Sonografie
Sonografie ist die Anwendung von Ultraschall als bildgebendes Verfahren zur Untersuchung von organischem Gewebe in der Medizin und Veterinärmedizin, sowie von technischen Strukturen. Ein Sonogramm ist ein Bild, das mit Hilfe der Sonografie erstellt ist.Die Sonografie ist das am häufigsten angewendete bildgebende Verfahren in der Medizin überhaupt. Neben der Kardiotokografie ist es ein Standardverfahren in der Schwangerschaftsvorsorge. Ein wesentlicher Vorteil der Sonografie gegenüber dem in der Medizin gleichfalls häufig verwendeten Röntgen liegt in der Unschädlichkeit der zum Einsatz kommenden Schallwellen. Auch sensible Gewebe wie bei Ungeborenen werden nicht beschädigt.
Die Ultraschallwellen werden mit in den Ultraschallsonden angeordneten Kristallen durch den piezoelektrischen Effekt erzeugt. Zur Erzeugung eines Bildes ist die Schallausbreitung an flüssigkeitshaltiges Gewebe gebunden. Um den Impedanzunterschied zwischen Schallkopf und Gewebeoberfläche zu minimieren, wird die Ultraschallsonde mittels eines stark wasserhaltigen Gels angekoppelt.
Gerichtete Ultraschallstrahlimpulse werden ausgesendet und an Grenzflächen im beschallten Objekt mehr oder weniger stark reflektiert (Echogenität). Aus der Laufzeit der reflektierten Signale kann die Tiefe der reflektierenden Struktur rekonstruiert werden. Die Intensität der Reflexion wird vom Ultraschallgerät als Grauwert auf einem Monitor dargestellt. So stellen sich Strukturen geringer Echogenität als schwarze, Strukturen starker 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.
Die optische Kohärenztomografie (OCT) arbeitet nach einem ähnlichen Prinzip, wobei hier Licht statt Schall verwendet wird.
| Medium | Schallgeschwindigkeit c [m/s] | Schallimpedanz Z [g/cm2s] | Dichte [g/cm3] |
|---|---|---|---|
| Luft | 343 | 43 | 0,01 |
| Fett/Wasser/Hirn/Muskeln | |||
| Knochen (kompakt) | 3600 | 1,7 |
Bei einer diagnostischen sonografischen Untersuchung sind folgende Werte für Schallparameter üblich:
Ultraschallfrequenz:
mittlere Intensität:
mittlere Druckänderung (ggü. Normaldruck): .
Mit der Schallausbreitung gehen wie in der Wellenoptik die Phänome Reflexion, Brechung, Beugung, Streuung und Absorption einher. Reflektierte und gestreute Schallwellen werden als Echos von der Ultraschallsonde registriert, und durch die Auswertung derer Intensitäten und Laufzeiten ist eine Abbildung des durchstrahlten Objektes möglich.
- 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 einfallenden Intensität) gemäß:
.
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 Schallintensität in den Körper (vgl. Tabelle 1: ), 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. - 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 , mit :Schallwellenlänge) ist die Streuung stark, z.B. in Gefäßen. Sie sind in B-Mode-Bildern heller. Im ?stochastischen? Bereich () wie in der Leber ist die Streuung mittelstark und macht hier etwa 20?% der Gesamtabsorption aus. Im ?Rayleighbereich? () ist die Streuung schwach, beispielsweise im Blut.
- 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: . Der Absorptionskoeffizient ist gewebe- und stark frequenzabhängig. Bei 1?MHz liegt er bei 1?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
Frequenz f [Mhz] | Eindringtiefe x [cm] | Untersuchungsgebiet 1 50 2?3,5 25?15 Fetus, Leber, Herz 3,5 15 Niere 5 10 Gehirn 7,5 7 8?9 6 Prostata (endo) 10 5 11?12 4?3 Pankreas (intraoperativ) 20 1,2 21?24 1,1?0,9 Auge, Haut 40 0,6 Haut, Gefäße
Auflösungsvermögen
- lateral: Die sogenannte 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: Durchmesser eines kreisförmigen Schallkopfes) im Fokalbereich. Außerhalb des Fokalbereichs nimmt die laterale Auflösung mit der Entfernung zum Wandler ab.
- axial: Zwei axial hintereinanderliegende Ebenen können gerade noch getrennt wahrgenommen werden, wenn von den Grenzflächen zwei unterscheidbare Echos empfangen werden. 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 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.
- Typisch erreichbare Ortsauflösungen je nach Sendefrequenz sind:
Frequenz: 2?15?MHz
Wellenlänge (in Muskeln): 0,78?0,1?mm
Eindringtiefe (einfach): 12?1,6?cm
Ortsauflösung: lateral: 3,0?0,4?mm
axial: 0,8?0,15?mm
Erzeugung von Ultraschall
Die Erzeugung von Ultraschall und auch der Nachweis zurückkommender Echos finden zumeist elektromechanisch in einem sogenannten Wandler statt, der Teil der Sonde ist, und basiert auf dem 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 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 Intensitätsverteilung zufolge haben.
