennen, können sich das in etwa wie einen Film vorstellen, der ohne Verschluss an der Projektionslinse vorbeigezogen wird...

Zum Prinzip der bildgebenden Ultraschallmessung:
(Quelle: Internet und Publikationen aus Fachzeitschriften)

Das menschliche Ohr kann Töne mit Frequenzen von ca. 20 Hz bis 20 kHz hören. Schallwellen, die jenseits der Wahrnehmungsfähigkeit des menschlichen Gehörs liegen und einen Frequenzbereich von 20 kHz bis mehrere hundert MHz umfassen, bezeichnet man als Ultraschall).

Die Intensität von Schallwellen wird in Watt pro cm² gemessen und ist ein Maß für den Energieinhalt der Wellen. Bei der Absorption im Gewebe werden Schallwellen in Wärme umgewandelt und können dementsprechend eine Temperaturerhöhung bewirken. In enger Beziehung zur Energie der Ultraschallwellen steht der Schalldruck. Die Schallwelle erzeugt periodisch einen Unterdruck und einen Überdruck. Sehr hoher Unterdruck kann im Gewebe Gasblasen erzeugen (Kavitation) und nachfolgend zu Gewebeschäden führen. Daher gibt es Grenzwerte für den Schalldruck, der in der Einheit Pa (Pascal) gemessen wird. Die Schalldrücke im Gewebe bei diagnostischen Verfahren liegen üblicherweise unter 0,5 MPa.

Die Eindringtiefe von Ultraschallwellen in das Gewebe ist bei niedrigen Frequenzen höher und nimmt mit höheren Frequenzen ab. Bei therapeutischen Anwendungen, bei denen es vor allem auf die thermische und mechanische Wirkung ankommt, werden Frequenzen zwischen 20 KHz und 800 KHz bevorzugt, in der Diagnostik zwischen 1 und 40 MHz.

Die bildgebende Ultraschalldiagnostik nutzt die Eigenschaft der Schallreflexion. Diese variiert in Intensität und Phase in Abhängigkeit der Dichte der Medien. Laufzeit, Amplitude und Phase der reflektierten Welle zur ausgesendeten Welle bilden die Grundlage zur elektronischen Erfassung und Darstellung des Schallbildes. Um das Schallbild auch zweidimensional darstellen zu können, muß die Schallwelle in einer Ebene zusätzlich noch mit ausreichender Geschwindigkeit gelenkt werden. Dies geschieht bei einem mechanischen Schallkopf mit Hilfe eines elektrischen Antriebes. Modernere Schallköpfe haben eine Reihe an Schallgebern nebeneinander angeordnet (Array) die je nach Anzahl eine entsprechend hohe Zeilenauflösung darstellen können. Die Eindringtiefe der Schallwellen ist, wie oben erwähnt, von der Frequenz der Welle abhängig. Grundsätzlich gilt je höher die Frequenz, desto weniger tief dringt die Welle ins Gewebe ein. Oder anders ausgerückt: je länger die Welle (Wellenlänge) desto tiefer. (bekanntlich gilt ja: λ = c/f  wobei c die Schallausbreitungsgeschwindigkeit des Mediums ist. Als Vergleich: c(Luft)=343m/s und c(Wasser)=1484m/s)

Ultraschallmedien
(Quelle: Fachzeitschriften)
 

Um stärkere Schallreflexionen an der Grenzfläche zwischen Schallkopf und Haut - bedingt durch dazwischen eingelagerte Luft - zu vermeiden, werden Ultraschallmedien verwendet. Sie stellen den optimalen Kontakt zwischen Schallkopf und Haut her. Ultraschallmedien dürfen ebenfalls keine Luftbläschen enthalten, um den möglichst lückenlosen Schallübergang zu gewährleisten. Flüssigkeiten wie Wasser und Alkohole wären prinzipiell zwar geeignet; aufgrund ihrer Flüchtigkeit und niedrigen Viskosität sind sie aber sehr unpraktisch. Daher wurden spezielle Gele entwickelt.
Gele sind nichts anders als Flüssigkeiten, die mittels eines Verdickungsmittels bequem auf der Haut verteilbar sind. Man unterscheidet zwischen Hydrogelen und Lipogelen (Oleogele). Lipogele bestehen aus Ölen pflanzlicher, synthetischer oder mineralischer (Erdöl) Herkunft. Sie sind weniger geeignet, da sie fetten und nach der Behandlung nur mühsam zu entfernen sind. Hauptkomponente der Hydrogele ist - wie der Name schon andeutet - Wasser. Daher kann man Hydrogele nach Gebrauch praktisch ohne Rückstand einfach abwischen.

Von dem theoretischen Exkurs nun zur technischen Beschaffenheit und der Fehlersuche:

Zuerst habe ich mich ein wenig über die Ultraschallsonde schlau gemacht. Hierbei handelt es sich um eine mechanische Sektorsonde, die bei 3.5 und 5.0MHz arbeitet. Der Kristall ist hier auf einem, in einer Achse beweglichen Kopf (man kann sich eine Wippe vorstellen) montiert, die über einen kleinen Aktuator mittels Bowdenzug angetrieben wird. Die folgenden Bilder zeigen die Ultraschallsonde in den unterschiedlichen Demontagezuständen.

