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Technische Grundlagen der Sonographie (Ultraschall)

Zusammenfassende Literatur: (Singer u.a., 2006).

Ultraschallwellen

Definition:

Ultraschallwellen sind longitudinale Druckpuls-Wellen mit einer Frequenz über 20 000 Hz. Für die diagnostische Sonograpie werden Frequenzen zwischen 2 und 10 MHz verwendet.

Erzeugung von Ultraschallwellen:

die Ultraschallwellen werden mit Hilfe des piezoelektrischen Effekts erzeugt: eine Spannungsänderung an einem Quarzkristall führt zur Verformung des Kristalls. Unter Verwendung eines Hochfrequenzgenerators können Ultraschallwellen erzeugt werden.

Detektion des Ultraschall-Echos:

die reflektierten Ultraschallwellen (Echo) erzeugen am piezoelektrischen Kristall durch eine geringe Verformung eine geringe Spannung. Die Spannung wird verstärkt und entsprechend der Zeitverschiebung einer Gewebetiefe zugeordnet.

Puls-Echo-Prinzip:

mit Hilfe des piezoelektrischen Effekts erzeugt der Hochfrequenzgenerator einen kurzen Wellenzug (z. B. 2 Perioden, ungefähr 0,3–0,6 μs lang). Danach dient ein piezoelektrischer Kristall im Sonographie-Schallkopf als Detektor für die reflektierten Schallwellen. Der nächste Puls-Echo-Zyklus kann erst nach Empfang des aus der gewählten Tiefe stammenden Echos gestartet werden.

Eindringtiefe:

je niedriger die Frequenz des Ultraschalls, desto geringer werden die Wellen vom Gewebe abgeschwächt und desto besser können tiefe Regionen untersucht werden.

Auflösungsvermögen der Sonographie:

das axiale Auflösungsvermögen (in Schallausbreitungsrichtung) ist abhängig von der Schallfrequenz und beträgt bei z. B. bei 7,5 MHz 0,2–0,3 mm. Je höher die Frequenz des Sonographie-Schallkopfes, desto besser ist die Auflösung. Das laterale Auflösungsvermögen ist abhängig von der Geometrie des Schallkopfes und der Anzahl und Lage der Fokuszonen im Schallkopf. In einem Linearschallkopf mit 7,5 MHz beträgt das laterale Auflösungsvermögen 0,5–0,7 mm.

Interaktion von Schallwellen und Gewebe

Die Schallwellen breiten sich im Gewebe mit einer Geschwindigkeit von etwa 1540 m/s aus. Dabei werden die Ultraschallwellen durch verschiedene Mechanismen abgeschwächt (Reflektion, Streuung, Interferenz und Absorption). Je niedriger die Frequenz des Ultraschalls, desto geringer werden die Wellen vom Gewebe abgeschwächt und desto besser können tiefe Regionen untersucht werden.

Reflektion:

An den Grenzflächen von Geweben unterschiedlicher Dichte kommt es zu einer partiellen oder kompletten Reflektion von Ultraschallwellen. Die rücklaufende Welle ist im diagnostischen Ultraschall die entscheidende Komponente, welche die Information über den Gewebeaufbau mitbringt.

Streuung:

Wenn die Ultraschallwelle auf eine kleines Objekt trifft, so entsteht eine zirkuläre Reflektionswelle.

Brechung:

Wenn die Ultraschallwelle nicht senkrecht auf eine Grenzfläche trifft, so wird die weiterziehende nicht reflektierte Welle in Ihrer Ausbreitungsrichung abgelenkt.

Absorption:

Verlust der Schallwellenenergie durch Reibung, es entsteht Wärme.

Bildartefakte

Durch die Interaktion von Schallwellen mit Geweben kann es zu Störungen des Bildaufbaus kommen, welcher nicht der Gewebeanatomie entspricht. Die Kenntnis der Artefakte ist hilfreich bei der Diagnostik.

Rauschen:

Die Interferenz der gestreuten Schallwellen erzeugt ein körniges Echo von eigentlich homogenen Geweben (Speckle). Eine weitere Form des Rauschens sind multiple kleine Reflexe in schallkopfnahen echofreien Strukturen (Harnblase oder Leberzysten).

Schallschatten:

Dorsale Schallauslöschung hinter stark reflektierenden oder absorbierenden Grenzflächen (Steine, Knochen, Luft). [Abb. Nierenbeckenstein]

Schallschatten durch ein Nierenbeckenstein Mit freundlicher Genehmigung, Dr. H. Kempter, Augsburg.