Im Fernbereich erhält 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, ?: Schallwellenlänge liegt er zwischen .Bildgebungsverfahren
Echo-Impuls-Verfahren
Die Bildgebung mit einem Ultraschallgerät erfolgt nach dem sogenannten Echo-Impuls-Verfahren. Ein elektrischer Impuls eines Hochfrequenzgenerators wird im Schallkopf durch den piezoelektrischen Effekt in einen Schallimpuls, einen kurzen Wellenzug, umgesetzt und ausgesendet. Die Schallwelle wird eventuell gestreut und reflektiert, je nach Gewebe aber nicht vollständig, sodass eine Welle schwächerer Intensität weiterläuft, solange, bis durch Absorptionseffekte die Schallenergie vollständig in Wärme umgesetzt ist. Ein zurücklaufendes Echo wird im Schallkopf in ein elektrisches Signal gewandelt. Anschließend verstärkt eine Elektronik das Signal, wertet es aus und kann es auf verschiedene Weise an den Anwender ausgeben, beispielsweise auf einem Monitor (siehe Moden).
Der nächste Impuls kann erst ausgesendet werden, wenn alle Echos des einen ausgesandten Ultraschallimpuls abgeklungen sind. Somit ist die Wiederholrate abhängig von Eindringtiefe bzw. Frequenz. Beispielsweise liegt das Herz etwa 15?cm tief. Aus Tabelle 2 ergibt sich eine zu verwendende Frequenz von 3,5?Mhz. Die Laufzeit beträgt dann . Bis das Echo ankommt, vergeht die doppelte Zeit. Die Wiederholrate ist also .Moden
Das Echo-Impuls-Verfahren kann je nach Anforderung mit verschiedenen Ultraschallsonden und unterschiedlicher Auswertung und Darstellung der Messergebnisse durchgeführt werden, was man als Mode bezeichnet.Doppler-Verfahren
Die Aussagekraft der Sonografie kann erheblich durch die Anwendung des Dopplereffekts erhöht werden. Man unterscheidet eindimensionale Verfahren (pulsed-wave doppler, continuous-wave doppler) von zweidimensionalen, farbkodierten Anwendungen (Farbdoppler).
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 (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 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 : Winkel zwischen Teilchenbahn und Schallstrahl) beträgt
.
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 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 Schwangerschaftswoche 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 Stereomessköpfen.
Anwendung findet das Dopplerverfahren zur Bestimmung von Blutfluss-Geschwindigkeiten, zur Entdeckung und Beurteilung von Herz(klappen)fehlern, Verengungen (Stenosen), Verschlüssen (Atresien) oder Kurzschlussverbindungen (Shunts). Die Kombination B-Bild mit Doppler-Bild nennt man auch Duplex-Bild.Bildfehler
Bei der Bilderzeugung mittels Ultraschall kann es zu Artefakten kommen, die nicht durchweg als störend gelten, sondern auch zusätzliche Gewebe- bzw. Materialinformationen liefern können.
Sicherheitsaspekte
Der Ultraschall ist eine sehr sichere Methode für die Bildgebung. Als mögliche Schadensquellen für den Menschen kommen die Wärmeerzeugung und Kavitation in Betracht.
Durch die in der Klinik verwendeten Intensitäten bzw. durch sorgfältige Anpassung und Optimierung der Parameter (Sendeleistung, Impulsfolge, Applikationsdauer) ist eine Gesundheitsgefährdung praktisch auszuschließen. Eine Untersuchung der Food and Drug Administration der USA ergab den folgenden Sicherheitsbereich: Eine Schädigung ist auszuschließen, solange applizierte Intensität mal Einwirkungsdauer unter 50?Ws/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.Organe die dem Ultraschall gut zugänglich sind
Alle wasserhaltigen , blutreichen Organe sind für den Ultraschall gut untersuchbar. Schlecht untersuchbar sind alle lufthaltigen Organe und das Innere von Knochen. Auch das Gehirn ist bedingt durch seine Knochenkapsel beim Erwachsenen nur unzureichend zugänglich. Manche Organe sind im Normalzustand nur schwer erkennbar, im krankhaft vergrößerten Zustand ganz gut erkennbar ( Blinddarm , Harnleiter , Nebennieren )
Die ersten Ultraschalluntersuchungen wurden an Schwangeren durchgeführt. Auch heute ist der Uterus ein "Ultraschallorgan".
Weiter "sonogene" Organe:
Bedingt oder nur indirekt zugänglich:
Schlecht schallbar
Vor- und Nachteile
Vorteile
Nachteile
Literatur
Siehe auch
Ultraschallsonde -- Ultraschall -- Ultraschallgerät -- Piezoeffekt -- Echokardiografie -- TEE (Medizin) -- IVUS