Lexikon: Sonografie

 

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Dieser Artikel beschäftigt sich mit der Ultraschallanwendung in der Human- und Tiermedizin. Über den Einsatz als Verfahren in der Werkstoffkunde siehe Ultraschallprüfung. Für die grafische Darstellung eines akustischen Signals siehe Sonagramm.

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Sonografie, auch Echografie oder umgangssprachlich Ultraschall genannt, ist die Anwendung von als bildgebendes Verfahren zur Untersuchung von organischem Gewebe in der und sowie von technischen Strukturen.

Ein Sonogramm ist ein Bild, das mit Hilfe der Sonografie erstellt wurde.

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Anwendungen in der Medizin

Die Sonografie ist das am häufigsten genutzte Bildgebendes Verfahren|bildgebende Verfahren in der Medizin überhaupt. Ein wesentlicher Vorteil der Sonografie gegenüber dem in der Medizin ebenfalls häufig verwendeten liegt in der Unschädlichkeit der zum Einsatz kommenden n. Auch sensible Gewebe wie bei Ungeborenen werden nicht beschädigt, die Untersuchung verläuft weitgehend schmerzfrei.

Neben der Herztonwehenschreibung (Kardiotokografie) ist es ein Standardverfahren in der Schwangerschaftsvorsorge. Eine spezielle Untersuchung der zur Erkennung von Entwicklungsstörungen und körperlichen Besonderheiten ist der Feinultraschall.

Die Sonografie ist das wichtigste Verfahren bei der Diffentialdiagnose eines Akutes Abdomen|Akuten Abdomens, bei Gallensteinen oder bei Beurteilungen von Gefäßen und deren Durchlässigkeit vor allem an den Beinen. Weiterhin wird sie standardmässig zur Untersuchung der Schilddrüse, des Herzens, der Nieren, der Harnwege und der Blase benutzt.

Die Ultraschallanwendung ist geeignet zur Erstbeurteilung und für Verlaufskontrollen, insbesondere bei medikamentösen oder Strahlentherapie|strahlentherapeutischen Behandlungen bösartiger Erkrankungen.

Mit Ultraschall können Krebs (Medizin)|krebsverdächtige Herde erkannt und erste Hinweise auf ihre Bösartigkeit gewonnen werden. Darüber hinaus sind ultraschallgesteuerte Biopsien und n (Entnahmen von Gewebeproben oder freier Flüssigkeit) durchführbar.

Geschichte der Sonografie

Der Grundgedanke der Sichtbarmachung von Strukturen durch Schall geht auf militärische Anwendungen zurück. Während des Ersten Weltkrieges übertrug der Franzose Paul Langevin mittels Quarzkristallen erzeugte Ultraschallwellen ins Wasser und entwickelte so ein Verfahren zur Ortung von Unterseebooten. Zu medizinischen Anwendungen eignete sich das Verfahren nicht, denn die Intensität der Schallwellen war so stark, dass von ihnen getroffene Fische zerbarsten. Diese Form der Anwendung wurde mit der Entwicklung von ASDIC und durch Amerikaner und Briten im Zweiten Weltkrieg fortgesetzt.

In der Zeit zwischen den Kriegen entwickelten der Russe S. J. Sokoloff und der Amerikaner Floyd A. Firestone ultraschallgestützte Verfahren zur Aufdeckung von Materialfehlern in Werkstoffen. Eine erste medizinische Anwendung erfolgte 1942 durch den Neurologen Karl Dussik (1908-1968), welcher einen Seitenventrikel des Großhirns mittels A-Mode-Messung darstellte. Er nannte sein Verfahren Hyperfonografie.

Seit dem Ende der 40er Jahre des 20. Jahrhunderts entwickelte sich die Sonografie zeitgleich innerhalb verschiedener medizinischer Fachrichtungen. Erste kardiologische Untersuchungen mittels A-Mode-Messungen wurden durch Inge Edler und Carl Helmut Hertz an der Lund-Universität in Schweden durchgeführt. Etwa zeitgleich wurden von John J. Wild, Douglass H. Howry und Joseph H. Holmes erste B-Mode-artige Schnittbilder aus dem Bereich des Halses und des Abdomens erzeugt. Die hierzu angewendete Methode war das Compound-Verfahren, bei welchem die Versuchsperson in einer wassergefüllten Tonne saß und die Ultraschallsonde auf eine Kreisbahn um sie herumwanderte.

Im selben Zeitraum erfolgten erste Anwendungen in der Ophthalmologie (G. H. Mundt und W.F. Hughes) sowie der (Ian Donald). Eine erste Anwendung des Dopplerprinzips erfolgte 1959 durch S. Satomura, welches sich schnell einen Platz in der und der erschloss. Farbkodierte Dopplerdarstellungen waren jedoch erst seit den 80er Jahren mit der Verfügbarkeit leistungsstarker Rechner möglich.

Bildgebung

Überblick

ist Schall einer jenseits der menschlichen Hörschwelle, ab 20 kHertz (Einheit)|Hz bis 10 GHz. In der Diagnostik verwendet man Frequenzen zwischen 1 und 40 MHz bei einer mittleren Schallintensität von 100 mW/cm2. Ein Ultraschallgerät enthält eine Elektronik für die Schallerzeugung, Signalverarbeitung und -darstellung, ausserdem Schnittstellen für einen Monitor und Drucker sowie für Speichermedien oder Videokameras. Per Kabel daran angeschlossen ist eine auswechselbare Ultraschallsonde, auch Schallkopf genannt.