Dorsale Schallverstärkung:

verminderte Schalldämpfung in echoarmen Geweben (Zysten) führt im Gewebe dahinter zu einer scheinbaren Schallverstärkung [Abb. Hodenzyste].

Abbildung 1: Einfache Hodenzyste: runde, echofreie Zyste mit dorsaler Schallverstärkung. Mit freundlicher Genehmigung, Prof. Dr. R. Harzmann, Augsburg.

Randschatten:

Schmale Schattenzone dorsal der lateralen Begrenzung einer runden Struktur, die dort tangential eintreffenden Schallwellen werden durch Brechung und Streuung stark abgeschwächt [Abb. Hodenzyste mit Randschatten].

Einfache Hodenzyste mit Randschatten. Mit freundlicher Genehmigung, Dr. M. Fretschner, Augsburg.

Mehrfachreflexionen:

Ultraschallwellen können zwischen zwei parallelen Grenzflächen mehrfach reflektiert werden, diese zusätzlichen Reflexionswellen werden entsprechend der zusätzlichen Zeitverschiebung in tiefere Schichten zugeordnet.

Spiegelung:

An stark reflektierenden Grenzflächen mit großem Winkel zur Ultraschallwelle können Echos an ganz falscher (gespiegelter) Position abgebildet werden.

Kometenschweif:

Hinter stark reflektierenden Grenzflächen können durch Resonanz starke Wiederholungsechos das Bild stören.

Bogenartefakt:

Bogenförmige Reflexionen von stark reflektierenden Grenzflächen, welche aber nur in echoarmen Strukturen erkennbar werden. Auslöser sind Echoreflexionen vom Nebenstrahl des Schallkopfes.

Darstellungsmethoden der Sonographie

Das reflektierte Sonographie-Echo kann graphisch unterschiedlich dargestellt werden:

A-Mode:

Amplituden-Modulation, Darstellung des Echos in einem Diagramm, die x-Achse repräsentiert die Eindringtiefe und die y-Achse die Echostärke. Diese Darstellung besitzt heute keine Bedeutung mehr.

B-Mode:

brightness modulation. Die Echointensität der Sonographie wird in Helligkeit (Grauwert) umgesetzt.

2D-Echtzeitmodus:

oder engl. 2D-realtime. Es entsteht ein zweidimensionales Schnittbild des untersuchten Gewebes. Die Bildwiederholungsfrequenz ist abhängig von der Eindringtiefe und vom Sondentyp (wenige bis über 100 Bilder pro Sekunde). Dies ist das in der Urologie am häufigsten angewandte Verfahren, es kann mit der Doppler-Sonographie gekoppelt werden.

M-Mode:

motion mode. Die Amplitude des Echos wird auf der y-Achse dargestellt, die x-Achse repräsentiert die Zeitachse. Es lassen sich Bewegungsabläufe von bewegten Organen eindimensional darstellen (z. B. Herzklappenbewegung).

D-Mode:

Dopplermode. Die Frequenzänderung der ausgestrahlten Wellen an bewegten Objekten wird erfasst. Siehe Kapitel Grundlagen der Doppler-Sonographie.

Schallkopftechnologie

Linearscanner:

lineare Anordnung der piezoelektrischen Kristalle erzeugen einen rechteckförmige Abtastung des Gewebes. Linearscanner bieten eine sehr gute oberflächennahe Auflösung des Sonographie-Bildes, dafür werden Frequenzen um die 7,5 MHz verwendet.

Konvexscanner:

oder Curved-Array-Scanner. Die Wandlerelemente sind bogenförmig angeordnet, dies reduziert die Auflagefläche und erzeugt ein breites Schallfeld in der Tiefe mit akzeptabler Nahfeldauflösung. Konvexscanner werden typischerweise für die Sonographie der Bauchhöhle eingesetzt, dafür werden Frequenzen zwischen 2,5–5 MHz verwendet.

Sektorscanner:

die Anordnung der piezoelektrischen Kristalle bewirkt eine radiale Schallausbreitung und ein sektorförmiges Bild mit einem Blickfeld nahe 90 Grad. Die Nahfeldauflösung ist schlecht, dafür haben die Sektorscanner die kleinste Auflagefläche des Schallkopfes. Sektorscanner werden für die Sonographie der Bauchhöhle und des Herzens eingesetzt.

 Sachregistersuche: A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

Literatur Sonographie

  English Version: Ultrasound imaging principles