Vacancy No. IPE 07-18

IPE 07-18 Praktikum / Diplom-, Master- oder Bachelorarbeit zum Thema: Aufbau und Charakterisierung von optimierten Ultraschallwandlern mit PZT-Kristall-Kompositen für USCT

 

Job description

Hintergrund

Am Institut für Prozessdatenverarbeitung (IPE) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) wurde eine neuartige Methode für die medizinische Bildgebung zur Brustkrebsfrüherkennung entwickelt, die 3D- Ultraschall-Computertomographie (3D-USCT). Das Verfahren basiert auf Bildgebung mit Ultraschallwandlern, die um das in Wasser getauchte Objekt gruppiert sind und im unteren MHz-Bereich arbeiten. Die aufgenommen Daten, sogenannte A-Scans, werden in einem folgenden Schritt zu Bilder rekonstruiert. Diese Bilder stellen verschiedene Modalitäten des vermessenen Objekts dar: Reflektivität des Objekts, die Schallgeschwindigkeit und die Dämpfung.

Eine Datennahme besteht aus Einstrahlen eines unfokussierten Ultraschallpulses in den Messraum durch einen einzelnen Ultraschallwandler, während alle anderen Wandler die Ultraschallinteraktionen aus dem Messraum aufnehmen. Dieser Vorgang wird iterativ für alle Wandler wiederholt. Die Rekonstruktion der Reflektivitätsbilder wird als „Synthetic Aperture Focusing Technique“ (SAFT) bezeichnet. Das USCT-Projekt am IPE entwickelt und fertigt die Ultraschallwandler selbst um die hierfür notwendigen sehr spezifischen Anforderungen für einen 3D-Aufbau zu erfüllen.

Motivation

Aktuell im Einsatz am Universitätsklinikum Mannheim ist die zweite Generation des Geräts, 3D-USCT II. Für dieses Gerät sollen verbesserte Ultraschallwandler aufgebaut werden, die auch als Prototypen für eine folgende Generation, dem USCT 3.0, dienen.

Optimierte Eigenschaften, welche die Bildgebungseigenschaften eines solchen Systems maßgeblich beeinflussen, sind neben Schalldruck, Frequenzantwort bzw. Bandbreite auch die Direktivität der Ultraschallwandler über ihre Abstrahl- oder Empfangswinkel. In vorherigen Arbeiten und in Kooperation mit anderen Forschungseinrichtungen wurden Designansätze und Optimierungen für verbesserte Ultraschallwandler für eine nächste Generation USCT-Wandler entwickelt: hierzugehören optimierte Materialien wie PZT-Crystal-Komposite. Herausforderung gegenüber Keramiken ist die Brüchigkeit, Vorteile sind die erhöhte Bandbreite und Schalldruck.

Das Ziel dieser Arbeit ist ein Aufbau von Ultraschallwandlern in einem reproduzierbarem Aufbauprozess mit geringer Variabilität und hoher Zuverlässigkeit, welche hohe Bandbreite, akzeptablen Schalldruck und einen vergrößerten Öffnungswinkel durch reduzierte laterale Schwingmoden aufweist unter Verwendung von bereitgestellten Single-Crystal-Komposit-Samples (siehe Bild 3).

Ansatz und Arbeit

  • Aufbau von Ultraschallwandlerprototypen mit Designs auf Basis des Dice-and-Fill-Prozesses mit Piezocrystals (anstatt PZT-keramiken) über Sägen und Verfüllen
  • Entwicklung eines Verfüllprozesses für die Substrukturierungspalten (~100µm) bzw. Stabilisierung eines luftverfüllten Aufbaus zur Lateralschwingungsunterdrückung
  • Charakterisierung und der Schalleigenschaften der Testwandlern bzgl. Schalldruck, Frequenzcharakteristik über den Winkel
  • Elektrische Charakterisierung der Wandlerprototypen mit einem Impedanz-Phasenmessplatz
  • Statistische Analyse und graphische Auswertung mit MATLAB (oder andere Software)
  • Schreiben einer Dokumentation des Prozesse und Aufbaus, Anfertigen einer Thesis und eine Veröffentlichung im Rahmen der Gruppe.
Personal qualification
  • Grundlegendes Verständnis der Ultraschallcomputertomographie
  • Wellen-, Ultraschall- und Materialphysik
  • Verständnis der Ultraschallwandlertechnik und des praktischen Aufbaus von Ultraschallwandlern
  • Signalverarbeitung und Filterketten
  • Laborgeräte: Phasen-Impedanz-Analysator, Oszilloskop, Funktionsgenerator, Labornetzteile usw.
Organizational unit

Institute for Data Processing and Electronics (IPE)

Starting date

nach Vereinbarung

Vertragsdauer

6 Monate bzw. gemäß der jeweiligen Studienordnung

Ansprechperson

Michael Zapf     michael.zapf@kit.edu

 

Application

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Personnel support is provided by 

Ms Schaber
phone: +49 721 608-25184,

Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen, Germany

If qualified, handicapped applicants will be preferred.