Ultraschall in der Natur, Technik und Medizin

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Sofia Schäfer
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1 Ultraschall in der Natur, Technik und Medizin Ewald BENES ƒ1

2 Inhalt Einleitung Das Ortungssystem der Fledermäuse Das Echopeilungssystem der Delphine! SONAR Bildgebende Ultraschallgeräte in der Medizin Auflösung von Thromben mit Ultraschall Ultraschall-Separationstechnologie Grundlagen Ultraschallunterstützte Sedimentation Ultraschall Zellfilter Ultraschall h-separator Strömung- und Kraftfeld-Simulation Zusammenfassung ƒ2

3 Das Ortungssystem der Fledermäuse Die ausgeführten Experimente waren bereits typisch für die heutige naturwissenschaftliche Methodik: Frage an die Natur in Form eines Experimentes Der Ausgang des Experimentes ist die reproduzierbare Antwort der Natur. ƒ3

4 Das Ortungssystem der Fledermäuse Spallanzani um 1790: Wie funktioniert der Ortungssinn der Fledermäuse? Undurchsichtige Haube über den Kopf "Keine Orientierung # Bei völliger Dunkelheit keine Orientierung? Hat die Haube mehr als nur die Augen abgedeckt? Durchsichtige Haube über den Kopf " Auch keine Orientierung! Wäre es möglich, dass die Fledermäuse nicht mit den Augen, sondern mit irgendeinem anderen Organ sehen? Geblendete Tiere " Uneingeschränkte Orientierung! Bericht an Genfer Gesellschaft für Naturgeschichte ƒ4

5 Das Ortungssystem der Fledermäuse Jurine 1794: Wie funktioniert der Ortungssinn der Fledermäuse? Ohren mit Wachs verschlossen "Keine Orientierung! Beim Erkennen von Gegenständen scheint das Hörorgan der Fledermaus die Funktion des Sehorgans zu übernehmen Montagu 1809: mit gleichen Recht könne man die Frage stellen: Wenn die Fledermäuse mit ihren Ohren sehen, hören sie dann auch mit den Augen? ƒ5

6 Das Ortungssystem der Fledermäuse Die Fledermaus sendet Ultraschallpulse aus und lauscht jeweils anschließend auf das vom Insekt zurückreflektierte Echo Echo-Lokalisierung ƒ6

7 Das Ortungssystem der Fledermäuse ƒ7

8 Das Ortungssystem der Fledermäuse Langohr Fledermaus Wahrnehmung von Reflektionen, die mal schwächer als die ausgesandten Töne sind. Echo-Auswertung:!Entfernung!Größe!Material $ Sechster Sinn beim Menschen ƒ8

9 Das Ortungssystem der Fledermäuse Chiroptera! Hand-Flügel Einziges fliegendes Säugetier ƒ9

10 Fledermäuse tagsüber ƒ10

11 Das Ortungssystem der Fledermäuse Vampir Fledermaus Mexiko Südamerika Im Speichel Thrombolytikum Anti-Gerinnungswirkstoff 20x stärker als alle anderen bekannten Thrombolytika Draculin ƒ11

12 Das Echopeilungssystem der Delphine 1947 McBride Institut für Meeresforschung in Florida Haben Delphine möglicherweise ein akustisches Ortungssystem (Echopeilung)? Serie von schnell aufeinanderfolgenden Ratterlauten Frequenzband vom Hörbereich bis zu 170!kHz $ SONAR ƒ12

13 Die Entwicklung des SONARs RADAR! radio detection and ranging SONAR! sound navigation and ranging Langevin Piezoelektrische Wandler Schallsender! Schallempfänger 1943 Wende im Seekrieg ƒ13

14 Wie funktioniert RADAR? RADAR! RAdio Detection And Ranging Ein gerichteter Puls (Wellen-Paket) wird von der Radar-Antenne emittiert. Dieser Puls breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus ( km/s), und wird von metallischen Gegenständen als Echo zur Radar-Antenne rückreflektiert. Die Zeitdauer für den Hinlauf und für den Rücklauf ist ein Maß für die Entfernung des Gegenstandes. ƒ14

15 Wie funktioniert SONAR? SONAR! SOund Navigation And Ranging Ein gerichteter Puls (Wellen-Paket) wird von einem Schallgeber emittiert. Dieser Puls breitet sich mit der Schallgeschwindigkeit des umgebenden Mediums aus (in Luft 300 m/s, in Wasser 1500 m/s), und wird von dichten Gegenständen als Echo zum Schallgeber rückreflektiert. Die Zeitdauer für den Hinlauf und für den Rücklauf ist ein Maß für die Entfernung des Gegenstandes. ƒ15

16 Bildgebende Ultraschallgeräte in der Medizin Wandler (lineare Anordnung, 1-D) und Schallstrahl Klassische Puls-Echo Bildgeber Akustische Gewebekontraste # reflektierte Wellen # Signale, die je nach Entfernung vom Schallkopf zu unterschiedlichen Zeiten auftreten. Zeitlicher Verlauf der empfangenen Signale # im Ultraschallbild örtlicher Verlauf ausgehend vom Schallkopf in radialer Richtung. ƒ16