Bild: sonden.jpg Die Ultraschallwellen werden mit in der Sonde angeordneten Kristallen durch den Piezoelektrizität|piezoelektrischen Effekt erzeugt und auch wieder nachgewiesen. Von Bedeutung für die Schallausbreitung in einem Material ist die Schallkennimpedanz|Impedanz, also der Widerstand, welcher der Ausbreitung von Wellen entgegenwirkt. An der Grenzfläche zweier Stoffe mit großem Impedanzunterschied wird der Schall stark reflektiert. Daher wird die Ultraschallsonde mittels eines stark wasserhaltigen Gels angekoppelt, damit der Schall nicht von der zwischen dem Sondenkopf und der Hautoberfläche reflektiert wird.

Die Sonde sendet kurze, gerichtete Schallwellenimpulse aus, die in den Gewebeschichten unterschiedlich stark reflektiert und gestreut werden, was als Echogenität bezeichnet wird. Aus der Laufzeit der reflektierten Signale kann die Tiefe der reflektierenden Struktur rekonstruiert werden. Die Stärke der Reflexion wird vom Ultraschallgerät als Grauwert auf einem Monitor dargestellt. So stellen sich Strukturen geringer Echogenität als schwarze, Strukturen hoher Echogenität als weiße Bildpunkte dar. Gering echogen sind vor allem Flüssigkeiten wie Harnblaseninhalt und Blut. Eine hohe Echogenität besitzen Knochen, Gase und sonstige stark Schall reflektierende Materialien.

Von den Monitorbildern werden zur Dokumentation Ausdrucke, sogenannte Sonogramme, oder gelegentlich Videoaufnahmen gemacht. Schwangeren wird meist auch ein Bild ihres ungeborenen Kindes überlassen.

Ein verwandtes Untersuchungsverfahren ist die Optische Kohärenztomografie. Sie arbeitet nach einem ähnlichen Prinzip, jedoch wird dort Licht statt Schall verwendet.

Echo-Impuls-Verfahren

Bild: Echo-Impuls-Verfahren.PNG

Die Bildgebung mit einem Ultraschallgerät erfolgt nach dem sogenannten Echo-Impuls-Verfahren. Ein elektrischer Impuls eines Hochfrequenzgenerators wird im Schallkopf durch den Piezoelektrizität|piezoelektrischen Effekt in einen Schallimpuls – einen kurzen Welle (Physik)|Wellenzug â€“ umgesetzt und ausgesendet. Die Schallwelle wird an Inhomogenitäten der Gewebestruktur teilweise oder vollständig Streuung (Physik)|gestreut und Reflexion (Physik)|reflektiert. Im ersten Fall (teilweise Reflexion/Streuung) verliert der Wellenzug Energie und läuft mit schwächeren Schalldruck weiter, solange, bis durch Absorptionseffekte die Schallenergie vollständig in Wärme umgesetzt ist. Ein zurücklaufendes wird im Schallkopf in ein elektrisches Signal gewandelt. Anschließend verstärkt eine Elektronik das Signal, wertet dieses aus und kann es auf verschiedene Weise an den Anwender ausgeben, beispielsweise auf einem Monitor (siehe Sonografie#Darstellungsmethoden|Darstellungsmethoden).

Der darauffolgende Schallimpuls wird bei den zweidimensionalen Verfahren (wie dem am häufigsten benutzten B-Mode) durch automatisches mechanisches oder elektronisches Schwenken der schallerzeugenden Sonde in eine leicht andere Richtung ausgestrahlt. Dadurch scannt die Sonde einen gewissen Bereich des Körpers und erzeugt ein zweidimensionales Schnittbild.

Der nächste Impuls kann erst ausgesendet werden, wenn alle Echos des vorherigen Ultraschallimpuls abgeklungen sind. Somit ist die Wiederholrate abhängig von der Eindringtiefe; das ist die maximale Reichweite in das Untersuchungsobjekt hinein. Die Eindringtiefe des Schalls ist umso kleiner, je grösser die Frequenz ist. Je grösser allerdings die Frequenz, desto grösser ist das örtliche Auflösungsvermögen, also die Fähigkeit, nahe beieinanderliegende Objekte auseinanderhalten zu können. Es muss stets die höchste Frequenz gewählt werden, die noch eine Untersuchung in der gewünschten Tiefe ermöglicht.

Beispielsweise liegt das Herz etwa 15 cm tief. Die zu verwendende Frequenz f ist 3,5 Mhz (siehe Sonografie#Physikalische Grundlagen|Physikalische Grundlagen, Tabelle 2). Die Laufzeit t zum Herz beträgt dann t = s/c = 0,15 m/1500 ms-1 = 100 Âµs (c: ). Bis das Echo wieder am Schallkopf ankommt, vergeht die doppelte Zeit. Die Wiederholrate der einzelnen Impulse (nicht die Bildwiederholrate des kompletten Schnittbilds) ist also f = (2t)-1 = 5 kHz.

Darstellungsmethoden

Eine Ultraschalluntersuchung kann je nach Anforderung mit verschiedenen Ultraschallsonden und unterschiedlicher Auswertung und Darstellung der Messergebnisse durchgeführt werden, was man als Mode (engl.: Methode, Verfahren) bezeichnet.

