Ultraschall Ultraschall Eig.doc Seite 1 von 5

Transkript

1 1 Ultraschall ist eine Diagnostik mit Schallwellen. Die Ultraschalltechnik kommt aus der Anwendung der Materialtechnik und ist seit etwa der 60er Jahre in der Medizin etabliert und hat mit der Entwicklung bildgebender Systeme ihre heutige Akzeptanz erlangt. Einsatz der neuen Technologien ist die dreidimensionale Ultraschalltechnik, bei der eine Rekonstruktion beliebiger Bildschnitte aus dem aufgenommenen Körpervolumen erfolgen kann. Im Bereich der Schwangerschaftsuntersuchung wird dadurch eine vollständige Darstellung des Fötus ermöglicht. Durch die Computertechnik kann er in allen Perspektiven betrachtet werden. Die Frequenzen der Schallwellen, die notwendig sind, um Schnittbilder aus dem menschlichen Körper darzustellen, liegen etwa im Frequenzbereich von 2-15 MHz, also im nicht hörbaren Bereich. Die Ultraschallgeräte müssen diese Wellen erzeugen und detektieren. Ultraschallgeräte und Komponenten sind: Ultraschallapplikator (Ultraschallwandler) Ultraschallgerät Monitor Ultraschallapplikator: er wird über das Untersuchungsgebiet geführt. Er dient sowohl als Sender als auch als Empfänger. Charakterisiert wird er durch: Frequenz, Schallfeldcharakteristik (Fokussierung) und die abgegebene Ultraschalleistung. Über eine Leitung ist er mit dem eigentlichen Ultraschallgerät verbunden Ultraschallgerät: Es enthält die Steuerungs- und Signalverarbeitungselektronik. Signalverarbeitung heißt, dass die empfangenen Echoimpulse so ver- und bearbeitet werden, dass ein Ultraschallschnittbild am Monitor dargestellt wird. Monitor: die gewonnene Information wird hier dem Diagnostiker präsentiert. Der Anwender muss auch Artefakte erkennen. Funktionsprinzip Das Ultraschallgerät benötigt einen elektromechanischen Wandler, der elektrische Energie in mechanische Energie (Schallwellen) umwandelt Man nutzt den Piezoeffekt einiger Stoffe aus. Diese Stoffe sind in der Lage bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine mechanische Bewegung ( Kontraktion oder Ausdehnung) auszuführen und die auch umgekehrt bei einer mechanischen Druckbelastung eine elektrische Spannung liefert. Der Ultraschallwandler auch Applikator genannt, nutzt beide Effekte. Als Werkstoff wird heute im wesentlichen piezoelektrische Keramiken, die trotz ihrer polykristallinen Materialen an Anlehnung früherer piezoelektrischen Quarze Kristalle genannt werden. Puls-Echo-Methode Der Ultraschallwandler arbeitet zunächst als Sender, der einen kurzen Ultraschallwellenzug (Impuls) in einer definierten Richtung abschickt. Sofort danach steht der Wandler als Empfänger bereit. Der Sendeimpuls läuft mit Schallgeschwindigkeit durch das Untersuchungsgebiet und löst Echoimpulse aus. Diese kehren zum Wandler mit der dem Untersuchungsgebiet eigenen Schallgeschwindigkeit zurück und werden dort in elektrische Signale umgesetzt. Wenn dieser Vorgang abgeschlossen ist (Ultraschallzeile), kann der Vorgang wiederholt werden Ultraschall Eig.doc Seite 1 von 5

