1 Technische Grundlagen, apparative Voraussetzungen und Hämodynamik

1.1 Entstehung und Ausbreitung von Ultraschallwellen

1.1.1 Grundlagen

• Definition des Ultraschalls: Longitudinale Druckpulswellen mit einer Frequenz zwischen 20.000 Hz und 1GHz werden als Ultraschall bezeichnet.

• Größenordnung: 1 Megahertz (MHz) entspricht 1 Million Schwingungen pro Sekunde. In der klinischen Diagnostik liegen die Frequenzen zwischen 2 und 10 MHz. Bei speziellen Einsatzgebieten wie intravaskulärem Ultraschall oder der Tumordiagnostik in der Dermatologie kommen Frequenzen bis 30 MHz zum Einsatz.

1.1.2 Kenngrößen von Ultraschallwellen

• Wellenlänge Lambda (λ): Räumlicher Abstand zweier benachbarter Maxima einer Sinusschwingung.

• Frequenz (f): Anzahl der Schwingungen pro Sekunde; 1/s = 1 Hz.

• Periode: Schwingungsdauer (in Sekunden).

• Schallgeschwindigkeit (c): Produkt aus Frequenz und Wellenlänge.

• Schallintensität (I): Amplitude der Auslenkung aus der Ruhelage. Einheit der Schallleistung in Ausbreitungsrichtung: mW/cm2.

1.1.3 Piezoelektrischer Effekt

• Beim Anlegen einer Wechselspannung an Keramikelemente werden diese proportional zum Phasenwechsel der Spannung zu pulsatilen Formänderungen angeregt. Dieses Phänomen wird als piezoelektrischer Effekt bezeichnet. Die Frequenz der hierbei entstehenden Druckwellen liegt im Megahertz-Bereich. Umgekehrt können Ultraschallwellen beim Auftreffen auf Keramikkristalle diese wiederum in Schwingung versetzen und dadurch eine elektrische Spannung induzieren. Abhängig vom ▶ Schallwandler wird das Schallfeld durch einen Einzelkristall oder linear nebeneinander angeordnete Kristalle erzeugt.

1.1.4 Ausbreitung von Ultraschall im Gewebe

• Schallausbreitungsgeschwindigkeit: Sie ist in verschiedenen Körpergeweben nahezu gleich und beträgt ca. 1540 m/s. Eine Ausnahme ist Knochengewebe, hier beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit 3500 m/s.

• Physikalische Effekte: Ultraschallwellen sind im Gewebe im Wesentlichen den folgenden vier physikalischen Effekten unterworfen:

  • Reflexion ( ▶ Abb. 1.1a):

    • Reflexion ist definiert als Umkehr der Ausbreitungsrichtung von Schallwellen an einer Grenzfläche. Einfalls- und Ausfallswinkel des Schallstrahls sind gleich. Bedingung für die Reflexion von Schallwellen ist eine Dicke der Grenzschicht bzw. des anderen Mediums von mindestens einer Wellenlänge. Weitere Voraussetzung ist eine unterschiedliche Impedanz der Gewebe.

    • Akustische Impedanz: Schallwellenwiderstand; Materialkonstante, die sich als Produkt aus Schallausbreitungsgeschwindigkeit und Dichte des Mediums errechnet. Große Impedanzunterschiede haben eine überwiegende Reflexion der Schallenergie zur Folge, nur ein kleiner Teil erfährt eine Transmission (z. B. an der Grenzfläche Weichteilgewebe/Luft in der Lunge). Treffen Ultraschallwellen auf knöcherne Strukturen, resultiert wegen des deutlichen Impedanzunterschiedes eine überwiegende Reflexion; der kleine, transmittierte Anteil erfährt im Knochen eine starke Abschwächung durch hohe Absorption. Eine Abbildung von Strukturen, die im Schallschatten eines Knochens liegen, ist daher nicht möglich.

  • Transmission ( ▶ Abb. 1.1c): Bei der Transmission werden Grenzflächen von Schallwellen durchdrungen. Die Transmission ist mit einer Abweichung von der geradlinigen Ausbreitung der Schallwellen verbunden. Dieses Phänomen wird als Beugung bezeichnet.

  • Streuung ( ▶ Abb. 1.1b): Treffen Schallwellen auf Strukturen, die kleiner als eine Wellenlänge sind, kommt es zu einer Ablenkung der Schallwellen in sämtliche Raumrichtungen. An den korpuskulären Elementen des Blutes kommt es zu einer kompletten Streuung. Die nach Streuung an den Erythrozyten wieder den Schallwandler erreichenden Signale sind im Gegensatz zu reflektierten Gewebeechos von sehr geringer Intensität.

  • Absorption: Umwandlung von Schallenergie in Wärme. Neben Streuung und Reflexion ist die Absorption die hauptsächliche Ursache der Schallintensitätsminderung im Gewebe. Mit zunehmender Laufstrecke nimmt die Intensität des Schallimpulses exponentiell ab. Der Absorptionskoeffizient ist gewebespezifisch und liegt im Körpergewebe zwischen 0,6 und 1,5 dB/MHz · cm ( ▶ Tab. 1.1). Weiterhin ist das Absorptionsverhalten frequenzabhängig: Bei hohen Frequenzen ist in gleicher Tiefe der Energieverlust stärker als bei niedrigen Frequenzen.

Tab. 1.1 Akustische Impedanz und Absorptionskoeffizient in verschiedenen Geweben

Gewebe

akustische Impedanz (106 kg/m2s)

Adsorptionskoeffizient (dB/MHz · cm)

Blut

1,61

0,2

Wasser

1,48

0,002

Weichteilgewebe

1,63

0,7

Knochen

7,80

10,0

Luft

0,0004

Muskulatur

1,64 – 1,74

1,5

1.2 Zweidimensionaler Ultraschall

1.2.1 Puls-Echo-Prinzip

• Vorbemerkung: Das Puls-Echo-Prinzip ist die Grundlage jeder Bildgebung mit Ultraschall.

• Prinzip: Ein kurzer Schallimpuls (Dauer 1 – 2 Perioden, ca. 0,3 – 0,6μs) wird in das Gewebe eingestrahlt. Die in den Körpergeweben nahezu gleiche Schallausbreitungsgeschwindigkeit ermöglicht über die Laufzeit der Schallimpulse eine exakte Tiefenlokalisation der Reflektoren. Vor Aussenden des nächsten Impulses muss das Eintreffen des aus der gewählten maximalen Tiefe stammenden Echos abgewartet werden.

• Puls-Echo-Zyklus: Abfolge von Impulsaussendung, Reflexion und Empfangen der Echos entlang eines Schallstrahls.

• Darstellung: Die Darstellung der reflektierten Echos kann auf unterschiedliche Weise erfolgen: A-Mode (Amplituden-Mode), M-Mode (Time-motion-Technik), oder B-Mode...