Ultraschall in der Natur, Technik und Medizin - Universität Wien

UMP 2010: „Ultraschall in der Natur, Technik und Medizin“, Ewald Benes, TU Wien, vhs X 12.01.2010, vhs XI 21.01.2010
Ultraschall in der Natur, Technik und Medizin
Kurzfassung: Wenn Sie an den Einfluss der physikalischen
Erkenntnisse auf die Menschheitsgeschichte denken,
fallen Ihnen vielleicht zuerst der Urknall im Universum
und dann noch die nukleare Bedrohung oder das Theaterstück
von Dürrenmatt ein. Für das heutige Berufsbild
der Physikerin und des Physikers sind jedoch in der Regel
andere Bereiche der Physik maßgebend. In meiner Präsentation
werde ich als Beispiele faszinierende Erkenntnisse
auf dem Gebiet des Ultraschalls und ihre Anwendungen
beschreiben. Diese sind vielleicht wesentlich weniger
in Ihrem Bewusstsein verankert als die eingangs erwähnten
Phänomene - und doch sind sie typische Beispiele für die
großen und vielfältigen Einflüsse der Physik auf unser
heutiges Leben. Ich werde daher in diesem Referat einen
Bogen von der Bedeutung des Ultraschalls in der Natur,
über die Anwendungen in der Technik und Medizin, bis
hin zu den aktuellen Anwendungen in der Biotechnologie
spannen.
Einleitung
Zunächst wird die Erforschung des Ortungssystems
der Fledermäuse beschrieben. Die hiefür ausgeführten
Experimente waren bereits typisch für die heutige naturwissenschaftliche
Methodik: Es wird eine Frage an die
Natur gestellt und diese Frage wird in Form eines Experimentes
konstruiert. Der Ausgang des Experimentes ist die
reproduzierbare Antwort der Natur. Die große Kunst dabei
ist, das Experiment so zu konstruieren, dass der Ausgang
nur eine eindeutige Interpretation der dahinter stehenden
Gesetzmäßigkeit zulässt.
Sodann wird gezeigt, dass das Prinzip der Ortungsmethode
der Fledermäuse auch unter Wasser angewendet
werden kann: die Delphine erkennen Hindernisse über
große Entfernungen auf akustischem Weg (Echopeilung).
Analog dazu funktionieren zwei sehr erfolgreiche
technische Anwendungen, das sog. SONAR, das 1943 die
Wende im U-Bootkrieg einleitete, und die bildgebenden
Ultraschallgeräte in der Medizin.
Schließlich werden noch die Auflösung von Thromben
(Blutgerinnsel) mit Ultraschall sowie die akustischen Zellfilter
in der Biotechnologie beschrieben. Letztere sind ein
besonders aktuelles Ergebnis eines europäischen Großprojektes,
das von mir geleitet wurde.
Das Ortungssystem der Fledermäuse
Fledermäuse leben in Konkurrenz zu den insektenjagenden
Vögeln. Da sie eine den Federflüglern unterlegene
Flugtechnik anwenden, konnten sie sich im Laufe der
Evolution gegenüber den am Tage jagenden Vögeln nur
dadurch behaupten, dass sie sich zum Nachtjäger entwickelten.
In völliger Dunkelheit flattert die Fledermaus
Ewald Benes
Technische Universität Wien, Institut für Allgemeine Physik,
Wiedner Hauptstr. 8, A-1040 Wien
0664 1250001
- 1 -
durch Bäume, schlängelt sich zwischen den Zweigen hindurch
und fängt bis zu 500 Insekten pro Stunde im Flug.
Die Fledermaus erkennt auch noch auf einem Blatt sitzende
Insekten und weicht gespannten Drähten mit 1 mm
Durchmesser bei voller Fluggeschwindigkeit mühelos aus.
In die Luft geworfene Mehlwürmer fängt die Fledermaus
mit 99% Erfolgsrate, nach anderen, nicht essbaren Stücken
schnappt sie in weniger als 5% der Fälle.