A-Mode

Die erste angewandte Darstellungsform war der A-Mode (A steht für Amplitudenmodulation). Das von der Sonde empfangene Echo wird in einem Diagramm dargestellt, wobei die Abszisse die Eindringtiefe und die Ordinate die Echostärke darstellt. Je höher der Ausschlag der Messkurve, desto echogener ist das Gewebe in der angegebenen Tiefe. Der Name des Modus beruht auf der zeitabhängigen Verstärkung (bis zu 120 dB) der Signalamplitude durch die Auswerteelektronik im Ultraschallgerät (time gain compensation), weil eine größere Laufzeit der Wellen aus tieferen Schichten wegen Absorption zu sehr geringer Signalamplitude führt. Der A-Mode hat heute nahezu keine Bedeutung mehr.

B-Mode

Bild: Sonographie.jpg

Im B-Mode (B für englisch brightness modulation), der häufigsten Anwendung des Ultraschalls, wird ein zweidimensionales Schnittbild des untersuchten Gewebes entlang der Schallausbreitung in Echtzeit erzeugt (siehe :Bild:Sonographie.jpg|Abbildung). Das Schnittbild wird dabei aus einzelnen Linien zusammengesetzt, wobei für jede Linie ein Strahl ausgesendet und empfangen werden muss. Die Form des erzeugten Bildes hängt dabei vom eingesetzten Ultraschallsonde|Sondentyp ab.

Die Sonde überstreicht eine Fläche durch (mechanisches oder elektronisches) Bewegen des Strahles in einer Ebene senkrecht zur Körperoberfläche. Die Amplitude eines Echos moduliert den Grauwert oder die Helligkeit eines Bildpunktes auf dem Bildschirm. Der B-Mode kann mit anderen Verfahren wie dem M-Mode oder der Dopplersonografie gekoppelt werden. Je nach Eindringtiefe und Sondentyp können nur einige wenige oder bis zu über hundert zweidimensionale Bilder pro Sekunde dargestellt werden.

M-Mode

Bild: b_m-mode1.jpg

Eine weitere häufig eingesetzte Darstellungsform ist der M- oder TM-Mode (englisch für (time) motion). Bei dieser Methode wird die auf einem Ultraschallstrahl detektierte Bewegung auf einer Zeitachse kontinuierlich abgetragen, und es lassen sich Bewegungsabläufe von Organen eindimensional darstellen. Die M-Mode-Darstellung ist häufig mit dem B-Mode gekoppelt.

Ihre Hauptanwendung findet diese Untersuchungsmethode in der , um Bewegungen einzelner Herzmuskelbereiche und der Herzklappe|Herzklappen genauer untersuchen zu können. Die zeitliche Auflösung dieses Modus ist bestimmt durch die maximale Wiederholrate der Schallimpulse und beträgt schon bei 20 cm Tiefe über 3 kHz.

Mehrdimensionale Anwendung

Als weitere Applikation wurde in den letzten Jahren (Anfang des 21. Jahrhunderts) die dreidimensionale Echografie entwickelt. Der 3D-Ultraschall produziert räumliche Standbilder, und der 4D-Ultraschall (auch genannt Live-3D: 3D plus zeitliche Dimension) lässt dreidimensionale Darstellung in Echtzeit zu. Für ein dreidimensionales Bild wird zusätzlich zum Scan in einer Ebene ein Schwenk der Ebene vollzogen. Der Flächenscanwinkel wird gleichzeitig mit dem zweidimensionalem Bild abgespeichert. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung einer zweidimensionalen Anordnung von Ultraschallwandlern in einem sogenannten Phased Array (siehe Ultraschallsonde), bei der nicht mechanisch, sondern elektronisch ein Schwenk des Strahles durchgeführt wird.

Die Daten werden für die Bildverarbeitung und Visualisierung von einem Rechner in eine 3D-Matrix eingetragen. So können dann Darstellungen von Schnittebenen aus beliebigen Blickwinkeln auf das Objekt erzeugt oder virtuelle Reisen durch den Körper gestaltet werden. Um Bewegungsartefakte durch die Herztätigkeit zu vermeiden, wird die Aufnahme mittels Elektrokardiogramm|EKG gesteuert.

Doppler-Verfahren

Bild: NiereCFM.jpg Die Aussagekraft der Sonografie kann erheblich durch die Anwendung des Dopplereffekt|Dopplereffekts erhöht werden. Man unterscheidet eindimensionale Verfahren (pulsed-wave doppler, continuous-wave doppler) von zweidimensionalen, farbkodierten Anwendungen (Doppler-Sonographie|Farbdoppler). Die Kombination B-Bild mit Doppler-Bild nennt man auch Duplex-Bild.

Prinzip

Der Dopplereffekt tritt immer dann auf, wenn Sender und Empfänger einer Welle sich relativ zueinander bewegen. Zur Bestimmung der Blutflussgeschwindigkeit in den Blutgefäßen oder im Herzen detektiert man das von den Blutkörperchen (Erythrozyt|Erythrozyten) gestreute Echo. Das Signal ist um eine bestimmte Frequenz verschoben: die Dopplerfrequenz. Von dem „ruhenden“ Sender, dem Schallkopf, geht eine Welle der Frequenz f aus; ein sich bewegendes Teilchen mit der Flussgeschwindigkeit v nimmt eine Frequenzverschiebung Δf1 wahr. Das Teilchen streut den Schall und sendet eine Welle aus, die der Schallkopf als Empfänger ebenfalls verschoben wahrnimmt, da sich das Teilchen bewegt. Der Dopplereffekt tritt also zweimal auf; die gesamte Frequenzverschiebung (mit θ: Winkel zwischen Teilchenbahn und Schallstrahl, c: Schallgeschwindigkeit) beträgt Δf = 2·f·(v/c)·cosθ.

