bkürzungen., a. LT-Lappen -Mode -Mode CE CEUS CT CUP-Syndrom DGC I-CEUS Lig., Ligg. M., Mm. M-Mode MRT N., Nn. PRF R., Rr. SRI TGC THI TRK TSH rteria, rteriae nterior lateral Thigh Flap mplitudenmodus Helligkeitsmodus karzinoembryonales ntigen Contrast-enhanced Ultrasonography, kontrastverstärkte Ultraschalluntersuchung Computertomografie/-tomogramm Cancer of unknown Primary Depth Gain Compensation intraduktale kontrastverstärkte Sonografie, Intraductally applied Contrast-enhanced Ultrasound Ligamentum, Ligamenta Musculus, musculi Motion-Modus Magnetresonanztomografie/-tomogramm Nervus, Nervi Pulsrepetitionsfrequenz Ramus, Rami Speckle Reduction Imaging Time-compensated Gain Tissue harmonic Imaging Thyreotropinrezeptor-utoantikörper thyreoideastimulierendes Hormon 7
Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte der Ultraschalldiagnostik im Kopf-Hals-ereich... 13 W. Mann 2 Physikalische Grundlagen der Ultraschalldiagnostik... 18 2.1 Schall, Ultraschall und Schallfeldgrößen... 18 2.2 Impuls und Echo... 18 2.2.1 Schallgeschwindigkeit... 18 2.2.2 Schalldämpfung.... 19 2.3 kustische Impedanz... 19 2.4 Reflexion und Streuung... 20 2.4.1 Reflexion.... 20 2.4.2 Streuung... 20 2.5 Impulsgenerierung und Echoempfang. 20 2.5.1 Piezoelektrischer Effekt... 21 2.5.2 uflösung... 22 xiale uflösung... 22 Laterale uflösung... 22 2.5.3 Fokussierung des Schallstrahls und Schallköpfe... 23 2.5.4 Impulsgenerierung und Preprocessing... 24 Time-Gain-Compensation... 24 Tissue harmonic Imaging... 25 2.5.5 Postprocessing und Dokumentation... 25 2.6 Grundlagen einzelner Scanner-Typen.. 26 2.6.1 -Mode... 26 2.6.2 -Mode... 26 2.6.3 M-Mode... 26 2.6.4 Doppler- und Farb-Doppler-Ultraschalluntersuchung.... 28 Doppler-Sonografie.... 29 Farb-Doppler-Sonografie... 30 2.6.5 Ultraschalluntersuchung mit Kontrastverstärkern.... 30 2.6.6 Elastografie... 31 2.6.7 3D-/4D-Ultraschall... 31 3D-Ultraschall... 31 4D-Ultraschall... 32 2.7 rtefakte... 32 2.7.1 Schatten... 32 2.7.2 eugung... 32 2.7.3 Rückwandverstärkung... 33 2.7.4 Wiederholungsechos... 33 2.7.5 Elektronisches Rauschen... 33 2.7.6 Fokusartefakte... 34 Literatur... 34 3 Normalbefunde der Ultraschalluntersuchung des Halses und der Speicheldrüsen... 36 P. Jecker 3.1 Einführung... 36 3.2 Grundeinstellungen... 36 3.3 Untersuchung der lateralen Halsregion 36 3.4 Untersuchung der ventralen Halsregion... 40 3.5 Untersuchung von Mundbodenregion, Zunge, Tonsillen und Submandibularregion... 41 3.6 Untersuchung der Glandula-parotisund Wangenregion... 43 3.7 Doppler-Ultraschalluntersuchung der großen Halsarterien... 45 8
Inhaltsverzeichnis 4 Ultraschalluntersuchung bei Erkrankungen der Halsweichteile und der Halslymphknoten... 47 P. Jecker 4.1 Raumforderungen der Halsweichteile. 47 4.1.1 Halszysten... 47 4.1.2 Dermoide und therome... 48 4.1.3 Ektopes Schilddrüsengewebe... 48 4.1.4 Lipome... 49 4.1.5 Paragangliome... 50 4.1.6 Neurinome... 51 4.1.7 Hämangiome und Lymphangiome... 51 4.1.8 Halsabszess.... 52 4.1.9 Hämatome und Serome... 54 4.2 Raumforderungen der Halslymphknoten... 54 4.2.1 Darstellung der Lymphknotenarchitektur im Ultraschall.... 55 4.2.2 Chronische Lymphadenopathie.... 56 4.2.3 kut-entzündlich veränderter Lymphknoten... 