17 Bildgebende Ultraschallgeräte in der Medizin Ultraschall B-Bild der menschlichen Leber Besonders gut erkennbar sind die Blutgefäße der Leber in Bildmitte. Typische Auflösungen liegen bei 3!mm in azimuthaler und 0,3!mm in radialer Richtung. ƒ17

18 Bildgebende Ultraschallgeräte in der Medizin Korrektur der unterschiedlichen Laufzeiten zu den Wandler-Elementen # Präzise Fokusierung ƒ18

19 Bildgebende Ultraschallgeräte in der Medizin Fötus im 2. Monat ƒ19

20 Bildgebende Ultraschallgeräte in der Medizin Doppler Sonografie ƒ20

21 Sono-Thrombolyse ƒ21

22 ƒ22

23 Sono-Thrombolyse Beschallungseinrichtung ƒ23

24 Thrombus auf Faden aufgehängt: Demonstration der Schallstrahlungskraft ƒ24

25 Thrombus auf Nadel aufgespiest: Demonstration der Wirkung der Schallstrahlungskraft ƒ25

26 Künstliche Thrombuserzeugung ƒ26

27 Präparation des Blutgefäß-Phantoms mit Thrombus ƒ27

28 Blutgefäß-Phantom Präparation ƒ28

29 Beschallungseinrichtung ƒ29

30 Blutgefäß-Phantom mit Thrombus ƒ30

31 Thrombus-lösender Mechanismus: Schallstrahlungskraft ƒ31

32 Sono-Thrombolyse: Beschallung im Blutgefäß-Modell (Phantom) ƒ32

33 Eindringtiefe des Thrombolytikums rtpa durch Sichtbarmachung Fluoreszenz-Marker Blut ohne Thrombus Blut Thrombus mit US Beschallung ƒ33

34 The joint European Effort Projekt gefördert durch die Europäische Kommission Marie Curie TMR Program Ultrasonic Separation of Suspended Particles ƒ34

35 Ultraschall-Separationstechnologie Grundlagen Pyrex Glaskugeln d = 100µm f = 670 khz!/2 = 1.1 mm Kundt und Lehmann 1874 ƒ35

36 Schallstrahlungskraft > Schwerkraft ƒ36

37 Vergleich zweier Ultraschall-Separatorkonzepte Ultraschall Separatorkonzepte Ultraschallverstärkte Sedimentation Ultraschall-Zellfilter Ultraschall h-separator Strömungs- und Kraftfeldsimulation ƒ37

38 Ultraschallunterstützte Sedimentation Ultraschall Zellfilter ƒ38

39 KISS ƒ39

40 h-separator Ultrasonic h-shape separator ƒ40

41 h-separator ƒ41

42 h -Separator Strömungs- und Kraftfeldsimulation Ultrasonic h-shape separator Particle traces for inlet flow rate!! 4 L/h!! Acoustic field energy density 4 J/m 3 Flow velocity m/s Flow velocity Flow velocity vector Streamlines Particle traces ƒ42

43 h -Separator Strömungs- und Kraftfeldsimulation Particle traces for inlet flow rate!! 3 L/h!! Acoustic field energy density 4 J/m 3 Flow velocity m/s Flow velocity Flow velocity vector Streamlines Particle traces ƒ43

44 h -Separator Strömungs- und Kraftfeldsimulation Particle traces for inlet flow rate!! 2,5 L/h Acoustic field energy density 4 J/m 3 Flow velocity m/s Flow velocity Flow velocity vector Streamlines Particle traces ƒ44

45 h -Separator Strömungs- und Kraftfeldsimulation Ultrasonic h-shape Separator Separationsleistung Polystyren-Kugeln in Salzwasser d = 45 µm f = 1.96 MHz (34 th Oberwelle) P = 3 W eff Zulauf DurchflussV c = 5,5 L / h Abflüsse, Durchflussverhältnis a/b = 2:1 Teilchenkonzentration C = 0.314% ƒ45

46 h -Separator ƒ46

47 h Separator: Separation von Spirulina Algen ESA Melissa Project Harvesting of spirulina platensis algae under zero g condition. ƒ47

48 ESA Melissa Project -55% straight, 45% curled. -Straight cells: L x d = 125 x 8 µm; Curled cells: L x D x d = 70 x 28 x 8 µm ƒ48

49 ESA Parabolic Flight Campain h Resonator: 0 g ƒ49

50 h Resonator scheme c Resonator chamber Inlet Piezo ceramic Reflector Cleared Outlet a b Enriched Outlet ƒ50

51 ESA Parabolflug-Programm h Resonator: 0 g ƒ51

52 EuroUltraSonoSep Team ƒ52

53 Hinweis, Danksagung Martin Gröschl Georg Doblhoff-Dier Branka Devcic-Kuhar Hannes Böhm Felix Trampler Stefan Radel Danksagung Österr. Fonds zur Förderung der Wissenschaftlichen Forschung Europäische Kommission im Rahmen des TMR Projektes EuroUltraSonoSep ƒ53

54 ƒ54

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