Fledermäuse sind nicht blind, es war daher zunächst
naheliegend, anzunehmen, dass sie möglicherweise mit
geringerem Restlicht auskommen als der Mensch oder die
Eule. Bereits gegen Ende des 18. Jahrhunderts stellte sich
der italienische Wissenschafter Spallanzani die Frage nach
dem Funktionieren des Ortungssinnes der Fledermäuse. Er
zog einigen Fledermäusen undurchsichtige Hauben über
den Kopf und ließ sie in taghellen Räumen fliegen. Die
Fledermäuse prallten gegen die Wände. Dies schien darauf
hinzudeuten, dass Fledermäuse in einem nahezu dunklen
Raum sehen können, jedoch nicht mehr bei völliger Dunkelheit.
Doch je mehr Spallanzani über das Experiment
nachdachte, desto mehr Zweifel kamen ihm: Hatte die
Haube mehr als nur die Augen abgedeckt? Er wiederholte
das Experiment mit Tieren, denen er eine durchsichtige
Haube überstülpte. Obgleich das Sehvermögen der Tiere
nicht behindert war, flatterten sie ziellos im Raum umher.
Wäre es möglich, dass die Fledermäuse nicht mit den
Augen, sondern mit irgendeinem anderen Organ sehen?
Um diese Frage zu beantworten, blendete Spallanzani
einige Fledermäuse: Zu seiner Verblüffung konnte er die
blinden Tiere tags oder nachts herumfliegen lassen ohne
das sie je auf ein Hindernis anstießen.
Spallanzanis überraschende Erkenntnisse wurden bei
einer Sitzung der Genfer Gesellschaft für Naturgeschichte
verlesen. 1794 berichtete ein weiterer Wissenschafter
namens Jurine vor der Gesellschaft, dass eine Fledermaus
wie trunken gegen Hindernisse torkelte, wenn man ihr die
Ohren mit Wachs verschloss. Da wurde im klar: “Beim
Erkennen von Gegenständen scheint das Hörorgan der
Fledermaus die Funktion des Sehorgans zu übernehmen”.
Der Gedanke, dass Fledermäuse mit ihrem Gehör “sehen”
könnten, galt zu jener Zeit als wissenschaftliche Ketzerei.
Kein Mensch hatte jemals mit seinen Ohren irgendetwas
gesehen – und dass ein niedrigeres Lebewesen über ein
Sinnesorgan verfügen sollte, das der Mensch nicht besitzt,
war für viele Menschen des 18. Jahrhunderts unfassbar.
Der britische Naturwissenschafter Montagu überschüttete
Spallanzani und Jurine mit Spott. Er schrieb 1809: …mit
gleichen Recht könne man die Frage stellen: “Wenn die
Fledermäuse mit ihren Ohren sehen, hören sie dann auch
mit den Augen?” Die Experimente Spallanzinis und
Jurines waren dadurch so gründlich in Misskredit gezogen
worden, dass es in späteren Jahren nur wenige Forscher

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gab, die überhaupt von diesen bahnbrechenden Arbeiten
wussten. Obwohl die Experimente wissenschaftlich einwandfrei
durchgeführt wurden, fehlte das tiefere Verständnis
zu jener Zeit. Erst nach der Entwicklung des Radars
war die Zeit reif für ein Verstehen des Ortungssinnes der
Fledermäuse.
Heute weiß man, dass Fledermäuse gepulste, gerichtete
Ultraschalltöne aussenden, die unmittelbar vor dem
Kopf zu einem Strahl gebündelt werden (vgl. Abb.1).
Abb.1. Die Fledermaus sendet Ultraschallpulse aus und lauscht
jeweils anschließend auf das vom Insekt zurückreflektierte Echo.
Nach der Schallaussendung lauschen die Fledermäuse
auf den von Hindernissen zurückgestreuten Schall und
dieser wird in einem besonderen, groß ausgebildeten Hirnabschnitt
gedeutet. Dadurch kann eine Fledermaus Größe
und Form ihres Zieles “sehen” und seine Lage nach Winkel
und Entfernung genau bestimmen. Die ausgesandten
Töne haben eine Pulsdauer von nur 0,5 ms und liegen mit
typischerweise 50 kHz weit über der menschlichen Hörgrenze.
