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Technische Grundlagen der Sonographie (Ultraschall)

Ultraschallwellen

Definition:

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

Erzeugung von Ultraschallwellen:

Ultraschallwellen werden mit Hilfe des piezoelektrischen Effekts erzeugt: eine Spannungsänderung an einem Quarzkristall führt zu dessen Verformung. Mit Hilfe eines Hochfrequenzgenerators können Ultraschallwellen erzeugt werden.

Detektion des Ultraschallechos:

Die reflektierten Ultraschallwellen (Echo) erzeugen durch die minimale Verformung am piezoelektrischen Kristall eine kleine Spannung. Die Spannung wird verstärkt und entsprechend der Zeitverzögerung 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. Erst nach Empfang des Echos aus der gewählten Tiefe kann der nächste Puls-Echo-Zyklus gestartet werden.

Auflösungsvermögen der Sonographie:

Das axiale Auflösungsvermögen (in Richtung der Schallausbreitung) ist abhängig von der Schallfrequenz und beträgt bei z. B. bei 7,5 MHz 0,2–0,3 mm. Je höher die Frequenz des Schallkopfes, desto besser ist das Auflösungsvermögen. Das laterale Auflösungsvermögen hängt von der Geometrie des Schallkopfes und der Anzahl und Lage der Fokuszonen im Schallkopf ab. Bei 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 (Reflexion, Streuung, Interferenz und Absorption) abgeschwächt. Je niedriger die Frequenz des Ultraschalls, desto weniger werden die Wellen vom Gewebe abgeschwächt und desto besser können tiefe Regionen untersucht werden.

Reflexion:

An den Grenzflächen von Geweben unterschiedlicher Dichte kommt es zu einer partiellen oder kompletten Reflexion von Ultraschallwellen. Die reflektierte Welle ist im diagnostischen Ultraschall die entscheidende Komponente, die Informationen über die Gewebestruktur liefert.

Streuung:

Trifft eine Ultraschallwelle auf ein kleines Objekt, so entsteht eine kreisförmige Reflexionswelle.

Brechung:

Trifft die Ultraschallwelle nicht senkrecht auf eine Grenzfläche, so wird die weiterlaufende unreflektierte Welle in ihrer Ausbreitungsrichtung abgelenkt.

Absorption:

Verlust von Schallwellenenergie durch Reibung, dabei entsteht Wärme.

Bildartefakte

Durch die Wechselwirkung der Schallwellen mit dem Gewebe können Bildartefakte entstehen, die nicht der Anatomie des Gewebes entsprechen. Die Kenntnis dieser Artefakte ist für die Diagnostik hilfreich.

Rauschen:

Durch Interferenz gestreuter Schallwellen entsteht ein körniges Echo von eigentlich homogenem Gewebe (Speckle). Eine andere Form des Rauschens ist das Auftreten von vielen kleinen Reflexionen in echofreien Strukturen in der Nähe des Schallkopfes (Harnblase oder Leberzysten).

Schallschatten:

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

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

Dorsale Schallverstärkung:

Verminderte Schalldämpfung in echoarmen Geweben (z.B. Zysten) führt zu einer scheinbaren Schallverstärkung im dahinter liegenden Gewebe [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.

Mehrfachreflexion:

Ultraschallwellen können zwischen zwei parallelen Grenzflächen mehrfach reflektiert werden, diese zusätzlichen Reflexionswellen werden entsprechend der zusätzlichen Zeitverschiebung tieferen Schichten zugeordnet. Synonym: Reverberationen.

Spiegelung:

An stark reflektierenden Grenzflächen mit großem Winkel zur Ultraschallwelle können Echos an völlig 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, die nur in echoarmen Strukturen erkennbar sind. Ursache sind Echoreflexionen vom Nebenstrahl des Schallkopfes.

Darstellungsverfahren der Sonographie

Das reflektierte Sonographie-Echo kann graphisch unterschiedlich dargestellt werden:

A-Mode:

Amplitudenmodulation, Darstellung des Echos in einem Diagramm, wobei die x-Achse die Eindringtiefe und die y-Achse die Echostärke darstellt. Diese Darstellung hat heute keine Bedeutung mehr.

B-Mode:

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

2D-Echtzeitmodus:

oder engl. 2D-realtime. Es wird ein zweidimensionales Schnittbild des untersuchten Gewebes erzeugt. Die Bildwiederholfrequenz ist abhängig von der Eindringtiefe und vom Sondentyp (wenige bis über 100 Bilder pro Sekunde). Dieses Verfahren wird am häufigsten in der Urologie eingesetzt und kann mit der Dopplersonographie gekoppelt werden.

M-Mode:

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

D-Mode:

Doppler-Modus. Es wird die Frequenzänderung der abgestrahlten Wellen an bewegten Objekten erfasst. Siehe Kapitel Grundlagen der Doppler-Sonographie.

Schallkopftechnik

Linearschallkopf:

Durch die lineare Anordnung der piezoelektrischen Kristalle wird eine rechteckige Abtastung des Gewebes erzeugt. Linearscanner bieten eine sehr gute oberflächennahe Auflösung des Ultraschallbildes, hierfür werden Frequenzen um 7,5 MHz verwendet.

Konvexschallkopf:

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

Sektorschallkopf:

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

 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

  English Version: Ultrasound imaging principles