Die hintere Verschlusskappe ist mit zwei Schrauben befestigt. Diese sind hinter der Silikonvergußmasse versteckt. Entfernt man die Schrauben, so ist die Kabelzugentlastung auch gelöst und man kann die Steckverbindung abziehen.

Jetzt kann man vier kleine Madenschrauben lösen, die das Abschrauben des Deckels ermöglichen. Um zu den Madenschrauben zu gelangen, muss die Silikonummantelung der Sonde nach vorne abgerollt werden.

Ist das Kabel abgezogen, so kommt darunter eine Platine zum Vorschein. Diese ist wiederum mit zwei Schrauben befestigt. Löst man die Schrauben, so kann auch die Platine abgezogen werden.

Die Anschlussleitung sollte auf Beschädigungen bzw. Verunreinigungen geprüft und gereinigt werden.

Hier ist eine klebrige Masse (ich vermute das Öl bzw. Gel aus dem Inneren des Sondenkopfes) anhaftend. Diese Verunreinigung lässt sich nach Abstecken des Kabels dann einfach mit Alkohol oder Platinenreiniger entfernen und reinigen.

Ist die Platine nun abgezogen, so kommen dahinter die Anschlußstifte zum Vorschein. In der Mitte befindet sich ein Gummipfropfen der den "Öl?"gefüllten Bereich der Sonde freilegt. Ein Spannring am Gehäuserrand hält die Antriebseinheit in Position. Darunter befindet sich ein Dichtring sowie ein O-Ring.

Nun kann das Öl?  (falls jemand weiss, welches Material das wirklich ist - ich würde mich freuen, es zu erfahren) - entfernt werden. Ich habe es vorsichtig mit 2ml Spritzen herausgezogen um es aufzuheben und wieder einfüllen zu können.

Das Zeug ist extrem klebrig und zähflüssig. Ich vermute, dass das auch das eigentliche Problem ist. Die Viskosiät der Flüssigkeit. Die ist wahrscheinlich aufgrund des Alters zähflüssig geworden und der Schwingkopf kann sich nicht mehr mit seiner Sollgeschwindigkeit bewegen.

Jetzt kann begonnen werden, die Membrane zu lösen. Eigentlich ist die Membrane mit einer, mit Innengewinde versehenen Aluminiumhülse angeschraubt und sollte sich lösen lassen. (Im Bild ist die Membrane das graue Kunststoffhütchen und die Aluminiumhülse  im Bereich des Daumens zu sehen.) Leider ist es mir nicht gelungen, diese Verschraubung zu lösen. So musste ich die Membrane quasi aus dem Gewinde heraushebeln. Das wiederum ist mir ganz gut gelungen. Zumindest ist die Membrane nicht gerissen und hat ihre Dichtheit bewahrt.

Das Innenleben kommt zum Vorschein. In der Spitze der Membrane ist deutlich ein verdickter Klumpen von dem zähflüssigen Medium zu erkennen.

Hier ist der Kristall montiert auf seiner Wippe zu sehen, ebenso der Bowdenzugantrieb und in der ganz rechten Bildhälfte noch das Gehäuse des Aktuators. Diese komplette Einheit lässt sich übrigens auch wieder mit zwei Miniaturmadenschrauben lösen.

Das ist das gesamte Innenleben des Schallkopfes. Jetzt können alle Leitungen überprüft werden, ob hier irgendwelche mechanischen Beschädigungen vorliegen.

In diesem Fall war keinerlei Beschädigung zu erkennen. Alle Coaxialleitungen zum Kristall sind in Ordnung. Alle Anschlusspins sind ebenso ok. Der Aktuator funktioniert. Der Bowdenzug ist ebenso ok. Also kann es nur mehr das "Öl?" sein. Also habe ich die Einheit wieder zusammengebaut.

Nach dem Zusammenbau habe ich auch wieder das alte Öl eingefüllt. Das erweist sich als recht mühsam, zumal es lange dauert, die Luftblasen los zu werden. Es geht jedoch wesentlich schneller, wenn man dieses Öl erwärmt (ich habe das mit einem Fön bewerkstelligt). Und genau das hat mich auf eine Idee gebracht, den Schallkopf nach dem Zusammenbau zu erwärmen und das Verhalten nochmals zu testen. Wenn das Öl wirklich merklich dünnflüssiger wird, dann sollte auch die Beweglichkeit der Wippe leichter werden. Gesagt, getan. Zuerst wollte ich jedoch testen, ob der Schallkopf meine Zerlegeprozedur generell überlebt hat. Und ja - er hat. Das Schallbild sieht jetzt schon um einiges besser aus als zuvor. Also habe ich den Versuch mit dem Heißluftfön gestartet. Vorsichtshalber habe ich die obere Temperaturgrenze auf 45° C eingestellt. Und siehe da, das Schallbild wird zunehmend besser. Es ist jetzt ein deutliches Bild zu erkennen. Es wackelt und zittert nur noch ein wenig in der x-Achse - die Ursache ist also doch das Öl. Wenn hier jemand Erfahrung damit hat, oder eine Quelle, wo man die passenden Öle und auch Ersatzteile bekommen kann - ich bin für jede Information dankbar :)