58 4.2.4 Lympknotenmetastasen eines Plattenepithelkarzinoms.... 58 4.2.5 Maligne Lymphome... 61 4.2.6 Ultraschalluntersuchung der Halslymphknoten mit CEUS und Elastografie... 62 Kontrastverstärkte Ultraschalluntersuchung... 62 Elastografie... 62 4.3 Posttherapeutische esonderheiten in der Ultraschalldiagnostik der Halsweichteile... 63 Literatur... 66 5 Ultraschalluntersuchung bei Erkrankungen des oberen erodigestivtrakts... 68 P. Jecker 5.1 Primärtumoren des oberen erodigestivtrakts Möglichkeiten und Grenzen der Ultraschalluntersuchung... 68 5.2 Raumforderungen des Mundvorhofs, der Mundhöhle und der Tonsille... 68 5.3 Raumforderungen der Zunge und des Zungengrunds... 70 5.4 Raumforderungen der Epiglottis, der Vallekelregion und der lateralen Pharynxwand... 72 5.5 Raumforderungen des Larynx... 73 5.6 Raumforderungen des Hypopharynx und des Ösophagus... 75 Literatur... 77 6 Ultraschalluntersuchung bei Erkrankungen des Mundbodens und der Tonsillen 78 6.1 Einführung... 78 6.2 Entzündliche Erkrankungen der Zunge und der Gaumentonsillen... 78 6.3 Tumoren des Mundbodens, der Tonsillen und des Zungengrunds... 80 6.3.1 enigne Tumoren... 81 6.3.2 Maligne Tumoren... 81 Literatur... 82 9
Inhaltsverzeichnis 7 Ultraschalluntersuchung von Tumoren mit eziehung zu den großen Halsgefäßen und bei Erkrankungen der Gefäße... 83 7.1 Einführung... 83 7.2 Methodische Grundlagen... 83 7.2.1 Ultraschallkriterien der Gefäßinfiltration durch Tumoren... 83 7.2.2 Dynamische Sonopalpation... 83 7.2.3 Transkranielle Doppler-Ultraschalluntersuchung mit Kompressionstest... 85 7.3 Tumoren des Glomus caroticum... 87 7.4 ndere Erkrankungen der großen Halsgefäße... 89 7.4.1 therosklerose der rteria carotis... 89 7.4.2 neurysma der rteria carotis... 90 7.4.3 Thrombose der Vena jugularis interna.... 91 Literatur... 92 8 Ultraschalluntersuchung bei Erkrankungen der Kopfspeicheldrüsen... 94 8.1 Einführung... 94 8.2 Untersuchungstechnik... 94 8.3 Entzündliche Erkrankungen... 94 8.3.1 kute Sialadenitis... 94 8.3.2 Chronische Entzündung... 95 8.3.3 Sialadenosen... 98 8.3.4 Lymphadenitis... 98 8.4 Sialolithiasis... 99 8.5 Tumoren der Speicheldrüsen... 101 8.5.1 Pleomorphe denome... 101 8.5.2 Monomorphe denome... 103 8.5.3 Maligne Tumoren... 104 8.5.4 Pseudotumoren der Speicheldrüsen... 107 Parotiszysten.... 107 Ranula.... 108 Musculus-masseter-Hypertrophie... 108 Hämangiome... 108 Präaurikuläre Raumforderungen... 108 Literatur... 109 9 Ultraschalluntersuchung bei Erkrankungen der Schilddrüse... 110 J. Maurer 9.1 natomie der Schilddrüse... 110 9.2 Methodische Grundlagen... 110 9.2.1 Untersuchungstechnik und Normalbefund 110 9.2.2 Untersuchungskriterien im Ultraschall... 112 9.3 Schilddrüsenerkrankungen... 112 9.4 Schilddrüsenzyste... 116 9.5 Schilddrüsentumoren... 116 9.5.1 Schilddrüsenadenome... 116 9.5.2 Struma maligna... 117 Literatur... 120 9.3.1 Struma... 112 Struma diffusa... 112 Struma nodosa... 113 9.3.2 Entzündliche und autoimmune Schilddrüsenerkrankungen... 115 10
