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Akustische Ortung kollabierender Kavitationsblasen in Wasser und in Gewebephantomen
(1993) Staudenraus, Joachim; Köhler, Michael; Lünstroth, Uwe; Eisenmenger, Wolfgang
Für moderne Ultraschall- und Stoßwellenquellen, wie sie z.B. medizintechnisch in der Sonographie und in der Lithotripsie eingesetzt werden, beobachtet man in Wasser intensive Kavitation. Unter Einwirkung des äußeren Drucks implodieren die als Folge hoher Unterdruckpulsanteile gebildeten Kavitationshohlräume, ein Vorgang der als Blasenkollaps bezeichnet wird. Mittels einer geeigneten Anordnung mehrerer Hydrophone gelingt es, Kavitationsblasen durch Rekonstruktion des Ausgangspunktes der bei Blasenkollaps abgestrahlten Stoßwellen zu orten.
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Ausbreitung freifeldfokussierter Hochenergiedruckimpulse in Wasser
(1991) Staudenraus, Joachim; Eisenmenger, Wolfgang
Im Zuge der klinischen Einführung von Stoßwellengeneratoren zur Zertrümmerung von Harnsteinen sind in jüngerer Zeit physikalische Fragestellungen zur Fokussierung hochenergetischer Druck- und Stoßwellenimpulse in Flüssigkelten auf starkes Interesse gestoßen. Schalldruckimpulse hoher Amplitude erfahren dabei als Folge nichtlinearer Ausbreitung eine zunehmende Aufstellung der Wellenfront. Für die Fokussierungsexperimente steht eine elektromagnetische Impulsschallquelle in Kalottenform zur Verfügung.
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Biological effects and physical characterization of shock waves by an XL-1 experimental lithotripter
(1989) Brümmer, Franz; Staudenraus, Joachim; Nesper, Martina; Suhr, Dierk; Eisenmenger, Wolfgang; Hülser, Dieter F.
Extracorporeal shock wave lithotripsy (ESWL) has become the clinical standard method for non-invasive disintegration not only of concrements in kidney and urinary tract but also of gallstones. Despite the widespread clinical use of ESWL, the mechanism of stone destruction is not yet really understood, but several possibilities (cavitation, shock wave reflection) are discussed. The final cause of various side effects is still under discussion. Nevertheless, during the last few years much effort was put into possible extensions of ESWL applications On the other hand , physical characterizations of shock waves are rarely reported and combined measurements of biological effects in vitro and physical characterization of the applied shock waves are not available. We, therefore, examined the influence of water temperature and gas content on the shock wave efficency in biological systems and determined several physical characteristics (pressure amplitudes, rise time etc.) of the shock waves under the same experimental conditions.
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Charakterisierung verschiedener Hydrophone unter Stosswellenbedingungen in Wasser
(1991) Staudenraus, Joachim; Köhler, Michael; Eisenmenger, Wolfgang
Als Drucksonde wird eine Glasfaser in das akustische Wellenfeld eingeführt und die durch zeitliche Druckänderung hervorgerufene zeitliche Variation der Lichtreflexion als Hydrophonsignal verwendet. Im gut reproduzierbaren Stoßwellensignal des optischen Sondenhydrophons kann Kavitation auf oder in nächster Nähe der Faserstirnfläche, aufgrund des wesentlich höheren Reflexionskoeffizienten gegen Wasserdampf, ausgeschlossen werden. Im Unterschied zu den anderen Hydrophonen ist somit hier von einer vollständigen Unterdruckübertragung auszugehen. Im übrigen stimmen die Stoßwellensignale des optischen Sondenhydrophons und des Membranhydrophons solange überein, bis im Signal des letzteren kavitationsbedingt der Unterdruckanteil verschwindet.
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Elektrostatisches Sondenhydrophon mit einfacher Absoluteichung
(1988) Lawrenz, Wolfgang; Staudenraus, Joachim; Eisenmenger, Wolfgang
Absolutmessungen der Schnelle oder des Druckes in Flüssigkeitsschallfeldern, wie sie z.B. bei Stoßwellen auftreten, verlangen akustische Sonden großer Bandbreite, hoher Lebensdauer bei Stoßdrucken bis in den 1 kbar Bereich, akustische Rückwirkungsfreiheit, d.h. flachen Frequenzgang und sichere Eichbarkeit durch einfache Primarmaßstäbe. Diese Forderungen können mit Hilfe einer elektrostatischen Sonde zur Messung der Schnelle an einer die Schallwelle reflektierenden Flüssigkeitsoberfläche erfüllt werden. Das elektrostatische Sondenhydrophon eignet sich zur Absolutmessung von breitbandigen Stoßwellensignalen in Flüssigkeiten im Druckbereich von 100 bar. Es kann verhältnismäßig einfach geeicht werden. Verbesserungen sind bei der Bestimmung der Sondenamplitude, z.B. durch Interferometrie möglich. Außerdem ist eine wirksame tieffrequente Erschütterungsisolierung erforderlich.
