Abb. 1.1
Frequenzbereiche . Aus Michels und Jaspers (2012) Sonographie organ- und leitsymptomorientiert. Springer, Heidelberg
Definition
Sonographie- oder Ultraschalldiagnostik: Nutzung der (teilweisen) Reflexion von Ultraschallwellen an Grenzflächen unterschiedlicher Gewebe im Körper zur Beurteilung der Organe.
1.1.2 Erzeugung, Ausbreitung und Empfang von Ultraschallwellen
Piezoelektrischer Effekt
Definition
Piezoelektrischer Effekt: Werden elastische Körper verformt, entsteht eine elektrische Polarisation bzw. eine elektrische Spannung.
Die Entdeckung des piezoelektrischen Effekts gelang dem Ehepaar Curie im Jahre 1880.
Definition
Indirekter piezoelektrischer Effekt: Bei Anlage einer Wechselspannung werden elastische Körper verformt.
Bei der Sonographie regt eine hochfrequente elektrische Spannung spezielle im Schallkopf eingelagerte Kristalle zu Schwingungen an (indirekter Piezoeffekt). Diese Schwingungen erzeugen Druckschwankungen in Form von Ultraschallwellen. Durch zurückkehrende, auf die Kristalle im Schallkopf auftreffende Ultraschallwellen entsteht eine Spannung (direkter Piezoeffekt). Im Ultraschallgerät werden diese elektrischen Signale in Bildpunkte umgewandelt.
Impuls-Echo-Verfahren
Schallköpfe sind Sonden, die Schallwellen (bzw. eine Serie von Ultraschallwellen) aussenden und reflektierte, zum Schallkopf zurückkehrende Schallwellen empfangen können.
Prinzip des Echolots : Aus der Laufzeit (Zeit zwischen dem ausgesendeten Impuls und dem reflektierten und wieder empfangenen Signal) kann – bei bekannter Schallgeschwindigkeit – die Tiefe bzw. die Entfernung des Reflektors errechnet werden.
Die Entwicklung des Echolotprinzips durch den Physiker Behm 1921 wurde nach dem Untergang der Titanic zur Vermeidung ähnlicher Katastrophen in der Schifffahrt entwickelt (◘ Abb. 1.2).
Abb. 1.2
Prinzip des Echolots. Berechnung der Entfernung. Aus Michels und Jaspers (2012) Sonographie organ- und leitsymptomorientiert. Springer, Heidelberg
Ausbreitung von Ultraschall im biologischen Gewebe
Grundlagen und Kenngrößen zu Schallwellen
Schallwellen (◘ Abb. 1.3)
Abb. 1.3
Einfacher Schwingungsvorgang. Aus Michels und Jaspers (2012) Sonographie organ- und leitsymptomorientiert. Springer, Heidelberg
sind an Materie gebunden,
sind im Vakuum nicht ausbreitungsfähig,
breiten sich in Luft, Flüssigkeiten sowie biologischem Gewebe in Form von Longitudinalwellen bzw. von Zonen mit Über- und Unterdruck (Verdichtungs- und Verdünnungszonen) aus.
Kenngrößen von Schallwellen
Amplitude: maximaler Druck, „Höhe“ der Welle
Frequenz (f): Anzahl der Schwingungen pro Sekunde (1/sec)
Wellenlänge (λ): Abstand zweier Wellenberge bzw. minimaler Abstand der Punkte gleicher Phase (m)
Schallgeschwindigkeit (c): Geschwindigkeit, mit der sich Schallwellen in einem beliebigen Medium ausbreiten (m/s)
Den physikalischen Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit c, Frequenz f und Wellenlänge λ gibt folgende Formel wieder:
c = f x λ (m/sec = 1/sec × m).
Die Wellenlänge ist ein Maß für Detailerkennbarkeit:
je kürzer die Wellenlänge, desto geringer die Größe gerade noch erkennbarer Strukturen,
je größer die Wellenlänge, desto schlechter die Auflösung.
Schallgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Geweben
Schallgeschwindigkeit:
ist abhängig vom schwingenden Medium bzw. von dessen Dichte und Kompressibilität,
nimmt mit der Steifigkeit („Festigkeit“) der Materie zu,
ist z. B. in Knochen deutlich höher als in Luft (◘ Tab. 1.1).
Tab. 1.1
Laufgeschwindigkeiten von Ultraschallwellen in unterschiedlichen Geweben
Medium
Schallgeschwindigkeit (m/s)
Luft
340
Wasser
1500
Weichteilgewebe
1540
Leber
1549
Niere
1561
Muskel
1570
Knochen
3600
Luft
340
Wasser
1500
Weichteilgewebe
1540
Leber
1549
Niere
1561
Muskel
1570
Knochen
3600
Ultraschallsysteme legen eine Schallgeschwindigkeit (Laufgeschwindigkeit ) im Gewebe von 1540 m/sec zugrunde.