Aus ihrem Vorzeichen lässt sich die Flussrichtung rekonstruieren. Bei gegebener Geschwindigkeit ist die Frequenzverschiebung umso größer, je größer die Sendefrequenz f ist. Im Bereich von 2 bis 8 MHz und Flussgeschwindigkeiten von einigen mm/s bis zu 2 m/s ist Δf etwa 50 Hz bis 15 kHz, liegt also im hörbaren Bereich, womit man werdende Eltern glücklich machen kann, weil sie den Herzschlag ihres Kindes ab der zwölften swoche hören können.

Zur Geschwindigkeitsbestimmung ist auch eine Winkelmessung notwendig. Wie groß der Fehler in der Geschwindigkeit ist, hängt vom Einstrahlwinkel ab. Die Abhängigkeit vom Winkel lässt sich aber eliminieren, beispielsweise durch Verwendung von Stereomesskopf|Stereomessköpfen.

Die Verfahren im Einzelnen

Bild: Cw-Schema1.png

Beim Continuous Wave Doppler-Verfahren arbeiten ein Sender und ein Empfänger im Schallkopf gleichzeitig und kontinuierlich. Durch Mischen mit geeigneten Hochfrequenzsignalen und mit elektronischen Filtern lässt sich aus der zurückkommenden Welle in der Auswerteelektronik das der Dopplerfrequenzen bzw. Geschwindigkeiten und auch die Richtung bestimmen. Nachteil bei diesem Verfahren ist, dass die Tiefe des Dopplerechos nicht bestimmbar ist, jedoch können auch relativ hohe Geschwindigkeiten registriert werden.

Bild: Pw-Schema.png Dagegen kann man beim Pulsed Wave Doppler für eine ortsselektive Geschwindigkeitsmessung im konventionellen (B-Mode-) Sonogramm das sogenannte Gate festlegen. Es wird dann nur die Geschwindigkeit von Blutteilchen gemessen, die durch dieses Gate fliessen. Von einem sowohl als Sender als auch als Empfänger fungierenden Wandler werden kurze Ultraschall-Pulse ausgeschickt. Die axiale Ortsauflösung ist ein Maß für Vermögen des Gerätes, in Ausbreitungsrichtung des Pulses nahe beieinanderliegende Objekte unterscheiden zu können. Je besser die axiale Ortsauflösung sein soll, desto kürzer muss der Puls sein. Je kürzer der Puls, desto unbestimmter ist seine Frequenz: kleine Dopplerfrequenzverschiebungen sind an einem einzigen Wellenpaket nicht mehr sichtbar. Durch eine geschickt konstruierte Verarbeitungselektronik lässt sich dieses Problem lösen, mit dem Makel von Alias-Effekt|Alias-Artefakten beim Überschreiten einer bestimmten Grenzgeschwindigkeit.

Bei der Farbdoppler-Sonografie wird für einen großen Bereich eines konventionellen Ultraschallbildes (Color-Window) die örtliche Dopplerfrequenz (= mittlere Flussgeschwindigkeit) und die Schwankungsbreite (= Turbulenz) bestimmt. Das Ergebnis wird in Falschfarben dem B-Bild überlagert, also in Farbtönen von rot und blau für verschiedene Blutgeschwindigkeit und grün für Turbulenz. Hierbei steht üblicherweise die Farbe Rot für Bewegung auf den Schallkopf zu, während mit blauen Farbtönen Flüsse weg von der Sonde codiert werden. Bereiche der Geschwindigkeit 0 werden durch die Elektronik unterdrückt.

Anwendung

Dopplerverfahren werden benutzt zur Bestimmung von Blutfluss-Geschwindigkeiten, zur Entdeckung und Beurteilung von Herz(klappen)fehlern, Verengungen (Stenosen), Verschlüssen (Atresien) oder Kurzschlussverbindungen (Shunts).

Als spezielle Anwendung etabliert sich derzeit (2004) der Gewebedoppler (DTI), bei dem nicht die Blutflussgeschwindigkeiten, sondern die Gewebeverschiebungen gemessen und dargestellt werden. Gegenüber den herkömmlichen Dopplerverfahren treten wesentlich geringere Frequenzverschiebungen auf, und daher erfordert diese Untersuchungsmethode besondere Gerätemodifikationen.

Weitere Technologien

Als intensiv an die Rechenleistung der Ultraschallgeräte gekoppeltes Verfahren erschlossen sich in den letzten Jahren (Anfang des 21. Jahrhunderts) mit steigender Performance der Maschinen neue Anwendungen. Mittels digitaler Schallwellencodierung wird es möglich, Umgebungsrauschen von der zur Bilderzeugung eingesetzten Schallwelle eindeutig abzugrenzen und damit eine verbesserte Auflösung zu erreichen. Auf ähnlichen Effekten wie die 3D-Sonografie beruhende Verfahren erlauben das Generieren von Panoramabildern.

Es kam zur Entwicklung weiterer Dopplerverfahren. Der amplituden-codierte Doppler (Powerdoppler) erfaßt nicht die Flussgeschwindigkeit, sondern die Menge der bewegten Teilchen und erlaubt somit die Detektion wesentlich langsamerer Flüsse, als dies mittels der klassischen Dopplerverfahren möglich ist.