Könnten wir sie hören, würde ihre Lautstärke der
eines vierstrahligen Jumbo-Jets entsprechen, der in 1,5 km
Entfernung vorbeifliegt. Die Ohren der Fledermaus sprechen
noch auf Reflektionen an, die 10 -11 mal schwächer
als die ausgesandten Töne sind. Während des Aussendens
der Schreie nimmt die Fledermaus die Empfindlichkeit des
Gehörs drastisch zurück (Vergleichbar mit dem Sende-
Empfangsschalter eines Radargerätes). Für die meisten
Insekten liegen die Ultraschallpulse der Fledermaus innerhalb
ihres Hörbereichs, sie merken daher die Gefahr und
leiten einen Taumelflug ein. Die Fledermaus erhöht mit
zunehmender Annäherung die Anzahl der ausgesandten
Pulse und erwischt in der Regel das Insekt trotz des
Ausweichmanövers.
Übrigens verlassen sich blinde Menschen seit jeher auf
Reflektionen von Schallwellen, die sie durch das Klopfen
mit einem Stock auf den Gehsteig erzeugen. Der Orientierungssinn
der Blinden, der früher oft auch als sechster Sinn
bezeichnet wurde, konnte eindeutig als eine entsprechende
Schulung des Gehörsinns erklärt werden. Die Leistungsfähigkeit
dieses “Notsystems” erreicht aber bei weiten
nicht jene des hochentwickelten Echopeilungssystems der
Fledermaus.
Das Echopeilungssystem der Delphine
Jahrhundertelang war sich kein Mensch bewusst, welche
gewaltigen Navigationsprobleme Delphine und Wale
bewältigen. Beide können schnell schwimmen - Delphine
mit einer Geschwindigkeit von 32 km/h - beide haben eine
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große Masse. Diese Verbindung von Geschwindigkeit und
Masse verleiht beiden Arten eine ungeheure Schwungkraft.
Um genügend Raum zum Anhalten und Wenden zu haben,
müssen diese Tiere - ebenso wie Schiffe - eventuell auftretende
Hindernisse schon lange im Voraus erkennen. Die
optische Sichtweite im Meereswasser beträgt aber je nach
Luftblasengehalt, Trübung und Beleuchtung oft nur wenige
Meter. Im Gegensatz zu Lichtwellen breiten sich hingegen
Schallwellen im Meerwasser hervorragend aus.
Erst 1947 äußerte ein Wissenschafter namens McBride
vom Institut für Meeresforschung in Florida erstmals die
Vermutung, dass Delphine möglicherweise ein akustisches
Ortungssystem (Echopeilung) ähnlich wie die Fledermäuse
haben könnten. Er hatte beobachtet, wie in Netzen gefangene
Delphine niemals gegen die Netze anschwammen,
sondern über die Korken sprangen, mit denen die oberen
Netzschnüre gesäumt sind. Wegen ihres freundlichen Charakters
und ihrer hohen Intelligenz sind Delphine besonders
geeignet, um den akustischen Orientierungssinn zu
erforschen. Heute weiß man, dass Delphine eine schnell
aufeinanderfolgende Serie von Ratterlauten ausstoßen und
das Frequenzband dieser Laute vom Hörbereich bis zu
170 kHz reicht. Experimente in verdunkelten Teichen mit
Hinderniskursen und versenkten Zielen haben gezeigt, dass
die Tiere ein höchst wirksames Echopeilungssystem besitzen.
Die Entwicklung des Sonars
Schon 1490 schrieb Leonardo da Vinci “Wenn man
das eine Ende eines langen Rohres ins Wasser taucht und
das andere Ende ans Ohr hält, wird man die Geräusche von
weit entfernten Schiffen hören”. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts
wurden Unterwasserglocken benutzt, die Schiffe
vor gefährlichen Untiefen warnten. 135 Küstenleuchtfeuer
überall in der Welt waren mit derartigen Schallsendern
ausgestattet. Schiffe, die mit Unterwassermikrofonen ausgestattet
waren, konnten bei jedem Wetter die Gefahrenstellen
auf 24 km Entfernung erkennen.