Inhaltsverzeichnis 10 Ultraschalluntersuchung bei Erkrankungen der Nasennebenhöhlen, der Gesichtsweichteile, der Orbita und der knöchernen Strukturen des Gesichts... 121 P. Jecker 10.1 Einführung... 121 10.2 Ultraschalluntersuchung der Nasennebenhöhlen... 122 10.2.1 -Mode-Ultraschalluntersuchung der Nasennebenhöhlen... 122 10.2.2 -Mode-Ultraschalluntersuchung der Nasennebenhöhlen... 124 10.3 Raumforderungen der Nasennebenhöhlen... 125 10.4 Frakturdiagnostik des Gesichtsschädels... 128 10.4.1 Nasenbeinfrakturen... 128 10.4.2 Orbitafrakturen... 129 10.4.3 Sonstige Frakturen... 129 Literatur... 131 11 Interventioneller Ultraschall... 132 11.1 Einführung... 132 11.2 Ultraschallgesteuerte Feinnadelpunktion... 132 11.3 Ultraschallkontrollierte Punktion bzw. Entlastung von bszessen und Zysten. 135 11.4 Ultraschallkontrollierte Injektionen von otulinumtoxin... 135 11.6 Ultraschallkontrollierte Entfernung von Speicheldrüsenkonkrementen... 137 11.7 Ultraschallkontrollierte Gefäßpunktionen... 138 11.8 Intraoperativer Ultraschall... 138 Literatur... 139 11.5 Ultraschalluntersuchung mit Kontrastverstärkern... 136 12 usblick: neue Entwicklungen der Ultraschalldiagnostik... 141 12.1 Einführung... 141 12.2 Computerisierte uswertung von Ultraschalluntersuchungen... 141 12.3 Image Fusion... 141 12.5 3D-Ultraschall... 142 12.6 Targeting-Ultraschall und Molecular Imaging... 143 Literatur... 144 12.4 Intraoperativer Ultraschall (Navigation)... 142 13 nhang... 146 P. Jecker 13.1 Vereinbarung von Qualitätssicherungsmaßnahmen nach 135 bs. 2 SG V zur Ultraschalldiagnostik (Ultraschall- Vereinbarung)... 146 13.1.1 llgemeine estimmungen... 146 1 Inhalt... 146 2 egriffsbestimmungen... 146 3 Genehmigung... 146 13.1.2 nforderungen an die fachliche efähigung... 146 4 Erwerb der fachlichen efähigung nach der Weiterbildungsordnung... 146 5 Erwerb der fachlichen efähigung in der ständigen Tätigkeit... 147 6 Erwerb der fachlichen efähigung durch Ultraschallkurse.... 147 11
Inhaltsverzeichnis 7 Erwerb der fachlichen efähigung durch eine computergestützte Fortbildung i. V. m. Ultraschallkursen.... 147 8 Qualifikation der usbilder.... 148 13.1.3 C nforderungen an die apparative usstattung.... 148 9 pparative usstattung... 148 13.1.4 D uflagen... 149 10 Ärztliche Dokumentation.... 149 11 Überprüfung der ärztlichen Dokumentation... 149 13 Konstanzprüfung... 149 13.1.5 E Verfahren.... 150 14 Genehmigungsverfahren... 150 13.1.6 F Schlussbestimmungen.... 151 15 uswertungen... 151 16 Übergangsregelung... 151 13.2 nlage I zur Ultraschallvereinbarung.. 152 13.2.1 nwendungsbereich 3: Kopf und Hals... 152 3.1 Nasennebenhöhlen: - und/oder -Modus... 152 3.2 Gesichts- und Halsweichteile (einschl. Speicheldrüsen): -Modus.... 152 3.3 Schilddrüse: -Modus.... 152 13.2.2 nwendungsbereich 20: Doppler Gefäße 152 20.1 CW-Doppler extrakranielle hirnversorgende Gefäße... 152 20.6 Duplex-Verfahren extrakranielle hirnversorgende Gefäße... 152 13.3 nlage III zur Ultraschallvereinbarung. 152 14 Sachverzeichnis... 155 12
