Anwendung des Ultraschalls in der Medizin | CDhistory

1. EINLEITUNG

In der Physik bezeichnet der Begriff „Ultraschall“ alle akustische Energie mit einer Frequenz oberhalb des menschlichen Hörvermögens (20.000 Hertz oder 20 Kilohertz). Typische diagnostische Sonographiegeräte arbeiten im Frequenzbereich von 2 bis 18 Megahertz, also hundertmal höher als die Grenze des menschlichen Hörvermögens. Höhere Frequenzen haben eine entsprechend geringere Wellenlänge und ermöglichen die Erstellung von Sonogrammen mit kleineren Details. Die diagnostische Sonografie (Ultraschall) ist ein auf Ultraschall basierendes bildgebendes Diagnoseverfahren, mit dem subkutane Körperstrukturen wie Sehnen, Muskeln, Gelenke, Gefäße und innere Organe auf mögliche Pathologien oder Läsionen hin untersucht werden können. Die Sonografie eignet sich gut für die Darstellung von Weichteilen im Körper. Sonographen verwenden in der Regel eine handgehaltene Sonde (einen so genannten Schallkopf), die direkt auf den Patienten aufgesetzt und über ihn bewegt wird. Ein Gel auf Wasserbasis wird verwendet, um den Ultraschall zwischen dem Schallkopf und dem Patienten zu koppeln (1, 2).

Obwohl 12 Jahre vor dem Röntgenstrahl (1883) entdeckt, ist der Ultraschall eine viel spätere Anwendung in der Medizin. Die erste praktische Anwendung des Ultraschalls wurde während des Ersten Weltkriegs beim Aufspüren von U-Booten verzeichnet. Die Anwendung des Ultraschalls in der Medizin begann in den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts. Zuerst wurde er in der Geburtshilfe eingeführt, danach in allen Bereichen der Medizin (allgemeine Abdominaldiagnostik, Diagnostik im Bereich des Beckens, Kardiologie, Augenheilkunde und Orthopädie usw.) (3). Aus klinischer Sicht besitzt der Ultraschall aufgrund seiner nichtinvasiven, guten Visualisierungseigenschaften und seiner relativ einfachen Handhabung eine unschätzbare Bedeutung (4,5). Seit der Einführung der Verarbeitung von Graustufensignalen im Jahr 1974 wurde die B-Mode-Sonographie zur weithin akzeptierten Methode. Der Fortschritt in der Formgebung der Schallköpfe hat zu einer besseren räumlichen Auflösung und der Abbildung sehr kleiner Strukturen im Bauchraum (0,5-1 cm) geführt. Die Entwicklung von Echtzeit-Systemen führte sogar zu der Möglichkeit der kontinuierlichen Visualisierung oder der Ultraschall-Durchleuchtung (1). In der Ultraschalldiagnostik können zwei Techniken unterschieden werden (2): Transmission und Reflexion

Die Transmissionstechnik beruht auf der Unterscheidung von Geweben mit unterschiedlicher Absorption des Ultraschalls. Aufgrund der ungleichmäßigen Absorption von Ultraschallbildern ergibt sich eine innere Struktur, die aus einem Mosaik von helleren und dunkleren Stellen besteht. Diese Technologie ist jetzt aufgegeben (6,1).

Reflexion Technologie (Echo) registriert der Impuls wird von der Grenze von zwei Geweben mit unterschiedlichen akustischen Widerstand reflektiert. Die Technik basiert auf dem Funktionsprinzip des Sonars („Sonar Navigation and Ranging“). Eine Schallwelle wird in der Regel von einem piezoelektrischen Wandler erzeugt, der in einer Sonde untergebracht ist. Starke, kurze elektrische Impulse aus dem Ultraschallgerät bringen den Wandler in der gewünschten Frequenz zum Schwingen. Die Frequenzen können zwischen 2 und 18 MHz liegen. Der Schall wird entweder durch die Form des Schallkopfs, eine Linse vor dem Schallkopf oder durch eine komplexe Reihe von Steuerimpulsen des Ultraschallgeräts fokussiert. Durch diese Fokussierung wird eine bogenförmige Schallwelle an der Stirnseite des Schallkopfs erzeugt. Die Welle wandert in den Körper und wird in der gewünschten Tiefe fokussiert. Neuere Schallköpfe verwenden Phased-Array-Techniken, die es dem Ultraschallgerät ermöglichen, die Richtung und Tiefe des Fokus zu ändern. Fast alle piezoelektrischen Schallköpfe bestehen aus Keramik (1).

