Die Arbeit behandelt die Entwicklung von hybrid integrierten, mikromechanischen Ultraschallwandler-Arrays auf der Basis von Polyvinylidenfluorid (PVDF). Diese breitbandigen Wandlerarrays gestatten durch eine entsprechende Dimensionierung und elektronische Ansteuerung eine gerichtete steuerbare Schallabstrahlung in Flüssigkeiten, die beispielsweise in der Strömungsmessung Verwendung finden kann. Nach theoretischen Betrachtungen zu piezoelektrischen Einzel- und Mehrelementwandlern werden der Aufbau und die Präparation der Wandlerarrays vorgestellt. Eine umfassende Charakterisierung wird anhand von akustischen und laseroptischen Messungen vorgenommen. Dabei wird besonderer Wert auf die Klärung von elektrischen und mechanischen Wechselwirkungen im Inneren der Wandler gelegt, um Erscheinungen wie Kopplungen zwischen Einzelelementen und Notwendigkeit sowie Einflüsse einer Passivierungsschicht zu erklären. Es werden Methoden und Ergebnisse der Simulation derartiger Wandlerarrays vorgestellt. Abschließend werden die Vorteile des Einsatzes solcher Arrays am Beispiel der akustischen Durchflußmessung aufgezeigt.

This paper discusses basic issues of micromachined ultrasonic transducers, including their design and fabrication. First, the acoustic fundamentals of ultrasonic transducers are introduced, and relevant simulation methods are illustrated. Following these topics, important aspects of silicon micromachining are presented. Based on this knowledge, two distinctive micromachining processes for transducer fabrication are proposed. One of them, the bulk process, has been proved to be successful, whereas for the second one, a surface process, some improvements are still needed. Besides these works, an innovative direct bonding technology is also developed. This technology constitutes the basis of the bulk process. Of course, it can also be used for the packaging of other MEMS devices.

Thirty-four patients with acute hemispheric ischemic strokes underwent both CT angiography and contrast-enhanced transcranial color-coded duplexsonography (TCCD) to study the effectiveness of the combined noninvasive techniques for evaluation of the circle of Willis. In 3/34 patients, CT angiography and contrast-enhanced TCCD demonstrated middle cerebral artery (MCA) occlusion, in 5 others MCA stenosis. A severe posterior cerebral artery stenosis was missed by CT angiography. In 8 patients, contrast-enhanced TCCD failed because of poor bone windows. In these patients, CT angiography was normal. CT angiography and contrast-enhanced TCCD are complementary noninvasive diagnostic tools. Disagreements between the diagnostic findings of these methods still need further evaluation by digital subtraction angiography. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die vorliegende Arbeit untersucht, wie die genaue Kenntnis der Sende- und Empfangsschallfelder eines Ultraschallwandlers zur Entwicklung neuer Meßverfahren genutzt werden kann. Insbesondere werden dargestellt: - ein neuartiges, nichtscannendes Verfahren zur Bestimmung der Krümmung eines Reflektors, basierend auf der Analyse der Wellenfrontkrümmung reflektierter Schallfelder - ein neuartiges, nichtinvasives Verfahren zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit durch Auswertung der Echosignale von im Ausbreitungsmedium vorhandenen Streupartikeln und - ein Verfahren zur Wandlercharakterisierung durch Messungen in Fluiden mit Streupartikeln, sowie verschiedene Zuordnungen von Schallfeldmerkmalen zu spezifischen Eigenschaften eines Ultraschallwandlers. Im Zusammenspiel von Simulation und Experiment konnten die Funktionstüchtigkeit aller Meßverfahren nachgewiesen und vielversprechende innovative Ansätze für zukünftige Entwicklungen angeregt werden: 1. Das nichtscannende Verfahren zur Krümmungsmessung erlaubt bei guter Justage eine Krümmungsbestimmung von Reflektoren mit Radien zwischen 6 und 11 mm mit einer Unsicherheit von ungefähr 0,5 mm. In Kombination mit herkömmlichen scannenden Verfahren bietet es Ansätze zur präzisen Größenbestimmung von Fehlern in der zerstörungsfreien Prüfung. 