Ultraschall in der Natur, Technik und Medizin
Ultraschall in der Natur, Technik und Medizin
Ultraschall in der Natur, Technik und Medizin
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UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
<strong>Ultraschall</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />
<strong>Natur</strong>, <strong>Technik</strong> <strong>und</strong><br />
Mediz<strong>in</strong><br />
Ewald BENES<br />
ƒ1
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
E<strong>in</strong>leitung<br />
Inhalt<br />
Das Ortungssystem <strong>der</strong> Fle<strong>der</strong>mäuse<br />
Das Echopeilungssystem <strong>der</strong> Delph<strong>in</strong>e ! SONAR<br />
Bildgebende <strong>Ultraschall</strong>geräte <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mediz<strong>in</strong><br />
Auflösung von Thromben mit <strong>Ultraschall</strong><br />
<strong>Ultraschall</strong>-Separationstechnologie<br />
Gr<strong>und</strong>lagen<br />
<strong>Ultraschall</strong>unterstützte Sedimentation<br />
<strong>Ultraschall</strong> Zellfilter<br />
<strong>Ultraschall</strong> h-Separator<br />
Strömung- <strong>und</strong> Kraftfeld-Simulation<br />
Zusammenfassung<br />
ƒ2
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Das Ortungssystem <strong>der</strong> Fle<strong>der</strong>mäuse<br />
Die ausgeführten Experimente waren bereits<br />
typisch für die heutige naturwissenschaftliche<br />
Methodik:<br />
Frage an die <strong>Natur</strong> <strong>in</strong> Form e<strong>in</strong>es Experimentes<br />
Der Ausgang des Experimentes ist die<br />
reproduzierbare Antwort <strong>der</strong> <strong>Natur</strong>.<br />
ƒ3
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Spallanzani um 1790:<br />
Das Ortungssystem <strong>der</strong> Fle<strong>der</strong>mäuse<br />
Wie funktioniert <strong>der</strong> Ortungss<strong>in</strong>n <strong>der</strong> Fle<strong>der</strong>mäuse?<br />
•Undurchsichtige Haube über den Kopf<br />
"Ke<strong>in</strong>e Orientierung # Bei völliger Dunkelheit ke<strong>in</strong>e Orientierung?<br />
Hat die Haube mehr als nur die Augen abgedeckt?<br />
•Durchsichtige Haube über den Kopf<br />
" Auch ke<strong>in</strong>e Orientierung!<br />
Wäre es möglich, dass die Fle<strong>der</strong>mäuse nicht mit den Augen, son<strong>der</strong>n mit<br />
irgende<strong>in</strong>em an<strong>der</strong>en Organ sehen?<br />
•Geblendete Tiere<br />
" Une<strong>in</strong>geschränkte Orientierung!<br />
Bericht an Genfer Gesellschaft für <strong>Natur</strong>geschichte<br />
ƒ4
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Jur<strong>in</strong>e 1794:<br />
Das Ortungssystem <strong>der</strong> Fle<strong>der</strong>mäuse<br />
Wie funktioniert <strong>der</strong> Ortungss<strong>in</strong>n <strong>der</strong> Fle<strong>der</strong>mäuse?<br />
•Ohren mit Wachs verschlossen<br />
"Ke<strong>in</strong>e Orientierung!<br />
“Beim Erkennen von Gegenständen sche<strong>in</strong>t das Hörorgan <strong>der</strong><br />
Fle<strong>der</strong>maus die Funktion des Sehorgans zu übernehmen”<br />
Montagu 1809:<br />
…mit gleichen Recht könne man die Frage stellen: “Wenn die<br />
Fle<strong>der</strong>mäuse mit ihren Ohren sehen, hören sie dann auch mit den<br />
Augen?”<br />
ƒ5
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Echo-Lokalisierung<br />
Das Ortungssystem <strong>der</strong> Fle<strong>der</strong>mäuse<br />
Die Fle<strong>der</strong>maus sendet<br />
<strong>Ultraschall</strong>pulse aus <strong>und</strong><br />
lauscht jeweils<br />
anschließend auf das<br />
vom Insekt<br />
zurückreflektierte Echo<br />
ƒ6
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Das Ortungssystem <strong>der</strong> Fle<strong>der</strong>mäuse<br />
ƒ7
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Das Ortungssystem <strong>der</strong> Fle<strong>der</strong>mäuse<br />
Langohr Fle<strong>der</strong>maus<br />