Physikalische Grundlagen der Ultraschalldiagnostik 2 Physikalische Grundlagen der Ultraschalldiagnostik 2 2.1 Schall, Ultraschall und Schallfeldgrößen ls Schall wird eine Serie sich wiederholender Druckwellen bezeichnet. Schall ist an ein stoffliches Medium gebunden; im Körpergewebe und in Flüssigkeiten handelt es sich um Longitudinalwellen, d. h. die Materieteilchen bewegen sich in Richtung der Wellenausbreitung. Die zeitabhängigen Veränderungen des Drucks lassen sich mithilfe eines Zeit-Druck-Diagramms darstellen. Im Falle reiner Töne entsteht eine Sinuskurve. Die nzahl der Wellen pro Sekunde wird als Frequenz bezeichnet. Sie wird in der Einheit Hz (Hertz) angegeben und ist auch ein Maß für die Tonhöhe. Dabei entspricht 1 Hz einem Wellenzyklus pro Sekunde; je höher die Frequenz, desto höher ist der Ton. Für den Menschen hörbarer Schall hat eine Frequenz von ca. 20 20000 Hz. ls Ultraschall wird Schall mit Frequenzen von mehr als 20000 Hz bezeichnet. Die für die Ultraschallbildgebung angewandten Frequenzen betragen typischerweise zwischen 1 und 16 MHz. Tab. 2.1 gibt eine Übersicht über die für das Verständnis der physikalischen Grundlagen der Ultraschalldiagnostik wichtigen egriffe. Ein weiterer wichtiger egriff ist der Schalldruckpegel mit der Einheit d (Dezibel). In der Ultraschalldiagnostik stellt er eine zehnerlogarithmische Verhältnisgröße eines Schalldrucks zu einem ezugsschalldruck dar: Schalldruckpegel ¼ 20 log P 1 P 0 P 0 = ezugsschalldruck = 2 10 5 Pa P 1 = Schalldruck in Pa Daraus folgt: 0d=1 P 0 3 d = 1,41 P 0 ð1þ 10 d = 3,16 P 0 30 d = 13,6 P 0 usw. Die Umrechnung in Dezibelwerte erleichtert bei mehrfachen Verstärkungen bzw. bschwächungen die erechnung der Gesamtverstärkung bzw. -abschwächung durch einfache ddition bzw. Subtraktion der Einzelwerte. Fernerhin werden große numerische Zahlen und Zahlenverhältnisse (z.. 100000 : 1) auf besser handhabbare Werte (hier: 50 d) reduziert. 2.2 Impuls und Echo 2.2.1 Schallgeschwindigkeit Schallwellen sind Longitudinalwellen. Ihre usbreitungsgeschwindigkeit im Gewebe ist abhängig von der Dichte und der Elastizität des Mediums. H Merke Die ildgebung bei der Ultraschalldiagnostik beruht auf dem Impuls-Echo-Prinzip, das besagt, dass Schallwellen an Grenzflächen ganz oder teilweise reflektiert werden. us der usbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen und aus der Dauer bis zum Empfang des Echos kann die Entfernung der reflektierenden Oberfläche von der Schallquelle berechnet werden. In der Technik wird dieses Prinzip z.. beim Echolot der Schiffe benützt. ei der Ultraschalldiagnostik werden kurze Ultraschallimpulse in den Körper gesendet. Diese wandern durch das Gewebe, treffen auf reflektierende Oberflächen, wo ein Teil der Schallimpulse reflektiert wird, wandern zum Schallkopf zurück und werden dort registriert. Die benötigte Zeit zwischen Schallimpulsaussendung und Emp- Tab. 2.1 Wichtige physikalische egriffe in der Ultraschalldiagnostik. Größe Formelzeichen Einheit Definition Periode T s Zeit, die für einen vollständigen Schwingungszyklus benötigt wird (z.. 2,3 ms für den Kammerton a ) mplitude d Spitzendruck des Schalls (vereinfacht: Lautstärke) Geschwindigkeit v m/s Maß, wie schnell sich eine Schallwelle in einem Medium ausbreitet (z.. Luft: ca. 340 m/s; Gewebe bei 37 C: ca. 1540 m/s) Frequenz f Hz nzahl der Wellen pro Sekunde (Tonhöhe) Wellenlänge l m Distanz, die eine Schallwelle während einer Periode zurücklegt (z.. hörbarer Schall: ca. 2 2000 cm; Ultraschall: 0,1 1,5 mm) Tondauer d s Zeitdauer, wie lange ein Ton zu hören ist (ist u. a. abhängig von der nzahl der Schwingungen) Schalldruck P Pa (= 1 N/m 2 ) Druck, mit dem eine Schallwelle auf ein Medium auftrifft 18