2 2 Für die Darstellung als Ultraschallbildzeile werden noch 2 wichtige Annahmen gemacht. 1. Die Tiefenposition der Echos innerhalb der Bildzeile wird entsprechend der Zeitdifferenz ( t) berechnet und dargestellt, die zwischen dem Abschicken des Sendeimpulses und dem Empfang des jeweilig en Echoimpulses verstreicht. Formel: Z e = ½ *c* t Z e ist der geometrische Abstand zwischen Wandler und Echoerzeuger und c die Schallgeschwindigkeit im Untersuchungsgebiet. Der Faktor 1/2 rührt von dem doppelten Laufweg Wandler - Echoerzeuger- Wandler 2. Die Signalhöhe ( Stärke ) der Echoimpulse wird in einen Helligkeitswert umgesetzt, also z. B. ein starker Echoimpuls in einen großen (weißen) Helligkeitswert. Es geht auch die Negativdarstellung. Mit diesen Annahmen und durch Verschieben des Wandlers über dem Untersuchungsgebiet kann man den Aufbau eines Schnittbildes erkennen. Bildaufbau Reiht man Wandlerelemente über dem Untersuchungsgebiet aneinander und lässt sie nacheinander Bildzeilen aufnehmen, die nebeneinander auf dem Bildschirm dargestellt werden, so wird das Schnittbild B-Bild genannt. B = brightness = Helligkeit und soll die Umsetzung der Echohöhen in Helligkeitswerte erinnern. Wenn man auf diese Weise etwa Bilder/s erzeugt, so kann man diese entsprechend schnell als flimmerfreies Bild darstellen und Bewegungsabläufe direkt erkennen - man spricht dann vom schnellen B-Bild oder von der Real-time-Sonographie. Scanvarianten ( Scannen des Untersuchungsgebietes auf verschiedene Art): es gibt eigentlich zwei Grundarten, die übrigen sind Kombinationen (z.b. Convexscan) aus diesen. Linearscan oder Parallelscan: Das Aneinanderreihen von Wandlerelementen,wie zuvor beschrieben, allerdings benutzt man sehr viele kleine Elemente in einer linearen Anordnung (Linear Array), dadurch erreicht man für die Praxis ein möglichst dichtes Zeilenraster. Sektorscan: Im einfachsten Fall wird ein einziges Wandlerelement um eine Achse so bewegt, dass der Ultraschallimpuls in verschiedene Richtungen abgeschickt, und die Echoimpulse auch von dort empfangen werden. Solche Positionsänderungen führen zu einer radialen Anordnung der Bildzeilen in einem sektorförmigen Bild und zum Namen Sektorscan Ultraschall Eig.doc Seite 2 von 5

3 3 Ultraschallausbreitung Schallwellen sind elastische Wellen in deformierbaren Medien. Im Gegensatz zu z.b. Licht, Röntgenstrahlen sind sie an ein Medium gebunden und ihr Ausbreitungsverhältnis hängt stark von dessen elastischen Eigenschaften ab. In Flüssigkeiten, biologisches Gewebe ( Weichteil) gibt es nur Longitudinalwellen, d.h. dass die Flüssigkeitsteilchen in Richtung der Schallausbreitung schwingen und so Zonen erhöhten Drucks (Teilchen schwingen auf einander zu) mit Zonen erniedrigten Drucks (Teilchen schwingen von einander weg) abwechseln. Dagegen in Knochen gibt es auch Transversalwellen, d.h. dass die Teilchen auch senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen. Diese beiden Schwingungsarten breiten sich mit unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit aus. Ursache des Echos sind Inhomogenitäten im akustischen Wellenwiderstand (akustische Impedanz.) Der Wellenwiderstand ist ein Maß dafür, welchen Widerstand ein Medium der Schallausbreitung entgegensetzt, und somit eine Materialeigenschaft. Im Bereich von weichem Gewebe sind die Impedanzunterschiede gering und damit der Anteil der reflektierten Energie gering. Große Impedanzunterschiede kommen an Grenzflächen vor, an denen Knochen oder Luft beteiligt sind- damit praktisch Totalreflektion. Daher auch die Notwendigkeit der Ankopplung des Ultraschallwandlers an das Untersuchungsgebiet mit benetzenden Gelen oder Flüssigkeiten, denn selbst Luft behindert die Schallwellen. Bei jedem Abbildungsverfahren spielt die Wellenlänge der zur Abbildung verwendeten Strahlung im Vergleich zur Größe der abzubildenden Objekte die entscheidende Rolle. Im wesentlichen lassen sich zwei Fälle unterscheiden: 1. Wellenlänge deutlich kleiner als Objektgröße. Physikalisch gesehen kommt man mit den Begriffen der Strahlenoptik wie Reflexion und Brechung aus. Brechung: Refraktion, Richtungsänderung, die eine Welle erfährt in diesem Falle. 