Um ein 2-D-Bild zu erzeugen, wird der Ultraschallstrahl geschwenkt. Ein Schallkopf kann mechanisch durch Drehen oder Schwenken abgetastet werden. Oder es kann ein 1D-Phased-Array-Wandler verwendet werden, um den Strahl elektronisch abzutasten. Die empfangenen Daten werden verarbeitet und zur Erstellung des Bildes verwendet. Das Bild ist dann eine 2D-Darstellung des Schnittes in den Körper. 3D-Bilder können durch die Aufnahme einer Reihe von benachbarten 2D-Bildern erzeugt werden. In der Regel wird eine spezielle Sonde verwendet, die einen herkömmlichen 2D-Bildwandler mechanisch abtastet. Da die mechanische Abtastung jedoch langsam ist, ist es schwierig, 3D-Bilder von sich bewegenden Geweben zu erstellen. Vor kurzem wurden 2D-Phased-Array-Schallköpfe entwickelt, die den Strahl in 3D abtasten können. Diese können schneller Bilder machen und sogar 3D-Bilder eines schlagenden Herzens erzeugen.

In der medizinischen Bildgebung werden vier verschiedene Arten von Ultraschall verwendet (1, 3).

Diese sind:

• A-Modus: A-Mode ist die einfachste Art des Ultraschalls. Ein einzelner Schallkopf tastet eine Linie durch den Körper ab, wobei die Echos auf dem Bildschirm als Funktion der Tiefe dargestellt werden. Therapeutischer Ultraschall, der auf einen bestimmten Tumor oder Zahnstein abzielt, wird ebenfalls im A-Modus durchgeführt, um die destruktive Wellenenergie punktgenau zu fokussieren.

• B-Mode: Beim B-Mode-Ultraschall tastet eine lineare Anordnung von Schallköpfen gleichzeitig eine Ebene durch den Körper ab, die als zweidimensionales Bild auf dem Bildschirm angezeigt werden kann.

• M-Mode: M steht für Bewegung. Im M-Mode ermöglicht eine schnelle Abfolge von B-Mode-Scans, deren Bilder auf dem Bildschirm aufeinander folgen, dem Arzt, den Bewegungsbereich zu sehen und zu messen, da sich die Organgrenzen, die Reflexionen erzeugen, relativ zur Sonde bewegen.

Doppler-Modus: Dieser Modus nutzt den Doppler-Effekt zur Messung und Visualisierung des Blutflusses. Die Doppler-Sonographie spielt in der Medizin eine wichtige Rolle. Die Sonographie kann durch Dopplermessungen verbessert werden, die den Dopplereffekt nutzen, um zu beurteilen, ob sich Strukturen (in der Regel Blut) auf die Sonde zu oder von ihr weg bewegen, sowie deren relative Geschwindigkeit. Durch die Berechnung der Frequenzverschiebung eines bestimmten Probenvolumens, z. B. eines Blutstrahls über eine Herzklappe, können dessen Geschwindigkeit und Richtung bestimmt und sichtbar gemacht werden. Dies ist besonders nützlich bei kardiovaskulären Untersuchungen (Sonographie des Gefäßsystems und des Herzens) und in vielen Bereichen von grundlegender Bedeutung, z. B. bei der Bestimmung des umgekehrten Blutflusses in den Lebergefäßen bei portaler Hypertension (6,7). Die Doppler-Informationen werden mit dem Spektraldoppler grafisch oder mit dem Farbdoppler (gerichteter Doppler) oder dem Leistungsdoppler (ungerichteter Doppler) als Bild dargestellt. Diese Dopplerverschiebung fällt in den hörbaren Bereich und wird oft über Stereolautsprecher hörbar gemacht: Dies erzeugt ein sehr markantes, wenn auch synthetisches, pulsierendes Geräusch (8).

Die transösophageale Echokardiographie (TEE) öffnete das Fenster in der diagnostischen Bildgebung im Bereich der Kardiographie, Kardiochirurgie und Anästhesie. Mit der TEE im 2-D-Modus kann der Anästhesist die Herzbewegungen überwachen, und der Herzchirurg erhält wertvolle Informationen über den Zustand des Herzens nach einem kritischen chirurgischen Eingriff.