2. Das Verfahren zur nichtinvasiven Schallgeschwindigkeitsmessung erlaubt eine Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten mit einer statistischen Meßunsicherheit von 0,1 %. Mögliche Weiterentwicklungen zur Messung der Schallgeschwindigkeit mit örtlicher Auflösung und zur Gewinnung neuer Diagnosemöglichkeiten in Metallurgie (nichtinvasive Charakterisierung von Mischungsvorgängen) und Biomedizintechnik (nichtinvasive Temperaturmessung in Körpergewebe zur Überwachung der Hyperthermiebehandlung, Gewebecharakterisierung) werden erläutert. Aus verschiedenen bekannten sowie einem neuartigen, leicht anwendbaren Meßverfahren werden neue Schlüsse gezogen a) zur Bestimmung der akustisch effektiven Elementgröße von Wandlerelementen mittels Schallfeldmessungen, b) zur Qualitätssicherung im Hinblick auf Schallkopfasymmetrien und c) zur Verbesserung von Schallfeldsimulationen. / The current thesis explores how the precise knowledge of the sending and receiving sound fields of an ultrasonic transducer can contribute to the development of novel measuring techniques. Emphasis is placed on: - a novel, non-scanning method for the determination of the curvature radius of a spherical reflector, based on the analysis of the wave front curvature of the reflected sound field, - a novel non-invasive method for sound velocity measurements in fluids using the echo signals from scattering particles, and - novel conclusions on how to use well-known sound field measurement methods for transducer characterisation, as well as an introduction to a novel easy-to-use method for transducer characterisation exploiting the echo signals from scattering particles. Proof of concept is shown for all methods by simulation and measurement, and different promising improvements for further techniques are suggested: - The non-scanning method for curvature measurements makes it possible to determine reflector radii between 6 and 11 mm with an uncertainty of about 0.5 mm, provided that there is a good reflector alignment. In combination with conventional methods, a novel approach for the determination of the size of discontinuities in non-destructive testing is outlined. - The method for non-invasive sound velocity measurements allows the determination of sound velocity in homogeneous fluids with a statistical uncertainty of 0.1 %. Future improvements are suggested to allow sound velocity measurements with local resolution, which enables novel approaches for metallurgy (non-invasive characterisation of mixing processes) and biomedical engineering (non-invasive temperature control for hyperthermia treatment, tissue characterisation). - New conclusions are drawn based on well-established and a novel easy-to-implement measurement method regarding a) the determination of the acoustically effective element size of transducer elements, b) transducer asymmetries, thereby improving quality control, and c) the improvement of sound field simulations.

Since its introduction, contrast-enhanced ultrasonography (CEUS) has significantly extended the value of ultrasonography (US). CEUS can be used to more accurately determine pancreatic lesions compared to conventional US or to characterize lesions already detectable by US. Thus, CEUS can aid in the differential diagnosis of pancreatic tumors. Using US contrast media, it is possible to visually detect microvessels in the majority of pancreatic ductal adenocarcinomas. Thus, the use of quantitatively evaluated transabdominal CEUS can help in the differentiation of patients with mass-forming pancreatitis from patients with pancreatic adenocarcinomas. In neuroendocrine pancreatic tumors, different enhancement patterns can be observed in relation to the tumor mass: larger ones show a rapid early enhancement sometimes combined with necrotic central structures, and smaller ones disclose a capillary-blush enhancement. Pseudocysts, the most widespread cystic lesions of the pancreas, are not vascularized. They do not show any signal in CEUS and remain entirely anechoic in all phases, while true cystic pancreatic tumors usually have vascularized septa and parietal nodules. In summary, CEUS is effective for differentiating solid pancreatic tumors in most cases. CEUS is safe and cost effective and can better discriminate solid from cystic pancreatic lesions, thereby directing further imaging modalities. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Testing equipment based on the propagation of elastic waves are commonly used for measuring specific material properties. As a prerequisite for accurate measurements a reliable acoustic coupling of probe and specimen is highly important. Therefore, high-resolution testing equipment is using fluids as couplant. In certain conditions, only non-contacting methods can be considered. This is the case for example, if particular high or low temperatures are present, if topographic features impede the use of ultrasonic probes, diffusion or solubility processes exist, measurements at vacuum are addressed and if high purity requirements need to be fulfilled. Hence, subject of this work is a method which offers to handle these constraints. With the emergence of modern laser systems the scientific basics for a non-contacting, laser-acoustic excitation of ultrasound were discovered. The tremendous development of commercially available laser systems during the last decade was taken as reason to investigate, to which extent former scientifically designed laboratory setups can now be merged into one single application oriented measuring system. All considerations are based on the thermoelastic excitation of ultrasound in combination with a likewise laser-based detection. By this, a self-contained measuring chain is built which combines the attributes non-destructive, non-contacting and application oriented within one ultrasonic measurement system for the first time. Thermal calculations lead to more precise equations which predict a laser-induced, local temperature rise of about 100 K. The examination of sound field simulations, as a prerequisite for the design of ultrasonic systems, identified an additional complex of problems. Although existing calculation approaches presuppose laser intensity profiles what can be described in analytical terms, real-world laser sources exhibit a complex shaped spatial distribution of laser energy. Based on a preceding CEFIT simulation, the developed CPSS method enables the calculation of the time resolved, 3D wave propagation of arbitrary shaped sources. A comparison to measured data successfully validated the results of simulation. By presenting selected scenario of measurements, the practical suitability of this non-contacting method is demonstrated. Using a transmission setup enables the characterization of open-pore ceramic coatings as well as the deduction of longitudinal and transversal speeds of sound. Equally, the imaging and estimation of the depth position of artificial defects with 0.7 mm in diameter is shown. Measurements based on a reflection setup provided evidence of a resolution limit of at least FBH = 1 mm in 4.5 mm depth. Additional examples demonstrate the ability to detect close-surface defects, the analysis of the challenging lamb waves zero-group-velocity S1 mode as well as the utilization of buried laser-acoustic sources. / Prüfsysteme, welche die Ausbreitungseigenschaften elastischer Wellen zur Ableitung spezifischer Messgrößen nutzen, sind etablierte Messverfahren. Voraussetzung für zuverlässige Ergebnisse ist stets die sichere akustische Kopplung zwischen Sensor und Material. Daher arbeiten hochauflösende Prüfsysteme mit Fluiden als Koppelmedium. Unter bestimmten Bedingungen scheiden kontaktierende Ultraschallsysteme allerdings ersatzlos aus. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Probe eine besonders niedrige oder hohe Temperatur besitzt, topografische Eigenschaften ein sicheres Ankoppeln der Kontaktprüfköpfe erschweren, Diffusionsvorgänge oder Löslichkeiten zu beachten sind, in Vakuum zu arbeiten ist oder erhöhte Reinheitsanforderungen vorliegen. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist eine Technik welche hilft, diese Einschränkungen zu umgehen. Mit dem Aufkommen der ersten Laserquellen entstanden die wissenschaftlichen Grundlagen zur kontaktlosen Anregung und Detektion von Ultraschall. Die rasante Entwicklung kommerziell verfügbarer Lasersysteme der vergangenen Dekade wurde zum Anlass genommen zu untersuchen, in wie weit sich die einst wissenschaftlich orientierte Laboraufbauten zu einem anwendungsnahen Messsystem zusammenführen lassen. Basis der Arbeiten ist die thermoelastische Anregung von Ultraschall in Kombination mit einer ebenfalls kontaktlosen Detektion. Damit entsteht eine geschlossene Messkette welche erstmals die Eigenschaften zerstörungsfrei, kontaktlos und anwendungsorientiert in einem Ultraschallmesssystem vereint. Ausgangspunkt stellt die thermische Simulation der Anregung dar. Mit Hilfe präzisierter Gleichungen wird eine lokale Erwärmung von lediglich 100 K vorausgesagt. Für die zur Auslegung eines akustischen Messsystems notwendige Schallfeldsimulation wurde eine weitere Problematik identifiziert. Während bekannte Rechenansätze stets analytisch beschreibbare Strahlprofile des Lasers voraussetzen, zeigen reale Laserquellen kompliziert gestaltete räumliche Intensitätsverteilungen. Auf Basis einer vorangestellten CEFIT-Simulation ist mit der entwickelten CPSS-Methode eine zeitdiskrete Berechnung der 3D-Wellenausbreitung beliebiger Quellgeometrien möglich. Vergleiche mit realen Messdaten bestätigen die Simulationsrechnungen. Anhand ausgewählter Messszenarien wird die Praxistauglichkeit der kontaktlosen Arbeitsweise demonstriert. Neben der Charakterisierung einer offenporigen keramischen Beschichtung erlauben Transmissionsmessungen die Berechnung der longitudinalen und transversalen Schallgeschwindigkeiten. Ebenso ist die Abbildung wie auch die Beurteilung der Tiefenlage von Referenzfehlern mit lediglich 0,7 mm Durchmesser möglich. In Reflexionsmessungen wurde eine Auflösungsgrenze von mindestens KSR = 1 mm in 4,5 mm Tiefe nachgewiesen. Weitere Beispiele zeigen die Sensitivität hinsichtlich oberflächennaher Fehler, die Auswertung der anspruchsvollen „Zero Group Velocity“ S1-Mode der Lambwelle wie auch die Nutzung eingebetteter Quellen.

In der Arbeit wird ein System zur ultraschallunterstützten Bearbeitung dargestellt, mit dem es möglich wird, spanenden und umformenden Metallbearbeitungsprozessen Schwingungen zu überlagern, die in ihrer Amplitude weit über denen vergleichbarer, bisher üblicher Systeme liegen.:Bibliografische Beschreibung 2 Inhaltsverzeichnis 3 Abkürzungsverzeichnis 6 Vorwort 10 1 Einleitung 11 1.1 Hybridtechnologien 13 1.2 Motivation und Herausforderung 15 2 Stand der Technik 17 2.1 Erzeugung des Hochleistungsultraschalls 17 2.1.1 Magnetostriktiver Effekt 17 2.1.2 Piezoelektrischer Effekt 19 2.1.3 Resonatoren 19 2.1.4 Hochleistungsgeneratoren 21 2.1.5 Ultraschalltransformation 21 2.1.5.1 Amplitudentransformation 22 2.1.5.2 Richtungstransformation 24 2.2 Anwendung von Hochleistungsultraschalltechnik in Hybridverfahren 28 2.2.1 Ultraschallunterstütztes Schleifen 29 2.2.2 Ultraschallunterstütztes Bohren 32 2.2.3 Ultraschallunterstütztes Fräsen 35 2.2.4 Ultraschallunterstütztes Schneiden 37 2.2.5 Ultraschallunterstütztes Drehen 41 2.2.6 Ultraschallunterstütztes Niet-Clinchen 45 2.2.7 Ultraschallunterstütztes Drahtziehen 46 2.2.8 Ultraschallunterstützte hybride Verfahren - Zusammenfassung 50 2.3 Massenanregung durch hochfrequente Schwingungen 54 2.4 Verbindungstechnologien 56 3 Ziel der Arbeit 58 4 Methodik zur Entwicklung von Massenerregersystemen 60 4.1 Auswahl der Schwingungsart zur Schwingungsübertragung 60 4.2 Lösungsansätze 60 4.3 Simulation 63 4.4 Festlegung der Ultraschallparameter 63 4.5 Schwingungsüberlagerte Prozesskräfte 66 4.6 Einfluss der anzuregenden Masse auf die Beschleunigungskraft 68 4.7 Einfluss der anzuregenden Masse auf die Frequenz 69 4.8 Betrachtung der konstruktiven Freiräume 76 4.9 Schwingungsausbreitungsrichtungen 78 4.9.1 Symmetrisch 79 4.9.2 Asymmetrisch 80 4.10 Kraftübertragung und Schwingungsentkopplung 81 5 Konstruktive Gestaltung der