Pictures of the Future Frühjahr 2008
Blick ins Labor – 3D-Silizium-Ultraschall
Sanfte Töne aus dem Chip
Die Zukunft des Ultraschalls liegt in Geräten, die dreidimensionale, hochaufgelöste Bilder aufnehmen – und zwar in Echtzeit. Als Ultraschallwandler dienen winzige Schwingungsmembranen, die auf einen Silizium-Wafer aufgebracht werden.
Forschung im Reinraum: Kirti Patel, Mitbegründer der von Siemens übernommenen Sensant Corporation, prüft das Kernstück des Silicon Ultrasounds – einen Silizium-Wafer mit Schwingungsmembranen
Der Arzt setzt einen etwa 4 cm² großen Messkopf auf die Brust der Patientin, drückt einen Auslöser, und schon ist die Aufnahme fertig. Die Daten werden an einen Computer übertragen, der nach verdächtigen millimetergroßen Strukturen sucht, die sich zu Brustkrebs entwickeln könnten. Was sich nach Mammografie anhört, kommt jedoch ohne Röntgenstrahlung aus und liefert zudem ein hochaufgelöstes dreidimensionales Bild. Noch ist diese Untersuchungsmethode Zukunftsmusik, doch dank der von Siemens entwickelten Technologie des Silizium-Ultraschall (engl. Silicon Ultrasound) könnte sie schon in den nächsten Jahren zum Standard werden.
Eine Ultraschallaufnahme wird aus dem Echo von Schallwellen gewonnen, die im Körper an Grenzflächen zwischen verschiedenen Gewebearten reflektiert oder gestreut werden. In den heute verbreiteten Systemen senden piezoelektrische Keramikelemente im Ultraschallkopf kurze gerichtete Signale aus und zeichnen danach die Echos auf. Aus der Laufzeit kann die Tiefe der reflektierenden Struktur berechnet werden. "Wie bei allen Untersuchungen mit Wellen hängt die Auflösung der Geräte von der Wellenlänge ab", erklärt Peter-Christian Eccardt von Siemens Corporate Technology, der dort seit vielen Jahren für die Entwicklung neuartiger mikromechanischer Ultraschallwandler verantwortlich ist. "Je kürzer die Wellenlänge und je höher daher die Frequenz, desto mehr Details sieht man. Doch die bis zu 250 µm großen piezoelektrischen Keramikelemente können nicht mehr viel kleiner gebaut werden und lassen sich nur schwer zu zweidimensionalen Arrays anordnen, wie sie für die Erzeugung dreidimensionaler Ultraschallbilder benötigt werden."
Die in den Praxen verbreiteten Ultraschallgeräte arbeiten mit Frequenzen von 2 bis 15 MHz und funktionieren zweidimensional, das heißt, im Schallkopf sitzen bis zu 250 einzelne Piezokeramik-Elemente nebeneinander und messen einen senkrecht unter ihnen liegenden Schnitt. Um Scheibe für Scheibe ein Volumen zu vermessen, muss der Arzt den Schallkopf über die Körperoberfläche führen. "In Zukunft werden wir nicht mehr mit einem linienförmigen Schallkopf eine zweidimensionale Fläche vermessen, sondern mit einem flächigen Schallkopf gleich eine 3D-Momentaufnahme eines ganzen Volumens machen – in Echtzeit", ist sich Eccardt sicher.
Damit lassen sich auch die Messung und die Auswertung zum großen Teil automatisieren sowie qualitativ verbessern, weil die Ergebnisse nicht davon abhängen, wie der Arzt den Schallkopf über die Körperoberfläche führt. Die Erfassung des Volumens geht so schnell, dass man sogar Organe, die sich bewegen, wie das Herz, aufnehmen kann. Weil hier auch die Dimension Zeit einbezogen ist, spricht man von 4D-Ultraschall. Störende kontinuierliche Bewegungen, wie das Fließen des Blutes, werden durch einen ausgeklügelten Algorithmus herausgerechnet.
Mit Piezokeramik-Elementen und ohne im Schallkopf integrierte Elektronik geht das aber kaum, denn jedes einzelne Element benötigt hier eine Verdrahtung. Aus einem Schallkopf mit 250 × 250 Elementen kämen dann über 60 000 Leitungen – ein armdicker Kabelstrang, doch ein Kabel mit mehr als 2 000 Leitungen kann ein Arzt kaum handhaben.
Silizium statt Piezokeramik. Für 3D-und 4D-Ultraschallmessungen mit höchster Auflösung hat Siemens daher eine vollkommen neue Technologie entwickelt: Silicon Ultrasound. "Schon seit 1996 verfolgen wir die Idee, statt Piezokeramiken Halbleitermaterialien zu verwenden, denn es war klar, dass wir so in kleinere Dimensionen im Submikrometerbereich vorstoßen und gleichzeitig auf preisgünstige Halbleiterfertigungsmethoden zurückgreifen können. Außerdem können wir auf diese Weise in den Schallkopf gleich auch einen Teil der Auswerte- Elektronik integrieren", erzählt Eccardt.