Auch andere Verfahren wie der Einsatz von sonografischen Kontrastmitteln oder die Darstellung von Blutflüssen im B-Mode verfeinern die Möglichkeiten der Gefäßdiagnostik. Speziell den Kontrastmitteln wird eine steigende Bedeutung zugemessen, da mit ihrer Hilfe Aussagen über die Dignität (Medizin)|Dignität (Gut- oder Bösartigkeit) von Gewebeneubildungen getroffen werden können.

Zugänglichkeit von Organen

Alle wasserhaltigen, blutreichen Organe sind für den Ultraschall gut untersuchbar. Schlecht untersuchbar sind alle gashaltigen Organe, zum Beispiel der Darm bei Blähungen, die Lunge und das Innere von Knochen. Auch das Gehirn ist bedingt durch seine Knochenkapsel beim Erwachsenen nur unzureichend zugänglich. Manche Organe sind im Normalzustand nur schwierig, im krankhaft vergrößerten Zustand dagegen ganz gut erkennbar (Blinddarm, Harnleiter, Nebennieren).

Spezielle Sondentypen wie die Endoskopsonde, die in den Körper eingeführt werden, machen eine Untersuchung innerer Organe (z.B. Prostata) möglich (genannt Endosono).

Gut untersuchbare Organe:

  • Aorta abdominalis – Arterie|Arterien am Bein, am Arm – (teilweise) – – Gallengang – Halsschlagader|Halsschlagadern – – Haut – – – – Zugängliche Muskel|Muskeln – Nieren – – Pleura – – Hoden - Speicheldrüse|Speicheldrüsen - Untere Hohlvene – Vene|Venen am Bein, Arm und Hals

Bedingt oder nur indirekt zugänglich:

  • Enddarm – – Nebennieren - (Endosono) – Ösophagus (Endosono) – Sehne (Anatomie)|Sehnen

Schlecht zu untersuchen:

  • – Inneres von Gelenk|Gelenken – Herzkranzgefäß|Herzkranzgefäße (IVUS) – Inneres von – Luftröhre – – Nerv|Nerven – – Wirbelsäule

Bildfehler

Bild: Sono Artefakte 2.jpg Bild: Sono Artefakte1.jpg Bild: Sono Artefakte 4.jpg Bei der Bilderzeugung mittels Ultraschall kann es zu Artefakten (Bildfehlern) kommen, die nicht durchweg als störend gelten, sondern auch zusätzliche Gewebe- bzw. Materialinformationen liefern können.

Ein häufiges Artefakt ist die Abschattung (distale Schallauslöschung) hinter stark reflektierenden Objekten mit einer vom übrigen Gewebe stark abweichenden Impedanz wie Knochen, Luft oder Konkrement|Konkrementen (Ablagerungen). Bei nahezu senkrechtem Schalleinfall gibt es ein starkes Echo, bei schrägem Einfall nicht.

Eine distale Schallverstärkung kommt zustande, indem hinter Gewebe, dessen Dämpfung im Vergleich zur Umgebung schwächer ist, aufgrund der tiefenabhängigen Verstärkung diese dann übermäßig hoch ist. Die time gain compensation (Teil der Verarbeitungselektronik) verstärkt das hinter dem schwächer dämpfenden Gebiet liegende Gewebe, da dieses ja eine größere Dämpfung hat, und das Echosignal wird dann im Vergleich zum nebenliegenden normal schwächenden Gewebe heller dargestellt.

Bei kreisförmig geschnittenen Objekten können die Randstrahlen weggespiegelt werden; dem Bild fehlen dann die Randstrukturen und es kommt zu Abschattungen (lateral shadowing).

Bei stark reflektierenden Grenzflächen kann es zu Mehrfachreflexionen (Kometenschweifartefakt, auch Ring-Down-Phänomen) beziehungsweise zu Spiegelartefakten in Form von virtuellen Bildern von vor der Grenzfläche befindlichen Objekten kommen.

Objekte können hinter Gebieten mit abweichender Schallgeschwindigkeit verschoben erscheinen.

Am Rand flüssigkeitsgefüllter Organe erzeugt ein wenig fokussierter Impuls beim Auftreffen auf eine schräg verlaufende Grenzfläche Echos mit geringer Stärke und unscharfer Kontur. Vor allem in flüssigkeitsgefüllten Hohlorganen wie Harn- und Gallenblase können durch dieses Schichtdickenartefakt in Wirklichkeit nicht vorhandene Strukturen vorgetäuscht werden.

Ungenügende Ankopplung des Schallkopfes an die Hautoberfläche verursacht das Auftreten mehrerer Echos im gleichen Abstand, ohne dass ein auswertbares Bild entsteht (Reverberationen).

Sicherheitsaspekte

Die Anwendung von Ultraschall ist eine sehr sichere Methode für die Bildgebung. Als mögliche Schadensquellen für Mensch und Tier kommen die Wärmeerzeugung und Kavitation in Betracht.

Kavitation

Als Kavitation bezeichnet man den Effekt, dass in der Unterdruckphase einer Schallwelle im Gewebe Hohlräume bzw. Gasbläschen entstehen, die in der Druckphase kollabieren und eine Gewebsschädigung verursachen. Je höher die Ultraschallfrequenz ist, desto höhere Spitzendrücke werden vom Gewebe (bzw. von Flüssigkeiten) toleriert. Verwendet man die diagnostisch interessanten Frequenzen zwischen 2 bis 20 MHz, muss für die Erzeugung von Kavitation in reinem entgastem Wasser der Schalldruck mindestens kleiner als -15 MPa sein. Jedoch sind mit üblichen Schallköpfen Schalldrücke kleiner als -0,5 MPa im (zudem absorbierenden) Gewebe äußerst unwahrscheinlich, sodass eine Gewebsschädigung durch Kavitation praktisch ausgeschlossen ist.