2. Wellenlänge in der Größenordnung der Objektgröße oder sogar größer. Hier hat man es physikalisch gesehen mit Beugung und Streuung zu tun. Entsprechend erhält man in diesem Fall das Objektes nicht mehr das geometrietreue Abbild, sondern nur das erheblich schwieriger zu interpretierende Beugungsbild. Beugung: Abweichung von der geradlinigen Ausbreitung in der Nähe scharf begrenzter Hindernisse Streuung: die allseitige Ablenkung einer Strahlung (rauhe Oberflächen, beim Durchgang durch ein Medium.) In der medizinischen Ultraschall Diagnostik treten beide Fälle neben einander auf. Sie machen dadurch die Bildinterpretation kompliziert. Die verwendeten Wellenlängen liegen im Bereich von 1/10mm, während die abzubildenden Objektgrößen von einigen Zentimetern (z.b. Organe, Gefäße ) bis zu wenigen 1/100mm (z.b. Zellen ) reichen. Das bedeutet, dass die größeren Objekte geometrietreu abgebildet werden, dagegen die Feinstruktur, das Gewebe, als komplexe Beugungsstruktur im Bild erscheint. Diese stellt nicht mehr das geometrische Abbild dar und hängt stark vom verwendeten Ultraschallgerät ab. Wesentlich ist, dass in diesem Fall ein dargestellter Bildpunkt nicht einem anatomischen Objekt entspricht. Dieses Strukturmuster wird von den Anwendern auch oft hinsichtlich Helligkeit als echoarm bis echodicht und hinsichtlich Körnigkeit als fein bis grob bezeichnet. Die Wahl einer anderen Frequenz lässt dasselbe Gewebe mit anderem Strukturmuster im Bild erscheinen. Der physikalische Grund dafür ist die 3000 Ultraschall Eig.doc Seite 3 von 5

4 4 Veränderung des Verhältnisses Wellenlänge zu Objektgröße, da mit steigender Ultraschallfrequenz die Wellenlänge abnimmt. Mit höherer Frequenz steigt die Auflösung, allerdings nimmt die Eindringtiefe ab. Tiefenausgleich (TGC-Verstärkung): TGC = time gain compensation DGC Sie vermeidet, dass das Bild nicht wandlernah hell und nach kurzen Übergang in der Tiefe schwarz wird. Werdegang einer Ultraschallzeile vom Abschicken des Sendeimpulses bis zur Darstellung auf dem Monitor. Vom Wandler wird ein Ultraschallimpuls abgeschickt und danach wird der Wandler auf Empfang geschaltet. Der abgeschickte Sendeimpuls läuft ins Untersuchungsgebiet und löst dort Echoimpulse aus, die zum Wandler zurückkehren und als Echosignale registriert werden. Wegen der Dämpfung werden die später eintreffenden Echos kleiner sein als zeitlich früher eintreffende, selbst wenn sie von gleichartigen Reflektoren stammen. Die Tiefenausgleich-Verstärkung (TGC) wird die zeitlich später ankommenden Echos anheben, so dass die Echosignale von gleichartigen Reflektoren gleiche Höhe haben. In diesem Zustand sind die Echosignale - von der Verstärkung abgesehen - noch hochfrequent also im Hochfrequenzbereich von einigen MHz. Man spricht von HF-Signalen. Ein einzelner Echoimpuls enthält 2-3 Schwingungen. Würde er bereits jetzt in Helligkeitswerte umgewandelt, so würde der Echoimpuls wegen seiner Maxima bzw. Minima und Nulldurchgänge als Punktreihe dargestellt werden. Um zu erreichen, dass ein einzelner Echoimpuls auch als einzelner Bildpunkt erscheint wird noch eine Demodulation vorgenommen. Durch diesen Vorgang gehen die hochfrequenten Schwingungen verloren und die Signale sind nun entsprechend niederfrequent. Speicherung. Ziel ist es eine Darstellung des Ultraschallbildes auf dem Monitor. Da aber Ultraschallzeilen weder parallel zu den Fernsehzellen laufen noch ihren Zeilenabstand besitzen benötigt man einen Zwischenspeicher. Die Anforderung an so einen Zwischenspeicher 3000 Ultraschall Eig.doc Seite 4 von 5

