HybridEcho – breitbandige MIMO-Architekturen der Nachrichtentechnik in MEMS basierte Ultraschallsysteme

Einleitung Als nicht-ionisierende, mobile Bildgebung zählt Ultraschall zu den wichtigsten Verfahren der Medizin. Standardmäßig werden hierbei Piezokeramiken verwendet, welche über eine starke Sendeleistung, aber nur eine geringe Sensitivität und eine schmale Bandbreite verfügen. Die schmale Bandbreite limitiert die Auflösung auf mehrere Millimeter und durch die geringe Empfangssensitivität können nur Echos aus Geweben ohne hohe Impendanzsprünge empfangen werden. Als alternative Technologie bieten mikroelektromechanische Systeme (MEMS) eine deutlich höhere Sensitivität und Bandbreite, verfügen jedoch nicht über die Sendeleistung klassischer Piezosysteme.

Ziele Im HybridEcho Projekt werden die Vorteile der Piezo- und MEMS-Technologien in einem hybriden Aufbau genutzt werden, um eine Verbesserung der Signalqualität zu erreichen, welche wiederum den Einsatz fortschrittlicher Signalverarbeitungsmethoden aus dem Mobilfunk ermöglich. Insgesamt soll die Sensitivität des Systems so weit gesteigert werden, dass ein transkranieller Einsatz erfolgen kann. Gleichzeitig soll über innovative Algorithmen und Signalverarbeitungen auch für große Eindringtiefen eine Bildauflösung im Submillimeterbereich erzielt werden.

Abb. 1 Automatisierter Versuchsstand.

Methodik Um diese Ziele zu erreichen, wurden hoch sensitive cMUT-Elemente (capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer) mit miniaturisierten Piezos kombiniert. Aufbauend auf diesen neuartigen Technologiekomponenten wird eine breitbandige MIMO-Verarbeitungsstruktur (multiple-input-multiple-output) auf Basis von 5G-Technologien in einem Ultraschallbildgebungssystem implementiert, um einen Gewinn an Umgebungsinformationen zu erzielen.

Ergebnis Im ersten Schritt wurde ein automatisierter Versuchsstand (Abb. 1) entwickelt, an welchem getrennte Sender und Empfänger hoch genau platziert werden können. Im direkten Technologievergleich konnte wurde eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch Verhältnisses von 20 dB für Piezo-CMUT im Vergleich zu Piezo-Piezo gezeigt (Abb. 2). Mit an unterschiedlichen relativen Positionen der einkanaligen Sensorpaare durchgeführte Messungen wurden am Versuchsstand variable Arraykonfigurationen mittels Signalverarbeitungsalgorithmen simuliert. Dabei wurden axiale Auflösungen im Submillimeterbereich erreicht.

Schlussfolgerung Die Machbarkeitsanalyse mittels einkanaliger Ultraschallsensoren zeigt eine klare Überlegenheit des hybriden Ansatzes. In Folgeprojekten soll nun eine Systemintegration adressiert werden (Abb. 3).

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Abb. 2 A-Scans einer einfachen Reflektion für ein reines Piezosystem (links) und das hybride System (rechts).

Abb. 3 Rendering des geplanten vollintegrierten hybriden Ultraschall- Systems.

Publication History

Article published online:
19 August 2022