Wie erzeugt man Ultraschallbilder?

Neben der Röntgenstrahlung durchdringt auch Ultraschall den menschlichen Körper und kann daher zur medizinischen Diagnose genutzt werden. Schall mit Frequenzen oberhalb von 20 kHz bezeichnet man als Ultraschall. Ultraschall wurde erstmals 1942 in Österreich von K. T. Dussik zur Darstellung des Schädels eingesetzt.

Physikalische Grundlagen

Potenzielle Wirkung von Ultraschall

Durch die Absorption der Ultraschallenergie findet im Gewebe eine gewisse Erwärmung statt, die allerdings beim Impuls­Echo-Verfahren als unproblematisch gilt. Ein zweiter Mechanismus hängt weniger mit der Schallenergie, als mit der Amplitude des Ultraschallimpulses zusammen. In der Unterdruckphase der Schallwelle kann bei hinreichendem Unterdruck Wasser verdampfen ("Dampfkavitation"). Analog siedet Wasser unter einer Vakuumglocke bereits bei Zimmertemperatur. Da der Übergang von der flüssigen in die gasförmige Phase mit einer extremen Volumenausdehnung verbunden ist, kann bei sehr hoher Amplitude des Ultraschallimpulses umliegendes Gewebe Schaden nehmen. Man versucht natürlich, möglichst weit von dieser Kavitationsgrenze entfernt zu bleiben. Es lässt sich allerdings schwer vorhersagen, bei welchen Ultraschallamplituden diese Grenze liegt. Die Details auf diesem Gebiet sind bis heute noch nicht voll verstanden und weiterhin Gegenstand von Untersuchungen. Festzuhalten bleibt, dass beim Impuls-Echo-Verfahren noch keine Schäden durch die Aufnahme von Ultraschallbildern nachgewiesen wurden.  Man muss Ultraschalluntersuchungen von Verfahren mit ionisierender Strahlung (z. B. Röntgendiagnostik) klar trennen. Ultraschall kann keine chemische Bindungen im Körper aufbrechen und dadurch Zellen schädigen.

Ultraschall hoher Intensität wird aber in der Therapie erfolgreich eingesetzt: Man kann damit z. B. Nierensteine zertrümmern oder Gewebe lokal erwärmen, um so Heilungsprozesse zu fördern.

Ultraschallaufnahmen (s. z. B. Abb. 2 auf S. 20) werden mit Hilfe des sog. Impuls-Echo-Verfahrens gewonnen. Dabei sendet der Schallkopf einen kurzen Ultraschallimpuls von der Dauer weni­ger Mikrosekunden (analog zum Knacken des Lautsprechers im hörbaren Bereich) in eine bestimmte Richtung in den Körper. Der Ultraschallimpuls wird an Grenzflächen im Körper (z. B. zwi­schen Muskel und Knochen) zum Teil zurückgeworfen, zum Teil dringt er weiter ein. Der auf Empfang umgeschaltete Schallkopf registriert anschließend die Echos.

Wie entsteht ein Ultraschallbild?

Die Echo-Amplituden als Maß für die Stärke der einzelnen Echos werden entsprechend ihrer Laufzeit im Körper in einem Diagramm dargestellt (Amplituden- oder A-Darstellung. Der nächste Schritt hin zu einer Querschnitts-Abbildung des Objekts besteht darin, statt der Wellenpakete der A­Darstellung an die entsprechenden Stellen einen Punkt zu setzen '(B-Darstellung'). Die Punkte werden umso heller dargestellt, je größer die Amplitude des zugehörigen Echos ist ("Graukodierung").

Um ein Bild zu gewinnen, wird der Schallkopf zwischen der Echo-Registrierung und dem Aussenden des nächsten Impulses automatisch um einen kleinen Winkel gedreht. Damit ein "Ultraschallfilm" entsteht, muss der Untersuchungsbereich 25 Mal pro Sekunde vollständig überstrichen werden.

Der Ultraschallkopf 

Im Ultraschallbereich werden die benötigten schnellen mechanischen Schwingungen mithilfe des Piezoeffekts erzeugt. Legt man an eine piezoelektrische Keramik eine elektrische Wechselspannung an, so schwingt die scheibenförmige Keramik mit dieser Frequenz. In der Ultraschalldiagnostik werden Frequenzen im Mega-Hertz-Bereich verwendet, und die Keramik erzeugt eine Ultraschallwelle dieser Frequenz. Um die benötigten kurzen Ultraschallimpulse zu erhalten, schwingt die Piezokeramik im Schallkopf nur einige wenige Male hin und zurück, so dass ein kurzes Wellenpaket mit einer Dauer von wenigen Mikrosekunden in den Körper geschickt wird.

Eine Piezokeramik eignet sich auch zum Empfang der Echos: Das zurückkehrende Wellenpaket versetzt die Keramik in Schwingungen. Dadurch entsteht wiederum aufgrund des piezoelektrischen Effekts zwischen der Vorder- und Rückseite der Keramikscheibe eine elektrische Wechselspannung, die in der Amplitudendarstellung direkt sichtbar gemacht werden kann.

Die Schallreflexion

Die Schallgeschwindigkeit hängt wesentlich von der Dichte des den Schall transportierenden Mediums ab. In Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit 330 m/s, in Wasser (und in weichem Körpergewebe) liegt sie bei etwa 1,5 km/so In festen Körpern erreicht die Schallgeschwindigkeit einige tausend Meter pro Sekunde. In Knochen sind es 3,6 km/s, in Aluminium etwa 6 km/s.

Wie stark die Echos an Grenzflächen reflektiert werden, hängt entscheidend vom Unterschied zwischen den Massendichten der angrenzenden Gewebearten ab. Daher sind Echos an Grenzschichten zu Knochen sehr intensiv und knöcherne Bereiche als helle Strukturen auf Ultraschallbildern gut zu erkennen (vgl. Abb. 2 auf S. 20). Der Grund für die helle Darstellung der Knochen ist also nicht, dass Knochen eben weiß sind, wie ein Schüler auf eine entsprechende Frage antwortete.

Der Nachteil der starken Schallreflexion ist, dass unterhalb von Knochen liegende Strukturen oft nicht gut abgebildet werden, da sie in deren "Schallschatten" liegen. Zudem lassen sich aus diesem Grund lufthaltige Bereiche nur schwer untersuchen: Beispielsweise kann die Lunge nicht abgebildet werden, da beim Übergang zwischen Lungengewebe und Luft Ultraschall praktisch vollständig reflektiert wird und daher nicht in die Lunge eindringen kann. Bei Ultraschalluntersuchungen wird ein Gel auf die Haut aufgetragen, damit die Luft zwischen Schallkopf und Haut verdrängt wird.

Links

http://newton.ex.ac.uk/aip/physnews.568.html

http://www.ob-ultrasound.net/dussik/bio.html

www.medcom-online.de  
Eindrucksvolle dreidimensionale Aufnahmen dadurch möglich, dass der Ultraschallsender nicht nur in der Ebene, sondern auch senkrecht dazu gedreht werden kann.

 

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