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The fiber optic probe hydrophone
(1994) Wurster, Clemens; Staudenraus, Joachim; Eisenmenger, Wolfgang
We present a new type of hydrophone based on a fiber-optic sensor principle for shock wave and ultrasonic measurements in water. Its detection mechanism is based on the change of the optical reflection coefficient at the end surface of a glass fiber in water by pressure signals. The relation between the intensity of the reflected light and the water pressure is defined by material constants so that calibration by reference is not necessary. Shock wave measurements were made with the fiber optic probe hydrophone and compared with the results obtained by PVDF membrane and needle hydrophones. Important advantages are high resolution in space and time, a reproducible response also to negative pressure signals with high accuracy, high cavitation threshold, large bandwidth (>1 GHz), ideal electromagnetic shielding, high deterioration resistance and simple calibration control.
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Fibre-optic probe hydrophone for ultrasonic and shock-wave measurements in water
(1993) Staudenraus, Joachim; Eisenmenger, Wolfgang
Aimed at lithotripter acoustic output measurements, a new fibre-optic probe hydrophone overcomes most of the problems involved with the use of piezoelectric hydrophone technology in non-linear ultrasonic and shock-wave fields. The fibre-optic principle allows for extremely wide bandwidth (larger than 1 GHz) and superior electromagnetic shielding. Contrary to hitherto existing hydrophones a high cavitation threshold at the water-silica interface provides undistorted detection of strong rarefractional pulse pressures. Considering pure compression there is good agreement between maximum pulse pressure derived from fibre-optic hydrophone theory and the corresponding amplitudes obtained from acoustically calibrated PVDF membrane and needle hydrophones.
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Formung fokussierter akustischer Druckpulse
(1987) Staudenraus, Joachim; Holdik, Karl; Eisenmenger, Wolfgang
Das Schallfeld eines räumlich begrenzten Strahlers besteht bei Freifeldausbreitung aus einer "direkten geometrischen Welle" und der "Randbeugungswelle" mit entgegengesetztem Vorzeichen. Daher ist die Abstrahlung eines "reinen Überdruckimpulses" stets von einem nachfolgenden Unterdrucksignal begleitet. Aus den Hochpaßeigenschaften eines Strahlers endlicher Dimension folgt ebenso, daß das Zeitintegral von Überdruckpuls und Unterdrucksignal insgesamt verschwindet. Bei medizinisch eingesetzten fokussierenden Druckpulsgeneratoren kann daher z.B. die Amplitude des immer vorhandenen Unterdrucksignals zur Vermeidung von Kavitation und Gewebeschäden durch eine möglichst große zeitliche Dehnung herabgesetzt werden. Die geringste Unterdruckamplitude wird in diesem Sinne durch eine radial quadratisch abfallende Druckanregung in der Fläche des Strahlers sowie durch einen möglichst sägezahnförmigen zeitlichen Druckverlauf mit steiler Front erzielt. Hierzu wurden theoretische und experimentelle Untersuchungen an einem Modellstrahler aus PVDF-Piezofilm sowie einem selbstfokussierenden elektromagnetischen Stoßwellengenerator durchgeführt, wobei über die Resultate an letzterem System im Folgenden berichtet wird.
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Optisches Sondenhydrophon
(1988) Staudenraus, Joachim; Eisenmenger, Wolfgang
Die bisher bekannten Sonden-, Nadel- und Membranhydrophone auf der Basis piezoelektrischer Polymerfolien erreichen bei effektiven Sondendurchmessern von etwa 1 mm eine Bandbreite von 10 MHz und besitzen unter Stoßwellenbedingungen aufgrund ihres Schichtaufbaus eine begrenzte Haltbarkeit. Das hier beschriebene faseroptische Sondenprinzip erlaubt dagegen empfindliche Flächen mit Durchmessern unter 0,1 mm bei entsprechender Bandbreitensteigerung ohne Empfindlichkeitsverlust und besitzt bei Stoßwellenexposition im 1 Kbar-Bereich eine hohe Lebensdauer. Aufgrund der hohen Stoßwellenstandfestigkeit und der nahezu beliebig langen Sondenlänge, ergeben sich neue Möglichkeiten der Stoßwellendruckmessung im medizinischen Bereich, wie z.B. eine Stoßdruckregistrierung in der Niere eines Patienten während der Lithotripsie.
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Optisches Sondenhydrophon für Ultraschall- und Stosswellenmessungen mit einem Messbereich von 0.1 bar bis 1000 bar
(1992) Staudenraus, Joachim; Eisenmenger, Wolfgang
Das optische Sondenhydrophon wurde ursprünglich zur Erfassung fokussierter Druck- und Sto8wellenpulse in Wasser mit Amplituden zwischen 10 und 1000 bar entwickelt. Als Hydrophonprinzip dient die lokale Messung der akustisch induzierten Änderung des optischen Brechungsindex. Dazu wird das Ende eines Lichtleiters in das Schallfeld eingeführt und der zeitliche Intensitätsverlauf des am Lichtleiterende reflektierten Lichtes photoelektrisch registriert. Die derzeit realisierte Hydrophonanordnung besitzt eine Bandbreite von 20 MHz bei einer durch den Kerndurchmesser der eingesetzten Glasfaser gegebenen Ortsauflösung von 100 μm.