Massenerregersysteme 86 5.1 Konstruktive Randbedingungen 86 5.2 Konstruktion zum ultraschallunterstützten Drehen 87 5.2.1 Auslegung zur Wendeschneidplattenanregung mit hohen Amplituden 87 5.2.2 Konstruktion zur gewindebasierten mechanischen Verspannung von Wendeschneidplatten 90 5.2.3 Berechnungen und Simulation des gewindebasierten Spannsystems für Wendeschneidplatten 90 5.2.4 Konstruktion und Simulation zur pneumatischen Verspannung von Wendeschneidplatten 94 5.2.5 Integration in eine Drehmaschine und konstruktive Grenzen 99 5.3 Konstruktion zum ultraschallunterstützten Drahtziehen 103 5.3.1 Bestimmung der Auslegung zur Ziehsteinanregung 103 5.3.2 Konstruktion zur gewindebasierten mechanischen Verspannung des Ziehsteines 104 5.3.3 Berechnungen und Simulation des gewindebasierten Spannsystems zur Ziehsteinanregung 106 5.3.4 Integration in den Ziehprozess und konstruktive Grenzen 113 6 Experimentelle Untersuchungen 115 6.1 Untersuchungen zum ultraschallunterstützten Drehen 115 6.1.1 Aufbau zur Verspannung von Wendeschneidplatten 116 6.1.2 Prozessparameter beim ultraschallunterstützten Drehen 118 6.1.3 Ergebnisse zum ultraschallunterstützten Drehen 119 6.1.3.1 Schnittkraft - Schnittleistung 120 6.1.3.2 Werkzeugverschleiß 130 6.1.3.3 Oberflächeneffekte beim ultraschallunterstützten Drehen 133 6.1.3.4 Zusammenhang Ultraschallparameter – Prozessparameter beim Drehen 135 6.2 Untersuchungen zum ultraschallunterstützten Drahtziehen 138 6.2.1 Aufbau zur Verspannung von Ziehsteinen 138 6.2.2 Prozessparameter beim ultraschallunterstützten Drahtziehen 141 6.2.3 Ergebnisse zum ultraschallunterstützten Drahtziehen 142 6.2.3.1 Zugkraft 142 6.2.3.2 Durchmesserreduktionsverhältnis 144 6.2.3.3 Schmierstoffsubstitution plus Reinigungseffekt 145 6.2.3.4 Oberflächeneffekte beim ultraschallunterstützten Drahtziehen 149 6.2.3.5 Werkzeugverschleiß 152 6.2.3.6 Zusammenhang Ultraschallparameter – Prozessparameter beim Drahtziehen 152 7 Zusammenfassung und Ausblick 156 7.1 Vergleich der Ultraschallparameter bei der Anregung von Massen 156 7.2 Vergleichende Betrachtung zum ultraschallunterstützen Drehen und Drahtziehen 157 7.3 Erkenntnisse und Ausblick 158 8 Literaturverzeichnis 160 9 Abbildungsverzeichnis 168 10 Anhang - Konstruktionszeichnungen 178 Lebenslauf 184

Ein großer Vorteil von Kunststoffbauteilen ist neben funktionellen Vorzügen die Kosten- und Gewichtsreduzierung durch integrale Gestaltungsmöglichkeiten. Es können Geometrien umgesetzt werden, die mit metallischen Werkstoffen nur unter hohem Aufwand realisierbar sind. Insbesondere im Bereich der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) gibt es hohen Forschungsbedarf hinsichtlich Reduzierung von Herstellungskosten, Erhöhung der Langlebigkeit aber auch der Reparaturfähigkeit. Die Erkennung von Defekten ist dabei eine grundlegende Voraussetzung. Für einen FKV-Serieneinsatz im Automobilbau gibt es jedoch kein bekanntes und ausreichendes Prüfkonzept der Schadenserkennung für die geforderten Stückzahlen. Die aus der Luft- und Raumfahrt bekannten Methoden lassen sich aufgrund ihres hohen apparativen Aufwandes und der eingeschränkten Tauglichkeit bezüglich geometrisch komplexer Bauteile nicht unmittelbar übernehmen. Es bestehen andere Anforderungen an ein Prüfkonzept für FKV-Bauteile im Automobilbau. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zerstörungsfreie Prüfmethoden hinsichtlich ihrer Eignung zur Detektion nicht sichtbarer Schäden systematisch untersucht und bewertet. Der Fokus lag dabei auf Bauteilen aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen des Automobils, die sowohl eine flächige als auch eine mehrfach gekrümmte Bauteilstruktur mit nicht-homogenen Wanddicken aufweisen können. In Abhängigkeit von der Art der Schädigung, etwa Einschlüsse, Zwischenfaserrisse oder Delaminationen wurden die unterschiedlichen Verfahren vergleichend in Hinblick auf Detektionssicherheit, -grenzen und Einschränkungen durch gegebene geometrische sowie werkstoffliche Bauteilausführungen bewertet und ein Konzept für eine fertigungsbegleitende Qualitätssicherung entwickelt.