Bei der Silizium-Ultraschalltechnologie werden auf der Oberfläche von Silizium-Wafern 50 bis 60 µm große Schwingungsmembrane erzeugt und gleich so auf einer Fläche angeordnet, wie man es später für den Schallkopf benötigt (siehe Kasten). Da jedes Element über eine Zeilen-Spalten-Adressierung gesteuert werden kann, benötigt man für ein Fläche aus n Spalten und m Zeilen nicht wie bei den Piezokeramiken n × m, sondern nur noch n + m Leitungen. Gleichzeitig ermöglichen die kleineren Abmessungen der schallerzeugenden Elemente bei Bedarf kürzere Wellenlängen.
Auch die Ultraschall-Wellenlänge und das Schallfeld eines Schallkopfes kann flexibler gesteuert werden. Da die sehr dünnen Membranen akustisch besser als Piezokeramiken an den menschlichen Körper angepasst sind, lassen sich die einzelnen Elemente über einen größeren Frequenzbereich betreiben. Durch ihre bessere Konfigurier- und Adressierbarkeit lassen sie sich zudem nahezu beliebig zusammenschalten. Das ist von Vorteil, da Schall mit tieferen Frequenzen weiter in das Gewebe eindringt, also tiefer liegende Schichten untersucht werden können. Da die einzelnen Tongeber beim Silizium-Ultraschall aber sehr klein sein können, sind andererseits auch sehr hohe Frequenzen und damit eine höhere Auflösung möglich als mit piezokeramischen Elementen.
Das eröffnet der Technik ganz neue Anwendungsgebiete. "Der Ultraschall hat das Potenzial für den Einsatz im Screening und in der Früherkennung von Brustkrebs, aber auch von Prostatakrebs und Schilddrüsenkarzinomen. Vielversprechende Anwendungsbereiche für die Früherkennung sind auch Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems und des Herzmuskels", meint Klaus Hambüchen, Leiter der Business Unit Ultraschall bei Siemens Medical Solutions in Mountain View, Kalifornien, USA.
Die Silizium-Ultraschall-Technologie erlaubt auch die Herstellung sehr kleiner Ultraschall-Kathetersonden, die den klinischen Anwendungsbereich erheblich erweitern. Solche Ultraschallsonden würden eine bessere Visualisierung der Herzfunktion ermöglichen sowie helfen, Plaques und Obstruktionen leichter zu erkennen.
Um die Silizium-Ultraschall-Technologien voranzutreiben, übernahm Siemens im Jahr 2005 die Sensant Corporation aus dem kalifornischen San Leandro – eine Firma, die 1998 gegründet worden war und sich vorwiegend mit solchen Technologien befasst hatte. Dank der Erfahrungen dieses Unternehmens, gepaart mit den bestehenden Ultraschallsystemen von Siemens und den Entwicklungen von Siemens Corporate Technology könnte bereits im Jahr 2009 ein erstes Produkt auf den Markt kommen.
"Unsere Ingenieure machen große Fortschritte. Erste klinische Ergebnisse in Brust- und Schilddrüsenbildgebung zeigen, dass wir mit der Silizium-Ultraschalltechnik mit einer um den Faktor zehn höheren Raum- und Kontrastauflösung rechnen können", sagt Hambüchen. Doch es geht nicht nur um bessere Bilder. Weil die Aufnahmen des Ultraschallsystems nicht mehr davon abhängen, wie der Arzt die Sonde führt, sondern quasi automatisiert sind, sind die Aufnahmen benutzerunabhängig und damit vergleichbarer. Für Hambüchen heißt das, "dass die Ärzte und Krankenhäuser ihre eigenen Qualitätsstandards erhöhen und gleichzeitig Kosten senken können. Letztlich alles zum Vorteil der Patienten."
Bernhard Gerl
Schallkopf in Mikrosystemtechnik
Die Herstellung Tausender winziger Schallerzeuger wird durch die Mikrosystemtechnik – auch MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) genannt – möglich. Hierbei werden dünne Schichten auf die Oberfläche eines Silizium-Wafers (1) aufgebracht und mit lithografischen Methoden bearbeitet: eine isolierte Metallschicht, die untere Elektrode (2), darüber ein sechseckiger Block aus Chrom (3), eine weitere isolierende Schicht aus Siliziumnitrid (4), die zweite Elektrode (5) und noch eine Schutzschicht aus Siliziumnitrid (6). Durch kleine Löcher wird das Chrom herausgeätzt (7). Der zurückbleibende Hohlraum wird versiegelt. So entsteht eine freischwebende Membran, die mit Wechselspannung zum Schwingen gebracht werden kann. Voraussetzung ist eine zusätzliche konstante Gleichspannung zwischen den Elektroden, da sich diese sonst immer anziehen würden.