Optimierung und Evaluation des Schallfeldes eines piezoelektrischen Stoßwellenwandlers

Reinhardt, Nina Mareen; Grüll, Holger; Radermacher, Klaus

doi:10.18154/RWTH-2025-10532

Optimierung und Evaluation des Schallfeldes eines piezoelektrischen Stoßwellenwandlers = Optimization and evaluation of the sound field of a piezoelectric shock wave transducer

Reinhardt, Nina Mareen^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Nina Mareen Reinhardt

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Radermacher, Klaus (Thesis advisor)^RWTH* ; Grüll, Holger (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-01-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-10532
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1023174/files/1023174.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Medizintechnik (419410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
acoustic lens (frei) ; impedance matching network (frei) ; lithotripsy (frei) ; shock wave therapy (frei) ; sound field (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Stoßwellen kommen in einer Vielzahl medizinischer Anwendungen zum Einsatz, von der nichtinvasive Zertrümmerung von Nierensteinen bis hin zur Behandlung von muskuloskelettalen Erkrankungen. Trotz ihrer vielseitigen Verwendung sind die Zusammenhänge zwischen Schallfeldparametern und therapeutischen sowie destruktiven Wirkmechanismen noch nicht vollständig erforscht. Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung und Optimierung von Schallfeldern, die von piezoelektrischen Stoßwellenwandlern erzeugt werden. Das Ziel besteht darin, die Anpassbarkeit der Schallfelder für medizinische Anwendungen zu verbessern. Dazu wurde zunächst eine systematische Analyse durchgeführt, um Schallfeldcharakteristika zu identifizieren, den Zusammenhang zwischen den Parametern und den erzielten Effekten zu verstehen und die Vielfalt der Schallfeldformen mit mechanischer Wirkung aufzuzeigen. Eine Messumgebung wurde weiterentwickelt, welche die Bestimmung relevanter Schallfeldparameter und die Bewertung der Ergebnisse aus in vitro Experimenten ermöglicht. Darüber hinaus wurden Simulationsmodelle aufgebaut und validiert, um die erzeugten Schallfelder abzuschätzen und das elektrische Schwingverhalten piezoelektrischer Wandler zu evaluieren. Ein wesentlicher Beitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung und Implementierung von Methoden zur gezielten Modifikation der räumlichen und zeitlichen Schallfeldparameter. Durch den Einsatz akustischer Linsen sowie die Anpassung der Ansteuerungselektronik des Wandlers wurden Methoden etabliert, die eine die gezielte Änderung der Schallfeldform ermöglichen. Diese Anpassungen erlauben die kontrollierte Erzeugung von Effekten, wodurch die klinische Wirksamkeit und Sicherheit der Behandlung erhöht werden kann. So können durch die hier entwickelten Modifikationen mit dem gleichen Wandler verschiedene Schallfeldformen erzeugt werden und unterschiedliche Anwendungsgebiete erschlossen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die modifizierten Schallfelder das Potenzial bieten, die Effizienz und Spezifität der Therapie zur verbessern, indem sie an verschiedene medizinische Indikationen angepasst werden können. Diese Flexibilität kann sich positiv auf die Patientenversorgung auswirken und zu einer effizienteren Nutzung medizinischer Ressourcen beitragen. Aufbauend auf dieser Arbeit ist weiterführende Forschung notwendig, um die erzielten in vitro Ergebnisse auf klinische Anwendungen zu übertragen und das gesamte therapeutische Potenzial akustischer Druckwellen zu erschließen. Diese Arbeit liefert Erkenntnisse und Methoden zur Optimierung von Schallfeldern für die medizinischen Anwendung und kann damit einen Beitrag zur Weiterentwicklung der Stoßwellen- und Ultraschalltherapie leisten.

Shock waves are employed in a wide range of medical applications, including the non-invasive fragmentation of kidney stones and the treatment of musculoskeletal disorders. Despite their versatility, the relationships between sound field parameters and the therapeutic and destructive mechanisms of action have not yet been fully explored. This work focuses on the investigation and optimization of sound fields generated by piezoelectric shock wave transducers. The objective of this research is to enhance the adaptability of sound fields for medical applications. To this end, a systematic analysis was first carried out to characterize sound fields, to understand the relationship between the parameters and the effects achieved, and to illustrate the variety of sound field shapes with mechanical effects. A measurement environment was further developed to facilitate the determination of relevant sound field parameters and the evaluation of results from in vitro experiments. Furthermore, simulation models were developed and validated to estimate the generated sound fields and evaluate the electrical oscillation behavior of piezoelectric transducers. A key contribution of this work is the development and implementation of methods for the targeted modification of spatial and temporal sound field parameters. Through the utilization of acoustic lenses and the adaptation of the transducer’s control electronics, methods have been established that facilitate the targeted modification of the sound field. These adaptations enable the generation of specific effects, which can enhance the clinical efficacy and safety of the treatment. Consequently, it is feasible to generate various sound field shapes with the same transducer, thereby expanding the range of potential applications. The results indicate that modified sound fields offer the potential to improve treatment efficiency and specificity by being adaptable to different medical indications. This flexibility has the potential to positively impact patient care and contribute to a more efficient use of medical resources. Subsequent research is necessary to translate the in vitro results to clinical applications and to exploit the full therapeutic potential of acoustic pressure waves. This work provides insights and methods for optimizing sound fields for medical applications and can thus contribute to the further development of shock wave and ultrasound therapy.

OpenAccess:
PDF
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