Wahrnehmung von Reflektionen, die<br />
10 -11 mal schwächer<br />
als die ausgesandten Töne s<strong>in</strong>d.<br />
Echo-Auswertung:<br />
!Entfernung<br />
!Größe<br />
!Material<br />
$<br />
Sechster S<strong>in</strong>n beim Menschen<br />
ƒ8
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Das Ortungssystem <strong>der</strong> Fle<strong>der</strong>mäuse<br />
Chiroptera ! Hand-Flügel E<strong>in</strong>ziges fliegendes Säugetier<br />
ƒ9
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Fle<strong>der</strong>mäuse tagsüber<br />
ƒ10
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Das Ortungssystem <strong>der</strong> Fle<strong>der</strong>mäuse<br />
Vampir<br />
Fle<strong>der</strong>maus<br />
Mexiko<br />
Südamerika<br />
Im Speichel<br />
Thrombolytikum<br />
Anti-Ger<strong>in</strong>nungs-<br />
wirkstoff<br />
20x stärker als<br />
alle an<strong>der</strong>en<br />
bekannten<br />
Thrombolytika<br />
Dracul<strong>in</strong><br />
ƒ11
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
1947 McBride<br />
Institut für Meeresforschung <strong>in</strong> Florida<br />
Das Echopeilungssystem <strong>der</strong> Delph<strong>in</strong>e<br />
•Haben Delph<strong>in</strong>e möglicherweise e<strong>in</strong> akustisches<br />
Ortungssystem (Echopeilung)?<br />
Serie von schnell aufe<strong>in</strong>an<strong>der</strong>folgenden Ratterlauten<br />
Frequenzband vom Hörbereich bis zu 170!kHz<br />
$<br />
SONAR<br />
ƒ12
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Die Entwicklung des SONARs<br />
RADAR ! radio detection and rang<strong>in</strong>g<br />
SONAR ! so<strong>und</strong> navigation and rang<strong>in</strong>g<br />
Langev<strong>in</strong><br />
Piezoelektrische Wandler<br />
Schallsen<strong>der</strong> ! Schallempfänger<br />
1943 Wende im Seekrieg<br />
ƒ13
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
RADAR ! RAdio<br />
Detection And<br />
Rang<strong>in</strong>g<br />
E<strong>in</strong> gerichteter Puls<br />
(Wellen-Paket) wird von<br />
<strong>der</strong> Radar-Antenne<br />
emittiert. Dieser Puls<br />
breitet sich mit<br />
Lichtgeschw<strong>in</strong>digkeit aus<br />
(300.000 km/s), <strong>und</strong> wird<br />
von metallischen<br />
Gegenständen als Echo<br />
zur Radar-Antenne<br />
rückreflektiert. Die<br />
Zeitdauer für den H<strong>in</strong>lauf<br />
<strong>und</strong> für den Rücklauf ist<br />
e<strong>in</strong> Maß für die<br />
Entfernung des<br />
Gegenstandes.<br />
Wie funktioniert RADAR?<br />
ƒ14
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
SONAR ! SO<strong>und</strong><br />
Navigation And<br />
Rang<strong>in</strong>g<br />
E<strong>in</strong> gerichteter Puls<br />
(Wellen-Paket) wird von<br />
e<strong>in</strong>em Schallgeber<br />
emittiert. Dieser Puls<br />
breitet sich mit <strong>der</strong><br />
Schallgeschw<strong>in</strong>digkeit<br />
des umgebenden<br />
Mediums aus (<strong>in</strong> Luft 300<br />
m/s, <strong>in</strong> Wasser 1500 m/s),<br />
<strong>und</strong> wird von dichten<br />
Gegenständen als Echo<br />
zum Schallgeber<br />
rückreflektiert. Die<br />
Zeitdauer für den H<strong>in</strong>lauf<br />
<strong>und</strong> für den Rücklauf ist<br />
e<strong>in</strong> Maß für die<br />
Entfernung des<br />
Gegenstandes.<br />
Wie funktioniert SONAR?<br />
ƒ15
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Bildgebende <strong>Ultraschall</strong>geräte <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mediz<strong>in</strong><br />
Wandler (l<strong>in</strong>eare<br />
Anordnung, 1-D)<br />
<strong>und</strong> Schallstrahl<br />
Klassische Puls-Echo<br />
Bildgeber<br />
Akustische Gewebekontraste #<br />
reflektierte Wellen # Signale,<br />
die je nach Entfernung vom Schallkopf<br />
zu unterschiedlichen Zeiten auftreten.<br />
Zeitlicher Verlauf <strong>der</strong> empfangenen<br />
