Transducer Arrays for 3D Ultrasound Computed Tomography

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. ... mehrIn 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.

Ultrasound computed tomography (USCT) is a promising imaging method for early breast cancer detection. A third-generation 3D USCT device (3D USCT III) is currently under development at the Karlsruhe Institute of Technology. The transducer arrays are among the most critical and technologically challenging components of this device. They have to enable pseudo-random positioning of single transducers, exhibit high bandwidths, large opening angles, isotropic sound emissions and comply with medical device regulations. This thesis presents the realization of new transducer array systems (TAS III) for 3D USCT. ... mehrThis includes the definition of requirements, system design, automated manufacturing, characterization and design optimization.
The core elements of the TAS III design are piezocomposite disks, containing 18 piezoelectric fibers spatially distributed in polymer. Additional disks for acoustic matching and backing were attached to finalize the arrays. A semi-automated manufacturing process was developed to produce the required 256 TAS III. Quantitative quality evaluations showed that more than 96% of the produced transducers were fully functional. The amplitude and phase angle of the generated acoustic field of 54 transducers were measured and analyzed. Most of the defined requirements were met. A mean center frequency of 2.6 MHz was determined, with a -10 dB fractional bandwidth of 134% resulting from two distinct vibration modes. Full 3D measurements showed isotropic sound emissions with a mean opening angle of 42.8°. Advanced models were developed for design analysis and optimization. Minor changes in length and diameter of the piezoelectric fibers and a higher lateral damping were found to improve the performance to some extent. The limited possibility for further improvements showed that the TAS III design is close to the achievable optimum.
Alternative transducer technologies were explored to overcome fundamental limitations of the piezoelectric fiber composites with respect to opening angle and bandwidth. Replacing the fibers with a single-crystal piezoelectric material promises an increase in bandwidth by 35%, but requires extensive adjustments in the manufacturing process. Characterizations of micromachined ultrasound transducers showed a significant increase in opening angle, but lower emitted sound pressures. Nevertheless, the properties and available design freedom makes this transducer technology very promising for future 3D USCT generations. The designed and realized TAS III proved to be well-suited for the intended use and were implemented in two 3D USCT III devices. Extensive clinical tests will follow to assess the sensitivity and specificity of this new 3D ultrasound imaging method.