Ultraschalldiagnostik: Der Blick in den menschlichen Körper

Ultraschalldiagnostik: Der Blick in den menschlichen Körper

 

Der Einsatz von Ultraschall hat in der medizinischen Diagnostik einen hohen Stellenwert erlangt. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber radioaktiver Strahlung liegt bei richtiger Dosierung in der Unschädlichkeit des Ultraschalls und in der einfachen Handhabung. Mit diagnostischen Ultraschallgeräten werden Laufzeiten von Schallwellen gemessen, die im Körper reflektiert wurden. Auf diese Weise erhält man räumliche Informationen über das Körperinnere. Ermittelt man die Frequenzänderung der zurückkehrenden Welle, so können Bewegungen im Körper vermessen werden (Doppler-Verfahren).

 

 Ultraschallwellen

 

Schallwellen sind schnelle periodische Druck- bzw. Dichteschwankungen, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit vom Medium abhängt. Als Ultraschall bezeichnet man Schallwellen mit einer Frequenz über 16 kHz (1 Hz = 1 Schwingung pro Sekunde), die vom menschlichen Gehör nicht mehr wahrgenommen werden. Medizinischer Ultraschall liegt im Bereich zwischen 1-10 MHz. Er lässt sich gut bündeln und kann so als Strahl eingesetzt werden.

 

Die Wechselwirkung von Ultraschallstrahlen mit biologischem Gewebe beruht, ähnlich wie bei Licht in Glas, auf Absorption (Schwächung), Reflexion und Brechung. Reflexion und Brechung treten an der Grenzfläche zwischen zwei Stoffen mit verschiedenen physikalischen Eigenschaften auf, z. B. an der Außenhaut eines Organs oder Tumors. Da diese Unterschiede im Gewebe oft gering sind, ist eine hohe Empfindlichkeit des Empfangsgerätes Voraussetzung.

 

 Ultraschallaufnahmen

 

Ein Ultraschallbildaufnahmegerät erzeugt Schnittbilder des Körperinneren. Der Compound-Scan ist eine der verschiedenen Aufnahmetechniken, bei dem ein Ultraschallwandler von Hand über das gewünschte Körpergebiet gefahren oder geschwenkt wird. Das vom Ultraschallstrahl überstreifte Gebiet wird anschließend als zweidimensionales Bild dargestellt. Solche Bilder werden oft zur Untersuchung von Ungeborenen oder Tumoren verwendet. Das Ultraschallgerät besteht aus einem Ultraschallwandler, mechanischen Sensoren, einem Rechner mit Monitor und Speichermedium und einem entsprechenden Bildverarbeitungsprogramm.

 

Der Ultraschall wird in dem Ultraschallwandler erzeugt. Kernstück eines solchen Wandlers ist eine piezoelektrische Keramik, die eine angelegte hochfrequente Wechselspannung in mechanische Eigenschwingungen umwandelt. Diese werden als Schallwellen in die Umgebung abgestrahlt. Umgekehrt wird der Wandler auch als »Mikrofon« verwendet, um eine auftreffende Schallwelle in ein elektrisches Signal umzuwandeln.

 

Wird der Wandler zunächst an einem Ort festgehalten, so bewegt sich der von ihm ausgesandte Ultraschallstrahl auf einer Geraden im Körper und wird von verschiedenen Grenzflächen (z. B. Knochen-Gewebe) reflektiert. Um den Wandler als Sender und Empfänger zu nutzen, wird in kurzen Zeitabständen Ultraschall ausgesandt und in den Pausen der reflektierte Ultraschall empfangen. Misst man die unterschiedlichen Laufzeiten der zurückkehrenden Signale, so kann man mithilfe der Schallgeschwindigkeit die Entfernung der Grenzflächen bestimmen. Stellt man die reflektierten Signale auf einer Geraden proportional zu Laufzeit und -weg durch helle Punkte dar, so entsteht ein eindimensionales Bild.

 

Um ein zweidimensionales Schnittbild zu erhalten, werden viele solcher eindimensionalen Bilder zusammengesetzt. Dabei wird der Schallwandler auf dem Körper entlang einer geraden Linie gefahren oder an einem Punkt festgehalten und geschwenkt. In beiden Fällen überstreicht der Schallstrahl eine Fläche, deren Reflexionssignale im Rechner zu einem Bild zusammengefügt und meistens auf einem Monitor dargestellt werden. Die Richtung und Position des Wandlers wird mittels mechanischer Sensoren bestimmt, die seine jeweilige Lage an den Rechner übermitteln.

 

 Doppler-Verfahren

 

Das Doppler-Verfahren basiert auf dem gleichnamigen Effekt und wird zur Bestimmung von Bewegungsabläufen im Körper verwendet. Bekannt ist der Doppler-Effekt von vorbeifahrenden Krankenwagen mit eingeschaltetem Martinshorn. Dabei wird die Frequenz des Tons erhöht, wenn sich der Wagen nähert, und erniedrigt, wenn er sich entfernt. Die Frequenzänderung ist dabei proportional der Geschwindigkeit des Wagens und der Frequenz des Tones. Analog dazu ändert sich die Frequenz eines Ultraschallsignals, wenn es an einer bewegten Struktur im Körper reflektiert wurde. Aus der Frequenzverschiebung können Rückschlüsse auf die Bewegung gemacht werden. Auf diese Weise lassen sich z.B. die Herzfrequenz eines Ungeborenen oder die Strömungsgeschwindigkeit des Blutes ermitteln.