Signale # im <strong>Ultraschall</strong>bild<br />
örtlicher Verlauf ausgehend vom<br />
Schallkopf <strong>in</strong> radialer Richtung.<br />
ƒ16
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Bildgebende <strong>Ultraschall</strong>geräte <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mediz<strong>in</strong><br />
<strong>Ultraschall</strong> B-Bild <strong>der</strong> menschlichen Leber<br />
Beson<strong>der</strong>s gut<br />
erkennbar s<strong>in</strong>d<br />
die Blutgefäße <strong>der</strong><br />
Leber <strong>in</strong><br />
Bildmitte.<br />
Typische<br />
Auflösungen<br />
liegen bei 3!mm <strong>in</strong><br />
azimuthaler <strong>und</strong><br />
0,3!mm <strong>in</strong><br />
radialer Richtung.<br />
ƒ17
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Bildgebende <strong>Ultraschall</strong>geräte <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mediz<strong>in</strong><br />
Korrektur <strong>der</strong> unterschiedlichen Laufzeiten zu den<br />
Wandler-Elementen # Präzise Fokusierung<br />
ƒ18
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Bildgebende <strong>Ultraschall</strong>geräte <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mediz<strong>in</strong><br />
Fötus im<br />
2. Monat<br />
ƒ19
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Bildgebende <strong>Ultraschall</strong>geräte <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mediz<strong>in</strong><br />
Doppler<br />
Sonografie<br />
ƒ20
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Sono-Thrombolyse<br />
ƒ21
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
ƒ22
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Beschallungs-<br />
e<strong>in</strong>richtung<br />
Sono-Thrombolyse<br />
ƒ23
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Thrombus auf Faden aufgehängt: Demonstration<br />
<strong>der</strong> Schallstrahlungskraft<br />
ƒ24
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Thrombus auf Nadel aufgespiest: Demonstration<br />
<strong>der</strong> Wirkung <strong>der</strong> Schallstrahlungskraft<br />
ƒ25
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Künstliche Thrombuserzeugung<br />
ƒ26
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Präparation des Blutgefäß-Phantoms mit Thrombus<br />
ƒ27
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Blutgefäß-Phantom Präparation<br />
ƒ28
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Beschallungse<strong>in</strong>richtung<br />
ƒ29
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Blutgefäß-Phantom mit Thrombus<br />
ƒ30
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Thrombus-lösen<strong>der</strong> Mechanismus: Schallstrahlungskraft<br />
ƒ31
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Sono-Thrombolyse: Beschallung im Blutgefäß-Modell<br />
(Phantom)<br />
ƒ32
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Blut<br />
Thrombus<br />
Blut<br />
Thrombus<br />
E<strong>in</strong>dr<strong>in</strong>gtiefe des Thrombolytikums rtpA durch<br />
Sichtbarmachung Fluoreszenz-Marker<br />
ohne<br />
mit<br />
US<br />
Beschallung<br />
ƒ33
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
The jo<strong>in</strong>t<br />
European<br />
Effort<br />
Projekt geför<strong>der</strong>t durch die<br />
Europäische Kommission Marie<br />
Curie TMR Program<br />
Ultrasonic Separation of<br />
Suspended Particles<br />
ƒ34
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
<strong>Ultraschall</strong>-Separationstechnologie<br />
Gr<strong>und</strong>lagen<br />
Pyrex Glaskugeln<br />
d = 100µm<br />
f = 670 kHz<br />
K<strong>und</strong>t <strong>und</strong> Lehmann<br />
1874<br />
!/2 = 1.1 mm<br />
ƒ35
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Schallstrahlungskraft > Schwerkraft<br />
ƒ36
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Vergleich zweier <strong>Ultraschall</strong>-Separatorkonzepte<br />
<strong>Ultraschall</strong> Separatorkonzepte<br />
