Physikalische Grundlagen. Sonographie

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1 Varia: Ultraschall Sonographie Was bezeichnet man als Sonographie? Bei der Sonographie (= Ultraschalltechnik) wird der Körper mit Ultraschall bestrahlt und aus dem Echo ein Schnittbild konstruiert ( Puls Echo Verfahren ). Vor- und Nachteile der Sonographie? Vorteile: - ohne Nebenwirkungen (keine ionisierende Strahlung), - ohne Einschränkungen einsetzbar (auch bei Metallgegenständen im Körper des Patienten), - Fließgeschwindigkeit des Blutes kann gemessen werden, - schnell und flexibel, da Schnittebenen vom Untersucher frei gewählt werden können, - preisgünstig. Nachteile: - Ortsauflösung schlechter, als beim Röntgen, - Eindringtiefe begrenzt, - erfordert viel Erfahrung, daher Untersuchungsqualität stark vom durchführenden Arzt abhängig. - Keine standardisierte Bilddokumentation möglich. Wo wird die Sonographie bevorzugt eingesetzt? Morphologie von Organen beurteilen: - Form, - Größe - Struktur (z.b. Knoten). Wichtigstes Verfahren bei der Diagnose - des akuten Abdomens 1 - der Cholelithiasis (Gallensteine) - des arteriellen und venösen Blutflusses. Erster Überblick bei Untersuchungen von - Organen und Gefäßen des Abdomens - Mamma - Schilddrüse - Herz - Gelenkkapsel und Sehnen. Wo kann die Sonographie wenig ausrichten? Bei Organen, die hinter Knochen liegen, z.b. - Gehirn - Gelenkspalte - Wirbelsäule und Rückenmark oder Luft enthalten, wie - Lunge - Trachea - aufgeblähter Darm. 1 akutes Abdomen = ungeklärte heftige Bauchschmerzen Physikalische Grundlagen Wann hören wir eine Schallwelle? Vibrierende Körper bringen die Luft um sich herum ihnen zum Vibrieren. Die Vibrationen breiten sich in der Luft als Schallwelle aus. Schallwelle trifft auf das Trommelfell und läßt es vibrieren. Was ist eine Schallwelle? Die Ausbreitung der Vibration in Luft oder einer anderen Substanz (Wasser, Knochen...) bezeichnet man als Schallwelle. Wie bewegt sich die Luft innerhalb der Schallwelle? Sie zieht sich ähnlich wie ein Regenwurm abwechselnd zusammen und dehnt sich wieder aus. Dadurch bewegen sich die verdichteten Bereiche mit Schallgeschwindigkeit weiter: In der Abbildung ist eine Momentaufnahme einer Schallwelle dargestellt. Oben: Verdichtung der Luft; unten: Luftdruck als Funktion des Ortes. Wie groß ist die Schallgeschwindigkeit? Das hängt ab von der Dichte und Elastizität des Materials 2 : Luft 340 m/s Blut 1560 m/s Haut 3360 m/s Knochen 4080 m/s Eisen 5000 m/s und von der Temperatur. Was ist Ultraschall? Das menschliche 3 Ohr kann Schallwellen nur dann wahrnehmen, wenn die Frequenz der Schallwelle zwischen 20 Hz und 20 khz liegt. Schallwellen unterhalb von 20 Hz heißen Infraschall. Oberhalb von 20 khz spricht man von Ultraschall. In der Sonographie arbeitet man mit Frequenzen von 2 MHz bis 20 MHz 4. 2 der Schall ist umso schneller, je härter und leichter das Material ist. 3 Fledermäuse können auch Ultraschall hören, Elefanten verständigen sich mit Infraschall.

