Die moderne medizinische Ultraschalluntersuchung erfolgt primär mittels Impuls-Echo-Verfahren mit B-Bild-Darstellung. Die grundlegenden Prinzipien der B-Bild-Bildgebung sind heute weitgehend unverändert. Dabei werden kurze Ultraschallimpulse von einem Schallkopf in den Körper ausgesendet. Beim Durchdringen des Gewebes mit unterschiedlichen akustischen Impedanzen wird ein Teil der Ultraschallwellen zum Schallkopf zurückreflektiert (Echosignal), während ein anderer Teil tiefer eindringt. Die von vielen aufeinanderfolgenden, koplanaren Impulsen reflektierten Echosignale werden verarbeitet und zu einem Bild kombiniert. Ein Ultraschallschallkopf fungiert somit sowohl als Lautsprecher (Erzeugung von Schallwellen) als auch als Mikrofon (Empfang von Schallwellen). Der Ultraschallimpuls ist zwar sehr kurz, breitet sich aber geradlinig aus und wird daher oft als Ultraschallstrahl bezeichnet. Die Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls entlang des Strahls wird als axiale Richtung bezeichnet, die Richtung in der Bildebene senkrecht zur axialen Richtung als laterale Richtung. Üblicherweise kehrt nur ein kleiner Teil des Ultraschallimpulses als reflektiertes Echo zurück, nachdem er auf eine Gewebegrenze im Körper getroffen ist, während der Rest des Impulses entlang der Strahlrichtung in größere Gewebetiefen weiterwandert.

Ultraschallwandler (oder -sonden) enthalten mehrere piezoelektrische Kristalle, die elektronisch miteinander verbunden sind und durch angelegten elektrischen Strom in Schwingung versetzt werden. Dieses Phänomen, der piezoelektrische Effekt, wurde erstmals 1880 von den Brüdern Curie beschrieben. Sie setzten ein Stück Quarz mechanischer Spannung aus und erzeugten so eine elektrische Ladung an der Oberfläche. Später demonstrierten sie auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt: Die Anlegung von Strom an Quarz führte zu dessen Schwingung. Diese schwingenden Schallwellen erzeugen beim Durchdringen von Körpergewebe abwechselnde Bereiche mit Verdichtung und Verdünnung. Schallwellen lassen sich durch ihre Frequenz (gemessen in Hertz), Wellenlänge (gemessen in Millimetern) und Amplitude (gemessen in Dezibel) beschreiben.

Die Wellenlänge und Frequenz von Ultraschallwellen verhalten sich umgekehrt proportional, d. h. hochfrequenter Ultraschall hat eine kurze Wellenlänge und umgekehrt. Ultraschallwellen haben Frequenzen oberhalb der Hörgrenze des Menschen, also über 20 kHz. Medizinische Ultraschallgeräte verwenden Schallwellen im Bereich von 1–20 MHz. Die korrekte Wahl der Schallkopffrequenz ist entscheidend für eine optimale Bildauflösung in der diagnostischen und interventionellen Sonographie. Hochfrequente Ultraschallwellen (kurze Wellenlänge) erzeugen Bilder mit hoher axialer Auflösung. Durch die Erhöhung der Anzahl von Kompressions- und Verdünnungswellen pro Distanz lassen sich zwei separate Strukturen entlang der axialen Ausbreitungsebene genauer unterscheiden. Allerdings werden hochfrequente Wellen pro Distanz stärker gedämpft als niederfrequente Wellen; daher eignen sie sich hauptsächlich zur Darstellung oberflächlicher Strukturen. Niederfrequente Wellen (lange Wellenlänge) hingegen liefern Bilder mit geringerer Auflösung, können aber aufgrund der geringeren Dämpfung tieferliegende Strukturen erreichen.Abb. 1). Aus diesem Grund ist es am besten, Hochfrequenz-Schallköpfe (bis zu 10–15 MHz Bereich) zu verwenden, um oberflächliche Strukturen abzubilden (z. B. bei Sternganglienblöcken) und Niederfrequenz-Schallköpfe (typischerweise 2–5 MHz) für die Bildgebung der Lendenwirbelsäule neuroaxiale Strukturen, die bei den meisten Erwachsenen tief liegen (Abb. 2).

