Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme
Bildgebende Untersuchungsverfahren wie der Ultraschall und die Photoakustik sind aus der heutigen Medizin und Industrie nicht wegzudenken: Sie ermöglichen berührungslos und äußerst schonend, innere Strukturen – von organischem Gewebe bis hin zu Materialien und Werkstoffen – sichtbar zu machen. Als Schlüssel zur weiterführenden Diagnostik können mit modernsten Methoden in Echtzeit selbst feinste Veränderungen und Auffälligkeiten von Organen, Muskeln oder Blutgefäßen identifiziert, ernsthafte Erkrankungen in einem Frühstadium erkannt und passgenaue Therapiemaßnahmen eingeleitet werden. Aber auch im industriellen Umfeld finden radiologische Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung, Inspektion und Analyse vielfach Anwendung, um Defekte aufzudecken und die Qualität von Bauteilen sicherzustellen. Forschende des Fraunhofer ENAS tragen mit ihren Ultraschallwandlern dazu bei, faszinierende Einblicke in das Körperinnere zu gewinnen und damit die Gesundheitsvorsorge zu verbessern. Zugleich ermöglichen sie, auch verborgene Details technologischer Komponenten aufzuspüren und so für mehr Sicherheit zu sorgen.
Ultraschalluntersuchungen sind eines der wichtigsten bildgebenden Verfahren in der heutigen modernen Welt. Die auch als Sonografie bezeichnete Methode ist geeignet, um schnell und schmerzfrei diagnostische Hinweise auf eine erstzunehmende Erkrankung zu erhalten oder den Verlauf von Krankheiten zu kontrollieren. Aber auch in industriellen Anwendungen können mithilfe des Ultraschalls, zuverlässig und zerstörungsfrei beispielsweise Materialeigenschaften geprüft oder Unregelmäßigkeiten und Fehler in Werkstoffen erkannt werden.
Vom Echo zum Bild: Ultraschall als Fenster zum Körper in der Medizin
»Beim Ultraschall wird eine Ultraschallsonde über die Haut der Patientinnen und Patienten in Kontakt mit der zu untersuchenden Körperregion gebracht. Durch elektrische Anregung werden Schallwellen erzeugt, die über eine Sonde tief in den Körper eindringen. Treffen diese Schallwellen auf Organe oder Gewebe, wird ein Teil der Schallwellen zurückgeworfen, also reflektiert – ähnlich wie bei einem Echo. Da Knochen, Muskeln oder Blutgefäße jedoch unterschiedlich beschaffen und strukturiert sind, reflektieren oder absorbieren sie Schallwellen ganz unterschiedlich«, erklärt Dr. Chris Stöckel, Leiter der Gruppe »MEMS/NEMS Technologien« am Fraunhofer ENAS, das Funktionsprinzip des Ultraschalls.
So reflektieren zum Beispiel Knochen Schallwellen in hohem Maße. Flüssigkeiten, wie Blut, werden hingegen von Ultraschallwellen durchdrungen. Sie reflektieren Schallwellen nicht, sondern absorbieren sie. Basierend auf diesen unterschiedlichen Reflexionen und Absorptionen werden elektrische Impulse erzeugt, aus denen das typische »Schwarz-Weiß«-Ultraschallbild berechnet wird. Stark reflektierende Bereiche werden dabei »weiß« dargestellt, während absorbierende Gewebearten »schwarz« visualisiert werden. Das so entstehende 2D-Bild des untersuchten Organs oder Gewebes liefert Ärztinnen und Ärzten Anhaltspunkte über den Gesundheitszustand der betreffenden Körperregion oder Hinweise auf etwaige Anomalien.
Kleine Technik, große Wirkung: Mikromechanische Ultraschallwandler offenbaren filigrane Strukturen in der medizinischen Diagnostik
Damit selbst kleinste Unregelmäßigkeiten im Körperinneren erkannt werden können, braucht es mondernste und hochauflösende Technologien. Eine solche entwickeln die Forschenden am Fraunhofer ENAS. Verbaut in Ultraschallsonden, erlauben es die mikromechanischen Ultraschallwandler (Micromachined Ultrasonic Transducer, MUT) der Chemnitzer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, auch feinste Strukturen zu detektieren.
»Möglich machen das auf Silizium-Wafern hergestellte ultradünne Membranen, die im Inneren der Ultraschallwandler verbaut und mit einem bis fünf Mikrometern Größe kleiner als beispielsweise ein rotes Blutkörperchen sind. Durch Anlegen einer Spannung werden diese Membranen in Schwingung versetzt, wodurch hochfrequente, für den Menschen jedoch nicht hörbare Schallwellen entstehen. Treffen diese Schallwellen anschließend auf ein Objekt, wie zum Beispiel Gewebe, wird das Signal reflektiert und kann ausgewertet werden«, erläutert Dr. Nooshin Saeidi, Leiterin der Gruppe »Micro Acoustic Systems« am Fraunhofer ENAS, die ebenfalls an MUT-Technologien forscht.
Das Besondere der Ultraschallwandler des Fraunhofer ENAS: Sie können kapazitiv oder piezoelektrisch betrieben werden. Der Unterschied besteht in ihrem Aufbau, der typischerweise aus zwei Elektroden besteht: Bei kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlern (Capacitive Micromechanical Ultrasonic Transducer, CMUT) wirkt eine elektrostatische Kraft zwischen den beiden Elektroden. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung entsteht ein elektrisches Feld, welches die Membran in Schwingung versetzt und Schallwellen erzeugt. Bei piezoelektrischen mikromechanischen Ultraschallwandlern (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer, PMUT) werden hingegen piezoelektrische Dünnschichten direkt auf der Membran aufgebracht. Diese piezoelektrischen Materialien wandeln die elektrischen Signale, die durch Anlegen einer Spannung entstehen, in eine mechanische Auslenkung um und versetzen die Membran direkt in Schwingung, so dass Ultraschallwellen erzeugt werden.
