| |
|
Dissertation angenommen durch: Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fachbereich Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik, 2005-04-29
BetreuerIn: Prof. Dr. Joachim Herbertz , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fachbereich Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik
GutachterIn: Prof. Dr. Joachim Herbertz , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fachbereich Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik
GutachterIn: Prof. Dr. Edmund Gerhard , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fachbereich Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik
Schlüsselwörter in Deutsch: Ultraschall, Hydrophon, faseroptisch, Schallfeld, Ultraschallbildgebung
Schlüsselwörter in Englisch: ultrasound, hydrophone, fiberoptic, soundfield, ultrasonic imaging
|
|
| |
|
Abstrakt in Deutsch
In der medizinischen Ultraschallbildgebung werden höhere Ultraschallfrequenzen und größere Ultraschalleistungen eingesetzt, um bessere Ortsauflösungen bzw. Bildqualität in zu erreichen. Die potentielle Risiken für den Patienten müssen anhand von Messungen sicherheitsrelevanter Schallfeldparameter abgeschätzt werden. Die Schalldruckmessung mit piezoelektrischen Hydrophonen stößt aufgrund der minimalen Sensorgrößen für Frequenzen über 40 MHz an ihre Grenzen.
Inhalt der Arbeit ist die Verbesserung einer optischen Meßtechnik zum Einsatz an diagnostischen Ultraschallfeldern. Dazu wurde ein faseroptisches Hydrophon, basierend auf dem piezooptischen Effekt, aufgebaut. Dabei wird die Änderung des Brechungsindex von Wasser durch den Schalldruck bestimmt, indem der an der Grenzschicht Wasser / Lichtleitfaser reflektierte Lichtanteil gemessen wird. Ziel der Arbeit war, die Unsicherheit in der Kalibrierung eines piezooptischen Faserhydrophons soweit zu verkleinern, daß die Gesamtunsicherheit der Kalibrierung im Bereich der Fehlergrenzen von piezoelektrischen Hydrophonen liegt (11%-14%).
Zu diesem Zweck wurde das faseroptische Hydrophon mit einer Monomode-Lichtleitfaser und einer Monomode-Lichtquelle aufgebaut. Die Monomodefaser hat einen lichtführenden Kern (und damit eine Sensorfläche) von 5 µm Durchmesser.
Befindet sich die Faser im Schallfeld, so kommt es an der Faserfläche zu Reflexion und Beugung der akustischen Welle, die aufgrund ihrer Frequenzabhängigkeit die Empfindlichkeit beeinflussen. Diese Effekte werden rechnerisch kompensiert. Durch Anwendung des Reflexionsgesetzes für die Grenzschicht Faser / Wasser konnte die Gesamtunsicherheit von bisher 18% auf unter 11% verbessert werden.
Die Ergebnisse werden durch Vergleichsmessungen mit kalibrierten Hydrophonen an verschiedenen Ultraschallsystemen experimentell bestätigt.
Abstrakt in Englisch
Ultrasonic imaging uses higher ultrasound frequencies and power levels to achieve better spacial resolution and image quality. Potential hazard for patients have to be evaluated on the basis of relevant acoustic parameters. Measurements of the acoustic pressure with piezoelectric hydrophones is only reliable up to 40 MHz because of minimum sensor size.
This work improves a pizooptical measurement method for acoustic pressure. Acoustic pressure changes the refractive index of water. This is determined by measuring laser power, reflected at a fiber/water interface. To improve calibration uncertainty for that kind of measurement to the level of piezoelectric hydrophones (11% - 14%) was the primary goal. Therefore a piezooptic fiber hydrophone with single mode fiber and single mode light source (laser diode) is developed. The active area of the used single mode fiber type has a diameter of 5 µm.
Since the fiber influences sound field propagation due to reflection and diffraction, sensitivity of the device is frequency dependent. These effects are compensated by mathmatic modelling. By calculaing the exact curve progression of the factor of reflection depending on the refractive index gradient at the fiber/water interface, calibration uncertainty is improved from 18% to below 11%.
Results are validated by intercomparison with several calibarted piezoelectric hydrophones. Measurements are carried out on different ultrasound imagaing systems.
|
|