•<strong>Ultraschall</strong>verstärkte Sedimentation<br />
<strong>Ultraschall</strong>-Zellfilter<br />
•<strong>Ultraschall</strong> h-Separator<br />
Strömungs- <strong>und</strong> Kraftfeldsimulation<br />
ƒ37
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
<strong>Ultraschall</strong>unterstützte Sedimentation<br />
<strong>Ultraschall</strong> Zellfilter<br />
ƒ38
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
KISS<br />
ƒ39
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
h-Separator<br />
•Ultrasonic h-shape separator<br />
ƒ40
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
h-Separator<br />
ƒ41
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Flow velocity m/s<br />
h -Separator<br />
Strömungs- <strong>und</strong> Kraftfeldsimulation<br />
•Ultrasonic h-shape separator<br />
Flow<br />
velocity<br />
Flow<br />
velocity vector<br />
Streaml<strong>in</strong>es<br />
Particle<br />
traces<br />
Particle traces for <strong>in</strong>let flow rate!! 4 L/h!!<br />
Acoustic field energy density 4 J/m3 ƒ42
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Flow velocity m/s<br />
Flow<br />
velocity<br />
h -Separator<br />
Strömungs- <strong>und</strong> Kraftfeldsimulation<br />
Flow<br />
velocity vector<br />
Streaml<strong>in</strong>es<br />
Particle<br />
traces<br />
Particle traces for <strong>in</strong>let flow rate!! 3 L/h!!<br />
Acoustic field energy density 4 J/m 3<br />
ƒ43
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
Flow velocity m/s<br />
Flow<br />
velocity<br />
h -Separator<br />
Strömungs- <strong>und</strong> Kraftfeldsimulation<br />
Flow<br />
velocity vector<br />
Streaml<strong>in</strong>es<br />
Particle<br />
traces<br />
Particle traces for <strong>in</strong>let flow rate!! 2,5 L/h<br />
Acoustic field energy density 4 J/m 3<br />
ƒ44
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
h -Separator<br />
Strömungs- <strong>und</strong> Kraftfeldsimulation<br />
•Ultrasonic h-shape Separator<br />
Separationsleistung<br />
Polystyren-Kugeln <strong>in</strong> Salzwasser<br />
d = 45 µm<br />
f = 1.96 MHz (34 th Oberwelle)<br />
P = 3 Weff Zulauf Durchfluss ˙ V c = 5,5 L / h<br />
Abflüsse, Durchflussverhältnis a/b = 2:1<br />
Teilchenkonzentration C = 0.314%<br />
ƒ45
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
h -Separator<br />
ƒ46
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
ESA Melissa Project<br />
h – Separator:<br />
Separation von Spirul<strong>in</strong>a Algen<br />
Harvest<strong>in</strong>g of spirul<strong>in</strong>a platensis algae un<strong>der</strong> zero g condition.<br />
ƒ47
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
-55% straight, 45% curled.<br />
ESA Melissa Project<br />
-Straight cells: L x d = 125 x 8 µm; Curled cells: L x D x d = 70 x 28 x 8 µm<br />
ƒ48
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
ESA Parabolic Flight Campa<strong>in</strong><br />
h – Resonator: 0 g<br />
ƒ49
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
c<br />
Resonator<br />
chamber<br />
Inlet<br />
h – Resonator scheme<br />
Piezo<br />
ceramic<br />
Reflector<br />
Cleared<br />
Outlet<br />
a<br />
b<br />
Enriched<br />
Outlet<br />
ƒ50
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
ESA Parabolflug-Programm<br />
h – Resonator: 0 g<br />
ƒ51
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
EuroUltraSonoSep Team<br />
ƒ52
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
• Mart<strong>in</strong> Gröschl<br />
• Georg Doblhoff-Dier<br />
• Branka Devcic-Kuhar<br />
• Hannes Böhm<br />
• Felix Trampler<br />
• Stefan Radel<br />
H<strong>in</strong>weis, Danksagung<br />
Danksagung<br />
Österr. Fonds zur För<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Wissenschaftlichen Forschung<br />
Europäische Kommission im Rahmen des TMR Projektes EuroUltraSonoSep<br />
ƒ53
UMP <strong>Ultraschall</strong><br />
Ewald BENES!!!!<br />
ƒ54
Change language