5 5 ist,dass er einerseits die Ultraschallzeilen entsprechend ihrer Aufnahme eingeschrieben und andererseits das Ultraschallbild videogerecht ausgelesen werden kann. Diesem Speicher kommt in einem Ultraschallgerät eine ganz zentrale Funktion zu: Zu einem bestimmt er durch seine Größe die Maximalzahl der im Bild darstellbaren Punkte und damit auch die darstellbare Auflösung. Durch die Speichertiefe auch oft als Bit-Tiefe bezeichnet, schränkt er in jedem Fall die Darstellung der Echohöhen ein. So kann z.b. ein Speicher mit der Tiefe von 6Bit 2 6 = 64 Zahlenwerte darstellen, also die ganzen Zahlen von 0 bis 63. Preprocessing Beim Einschreiben der Ultraschallzeile in den Speicher tritt folglich ein großer Informationsverlust auf. Die Signaldynamik von 1:500 muss auf die verhältnismäßig wenigen ganzen Zahlen Werten des Speichers reduziert werden. Dies geschieht mittels Kennlinien, für die sich der Name preprocessing eingebürgert hat. Üblicherweise wird eine Kennlinie verwendet, die Differenzierung kleiner Echos bevorzugt, d.h. dieser Bereich wird gespreizt, zu Ungunsten der Darstellung der größeren Echos (Komprimierung auf kleinen Bereich, d.h. wenige diskrete Werte). Diese Voreinstellung ist im wesentlichen auf die Probleme der Weichteil Diagnostik abgestimmt. Postprocessing: Die Zahlenwerte werden schließlich aus dem Speicher ausgelesen und in Grauwerte auf dem Monitor an dem entsprechenden Ort umgesetzt. Da das menschliche Auge 64 Grauwerte noch gut unterscheiden kann, erscheint dies auch für die Speichertiefe ein vernünftiger Wert zu sein. Die meisten Geräte bieten hier noch weitere Kennlinien, das sogen. Postprocessing, an. Diese Kennlinie ist bei weitem nicht so kritisch gegen Fehleinstellungen wie die des Preprocessing, da der Speicherinhalt ja unverändert bleibt. Sie gestattet jedoch wenn gewünscht vor allem die Kontrastverstärkung zwischen kleinen und großen Signalen, also z.b. zwischen Weichteilen einerseits und knorpeligen oder knöchernen Strukturen andererseits. Bilddarstellung Das letzte Glied und gleichzeitig Ziel der Signalverarbeitungskette ist der Videomonitor, auf dem das abgetastete Schnittbild dem Untersucher präsentiert wird. Dort sollten die gewonnenen Informationen möglichst vollständig, unverfälscht und der diagnostischen Fragestellung angepasst dargestellt werden. Ultraschallverfahren: Doppler- und Duplextechnik Doppler Ultraschallverfahren ist benannt nach dem Mathematiker und Physiker Doppler. Diese Technik ist geeignet zur Erfassung von venösen Verschlüssen (frische Thrombosen) und Klappeninsuffizienzen. Der ausgesandte Ultraschall wird von den strömenden Blutzellen reflektiert, in seiner Frequenz proportional zu deren Flussgeschwindigkeit verändert, vom Gerät aufgefangen und in ein akustisches Signal umgewandelt. Die Blutflussgeschwindigkeit kann so perkutan nachgewiesen werden. Duplextechnik: ist eine Kombination der Doppler Ultraschallmethode und der zweidimensionalen Ultraschalltechnik. Die Verwendung der Duplex Sonographie Technik erlaubt es dem Arzt, zwischen rauhen und glatten Gefäßveränderungen zu unterscheiden Ultraschall Eig.doc Seite 5 von 5