Wärme

Das Maß an erzeugter Wärme ist abhängig von der absorbierten Schallintensität und der Impulswiederholfrequenz; die Wärmeabfuhr geschieht durch Blutströmung und Wärmeleitung. Für gesundes Gewebe ist selbst eine längerfristige Temperaturerhöhung von 1,5 Â°C unbedenklich. Dennoch sollte die Einwirkzeit begrenzt werden. Die einzelnen Verfahren im Detail:

Im B-Mode ist die eingestrahlte Leistung 1 bis 10 mW und verteilt sich auf ein relativ großes Volumen innerhalb einer Einstrahlzeit von unter 1 Âµs und einer Pulswiederholfrequenz deutlich unter 5 kHz.

Im (T)M-Mode wird statt eines Volumens eine Linie des Gewebes durchstrahlt, allerdings mit einer geringeren Pulswiederholrate (etwa 1 kHz).

Das Puls-Dopplerverfahren erfolgt auch statisch, allerdings ist die Impulsfolgefrequenz mit bis zu 30 kHz viel höher und eine Überwärmung nicht mehr auszuschliessen. Daher muss hierbei Impulsfolge und Sendeschalldruck in angemessenem Verhältnis gewählt werden und das Personal entsprechend geschult sein.

Beim Continous Wave Dopplerverfahren wird ständig eine Leistung von etwa 10 bis 100 mW in einem kleinen Volumen appliziert, dennoch ist die Gefahr einer lokalen Hyperthermie (Überwärmung) gering, da der Fokussierungsgrad niedrig ist. Wie beim Puls-Doppler sollte die Sendeenergie an die Messtiefe angepasst werden, um die Sicherheit zu erhöhen.

Allgemeines

Durch die in der Klinik verwendeten Intensitäten bzw. durch sorgfältige Anpassung und Optimierung der Parameter (Sendeleistung, Impulsfolge, Applikationsdauer) ist eine Gesundheitsgefährdung so gut wie auszuschließen. Eine Untersuchung der Food and Drug Administration (Food and Drug Administration|FDA) der USA ergab folgenden Sicherheitsbereich: Eine Schädigung tritt nicht auf, solange applizierte Intensität mal Einwirkungsdauer unter 50 W·s/cm² bleibt: J·t ≤ 50 Ws/cm², wobei dies nicht als scharfe Grenze aufgefasst werden sollte.

International gibt es eine Sicherheitsnorm für Ultraschallgeräte, die allerdings keine Grenzwerte nennt und lediglich die Offenlegung der Schallparameter eines Gerätes fordert, sofern Schalldrücke unter -1 MPa und Intensitäten über 100 mW/cm2 erreicht werden können.

Darüberhinaus warnt die FDA jedoch vor unnötigen pränatalen Untersuchungen für das Erstellen von Bildern oder Videos als „Andenken“ ohne jede medizinische (Begründung), wie sie von manchen unseriösen Geschäftemachern und Ärzten angeboten werden. Zwar gibt es keine gesicherten Hinweise auf biologische Effekte, hervorgerufen durch eine Einwirkung gegenwärtig verwendeter Diagnostikinstrumente, allerdings ist es möglich, dass solche Effekte in der Zukunft vielleicht erkannt werden.

Vor- und Nachteile

Vorteile

Die Ultraschalldiagnostik wird heute von fast allen medizinischen Fachdisziplinen genutzt. Gründe liegen in der risikoarmen, nichtInvasion|invasiven, schmerzlosen und strahlenexpositionsfreien Anwendung, der hohen Verfügbarkeit und der schnellen Durchführung. Die Anschaffungs- und Betriebskosten sind im Vergleich zu anderen bildgebenden Verfahren wie der (CT) oder (MRT) gering. Außerdem entfallen aufwendige Strahlenschutzmaßnahmen und -belehrungen. Eine freie Schnittführung der Sonden erlaubt eine Kontrolle über das gewünschte Schnittbild in Echtzeit.

Nachteile

Die Herstellung und Interpretation sonografischer Bilder erfordert verschiedene Fertigkeiten, die schwierig zu erlernen sind. Daraus resultiert die geringe Objektivität des Verfahrens. So hängt die Qualität der gewonnenen Bilder von vielen Faktoren ab, die gleichzeitig berücksichtigt werden müssen: Position des Patienten, Geräteeinstellungen, Handhabung der Sonde. Beim „Durchscannen“ eines Organs soll sich der Untersucher einen möglichst akkuraten, mentalen Eindruck von der Anatomie des Patienten in drei Dimensionen verschaffen. Dies erfordert eine gute Hand-Auge-Koordination. Dieser subjektive Eindruck muss dann mit der normalen Anatomie verglichen und Abweichungen hinsichtlich ihrer Bedeutung (krankhaft/nicht krankhaft) beurteilt werden. Dies setzt Erfahrung voraus.

Bei der Dokumentation ergeben sich weitere Herausforderungen. Meist werden bei der Untersuchung Standbilder ausgedruckt oder abgespeichert, gelegentlich auch Videosequenzen aufgenommen. Diese belegen aber bestenfalls Schlussfolgerungen, die der Untersucher schon während der Untersuchung gezogen hat.

Des Weiteren weist das Verfahren eine geringere Raumauflösung auf als die CT und MRT, besonders in tieferliegenden Geweben. Auch die Weichteil-Kontrastauflösung ist der der MRT unterlegen.