2 Varia: Ultraschall Was ist die akustische Impedanz? Das Produkt aus Dichte und Schallgeschwindigkeit: Z = ρ c. Beispiele: (Einheit: 10 6 Pa s/m) Luft 0,00041 Fett 1,4 Blut 1,6 Muskel 1,7 Knochen 6,7 Wo wird der Schall reflektiert? An Grenzflächen zwischen Geweben mit verschiedener akustischer Impedanz. Die Reflexion ist umso stärker, je mehr sich die akustische Impedanz der beiden Gewebe unterscheidet. An der Grenzfläche zwischen Gewebe und Luft ist die Reflexion daher nahezu vollständig. Wie werden Ultraschallwellen erzeugt und wieder empfangen? Man benutzt den piezoelektrischen Effekt, der an speziellen Kristallen auftritt: legt man eine hochfrequente Wechselspannung an, sendet der Kristall Ultraschallwellen aus; bestrahlt man den Kristall mit Ultraschall, gibt er eine Wechselspannung ab (Empfangsbetrieb). Der Kristall wird beim Puls Echo Verfahren immer abwechselnd als Lautsprecher und als Mikrofon benutzt. Dabei sind die Linsenformen gegenüber denen für Licht gerade vertauscht: Sammellinsen für Licht sehen aus wie Zerstreuungslinsen für Ultraschall: Links sieht man eine Sammellinse aus Glas, rechts eine Metallinse, die Ultraschall bündelt. Sonographen Nach welchem Prinzip arbeitet ein Sonographiegerät? Wie wird ein Ultraschallstrahl an der Grenzfläche zwischen zwei Geweben gebrochen 5? Es gilt das gleiche Brechungsgesetz, wie beim Licht: wenn die Schallgeschwindigkeit in beiden Geweben verschieden ist, verläuft der Schallstrahl im langsameren Gewebe steiler, als in dem schnelleren: Haut Knochen Wie kann man Ultraschall fokussieren? Ultraschall läßt sich mit Linsen aus Metall bündeln. Ein kurzer Schallimpuls wird in den Körper eingestrahlt (schwarze Welle). An Grenzflächen zwischen verschiedenen Geweben wird er teilweise reflektiert. Die Echos werden aufgefangen und ihre Laufzeit gemessen. Je größer die Laufzeit ist, umso tiefer lag die reflektierende Fläche. Damit es an der Hautoberfläche kein Echo gibt (Lufteinschlüsse!), befindet sich ein Gel zwischen Haut und Schallkopf (hellblau). 4 1 MHz = 10 6 Hz 5 brechen = Strahl abknicken

3 Varia: Ultraschall Welche Darstellungsmöglichkeiten gibt es für die Echos? A Mode 6 : hier wird die Echo Amplitude als Funktion der Zeit dargestellt: B - Mode 7 : das sind die normalen Sonogramme. - Grauwertcodierung: je stärker das Echo, desto heller der Bildpunkt. Ab 1% Reflexion ist ein Bildkontrast zu erkennen. M - Mode 8 : eine Bildzeile aus dem Sonogramm wird als Funktion der Zeit dargestellt, so dass schnelle Bewegungen analysiert werden können (z.b. an Herzklappen). In der Abbildung sieht man oben ein B Mode Sonogramm. Die gepunktete Linie markiert die Bildzeile, die im unteren Teil der Abbildung als M Mode Sonogramm dargestellt ist. Als Orientierung ist das EKG mit eingetragen (blaue Linie). Warum werden die Echos im A Mode nach rechts hin immer kleiner? Ultraschall wird im Gewebe absorbiert, daher werden die Echos mit wachsender Laufzeit immer schwächer. Im B Mode wird das elektronisch kompensiert: ja später das Echo ankommt, desto höher wird es verstärkt: TCG (Time compensated gain). Mit den Schiebereglern für die TCG läßt sich das Bild gleichmäßig hell machen. 6 A wie Amplitude 7 B wie Brightness (= Helligkeit) 8 M wie Motion (= Bewegung) Wie hängen Ortsauflösung und Eindringtiefe zusammen? Die Ortsauflösung ist durch die verwendete Wellenlänge begrenzt. Wegen c = λ f bedeutet kurze Wellenlänge aber auch hohe Frequenz. Die Absorption wächst aber mit der Frequenz. 9 Hohe Frequenzen werden daher schon auf wenigen Zentimetern absorbiert. Hohe Auflösung erreicht man deshalb nur auf den ersten Zentimetern; in der Tiefe wird das Bild unscharf. Mikrokalk ist z.b. nicht darstellbar. Daher ist Sonographie kein Ersatz für Röntgen, z.b. Mammographie. Technische Details Wie ist ein Schallkopf aufgebaut? Piezokristalle (rot) erzeugen den Schall und nehmen die Echos auf. Die elektrischen Anschlüsse des vordersten Kristalls sind eingezeichnet. Eine λ/4 Platte (schwarz) koppelt die Kristalle reflexionsfrei an die akustische Linse (blau), die den Schall ins Gewebe abstrahlt. Hinter den Piezoelementen befindet sich eine Backdamping Schicht (grün), damit - kein Ultraschall nach hinten abgestrahlt wird und - die Kristalle nicht nachschwingen, wenn die Wechselspannung abgeschaltet wird. Welche Typen von Schallköpfen werden verwendet? Hohe Auflösung bis in die Tiefe kleines Bildfeld - Nahfeld Parallelschallkopf - Weichteile Sektorschallkopf 9 ganz im Gegensatz zur Röntgenstrahlung! Schlechte Auflösung in der Tiefe großes Bildfeld - dickes Abdomen - Herz - Thorax - Schädel (kleine Auflagefläche!)