Abb. 1 Dämpfung von Ultraschallwellen und ihr Verhältnis zur Wellenfrequenz. Beachten Sie, dass Wellen mit höheren Frequenzen für eine bestimmte Entfernung stärker gedämpft werden als Wellen mit niedrigeren Frequenzen. (a) Kürzere Wellenlänge mit größerer Dämpfung. (b) Längere Wellenlänge mit geringerer Dämpfung (Wiedergabe mit Genehmigung aus Lit. [6])

Abb. 2 Ein Vergleich der Auflösung und Durchdringung verschiedener Ultraschallwandlerfrequenzen. (Diese Abbildung wurde in Lit. [3] veröffentlicht. Copyright Elsevier (2000))

Abb. 3 Schematische Darstellung der Ultraschallimpulserzeugung. (Wiedergabe mit Genehmigung aus Lit. [6])

4. INTERAKTION ULTRASCHALL-GEWEBE

Wenn US-Wellen durch Gewebe wandern, werden sie teilweise zu tieferen Strukturen übertragen, teilweise als Echos zurück zum Schallkopf reflektiert, teilweise gestreut und teilweise in Wärme umgewandelt. Für Bildgebungszwecke sind wir hauptsächlich an den Echos interessiert, die zum Wandler zurückreflektiert werden. Die Menge des Echos, das nach dem Auftreffen auf eine Gewebegrenzfläche zurückgegeben wird, wird durch eine Gewebeeigenschaft bestimmt, die als akustische Impedanz bezeichnet wird. Dies ist eine intrinsische physikalische Eigenschaft eines Mediums, definiert als die Dichte des Mediums multipliziert mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der US-Welle im Medium. Lufthaltige Organe (wie die Lunge) haben die niedrigste akustische Impedanz, während dichte Organe wie Knochen eine sehr hohe akustische Impedanz haben (Tabelle 1Die Intensität eines reflektierten Echos ist proportional zur Differenz (oder Fehlanpassung) der akustischen Impedanzen zweier Medien. Besitzen zwei Gewebe die gleiche akustische Impedanz, entsteht kein Echo. Grenzflächen zwischen Weichgeweben mit ähnlicher akustischer Impedanz erzeugen üblicherweise Echos geringer Intensität. Im Gegensatz dazu erzeugen Grenzflächen zwischen Weichgewebe und Knochen oder Lunge aufgrund eines großen Gradienten der akustischen Impedanz sehr starke Echos.

Wenn ein einfallender Ultraschallimpuls auf eine große, glatte Grenzfläche zweier Körpergewebe mit unterschiedlichen akustischen Impedanzen trifft, wird die Schallenergie zurück zum Schallkopf reflektiert. Diese Art der Reflexion wird Spiegelreflexion genannt, und die erzeugte Echointensität ist proportional zum Gradienten der akustischen Impedanz zwischen den beiden Medien (Abb. 4). Eine Weichgewebe-Nadel-Schnittstelle, wenn eine Nadel „in der Ebene“ eingeführt wird, ist ein gutes Beispiel für Spiegelreflexion. Wenn der einfallende US-Strahl die lineare Grenzfläche in einem Winkel von 90° erreicht, wandert fast das gesamte erzeugte Echo zurück zum Wandler. Wenn der Einfallswinkel mit der spiegelnden Grenze jedoch weniger als 90° beträgt, kehrt das Echo nicht zum Wandler zurück, sondern wird in einem Winkel reflektiert, der dem Einfallswinkel entspricht (genau wie sichtbares Licht, das in einem Spiegel reflektiert wird). Das zurückkehrende Echo verfehlt möglicherweise den Wandler und wird nicht erfasst. Dies ist für den Schmerzmediziner von praktischer Bedeutung und erklärt, warum es schwierig sein kann, eine Nadel abzubilden, die in einer sehr steilen Richtung eingeführt wird, um tief gelegene Strukturen zu erreichen.