Mit dieser Arbeit wurde erstmalig eine qualitative und quantitative Analyse zum Status quo der studentischen US-Ausbildung im deutschsprachigen Raum durchgeführt. Eingeschlossen wurden alle medizinischen Fakultäten (n=44) Deutschlands, Österreichs und der deutschsprachigen Schweiz, die im Dezember 2015 auf den Webseiten des MFT und Thieme.de verzeichnet waren [3, 70]. Ein standardisierter Fragebogen mit insgesamt 32 Fragen beleuchtete folgende Aspekte der studentischen US-Ausbildung: 1. Allgemeine Angaben 2. Organisation 3. Ressourcen 4. Überprüfung des Lernerfolgs 5. Evaluation Der Fragebogen wurde an alle LeiterInnen der jeweiligen fakultätseigenen Skillslabs verschickt mit der Bitte nach Beantwortung bzw. Weiterleitung an die US-Verantwortlichen der Fakultät. Die Befragung begann im Dezember 2015 und endete im Mai 2016. Die finale Rücklaufquote betrug 64% (28/44). Die statistische Auswertung erfolgte mit SPSS® 20, IBM Chicago. Die Mehrzahl der medizinischen Fakultäten im deutschsprachigen Raum bieten US-Kurse an. Allerdings ist die studentische US-Ausbildung vielerorts heterogen organisiert mit eher zu kurzer praktischer Übungszeit und zu hohem Studierenden-Lehrenden-Verhältnis. Damit US als bereicherndes Lehrmittel sinnvoll in das bereits überfüllte Curriculum des Humanmedizinstudiums integriert werden kann, sind minimale Standards notwendig. Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie und einer Literaturrecherche schlagen der Autor und die Koautoren ein mögliches Rahmenwerk und Meilensteine auf dem Weg zu einem longitudinalen US-Curriculum im Humanmedizinstudium vor.:A Abkürzungsverzeichnis 3 B Einführung 4 1 Ultraschall als Grundkompetenz zukünftiger ÄrztInnen 4 2 Ultraschall als integraler Bestandteil des Humanmedizinstudiums 7 2.1 Ultraschall als Lehrmethode in der Makroanatomie und Physiologie 7 2.2 Ultraschall als Erweiterung der körperlichen Untersuchung 7 2.3 Wesentliche Inhalte publizierter Ultraschall-Curricula 8 2.4 Peer-Teaching und Studierendeninitiativen 10 2.5 Rahmencurriculum für die studentische Ultraschallausbildung 11 3 Ableitung der Rationale für die publizierte Studie 13 C Originalpublikation 14 1 Allgemeine Angaben 14 2 Skizzierung der publizierten Studie 15 3 Formatierte Originalpublikation 16 D Zusammenfassung 28 1 Hintergrund und Durchführung 28 2 Ergebnisse und Auswertung 29 E Literaturverzeichnis 33 F Anlagen 41 1 Anschreiben 41 2 Fragebogen 42 G Darstellung des eigenen Beitrags 52 H Verzeichnis über die wissenschaftlichen Veröffentlichungen und Vorträge 53 I Lebenslauf 54 J Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 56 K Danksagung 57

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