1 Physikalisch-technische Grundlagen

Heiko Dudwiesus

1.1 Schall, Frequenz und Wellenlänge

Schwingende Körper üben auf das umgebende Medium in schnellem Wechsel leichte Druck- und Zugkräfte aus. Als Folge dieser gerichteten Kräfte entstehen in dem Medium wechselweise lokale Über- und Unterdruckzonen, die sich mit einer materialspezifischen Geschwindigkeit in Schwingungsrichtung, also longitudinal, ausbreiten:

• in Wasser mit 1480 Metern pro Sekunde

• in Gewebe mit 1540 Metern pro Sekunde (Mittelwert)

Die Maßeinheit für die Schwingungsfrequenz ist das Hertz (Hz):

• 1Hz=1 Schwingung pro Sekunde

• 1MHz=1000000 Schwingungen pro Sekunde

1 Hz = 1 Schwingung pro Sekunde

1 MHz = 1000000 Schwingungen pro Sekunde

Die Distanz zwischen zwei Gebieten gleichen Drucks bezeichnet man als die Wellenlänge; sie steht in einem umgekehrt proportionalen Verhältnis zur Schwingungsfrequenz.

Schwingungsfrequenzen zwischen etwa 20 Hz und 20000 Hz sind auditiv als Ton, Klang, Geräusch, Knall etc. wahrnehmbar und werden deshalb auch „Hörschall“ genannt. Davon lassen sich Frequenzen außerhalb des physiologischen Frequenzbereiches abgrenzen, die als „Infraschall“ (< 20 Hz) und „Ultraschall“ (> 20 kHz) bezeichnet werden.

1.2 Dämpfung, Impedanz und Reflexion

Die Weiterleitung der Schallwellen im Gewebe geht mit Verlusten durch Reibung und durch Streuungen des Schalls einher. Infolge dieser sogenannten „Dämpfung“ nimmt die Intensität einer Schallwelle um etwa 1 dB/cm/MHz ab, halbiert sich demzufolge bei mittleren Frequenzen alle 1–2cm der zurückgelegten Wegstrecke.

Für die Ultraschalldiagnostik ist die Frequenzabhängigkeit dieser Dämpfung von großer Bedeutung, da sie das Penetrationsvermögen, also die Eindringtiefe, maßgeblich bestimmt. Während sich mit 3 MHz noch Eindringtiefen bis zu etwa 20cm realisieren lassen, sind beispielsweise mittels 7 MHz nur noch Echosignale aus maximal etwa 8cm verwertbar.

Anders als das zelluläre Gewebe, leiten Flüssigkeiten Ultraschallwellen ohne nennenswerte Abschwächung weiter. Prominente Flüssigkeitsansammlungen wie das Polyhydramnion oder der Aszites gehen deshalb oft mit einer verbesserten Eindringtiefe einher.

Demgegenüber weisen knöcherne Strukturen abhängig vom Ossifikationsgrad hohe bis sehr hohe Dämpfungswerte auf. Voll ausgereiftes Knochengewebe absorbiert eingebrachten Ultraschall meist vollständig, sodass distal eines Knochens lokalisierte Gewebestrukturen oft überhaupt nicht von der Schallwelle erreicht werden.

In ähnlichem Maße wirken gasgefüllte Räume als Folge ihrer extrem hohen Dämpfungseigenschaft als Barrieren und hemmen die Weiterleitung von Schallwellen.

Die sogenannte akustische Impedanz, der Wellenwiderstand, gibt an, mit welcher Schnelligkeit und Auslenkung die Teilchen eines Mediums einer von außen einwirkenden Kraft folgen. Für die sonografische Bildgebung ist die akustische Impedanz insofern von besonderer Bedeutung, als Schallwellen an den Grenzen zwischen Medien unterschiedlicher Impedanz eine totale oder partielle Reflexion erfahren. Die Höhe dieser Reflexionsamplitude wird vom Impedanzunterschied bestimmt:

• Gewebe/Gewebe = geringe Reflexion und hohe Transmission ( ▶ Abb. 1.1 ▶ Abb. 1.1a)

• Gewebe/Knochen = hohe Reflexion und sehr geringe Transmission ( ▶ Abb. 1.1 ▶ Abb. 1.1b)

• Gewebe/Gas = fast Totalreflexion und kaum Transmission ( ▶ Abb. 1.1 ▶ Abb. 1.1c)

• Gewebe/Flüssigkeit = kaum Reflexion und sehr hohe Transmission ( ▶ Abb. 1.1 ▶ Abb. 1.1d)

Abb. 1.1 Impedanzunterschied an verschiedenen Gewebegrenzen.