Physikalische Grundlagen

Sonografie als bildgebendes Verfahren in der medizinischen Diagnostik beruht auf den physikalischen Besonderheiten der Ausbreitung von Schallwelle|Schallwellen in einem Medium (Physik)|Medium. Vereinfachend kann die Untersuchung beispielsweise eines Menschen mit der einer Flüssigkeit beschrieben werden, da wichtige materialabhängige Größen in menschlichen Geweben und Wasser annähernd übereinstimmen (s. Tabelle 1). In beiden können sich aufgrund der geringen Scherviskosität nur unpolarisierbare longitudinale Wellen ausbreiten.

Tabelle 1: Materialgrößen (circa-Werte)
Medium   c 
 in m/s
 SchallAkustische Impedanz|impedanz Z 
 in kg/m2s
 Dichte \rho 
 in kg/m3
340 410 1,2
Fett/Wasser/Hirn/Muskeln 1500 1,5 · 106 1000
Knochen (kompakt) 3600 6 · 106 1700

Bei einer diagnostischen sonografischen Untersuchung sind folgende Werte für Schallparameter üblich:

Ultraschall: f = 1…40 MHz
mittlere SchallIntensität (Physik)|intensität: J = 100 mW/cm2
mittlere Druck (Physik)|Druckänderung (gegenüber Normaldruck): Δ p < 0,6 · 105 Pa.

Schallphänomene

Mit der Schallausbreitung gehen wie in der Wellenoptik die Phänome Reflexion (Physik)|Reflexion, Brechung (Physik)|Brechung, Beugung (Physik)|Beugung, Streuung (Physik)|Streuung und einher. Reflektierte und gestreute Schallwellen werden als Echos von der Ultraschallsonde registriert, und durch die Auswertung derer Stärken und Laufzeiten ist eine Abbildung des durchstrahlten Objektes möglich.

Reflexion

Für die Reflexion unter senkrechtem Einfall des Schalls an glatten Grenzflächen zwischen Gebieten mit unterschiedlicher Impedanz berechnet sich der Reflexionskoeffizient (also das Verhältnis von reflektierter zur einfallender Schallintensität) gemäß:

R=\left( \frac{Z_2-Z_1}{Z_2+Z_1}\right)^2 .

Je größer der Impedanzunterschied, desto größer die Reflexion. Im Vergleich zur Optik verhält sich hier die Impedanz analog zum Brechungsindex. Um beim Übergang von schallerzeugender Sonde zum Untersuchungsobjekt möglichst wenig Intensität durch Reflexion zu verlieren, soll R klein und damit die Impedanzen von Sonde und Körper angepasst sein. Luft führt zu einer schlechten Einkopplung von Schall in den Körper (vgl. Tabelle 1: die Werte ergeben R ≈ 99,9 %), man verwendet daher ein auf Wasser basierendes Gel als Übergangsmedium. Aus demselben Grund sind auch luftgefüllte Organe wie Lunge und Magen-Darm-Trakt oder von Knochen umschlossene Gebiete schlecht oder gar nicht für Ultraschalluntersuchungen zugänglich: von außen in den Körper gebrachte Schallwellen werden an den Grenzflächen dieser Organe reflektiert.

Streuung

Bei rauhen und nicht senkrecht zum Ultraschallstrahl angeordneten Grenzflächen kann trotzdem ein Echo registriert werden, da ein diffuser Strahlungskegel zurückgestreut wird. Die Streuung an Inhomogenitäten erzeugt für eine Gewebestruktur charakteristische Signale aus Gebieten zwischen Grenzflächen, wodurch Gewebetypen unterscheidbar sind. Je nach Durchmesser a des Streuzentrums ändert sich die Stärke der Streuung. Im „geometrischen“ Bereich (für a » λ, mit λ: Schallwellenlänge) ist die Streuung stark, z.B. in Gefäßen. Sie sind in B-Mode-Bildern heller. Im „stochastischen“ Bereich (a ≈ λ) wie in der Leber ist die Streuung mittelstark und macht hier etwa 20 % der Gesamtabsorption aus. Im „Rayleighbereich“ (a « λ) ist die Streuung schwach, beispielsweise im Blut.

Absorption

Eine Absorption von Schallfeldern erfolgt aufgrund Streuung, innerer Reibung, isentroper Kompression sowie Anregung innerer Freiheitsgrade (Molekülrotation, -schwingung) des schalltragenden Mediums. Die Energie wird dabei in Wärme umgesetzt. Die Schwächung erfolgt exponentiell mit zunehmender Entfernung x vom Schallkopf: J(x)=J(0)e^{- \mu x}. Der Absorptionskoeffizient \mu ist gewebe- und stark frequenzabhängig. Bei 1 MHz liegt er bei 1 Dezibel|dB/cm. Absorption führt zu einer begrenzten Reichweite der Schallwellen, weshalb eine der Eindringtiefe (s. Tabelle 2) angepasste Frequenz gewählt werden muss, um ein bestimmtes Objekt zu untersuchen. Mit zunehmender Schallfrequenz nimmt also die Reichweite ab. Da jedoch die Auflösung bei höheren Frequenzen besser ist, wird immer die größtmögliche Frequenz gewählt; Signale aus größerer Tiefe müssen in der Auswerteelektronik mehr verstärkt werden.