2.3 kustische Impedanz fang des Echos wird gemessen und in die entsprechende Entfernung umgerechnet. Die Entfernung wird entweder als Nullpunktabstand einer Zacke auf der x-chse des Oszilloskops dargestellt (-Mode-Sonografie) oder als bstand eines ildpunkts vom oberen Rand eines Monitors (-Mode-Sonografie). Es gilt: s ¼ t 2 v Schall ð2þ Schalldruck (%) 100 80 60 40 2,5 MHz 2 s = bstand Echoquelle Impulsort t = Impulslaufzeit v Schall = Schallgeschwindigkeit im Medium H Merke Im menschlichen Weichteilgewebe beträgt die Schallgeschwindigkeit annähernd konstant 1540 m/s; dies entspricht in etwa der Schallgeschwindigkeit in 37 C warmem Wasser. 2.2.2 Schalldämpfung Die Schalldämpfung, d. h. die bnahme des Schalldrucks im Gewebe, ist eine der entscheidenden Wechselwirkungen zwischen Ultraschall und Gewebe. Sie ist abhängig von der Schallfrequenz, dem durchschallten Medium und der Laufstrecke. H Merke ls Faustregel gilt: Die Dämpfung beträgt ca. 1 d pro Zentimeter Laufstrecke und Schallfrequenz in MHz. Das heißt, mit einem 1-MHz-Schallkopf beträgt der Verlust 1 d pro Zentimeter Laufstrecke, mit einem 7,5-MHz- Schallkopf 7,5 d pro Zentimeter Laufstrecke ( bb. 2.1). Daraus folgt: niedrigfrequenter Schallkopf hohe Eindringtiefe hochfrequenter Schallkopf niedrige Eindringtiefe Die Schalldämpfung hat ihre Ursache in der bsorption, der Reflexion und der Streuung: bsorption: Umwandlung der Schallenergie in Gewebeverformung und Wärme Reflexion: Reflexion eines Teils des Schalls bei jeder Impedanzänderung des Gewebes (der weiter fortgeleitete Schall ist dann um diesen Teil schwächer) Streuung: an Übergängen, die kleiner sind als die Wellenlängen des Ultraschalls (die Schallwellen zerspritzen in alle Richtungen) 20 5,0 MHz 10,0 MHz 0 1 2 3 4 5 6 7 Gewebetiefe (cm) bb. 2.1 Prozentuale bnahme des Schalldrucks im Gewebe in bhängigkeit von der Frequenz. 2.3 kustische Impedanz Die akustische Impedanz ist folgendermaßen definiert: Z a ¼ v Schall Medium ð3þ Z a = akustische Impedanz in Ns/m 3 (akustisches Ohm) v Schall = Schallgeschwindigkeit ρ Medium = Mediumdichte Tritt Schall durch unterschiedliche Gewebe mit verschiedenen Dichten, kommt es an den Grenzen der Gewebe aufgrund von Impedanzsprüngen zu großen Änderungen im Reflexionsverhalten. Hierdurch entsteht ein Echo, das von dem Ultraschallkopf empfangen werden kann. Mit Ultraschall können auch kleinste Impedanzänderungen erfasst werden, wobei es keine Rolle spielt, ob die Schallwellen von Geweben mit hoher Impedanz in Gewebe mit niedriger Impedanz wandern oder umgekehrt. ei jedem Impedanzsprung wird ein gewisser Prozentsatz der Schallwelle reflektiert (z.. beim Übergang von Weichteil zu Luft: 98 %); der Rest bewegt sich weiter in das Gewebe hinein. Dort kann er an anderen Impedanzsprüngen reflektiert werden. Je größer der reflektierte nteil ist, desto größer ist die mplitude des am Schallkopf empfangenen Echos. H Merke Durch eine Erhöhung der ausgesendeten Schallenergie kann der am Impedanzsprung reflektierte Prozentsatz an Schallenergie nicht verändert werden. Die akustische Impedanz ist abhängig von der Dichte und der Schallgeschwindigkeit im entsprechenden Medium. Fett, Muskel und Weichgewebe haben vergleichbare akustische Impedanzen, Knochen dagegen eine deutlich höhere, da ihre Dichte und damit die Schallgeschwindig- 19