Abb. 4 Verschiedene Arten von Ultraschallwellen-Gewebe-Wechselwirkungen. (Wiedergabe mit Genehmigung aus Lit. [6])

Brechung bezieht sich auf eine Richtungsänderung der Schallübertragung nach dem Auftreffen auf eine Grenzfläche zweier Gewebe mit unterschiedlichen Schallübertragungsgeschwindigkeiten. Da in diesem Fall die Schallfrequenz konstant ist, muss sich die Wellenlänge ändern, um den Unterschied in der Geschwindigkeit der Schallübertragung in den beiden Geweben auszugleichen. Dies führt zu einer Umlenkung des Schallimpulses beim Durchgang durch die Grenzfläche. Die Refraktion ist eine der wichtigsten Ursachen für die falsche Lokalisierung einer Struktur auf einem Ultraschallbild. Da die Schallgeschwindigkeit in Fettgewebe niedrig (ungefähr 1450 m/s) und in Weichgewebe hoch (ungefähr 1540 m/s) ist, treten Refraktionsartefakte am deutlichsten an Fett/Weichgewebe-Grenzflächen auf. Das bekannteste Refraktionsartefakt tritt an der Verbindung des M. rectus abdominis und des Bauchwandfetts auf. Das Endergebnis ist eine Duplizierung der tiefen Bauch- und Beckenstrukturen, die beim Scannen durch die Mittellinie des Abdomens zu sehen sind (Abb 5Duplikationsartefakte können auch bei der Untersuchung der Niere aufgrund der Schallbrechung an der Grenzfläche zwischen Milz (oder Leber) und angrenzendem Fettgewebe auftreten.

Abb. 5 Refraktionsartefakt. Diagramm (a) zeigt, wie die Schallstrahlbrechung zu Duplizierungsartefakten führt. (b) ist eine transversale Mittellinienansicht des Oberbauchs, die eine Duplikation der Aorta (A) sekundär zur Rektusmuskelrefraktion zeigt. (Diese Abbildung wurde in Lit. [8] veröffentlicht. Copyright Elsevier (2004))

Trifft der Ultraschallimpuls auf Reflektoren, deren Abmessungen kleiner als die Ultraschallwellenlänge sind, oder auf eine raue, unregelmäßige Gewebegrenze, kommt es zur Streuung. In diesem Fall führt die Reflexion der Echos in einem weiten Winkelbereich zu einer Verringerung der Echointensität. Positiv an der Streuung ist jedoch, dass unabhängig vom Einfallswinkel des Impulses ein Teil des Echos zum Schallkopf zurückkehrt. Die meisten biologischen Gewebe erscheinen in Ultraschallbildern, als wären sie mit winzigen Streustrukturen gefüllt. Das Speckle-Signal, das die sichtbare Textur in Organen wie Leber oder Muskeln erzeugt, entsteht durch die Grenzfläche zwischen den zahlreichen gestreuten Echos innerhalb des Volumens des einfallenden Ultraschallimpulses. Beim Durchgang durch Gewebe wird die Intensität von Ultraschallimpulsen reduziert oder abgeschwächt. Diese Abschwächung resultiert aus Reflexion und Streuung sowie aus Reibungsverlusten. Diese Verluste entstehen durch die vom Impuls induzierte oszillatorische Gewebebewegung, die zur Umwandlung von Energie in Wärme führt. Dieser Energieverlust durch lokale Erwärmung wird als Absorption bezeichnet und ist der wichtigste Faktor für die Ultraschallabschwächung. Längere Ausbreitungswege und höhere Frequenzen führen zu einer stärkeren Dämpfung. Die Dämpfung variiert auch zwischen den Körpergeweben, wobei sie im Knochen am höchsten, in Muskeln und festen Organen geringer und im Blut am niedrigsten ist (bei jeder gegebenen Frequenz).Abb. 6). Alle Ultraschallgeräte kompensieren einen zu erwartenden durchschnittlichen Dämpfungsgrad automatisch, indem sie die Verstärkung (Gesamthelligkeit oder Signalintensität) in tieferen Bereichen des Bildschirms automatisch erhöhen. Dies ist die Ursache für ein sehr häufiges Artefakt, das als „hintere akustische Verstärkung“ bekannt ist und einen relativ echoreichen Bereich hinter großen Blutgefäßen oder Zysten beschreibt (Abb. 7). Flüssigkeiten enthaltende Strukturen dämpfen Schall viel weniger als feste Strukturen, so dass die Stärke des Schallimpulses größer ist, nachdem sie Flüssigkeit durchdrungen hat, als durch eine äquivalente Menge an festem Gewebe.

