1 Physikalische und technische Grundlagen der Sonografie und Dopplersonografie

H. Frey

1.1 Geschichte

1963 wurde das erste im Handel erhältliche Ultraschallgerät (Firma Physionics) für die medizinische Diagnostik vorgestellt. Die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten der Sonografie, die mittlerweile hohe diagnostische Aussagekraft der Bildergebnisse, die Wirtschaftlichkeit und die Gefahrlosigkeit für den Patienten bei beliebiger Wiederholbarkeit der Untersuchung haben dem Ultraschall eine herausragende Stellung unter den bildgebenden diagnostischen Verfahren verschafft.

1942 gelang dem österreichischen Neurologen Dussik erstmals die Durchschallung des Schädels zur Darstellung der Ventrikel. Die Methode wurde von ihm Hyperphonografie genannt. Ende der 1940er-Jahre wurde erstmals in den USA das Ultraschall-Reflexionsprinzip bei Untersuchungen biologischer Objekte genutzt. 1949 beschrieben Ludwig und Struthers den Einsatz von Ultraschall zum Auffinden von Gallensteinen.

Die Darstellung anatomischer Details gelang Howry und Bliss 1950. Sie entwickelten die B-Bild-Technologie. Das Messobjekt befand sich dabei in einem Wasserbad. Den Grundstein der Echoenzephalografie legte der Schwede Leksell ebenfalls 1950 mit der Darstellung des Mittelechos am intakten Schädel. 1954 beschrieben Edler und Herz erstmals die Echokardiografie. Satumura berichtete 1959 über Ultraschall-Dopplermethoden zur Überprüfung der kardialen Funktion.

Die Einführung der Echtzeitbildgebung durch Krause und Soldner 1965 hat dem Ultraschall einen ungeahnten Aufschwung in der nicht invasiven Untersuchung des menschlichen Körpers verschafft.

Nachfolgend wird ein Überblick über die wichtigsten physikalisch-technischen Grundlagen der heutigen Ultraschalldiagnostik gegeben.

1.2 Schwingung, Schallwelle

Die Erregung und Ausbreitung einer Schallwelle wird in ? Abb. 1.1 demonstriert. Wird ein Gewebeteilchen (Molekül) zu einer Schwingung um seine Ruhelage herum angeregt, so wird diese Schwingung auf das benachbarte Molekül des Mediums übertragen, von diesem auf das nächste und so weiter. Es wird dabei eine Bewegungsenergie von einem Molekül auf die benachbarten Moleküle weitergeleitet, die sich sinusförmig im Medium ausbreitet. Diese kontinuierliche Weiterleitung der Bewegungsenergie wird als fortlaufende Welle - als Schallwelle - bezeichnet. Es kommt abwechselnd zu einer Kompression (Druckphase) und einer Kavitation (Expansion, Sogphase, Unterdruckphase) in der Materie. Die Atome bzw. Moleküle können sowohl längs als auch quer zur Ausbreitungsrichtung schwingen. Deshalb unterscheidet man zwischen Longitudinalwellen (längs zur Ausbreitungsrichtung) und Transversalwellen (quer zur Ausbreitungsrichtung).

Schallwelle.

Abb. 1.1 Entstehung und Ausbreitung.

In Gasen und Flüssigkeiten können sich nur Longitudinalwellen ausbreiten, weil dort die zur Weiterleitung von Querbewegungen notwendigen Scherkräfte fehlen. Biologisches Gewebe kann physikalisch als zähe Flüssigkeit aufgefasst werden. Je stärker die Bindung zwischen den Molekülen, d.h. je höher die Dichte der Materie, desto höher ist die Schallgeschwindigkeit innerhalb dieser Materie. Eine Übersicht über die Dichtewerte verschiedener Gewebe und die in diesen Geweben auftretenden Schallgeschwindigkeiten zeigt ? Tab. 1.1.

Tab. 1.1 Dichtewerte verschiedener Substanzen sowie Schallgeschwindigkeit und Dämpfung innerhalb dieser Substanzen.

Substanz

Dichte (g/cm3)

Schallgeschwindigkeit (m/s)

Dämpfung (db/MHz cm)

Fett

0,97

1470

0,5

Knochenmark

0,97

1700

-

Muskel

1,04

1568

2

Leber

1,055

1540

0,7

Gehirn

1,02

1530

1

Knochen (kompakt)

1,7

3600

4-10

Wasser (20°C)

0,9982

1492

0,002

Luft (NN)

0,0013

331

-

Der Abstand zwischen zwei Kompressionsphasen oder zwischen zwei Unterdruckphasen wird als Wellenlänge ? bezeichnet. Die Anzahl der Schwingungen eines Moleküls pro Zeiteinheit nennt man Frequenz f. Die Maßeinheit dafür ist Hertz (Hz). Ein Hertz ist eine Einzelschwingung pro Sekunde, also 1Hz = 1/s. Eine Übersicht der Frequenzbereiche von Schallwellen und deren Anwendung zeigt ? Abb. 1.2. Eindringtiefen und Auflösungsvermögen sind in ? Tab. 1.2 dargestellt.

Merke

Für die bildgebende medizinische Diagnostik werden Ultraschallwellen mit einem Frequenzbereich zwischen 2MHz und 30MHz verwendet.

Schallwellen.

Abb. 1.2 Frequenzbereiche von Schallwellen und deren Anwendung.

Tab. 1.2 Kennwerte für diagnostischen Ultraschall.

Sendefrequenz (MHz)

Wellenlänge (mm)

Eindringtiefe (cm)

Laterale Ortsauflösung (mm)

Axiale Ortsauflösung (mm)

2

0,78

25

3

0,8

3,5

0,44

14

1,7

0,5

5

0,31

10

1,2

0,35

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