Physikalische Grundlagen der Ultraschalldiagnostik Tab. 2.2 kustische Impedanzen und Schallgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Medien. Medium Impedanz 10 6 (Ns/m 3 ) Schallgeschwindigkeit (m/s) Haut 2,1 1950 Fett 1,36 1450 Muskel 1,7 1600 Weichgewebe 1,63 1540 Knochen 7 3000 Luft 0,0004 330 α 2 α β α = β keit höher ist. Die geringste Impedanz und Schallgeschwindigkeit hat Luft ( Tab. 2.2). α β 2.4 Reflexion und Streuung Um das Verständnis der Sonografie zu erleichtern, ist die nähere Erläuterung von 2 bereits erwähnten egriffen aus der Strahlen- und Wellenphysik von edeutung: der Reflexion und der Streuung von Schallwellen. 2.4.1 Reflexion Trifft ein Ultraschallimpuls auf eine Grenzschicht zwischen Geweben mit unterschiedlicher Impedanz, so wird ein Teil seiner Energie reflektiert. Die Reflexion ist umso stärker, je dichter das Gewebe ist, auf das der Ultraschallimpuls trifft. ei sehr hohen Dichteunterschieden, z.. beim Übergang von Weichgewebe oder Luft zu Knochen oder Kalk, kann es zu einer Totalreflexion kommen. Je höher der Grad der Reflexion, desto größer wird die mplitude des im Schallkopf empfangenen Echos. ei Totalreflexionen können dahinter liegende Gewebe nicht mehr dargestellt werden ( Schallschatten ). eispiele im Kopf- Hals-ereich sind die hinter der Mandibula liegenden inframandibulären nteile der Glandula parotis, die im Schallschatten des Knochens liegen, oder der Schallschatten eines im usführungsgang einer Speicheldrüse liegenden Konkrements. Reflexionen an der ebenen Grenzschicht finden statt, wenn die Grenzschicht größer ist als die Wellenlänge des Schallimpulses. Trifft ein Schallimpuls auf einen Impedanzsprung, der größer ist als die Wellenlänge des Schalles, dann gilt: Einfallswinkel ¼ usfallswinkel Das Echo erreicht den Schallkopf demnach nur dann, wenn der Schallstrahl rechtwinklig oder annähernd rechtwinklig auf den Impedanzsprung trifft. Das Echo ist also winkelabhängig ( bb. 2.2). Dies hat auch zur Folge, dass das zu empfangende Echo bei glatten Oberflächen größer ist als bei rauen Oberflächen, da bei Letzteren eine Reflexion in viele Richtungen erfolgt. ð4þ bb. 2.2 Echostärke in bhängigkeit vom Winkel des Schallstrahls zur Reflexionsstelle bzw. zum Impedanzsprung. 2.4.2 Streuung Treffen Schallwellen auf echogebende Strukturen, die kleiner sind als die Wellenlänge des Schallimpulses, so kommt es zu einer Streuung (diffuse Reflexion). Diese rt der Reflexion findet sich innerhalb von Geweben oder Parenchym, z.. an kleinen Gefäßen, bindegewebigen Septen usw., die auch einen Impedanzsprung verursachen. Die hierdurch erzeugten Echos bestimmen maßgeblich die Echotextur eines Gewebes. 2.5 Impulsgenerierung und Echoempfang Impulsgenerierung und Echoempfang erfolgen im Ultraschallkopf, die Signalverarbeitung und Umsetzung in die bildliche Darstellung sowie die Nachbearbeitung des ildes ( Postprocessing ) dagegen in den elektronischen auteilen des Ultraschallgeräts ( bb. 2.3). Im Folgenden sollen die wichtigsten Vorgänge und egriffe bei der Impulsgenerierung, -verarbeitung und -beeinflussung erläutert werden [6] [17]. α β β 20
