Schweitzer Fachinformationen
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In der Physik werden Transversal- und Longitudinalwellen (Quer- und Längswellen) unterschieden. Bei Transversalwellen erfolgt die Wellenauslenkung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung; Beispiele sind die sich ausbreitende Oberflächenwelle nach dem Wurf eines Steins ins Wasser, eine La-Ola-Welle im Fußballstadion oder auch elektromagnetische Wellen. Im Gegensatz dazu erfolgt bei Longitudinalwellen die Auslenkung parallel zur Ausbreitungsrichtung. Der Prototyp hierfür sind Schallwellen, bei denen das Trägermedium der Welle durch periodische Druckschwankungen komprimiert oder expandiert wird.
Definition
Ultraschall
Ultraschall besteht aus Schallwellen, deren Frequenz so hoch ist, dass sie vom menschlichen Ohr nicht mehr wahrgenommen werden können (> 20.000 Hz). Üblicherweise liegen beim medizinischen Ultraschall die Frequenzen zwischen 1 und 20 MHz.
Schalldruckschwankungen führen im Überträgermedium zu einer entsprechenden Bewegung von Materieteilchen in Ausbreitungsrichtung und von ihr weg ( ? Abb. 1.1), d.h., die Ausbreitung von Schallwellen ist an das Vorhandensein eines Trägermediums gebunden. Schallwellen im Vakuum gibt es nicht. Schallwellen lassen sich wie andere Wellen auch durch die Größen Frequenz (f), Wellenlänge (?), Periodendauer (T) und Amplitude (A) beschreiben. Zur Rekapitulation sind die Definitionen der wichtigsten Kenngrößen in ( ? Abb. 1.1) zusammengefasst.
Ultraschallparameter.
Abb. 1.1 Schallausbreitung und Kenngrößen. T = Periodendauer, f = Frequenz, ? = Wellenlänge, A = Druckamplitude, p = Schalldruck (Schallwechseldruck).
a Die sich fortpflanzende Druckwelle führt zu einer periodischen Bewegung der Teilchen um deren Ruhelage.
b, c Darstellung relevanter Ultraschallparameter.
Schallausbreitung Wellenlänge und Frequenz verhalten sich umgekehrt proportional, sind aber auch nach Gl. ? Formel 1.1 mit der Schallausbreitungsgeschwindigkeit oder kurz Schallgeschwindigkeit (c) verknüpft. Mit steigender Frequenz nimmt die Wellenlänge ab.
(1.1)
Die Schallgeschwindigkeit (c) hängt entscheidend von Materialeigenschaften ab. Sie ist umso höher, je elastischer das Material und je geringer dessen spezifische Dichte ist, da die Auslenkung der Materieteilchen um die Ruhelage leichter ist.
Wellenwiderstand Jedes Material setzt der Ausbreitung von Schallwellen einen mehr oder weniger starken Widerstand entgegen ( ? Tab. 1.1). Analog zum Wechselstromwiderstand bezeichnet man diesen als akustische Impedanz (Z). Die Impedanz nimmt mit steigender spezifischer Dichte (?) zu. Sind die Schallwechseldrücke relativ niedrig, gilt ein linearer Zusammenhang nach Gl. ? Formel 1.2:
(1.2)
Mit zunehmendem Schalldruck wird es aber verhältnismäßig immer schwerer, das Trägermedium im Wellenberg zu komprimieren, als es im Wellental zu dilatieren, sodass bei hohen Schalldrücken diese Gleichung nicht mehr anwendbar ist und keine linearen Verhältnisse auftreten.
Weitere Größen Je nach Stärke der Ultraschallwellen können Nierensteine zertrümmert oder Feten im Mutterleib beurteilt werden. Für den sicheren Umgang mit Ultraschall sind folgende Größen von Bedeutung:
Akustische Energie: Sie wird in Joule (J) angegeben und entspricht der mechanischen Energie, die von der Welle transportiert wird. Sie ist proportional zum Quadrat der Schalldruckamplitude und hängt von Elastizität und Dichte des Materials ab.
Akustische Leistung: Sie bezeichnet die pro Zeiteinheit transportierte Energie in Watt (W).
Akustische Intensität: Sie ist definiert als die akustische Energie (E), die senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung pro Flächeneinheit transportiert wird. Die Einheit der akustischen Intensität ist W/m2, üblicher ist aber die Angabe in W/cm2.
Merke
Risiko einer Gewebeschädigung
Das Risiko einer Gewebeschädigung durch Ultraschall nimmt mit zunehmender akustischer Leistung und insbesondere steigender Intensität zu (Näheres hierzu s. Kap. ? 1.11). Es ist für diagnostischen Ultraschall extrem gering.
Um einen Eindruck von der Bedeutung der Materialeigenschaften für den Ultraschall zu erhalten, gibt ? Tab. 1.1 verschiedene wichtige Parameter wieder.
Medium
c [m/s]
Z [106 kg m-2 s-1]
a [dB cm-1]
r [im Verhältnis zu Wasser]
Wasser
1480
1,48
0,002
0
Blut
1570
1,61
0,2
0,01
Hirngewebe
1540
1,58
0,9
0,029
Fett
1450
1,33
0,6
0,042
Leber
1550
1,65
0,054
Muskel
1590
1,70
1,5-3,5
Schädelknochen
4000
7,80
13
0,614
Luft
330
0,00004
1,2
0,999
Bei der Schallausbreitung in einem Medium werden die Schallwellen längs ihres...
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