Auflösungsvermögen
Definition
Auflösungsvermögen : Unterscheidbarkeit feiner Strukturen bzw. Mindestabstand, damit 2 Objekte gerade noch voneinander unterschieden werden können.
Hauptdeterminanten für das räumliche Auflösungsvermögen:
verwendete Sendefrequenz/Wellenlänge,
Schallkopfformat (Dicke des Schallstrahls),
Dauer des Anregesignals.
Je höher die Sendefrequenz bzw. je kleiner die Wellenlänge, umso besser die Auflösung.
Axiales Auflösungsvermögen
Axiales Auflösungsvermögen bezeichnet
das Auflösungsvermögen in Ausbreitungsrichtung der Schallwellen,
den kleinsten Abstand zwischen 2 in Ausbreitungsrichtung des Ultraschallsignals liegenden reflektierenden Gewebeschichten, die gerade noch getrennt wahrgenommen werden können.
Das axiale Auflösungsvermögen ist durch die Länge eines Ultraschallimpulses bestimmt und entspricht meist einer oder mehrerer Schallwellenlängen.
Laterales Auflösungsvermögen
Das laterale Auflösungsvermögen meint
das Auflösungsvermögen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Schallwellen,
den kleinsten Abstand zwischen 2 quer zur Ausbreitungsrichtung des Ultraschallsignals liegenden reflektierenden Gewebeschichten, die gerade noch getrennt wahrgenommen werden können.
Das seitliche Auflösungsvermögen ist abhängig von der Breite des Schallfeldes bzw. von der Dichte der Schallwellen in einem bestimmten Bereich und ist am größten in der Fokuszone. Insgesamt ist das seitliche Auflösungsvermögen geringer als das axiale (etwa 2- bis 3-mal schlechter).
Fokussierung
Je schmaler das Ultraschallfeld (also je dichter die Schallwellen an einem Ort), desto größer die Detailerkennbarkeit in der sog. Fokuszone (◘ Abb. 1.4).
Abb. 1.4
Schallfeld mit Fokuszone. Keulenförmige Form des Schallfeldes durch Bündelung der Schallwellen in der Fokuszone. Aus Michels und Jaspers (2012) Sonographie organ- und leitsymptomorientiert. Springer, Heidelberg
Das Ultraschallfeld ist in der Fokuszone durch Bündelung der Schallwellen am schmalsten, die Auflösung hier am besten.
Mittels der elektronischen Fokussierung wird eine Verschiebung der Fokuszone in variable Tiefen durch zeitlich versetzte Ansteuerung der Piezoelemente erreicht (◘ Abb. 1.5). Bei modernen Ultraschallgeräten ist auch die Verwendung mehrerer Fokuszonen möglich (aber nur auf Kosten einer Verminderung der Bildwiederholungsrate wegen der für jede Fokuslage erneut anzusteuernden Schallelemente).
Abb. 1.5
Elektronische Fokussierung. Aus Michels und Jaspers (2012) Sonographie organ- und leitsymptomorientiert. Springer, Heidelberg
Zusammenhang zwischen Frequenz, Auflösungsvermögen und Eindringtiefe
Es gilt:
hohe Frequenz , gutes Auflösungsvermögen , geringe Eindringtiefe ,
niedrige Frequenz, schlechteres Auflösungsvermögen, bessere Eindringtiefe.
Die Eindringtiefe wird außerdem durch Streuung und Absorption beeinflusst.
So empfehlen sich z. B. 3,5 MHz-Konvexscanner für die Abdomensonographie mit guter Eindringtiefe, aber eingeschränkter Detailerkennbarkeit, bzw. ein 7,5 MHz-Linearschallkopf für Small parts, Darmsonographie, Pleurasonographie, Bauchdecke und Peritoneum etc. mit hoher Ortsauflösung, aber nur geringer Eindringtiefe.
Schallwellen eigenschaften und Abschwächungsmechanismen
Reflexion
Die Reflexion von Schallwellen an Grenzflächen im Körper ist Grundlage für die Darstellung von Organen mit der Ultraschalltechnik.
Definition
Impedanz: Widerstand, der der Ausbreitung von Schallwellen entgegenwirkt.
Die Impedanz wird durch die Eigenschaften des Ausbreitungsmediums nach der Formel
Z = p × c
bestimmt (Z = Impedanz [kg/sec × m2]; ρ = Dichte der Materie [kg/m³]; c = Schallgeschwindigkeit [m/sec]). So beträgt die Impedanz z. B. von Luft 0,0004 kg/sec × m2, von Knochen 6,66 kg/sec × m2, von sonstigen Geweben 1,4–1,7 kg/sec × m2.
Je größer der Impedanzunterschied an der Grenzfläche zwischen zwei Stoffen, desto stärker die Reflexion von Schallwellen.
Eine Totalreflexion entsteht z. B. beim Übergang von Weichteilgewebe zu Knochen, Kalk, Metall oder Luft, d. h. es entsteht ein Echo mit sehr hoher Intensität, dorsal davon ein Schallschatten (◘ Abb. 1.6, ◘ Abb. 1.7).
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