2.5 Impulsgenerierung und Echoempfang Messobjekt Impedanz Z a1 Impedanz Z a2 Impedanz Z a3 Zeitbasis Sender Wandler 2 Tiefenregler Verstärker Sendeimpuls Echoimpuls Signalprocessing bb. 2.3 Prinzip des Impuls-Echo-Verfahrens. Dieses Prinzip ist die Grundlage für die Ultraschalldiagnostik und die Komponenten im Ultraschallgerät. 2.5.1 Piezoelektrischer Effekt Die Entdeckung, dass manche Kristalle die Eigenschaft haben, bei Deformierungen elektrische Ladungen zu trennen, wobei dann eine elektrische Spannung auf der Kristalloberfläche abgreifbar ist (piezoelektrischer Effekt), stammt von P. Curie und wurde bereits 1880 beschrieben. Umgekehrt kann ein Kristall durch das nlegen einer Spannung an der Kristalloberfläche deformiert werden (reziproker piezoelektrischer Effekt). eides macht man sich bei der Generierung von Ultraschallimpulsen in den Schallköpfen zunutze. Die Kristalle in modernen Ultraschallköpfen werden durch eine alternierende positive und negative Spannung von mehreren Hundert Volt zur usdehnung und Schrumpfung gebracht. Hierdurch entstehen Druckwellen, die von den Kristallen abgegeben werden. Nach bsendung einer Druckwelle wird über einen bestimmten Zeitraum keine neue Spannung angelegt; der Kristall wartet auf Echos. Die Druckwellen der Echos deformieren den Kristall, wobei Spannungen in der Größenordnung von 0,01 1000 mv entstehen, die abgegriffen, verstärkt und sichtbar gemacht werden. Dieser Wechsel zwischen Senden und Empfangen findet im Ultraschallkopf ständig statt und ist Voraussetzung für die Ultraschalldiagnostik. In modernen Ultraschallköpfen erfolgt die Impulsanregung durch extrem kurze Spannungsimpulse. Der Kristall schwingt dann kurz mit seiner Eigenschwingungszahl (Resonanzfrequenz), die vorwiegend von der Kristalldicke abhängt. Hierdurch werden kurze Schallimpulse für eine hohe uflösung erzeugt: Einfrequenzschallköpfe: ei diesen emittiert ein angeregter Kristall exakt 1 Frequenz, z.. 5 MHz. Durch minimale Verunreinigungen der Kristalle, kleinen Unebenheiten an der Kristalloberfläche oder Unregelmäßigkeiten der angelegten Spannung wird das Frequenzspektrum erweitert, mit der Folge der Emittierung von sog. Seitenfrequenzen im Sinne einer Gauss-Verteilung. Die auf dem Einfrequenzschallkopf angegebene Frequenz entspricht der emittierten Peak-Frequenz. Mehrfrequenzschallköpfe: Die heute in modernen Ultraschallgeräten meist verwendeten Mehrfrequenzschallköpfe emittieren Schall nicht einer Frequenz, sondern in einem Frequenzband, z.. zwischen 7 und 15 MHz. Hierdurch steigen sowohl ildqualität als auch uflösung. Es werden sowohl oberflächlich als auch tiefer gelegene Strukturen dargestellt [6] [15] [19] [20] [24] [27]. H Merke Die Schalldämpfung im Gewebe ist proportional zur Frequenz des Schallkopfs. Hohe Frequenzen werden stärker gedämpft, d. h., hohe Frequenzen im Schallspektrum eines angeregten Kristalls werden stärker abgeschwächt. Somit überwiegen im empfangenen Echo die niederfrequenten nteile des emittierten Schalles. Dies wird als eam-softening bezeichnet. Der große Impedanzunterschied zwischen dem Kristall im Schallkopf und der Haut führt dazu, dass ein großer Teil der Schallenergie bereits an der Haut reflektiert wird. Daher ist es notwendig, den Impedanzunterschied zwischen Schallkopf und Haut zu verkleinern. Wichtigste Maßnahme hierfür ist das zwischen Schallkopf und Haut aufgebrachte Ultraschallgel, das dafür sorgt, dass sich keine Luft zwischen Schallkopf und Haut befindet. Ultraschallgele bestehen zum größten Teil aus Wasser, dem 21