4 Varia: Ultraschall Konvex - Schallkopf Kompromiss zwischen Parallelund Sektorschallkopf. Standard bei Abdomen. Dadurch entsteht das Schneegestöber in den Bildern. Welche Effekte sind bei der Sonographie einer Zyste typisch? Welche Effekte beeinflussen den Ultraschallstrahl? Reflexion (s.o.) Brechung (s.o.) Absorption (s.o.) Interferenz Beugung Streuung Was versteht man unter Interferenz? Interferenz ist der Fachbegriff für die Überlagerung von Wellen. Wenn sich z.b. mehrere reflektierten Wellen überlagern, kann es zu Verstärkung oder Auslöschung kommen, je nachdem, ob die beiden Wellen gegenläufig oder im Gleichtakt schwingen. Was versteht man unter Beugung? Ultraschall wirft keine scharfen Schatten, sondern kann zum Teil um eine Kante herumlaufen, allerdings nur schwach. Durch Beugung werden Kanten unscharf abgebildet. Schall kommt von oben; der untere Rand der Zyste erscheint echoreich (hell), weil beim Durchgang durch die Zyste weniger Schall absorbiert wird, als im Gewebe daneben: dorsale Schallverstärkung. Der Schall wird von den runden Seitenwänden der Zyste zur Seite weg reflektiert; daher erkennt man längliche Schatten rechts und links unterhalb der Zyste. Wie kann man den Kontrast von Sonogrammen verstärken? Durch i.v. Kontrastmittel, die mikroskopische Luftblasen enthalten 10. Dadurch wird die akustische Impedanz des Blutes stark erniedrigt. Die Gefäße reflektieren den Schall sehr stark und erscheinen daher weiß auf dunklem Grund. - Metastasendetektion durch Nachweis der Hypervaskularisierung 11 - Herzecho. Was bewirkt die Streuung? Ultraschall wird vonteilchen (Luftbläschen oder feste Partikel), die kleiner als die Wellenlänge sind, in alle Richtungen gestreut. 10 gebunden an Zuckermoleküle 11 Hypervaskularisierung: übermäßig Gefäßwachstum

5 Varia: Ultraschall Doppler Verfahren Was bezeichnet man als Doppler Effekt? Wenn man sich einer Schallquelle mit hoher Geschwindigkeit nähert, hört man einen höheren Ton. Entfernt man sich, wird der Ton tiefer. Das Gleiche gilt, wenn sich die Schallquelle bewegt. Die Frequenzänderung nennt man Dopplerverschiebung. PW (pulsed wave): die Geschwindigkeit an einer markierten Stelle des B Bildes wird als Funktion der Zeit dargestellt (in m/s). Wie funktioniert das Doppler Verfahren? Bewegte Erythrozyten wirken wie bewegte Schallquellen, wenn sie Schall reflektieren. Im Bild bewegen sie sich vom Schallkopf weg und reflektieren daher ein Echo niedrigerer Frequenz. Aus dieser Frequenz ergibt sich die Geschwindigkeit der Erythrozyten. Wie muss man den Schallkopf beim Dopler Verfahren halten? Der Effekt ist am ausgeprägtesten, wenn der Schall sich parallel zu den Erythrozyten bewegt. Kreuzen die Schallwellen den Weg der Erythrozyten in einem Winkel von 90, gibt es keine Dopplerverschiebung. Der Winkel sollte daher nicht steiler als 60 sein. Welche drei Betriebsarten sind beim Dopler Verfahren üblich? CW (continuous wave): akustisches Signal anstelle eines Bildes (rhythmisches Zischen). FKDS (Farb Kodierte Doppler - Sonographie): für jedes Pixel wird die Dopplerverschiebung farblich codiert angezeigt: - rot für erhöhte Frequenz (Erythrozyten kommen auf den Schallkopf zu) - blau für erniedrigte Frequenz (wie im Bild oben). - die Bilder bekommen überall dort farbige Flecken, wo Blutgefäße sind.

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