Organe und Weichteile reflektieren jedoch nicht nur an ihrer Oberfläche; vielmehr trifft die Schallwelle beim Durchqueren der Gewebestruktur auf unzählige mikromorphologische Inhomogenitäten, die akustisch kleinsten Impedanzsprüngen entsprechen und eine partielle Rückstreuung des Schalls zur Folge haben. Somit werden schwache Echosignale über die gesamte Querschnittsfläche der erfassten Gewebestruktur ausgelöst ( ▶ Abb. 1.1 ▶ Abb. 1.1e).

Diese Rückstreuung ist eine weitere Ursache dafür, dass die Ultraschallintensität mit der zurückgelegten Wegstrecke abnimmt und sich etwa alle 1–2cm halbiert.

1.3 Erzeugung und Detektion von Ultraschall

Die Erzeugung hochfrequenten Ultraschalls basiert überwiegend auf dem 1880 von Pierre Curie beschriebenen ”reziprok-piezoelektrischer Effekt”. Hierunter versteht man die Eigenschaft bestimmter kristalliner Gebilde, auf das Anlegen einer elektrischen Spannung mit einer sofortigen Formveränderung zu reagieren.

Wird eine elektrische Spannung, deren Polarität ständig und schnell wechselt, an den Piezowandler gelegt, so kontrahiert und dilatiert dieser im Rhythmus der Wechselspannung und generiert damit Schallwellen. Umgekehrt rufen die auf einen Piezokristall einwirkenden Druckschwankungen einer Schallwelle elektrische Potenzialunterschiede zwischen den Elektroden des Kristalls hervor.

Aufgrund der vorstehend beschriebenen Eigenschaften werden Piezowandler im Rahmen der Sonografie zum einen dazu verwendet, hochfrequenten Ultraschall zu erzeugen und zum anderen, die aus dem Körper zurückkehrenden Reflexionen zu detektieren und in elektrische Impulse umzuformen.

1.4 Entstehung des Echobildes

Wie im Abschnitt ▶ „Dämpfung, Impedanz und Reflexion“ beschrieben, erfahren Schallwellen eine partielle oder vollständige Reflexion, sobald sie auf eine Grenze zwischen Medien mit unterschiedlichem Schallwellenwiderstand (der sog. akustischen Impedanz) treffen.

Diese reflektierenden Strukturen lassen sich detektieren und ortskorrekt darstellen, indem die Zeit von der Abstrahlung eines Schallsignals bis zum Eintreffen des Echosignals erfasst wird.

Die ▶ Abb. 1.2 verdeutlicht das Funktionsprinzip des Echoimpulsverfahrens.

Zur Schallerzeugung wird auf einen Piezowandler zurückgegriffen, der eine Schallwelle von wenigen Zehntel Millimeter Länge abstrahlt. Diese Schallwelle durchläuft das Medium und trifft nach kurzer Zeit auf die reflektierende Impedanzgrenze. Hier wird ein Teil der eintreffenden Schallintensität reflektiert, während sich der andere Teil entlang der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung weiter fortpflanzt. Das Echosignal erreicht unter einer räumlichen Auffächerung nach kurzer Laufzeit wieder den Piezokristall, der jetzt als Empfänger fungiert und die eintreffende Schallwelle in ein elektrisches Signal rückkonvertiert.

Dieser elektrische Impuls wird in Form eines Lichtpunktes auf einem Bildschirm dargestellt, wobei die vertikale Position des Punkts den Zeitpunkt des Echoempfangs und damit den Abstand zwischen Piezokristall und Reflektor widerspiegelt.

Die Intensität eines Echosignals findet Ausdruck in der Helligkeit des korrespondierenden Lichtpunktes; aus diesem Grunde wird das Verfahren auch als „B-mode“ (B=Brightness) bezeichnet:

• Sehr starke Echosignale (Oberflächen von Knochen und gasgefüllten Hohlräumen) rufen somit sehr helle Punkte hervor. (Distal dieser Reflektoren entsteht fast regelmäßig eine schallfreie Schattenzone)

• Gewebe kommt abhängig von Aufbau und Dichte dunkel- bis hellgrau zur Darstellung

• Flüssigkeiten erscheinen wegen ihrer fehlenden Echogenität schwarz.

Zur Gewinnung eines zweidimensionalen Bilds sind zahlreiche eng nebeneinanderliegende Schallstrahlen notwendig, um eine Struktur in ihrer lateralen Ebene formkorrekt abzutasten. Hierzu bedient man sich heute fast ausschließlich sogenannter „Array“-Sonden mit einer reihenförmigen Anordnung zahlreicher miniaturisierter Piezokristalle. Für den Bildaufbau wird Kristall für Kristall aktiviert; die Strukturen unterhalb der Sonde somit...