Den entscheidenden Fortschritt aber brachte der vom
französischen Physiker Langevin entwickelte Ultraschallwandler,
der sowohl als Schallsender als auch als Schallempfänger
arbeiten konnte. Langevins Apparat ist der
Vorläufer des heute verwendeten Sonar-Gerätes (SONAR
ist ein Abkürzung für sound navigation and ranging, akustische
Navigation und Entfernungsmessung; vgl. RADAR,
radio detection and ranging). Durch Verwendung immer
höherer Schallfrequenzen und damit immer kleinerer
Wellenlängen war man schließlich in der Lage, den Schall
mit Wandlern von praktischer Größe zu einem scharf
gerichteten Strahl zu bündeln, mit dem Gegenstände unter
Wasser wie mit einem Scheinwerfer abgetastet werden
können (Scanning). Reflektionen von Objekten werden
vom gleichen Wandler empfangen und können bildgebend
ausgewertet werden.
Während bis 1943 die deutsche U-Boot Flotte insbesondere
der englischen Marine empfindliche Verluste
beibringen konnte, brachte die Ausstattung der Kriegsschiffe
mit den von den Alliierten fieberhaft entwickelten
Sonargeräten die Wende. Mit Hilfe des Sonars konnten die
U-Boote aus großer Entfernung geortet und mit Torpedos
bekämpft werden. Ab 1943 wurden damit die Jäger zu
gejagten und die deutschen U-Boot Flotte wurde bis 1945

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weitgehend vernichtet.
Bildgebende Ultraschallgeräte in der Medizin
Klassische Puls-Echo Bildgeber in der Medizin verwenden
einen Schallkopf, der in einer Richtung aus sehr
vielen piezoelektrischen Schallwandlerelementen besteht.
Die Piezoelemente werden elektrisch zeitversetzt derart
angesteuert, dass ein fokussierter Schallstrahl entsteht, der
wie ein Scheinwerfer den Bildbereich in einer Ebene periodisch
überstreicht (1-D Scanner). Die Ansteuerung erfolgt
mit einer Frequenz zwischen 1…5 MHz in Form von kurzen
Pulsen, die Wellenzüge von kurzer Dauer (sog. Bursts)
erzeugen. Zwischen den ausgesandten Pulsen werden die
Piezowandlerelemente auf Empfang geschaltet, die
Wandlerelemente fungieren in den Sendepausen als Ultraschallmikrofone.
Die von den verschiedenen akustischen
Gewebekontrasten reflektierten Wellen erzeugen Signale,
die je nach Entfernung vom Schallkopf zu unterschiedlichen
Zeiten auftreten. Der zeitliche Verlauf der empfangenen
Signale entspricht im Ultraschallbild daher dem örtlichen
Verlauf ausgehend vom Schallkopf in radialer Richtung.
Abb. 1 zeigt ein typisches sog. B-Bild (B:
Brightness), im Beispiel von der menschlichen Leber.
Besonders deutlich erkennt man die Blutgefäße in der
Leber. Das Blut in den Blutgefäßen, das Wasser in Zysten,
sowie auch die Milch in den Milchgängen der weiblichen
Brust sind praktisch reflektionsfreie Medien und heben
sich im Ultraschallbild besonders kontrastreich als dunkle
Flächen vom hellen (teilreflektierenden) Gewebe ab.
Abb.2. 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.
Von weiter entfernten Reflektionspunkten stammende
Wellen sind naturgemäß stärker abgeschwächt, wenn sie
am Schallkopf eintreffen. Dies würde eine Abhängigkeit
der Bildhelligkeit von der radialen Entfernung ergeben,
diese kann aber bei der Signalverarbeitung entsprechend
berücksichtigt werden. Die Laufzeitunterschiede einer
reflektierten Welle zu den einzelnen Wandlerelementen
würde sich sehr negativ auf die Bildschärfe auswirken,
diese geometriebedingten Laufzeitunterschiede werden
daher ebenfalls bei der Auswertung berücksichtigt.
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Als Physiker hat man aber auch das Auftreten des sog.