Abb. 6 Schwächungsgrade von Ultraschallstrahlen in Abhängigkeit von der Wellenfrequenz in verschiedenen Körpergeweben. (Wiedergabe mit Genehmigung aus Lit. [6])

Abb. 7 Sonographisches Bild der femoralen neurovaskulären Strukturen im Leistenbereich. Tief in der A. femoralis (Pfeilspitze) ist ein echoreicher Bereich erkennbar. Dieses wohlbekannte Artefakt (bekannt als hintere akustische Verstärkung) wird typischerweise tief in flüssigkeitshaltigen Strukturen gesehen. N Oberschenkelnerv; A, femorale Arterie; V, Oberschenkelvene

 

5. NEUESTE INNOVATIONEN IM B – MODUS ULTRASCHALL

Einige neuere Innovationen, die in den letzten zehn Jahren in den meisten Ultraschallgeräten verfügbar wurden, haben die Bildauflösung erheblich verbessert. Zwei gute Beispiele dafür sind Tissue Harmonic Imaging und Spatial Compound Imaging.

Die Vorteile der Gewebeharmonischen Bildgebung wurden erstmals bei Untersuchungen zur Darstellung von Ultraschallkontrastmitteln beobachtet. Der Begriff „Harmonische“ bezeichnet Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache der Frequenz des ausgesendeten Impulses (auch Grundfrequenz oder erste Harmonische genannt) sind. Die zweite Harmonische hat die doppelte Frequenz der Grundfrequenz. Beim Durchgang eines Ultraschallimpulses durch Gewebe wird die Form der ursprünglichen Welle von einer idealen Sinuswelle zu einer schärferen, spitzeren Sägezahnform verzerrt. Diese verzerrte Welle erzeugt wiederum reflektierte Echos verschiedener Frequenzen und zahlreicher höherer Harmonischer. Moderne Ultraschallgeräte nutzen neben der Grundfrequenz auch deren zweite Harmonische. Dies führt häufig zu einer Reduzierung von Artefakten und Störungen im oberflächennahen Gewebe. Die harmonische Bildgebung gilt als besonders nützlich bei technisch anspruchsvollen Patienten mit dicken und komplexen Körperwandstrukturen.

Die räumliche Compound-Bildgebung (oder Mehrstrahl-Bildgebung) bezeichnet die elektronische Steuerung von Ultraschallstrahlen eines Array-Schallkopfs, um dasselbe Gewebe mehrfach abzubilden. Hierfür werden parallele Strahlen in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet. Die Echos aus diesen verschiedenen Richtungen werden anschließend gemittelt (Compound-Bild) und zu einem einzigen Bild kombiniert. Durch die Verwendung mehrerer Strahlen werden Bildstörungen (Speckles) reduziert, wodurch das Bild weniger körnig erscheint und die laterale Auflösung erhöht wird. Räumliche Compound-Bilder weisen häufig ein geringeres Rauschen und weniger Bildstörungen sowie einen verbesserten Kontrast und eine schärfere Konturierung auf. Da mehrere Ultraschallstrahlen zur Untersuchung desselben Gewebebereichs verwendet werden, ist die Datenerfassung länger und die Bildrate der Compound-Bildgebung im Vergleich zur konventionellen B-Bildgebung in der Regel geringer.

 

6. FAZIT

US ist relativ kostengünstig, tragbar, sicher und in Echtzeit verfügbar. Diese Eigenschaften und kontinuierliche Verbesserungen der Bildqualität und Auflösung haben den Einsatz von US auf viele Bereiche in der Medizin über traditionelle diagnostische Bildgebungsanwendungen hinaus erweitert. Insbesondere seine Verwendung zur Unterstützung oder Führung interventioneller Verfahren nimmt zu. Regionalanästhesie- und schmerzmedizinische Verfahren sind einige der Bereiche mit aktuellem Wachstum. Moderne US-Geräte basieren auf vielen der gleichen Grundprinzipien, die in den ersten Geräten verwendet wurden, die vor über 50 Jahren verwendet wurden. Das Verständnis dieser grundlegenden physikalischen Prinzipien kann dem Anästhesisten und Schmerztherapeuten helfen, dieses neue Werkzeug besser zu verstehen und sein volles Potenzial auszuschöpfen.