2 Physikalische Grundlagen der Ultraschalldiagnostik Gelbildner beigefügt sind. Die Schallköpfe verfügen zusätzlich meist über einen Polymerüberzug mit Impedanzwerten, die zwischen denen der Haut und denen des Kristalls liegen. Hiermit wird der Impedanzsprung vermindert und das Signal-Rausch-Verhältnis entscheidend verbessert [23]. 2.5.2 uflösung Mit uflösung wird in der Ultraschalldiagnostik der minimale bstand zweier unterschiedlich tief (axiale uflösung) oder nebeneinander gelegener Strukturen (laterale uflösung) bezeichnet, die gerade noch getrennt darstellbar sind. xiale uflösung Die axiale uflösung bezeichnet die uflösung entlang des Schallstrahls (von der Oberfläche in die Tiefe). Sie ist ein Maß dafür, bei welchem bstand 2 unterschiedlich tief liegende Strukturen gerade noch differenziert werden können. Je besser die uflösung, desto kleiner ist der darstellbare bstand ( bb. 2.4). Sie wird beeinflusst von der Schallimpulslänge sowie der usbreitungsgeschwindigkeit und kann nie besser werden als die Hälfte der Schallimpulslänge. ei einer typischen Schallimpulsdauer von 0,5 1 µs und einer usbreitungsgeschwindigkeit von 1540 m/s ergibt sich somit eine theoretische axiale uflösung von 0,7 1 mm. Sehr kurze Impulslängen können durch eine elektrische Dämpfung erreicht werden, indem die Polarität des Spannungsimpulses auf dem Kristall kurz nach der nregung umgekehrt wird, um so die Kristallbewegungen zu dämpfen. H Merke Da zwischen Wellenlänge und Frequenz ein Zusammenhang (umgekehrte Proportionalität) besteht, gilt: Je höher die Frequenz, desto kleiner ist die Wellenlänge und desto besser die uflösung: hohe Frequenz gute uflösung niedrige Frequenz schlechte uflösung llerdings ist zu beachten, dass die Eindringtiefe und die Reinheit des Signals bei Verkleinern der Impulsdauer und Erhöhung der Frequenz vermindert werden. Laterale uflösung Die laterale uflösung bezeichnet die uflösung senkrecht zur Schallachse (d. h. parallel zur Hautoberfläche). Sie ist abhängig vom Durchmesser des Schallstrahls, der wiederum abhängig ist von der Größe des Kristalls (Kontaktfläche mit der Haut) und dem bstand vom Schallkopf. Im Nahbereich hat das Schallfeld den Durchmesser des Schwingungselements. Zur Fokuszone hin verjüngt sich das Schallfeld taillenförmig konvergierend; jenseits der Fokuszone nimmt es eine divergierende Form an ( bb. 2.5). Hierdurch entsteht eine sog. Schallkeule (s. bb. 2.6), wobei die uflösung jenseits der Fokuszone abnimmt. Die laterale uflösung beträgt bei einem 5- MHz-Schallkopf zwischen 1 und 2 mm. L L a b bb. 2.4 xiale uflösung. a Ist die Impulslänge L (Impulsdauer) kleiner als der bstand, sind Strukturen getrennt differenzierbar. b Ist die Impulslänge L größer als der bstand, sind Strukturen nicht getrennt differenzierbar. 22