Schallstrahlungsdruckes, der bei der Reflektion einer
Schallwelle an einer reflektierenden Grenzfläche durch den
dabei entstehenden Impuls entsteht, vor Augen. Dieser darf
nicht mit dem Schalldruck verwechselt werden, der sich
mit der Ultraschallfrequenz (1…5 MHz) periodisch ändert.
Der Schallstrahlungsdruck ist bei einer kontinuierlichen
Welle statisch, bei einer gepulsten Welle hingegen - wie
sie vom Schallkopf eines Ultraschall-Scanners erzeugt
wird - pulsiert der Schallstrahlungsdruck mit der Pulsfrequenz
und das betreffende Gewebe verformt sich periodisch.
Da die Pulsfrequenz mit 1…10 kHz voll im Hörbereich
liegt, ist der Schallstrahlungsdruck die Ursache dafür,
dass gepulster Ultraschall ein Schallereignis im Hörbereich
erzeugen kann. Nach jüngsten Forschungsergebnissen wird
dieses Schallereignis vom Fötus bei der Ultraschalluntersuchung
als Lärm empfunden - der Fötus reagiert mit
Bewegungen. (Vgl. Wissenschaftssendung „Modern
Times“ in ORF 2 vom 14.06.2002).
Moderne Puls-Echo-Bildgeber verwenden Schallköpfe,
die den Schallstrahl nicht nur horizontal, sondern
auch vertikal ablenken können (2-D Scanner). Aus den
dadurch zur Verfügung stehenden Signalen lassen sich -
analog wie bei der Computer-Tomografie - dreidimensionale
Bilder gewinnen.
Bei Reflektionen von bewegten Kontrasten ist der
reflektierte Schall in seiner Frequenz Doppler-verschoben.
Dies lässt sich nutzen, um die Fließgeschwindigkeit von
Blut im Herzbereich und in Blutgefäßen anzuzeigen
(farbcodierte Ultraschallbildgeber bzw. Doppler-Sonografie).
Auflösung von Thromben mit Ultraschall
Thromben (Blutgerinnsel) sind die Ursache von Herzinfarkt
und Gehirnschlag. Entscheidend für die wirksame
Behandlung ohne bleibende Schäden ist die rasche Auflösung
der Thromben. In Zusammenarbeit zwischen der TU
Wien und dem AKH Wien konnte vor Kurzem durch invitro
Versuche gezeigt werden, dass die Thromben-auflösende
Wirkung der spezifischen Medikamente (sog.
Thrombolytika) durch Beschallung mittels pulsierenden
Ultraschall signifikant gesteigert werden kann. Im Vortrag
wird die Wirkung des Ultraschalls auf Thromben in einem
Videofilm gezeigt. Besonders beeindruckend ist dabei die
Stärke und Wirkung des Schallstrahlungsdruckes.
Akustische Zellfilter in der Biotechnologie
Neben den bisher ausschließlich behandelten laufenden
Ultraschallwellen gibt es auch sog. stehende Wellen,
die in Resonatoren auftreten. Wird eine Suspension von
festen Teilchen in einer Flüssigkeit mit einer stehenden
Welle beschallt, so werden die vorher homogen verteilten
Teilchen durch den Schallstrahlungsdruck in die Schalldruck-Knotenebenen
getrieben (vgl. Abb.3). Dieser Effekt
wurde bereits 1873 von Kundt und Lehmann zur Sichtbarmachung
von Ultraschallwellen verwendet, er konnte
aber erst in allerjüngster Zeit für die Entwicklung von
neuartigen Separatoren zur Abscheidung von Schwebeteilchen
nutzbar gemacht werden. Derartige resonante Separatoren
wurden im Rahmen eines großen europäischen
Forschungsprojektes, das unter Federführung der TU Wien
stand und bei dem 12 DoktorandInnen bzw. Post-Docs

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(junge WissenschafterInnen mit Doktorat) beschäftigt
waren, entwickelt. Diese Ultraschall-Separatoren werden
bereits als akustische Zellfilter in der Biotechnologie bei
sog. Perfusions-Bioreaktoren eingesetzt und dienen dort
zur Abscheidung von suspendierten biologischen Zellen.