Tabelle 2: Frequenzabhängigkeit der Schallreichweite
f in Mhz Eindringtiefe x
in cm
Untersuchungsgebiet
1 50
2–3,5 25–15 Fetus, Leber, Herz, Veterinärmedizin (Großtiere)
3,5 15 Niere, Veterinärmedizin (große Hunde)
5 10 Gehirn, Veterinärmedizin (mittelgroße Hunde)
7,5 7 Veterinärmedizin (kleine Hunde, Katzen)
8–9 6 Prostata (Endoskop|endoskopisch)
10 5
11–12 4–3 Pankreas (intraoperativ)
7,5–15 7–2 Brustdiagnostik
20 1,2
21–24 1,1–0,9 Auge, Haut
40 0,6 Haut, Gefäße

Erzeugung von Ultraschall

Die Erzeugung von Ultraschall und auch der Nachweis zurückkommender Echos finden zumeist elektromechanisch in einem Wandler statt, der Teil der Ultraschallsonde|Sonde ist, und basiert auf dem Piezoelektrizität|piezoelektrischen Effekt: In einem piezoelektrischen Material wird durch mechanische Spannung eine elektrische Polarisation, eine Aufladung der Oberfläche und damit eine elektrische Spannung erzeugt (Nachweis). Umgekehrt deformieren sich diese Kristalle mechanisch, wenn man eine elektrische Spannung anlegt (Erzeugung). Verwendung finden vor allem Keramiken wie Bariumtitanat, Bleititanat, -zirkonat, -metaniobat. Diese werden polarisierbar gemacht durch starke Erhitzung und anschließende Abkühlung unter Anlegen einer elektrischen Spannung.

Das Schallfeld eines kreisförmigen Ultraschallwandlers

Die Ausbreitung und Intensitätsverteilung der abgestrahlten, durch Begrenzung gebeugten Schallwellen lässt sich aus der Annahme des Huygenssches Prinzip|Huygensschen Prinzips herleiten, dass jeder Punkt der Wandleroberfläche eine Kugelwelle aussendet. Das Ergebnis kann man abhängig von der Entfernung x zum Wandler in Bereiche einteilen:
Der Nahbereich ist geprägt durch starke Interferenzen, die eine sehr inhomogene Intensitätssverteilung zufolge haben. Im Fernbereich bildet sich eine kontinuierlich aufweitende Strahlkeule. Im Fokalbereich (zwischen Nah- und Fernbereich) ist die Intensität gebündelt und nimmt senkrecht zur Strahlachse ab. Mit D: Wandlerdurchmesser, λ: Schallwellenlänge, liegt er zwischen

x = \left( 1 \ldots 2 \right) \cdot \frac{D^2}{4 \lambda} .

Auflösungsvermögen

Das örtliche Auflösungsvermögen ist ein Maß für die Fähigkeit eines Messgeräts, nahe beieinanderliegende Objekte getrennt wahrnehmen zu können. Man unterscheidet das Auflösungsvermögen in Richtung der Strahlachse (axial) und senkrecht zur Achse (lateral).

Lateral

Die Punktbildfunktion bestimmt man, indem ein punktförmiges Objekt innerhalb des Fokalbereichs vor dem Schallkopf senkrecht zur Ausbreitungsrichtung vorbeigeschoben und die Echointensität als Funktion des Ortes (also des Abstandes von der Strahlachse) aufgetragen wird. Die Breite d, bei der die Intensität im Vergleich zum Maximum um 6 dB gesunken ist, beidseitig vom Maximum, nimmt man als ein Maß für das laterale Ortsauflösungsvermögen. Näherungsweise gilt d = D·1/3 (D: Durchmesser eines kreisförmigen Schallkopfes) im Fokalbereich. Außerhalb des Fokalbereichs nimmt die laterale Auflösung mit der Entfernung zum Wandler ab.

Axial

Zwei in Schallrichtung hintereinanderliegende Gewebeschichten können gerade noch getrennt wahrgenommen werden, wenn von den Grenzflächen zwei unterscheidbare Echos ausgehen. Man sagt, zwei gleichstarke Signalimpulse sind unterscheidbar, wenn sie mindestens um ihre Halbwertsbreite getrennt sind. Dies ist gerade dann der Fall, wenn der Grenzflächenabstand mindestens z > λ/2 beträgt, also größer als die halbe Wellenlänge eines Wellenzuges ist. Mit größerer Frequenz verbessert sich die axiale Auflösung, durch Dispersion im Medium verschlechtert sie sich. So erwartet man in Wasser bei einer Frequenz von 5 MHz ein axiales Auflösungsvermögen von 0,15 mm, praktisch ist es etwa um den Faktor 2 oder mehr schlechter.

Übliche Werte

Typisch erreichbare Ortsauflösungen je nach Sendefrequenz sind:

Frequenz: 2–15 MHz
Wellenlänge (in Muskulatur): 0,78–0,1 mm
Eindringtiefe (einfach): 12–1,6 cm
Ortsauflösung lateral: 3,0–0,4 mm
Ortsauflösung axial: 0,8–0,15 mm

Quellen und Referenzen

Verwandte Themen

  • Bildgebendes Verfahren
  • · Ultraschallgerät · Ultraschallsonde
  • 3D-Ultraschall · 4D-Ultraschall · Doppler-Sonografie · Echokardiografie · Feinultraschall

Literatur

  • Olaf Dössel: Bildgebende Verfahren in der Medizin. Springer Verlag ISBN 3-540-66014-3
  • Heinz Morneburg (Hrsg.): Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik. 3. Auflage. Publicis MCD Verlag, 1995 ISBN 3-89578-002-2

Weblinks



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