Abb.3. Foto der Teilchenverteilung
in einem stehenden
Ultraschallfeld. Das Beispiel
zeigt kugelförmige Pyrex Glaspartikel
mit einem Durchmesser
von 0,1 mm und einer Anregungsfrequenz
von 670 kHz.
Der Abstand zwischen den
Teilchen-Agglomeraten beträgt
eine halbe Wellenlänge
(λ/2 = 1,1 mm).
Eine spezielle Ausführungsform, der sog. h-Resonator,
ist auch zur Abscheidung unter Schwerelosigkeit geeignet.
Dies wurde in Zusammenarbeit mit dem MELISSA Projekt
der ESA demonstriert, dass die möglichst autarke Versorgung
der Besatzung der Internationalen Raumstation ISS
zum Ziele hat. Konkretes Ziel ist dabei die Züchtung von
Algen mit hohem Nährstoffgehalt in der ISS - Sonnenlicht
ist genug vorhanden und Wasser muss ohnehin rezykliert
werden. In die engere Wahl wurden sog. Spirulina
Platensis Algen gezogen (vgl. Abb.4).
Abb.4. Spirulina Algen, deren Namen daher rührt, dass ca. 45%
dieser Pflanzenzellen spiralförmige Gestalt aufweisen.
Die TU Wien hat bei den 23. Zero-Gravity Parabolflugexperimenten
der ESA mitgewirkt. Es konnte dabei
gezeigt werden, dass mit dem neuartigen h-Resonator 14
Liter/Tag Spirulina Algen unter Schwerelosigkeit abgeschieden
werden können. Im Vortrag wird die Wirkungsweise
dieser neuartigen Ultraschall-Separatoren mit Videofilmen
demonstriert. Mit dieser neuen, hochaktuellen
Anwendung des Ultraschalls schließt der Überblick - ohne
Anspruch auf Vollständigkeit - über die Bedeutung des
Ultraschalls in Natur, Technik, Medizin und Biotechnologie.
Die Physik als Mutter aller technischen Wissenschaften
bietet von allen Studienrichtungen die vielfältigsten
und innovativsten beruflichen Entfaltungsmöglichkeiten.
Wer vom Beitrag der Physik für das Verständnis unserer
Welt fasziniert ist und ausreichende mathematische Begabung
mitbringt, ist herzlich zum Studium der Technischen
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Physik an der TU Wien eingeladen.
Abb.5. Bei den Parabolflugexperimenten folgt ein speziell adaptierter
A300 Airbus einer Steinwurfparabel - dadurch wird für
jeweils 20 sec Schwerelosigkeit erzielt.
Abb.6. Die Teilnehmer seitens der TU Wien, Hannes Böhm und
Felix Trampler, während einer Phase der Schwerelosigkeit.
Würdigung
Der Autor dankt Dipl.-Ing. Hannes Böhm, Dipl.-Ing.
Georg Doblhoff-Dier, Dr. Branka Devcic-Kuhar und Dr.
Felix Trampler für die Zurverfügungstellung von geeignetem
Foto- und Filmmaterial. Die Arbeiten betreffend
Sonothrombolyse wurden vom Österr. Fonds zur Förderung
der Wissenschaftlichen Forschung, die Arbeiten zu
den akustischen Zellfiltern von der Europäischen Kommission
im Rahmen des TMR Projektes EuroUltraSonoSep
gefördert.
Literatur
S. S. Stevens, F. Wharshofsky, "Schall und Gehör", Rowohlt
Taschenbuch Verlag GbH, 1980
B. Devcic-Kuhar, S. Pfaffenberger, M. Gröschl, C. Kollmann, E.
Benes and M. Gottsauner-Wolf, "In vitro thrombolysis enhanced
by standing and traveling ultrasound wave fields",
Ultrasound Med. Biol. 28, pp. 1181-1187, 2002
E. Benes, M. Gröschl, H. Nowotny, F. Trampler, T. Keijzer, H.
Böhm, S. Radel, L. Gherardini, J.J. Hawkes, R. König and
C. Delouvroy, "Ultrasonic separation of suspended
partiles", Proc. 2001 IEEE Ultrasonics Symposium, Atlanta,
USA, Vol. 1 pp. 649-659, 2001, ISBN 0-7803-7177-1