Gerätetechnik

Wie funktioniert Ultraschall?

Ultraschall ist per definitionem Schall mit einer Frequenz oberhalb des menschlichen Hörvermögens, also über 20 KHz. Für den diagnostisch genutzten Ultraschall kommt ein Bereich von 3-30 MHz zum Einsatz. Erzeugt werden die Schwingungen durch Anlegen von Wechselspannung an ein piezoelektrisches Element. Dadurch wird dieses zur Veränderung seiner Dicke angeregt und generiert dabei den gewünschten Schallpuls. Nach Auftreffen dieser Impulse im Gewebe werden sie an Gewebegrenzen reflektiert und generieren nach ihrer Rückkehr als Echo im selben/ einem anderen piezoelektrischen Element wieder Wechselspannung. Je nach angewandtem Ultraschallverfahren wird dieses Signal anschließend unterschiedlich weiterverarbeitet. Der Einfachheit halber möchten wir uns auf die Beschreibung des B-Mode, Farbdoppler und Spektraldoppler beschränken.

Bild: Echo-Impuls-Verfahren; In dieser Skizze sieht man die schematische Darstellung eines Impuls-Echo-Verfahrens. Der Hochfrequenzgenerator regt das piezoelektrische Element dazu an einen hochfrequenten Schallpuls auszusenden. Dieser wird an den Gewebegrenzen Sonde-Gel,weißes Gewebe-graues Gewebe und graues Gewebe-weißes Gewebe teilweise bzw. vollständig reflektiert. Sein Echo wird in der Sonde registriert und anschließend der Verarbeitungselektronik zugeführt, welche die Ergebnisse auf dem Monitor zur Darstellung bringt. [b1]

Bild: "B-Mode"; Ein für den Gefäßultraschall typisches B-Bild einer ACC mit einem Plaque.

B-Mode

Der B-Mode basiert auf der geeigneten Darstellung der detektierbaren Echo-Amplitude (A-Mode). Hier wird das empfangene Echo auf einem Diagramm mit der Eindringtiefe als x-Achse und der Echostärke als y-Achse aufgetragen. Je stärker das Echo, desto höher ist die Amplitude. Im B-Mode wird die Höhe der Amplitude mit Hilfe einer Grauwertskala dargestellt. Je stärker das Echo, desto weißer ist der Punkt. Dadurch ergibt sich eine eindimensionale Darstellung in Form einer Linie. Anschließend wird der Schallstrahl minimal weiter bewegt, wodurch eine weitere Linie direkt neben der ersten Linie entsteht. Durch Anzeigen aller (zwischendurch abgespeicherten) Linien ergibt sich so ein zweidimensionales Bild auf dem Monitor. Je nach Eindringtiefe (welche die Laufzeit verlängert) können viele Bilder pro Sekunde erzeugt werden. Bei einem modernen Gerät entsteht dabei eine für das Auge flüssige Bewegung. Man kann also eine mit dem B-Mode 2D-Schnittbilddiagnostik in Echtzeit durchführen. Je nach Positionierung des Schallkopfes an der Körperoberfläche lassen sich damit Organe durch Schwenken und Kippen des Schallkopfes in beliebigen Schnitten darstellen. Im Falle der Sonographie der hirnversorgenden Arterien wird der B-Mode zum Auffinden der Gefäße und zur Beurteilung von eventuellen Veränderungen der Gefäßwand (Plaques, Kalkschatten,..) benützt.

Echogenität

Aus der Dichte eines Gewebes und seiner Schallgeschwindigkeit ergibt sich die Echogenität. Luft zum Beispiel hat eine geringe Dichte und damit auch eine niedrige Schallgeschwindigkeit. Deshalb hat Luft eine niedrige Echogenität und stellt sich schwarz dar. Wasser, Fett, Hirn und Muskulatur haben eine mit etwa 1500 m/s deutlich höhere Schallgeschwindigkeit und Echogenität als Luft und stellen sich deshalb in Grautönen dar. Knochen und kalkhältige Plaques haben eine hohe Dichte und reflektieren deshalb Schall fast vollständig. Dadurch erscheint ihre Oberfläche im B-Mode weiß.

An der Grenze zweier Gewebe mit unterschiedlicher Impedanz gibt es ein besonders starkes Echo. Dieses tritt zum Beispiel an einer Luft-Wasser-Grenze auf, da es hier einen großen Impedanzunterschied gibt. Beim Aufsetzen des Schallkopfes auf die Haut wird deshalb ein Ultraschallgel verwendet. Es verhindert Lufteinschlüsse, minimiert dadurch den Energieverlust durch die Impedanzunterschiede an den Gewebegrenzen und ermöglicht letztlich eine bessere Bildgebung. Bei der Darstellung von Knochen ergibt sich genau dasselbe Problem - seine Dichte ist deutlich höher als die der umgebenden Gewebe. Das führt wiederum zu einer beinahe kompletten Reflexion des Schalls und zu einem Problem: Wir können kaum Strukturen hinter seiner Oberfläche, der Corticalis, beurteilen. In der Duplexsonographie der hirnversorgenden Gefäße macht sich das vor allem an zwei Stellen bemerkbar. Einerseits limitiert das die Beurteilung der AV - man kann nur ihre Anteile außerhalb des knöchernen Kanals beurteilen. Andererseits limitieren kalkhältige Plaques, welche eine ähnlich hohe Dichte wie Knochen haben, die Beurteilung aller dahinter liegenden Strukturen wie etwa die gegenüber liegende Gefäßwand.

Tabelle: Diese Tabelle zeigt die Dichte, Impedanz und Schallgeschwindigkeit verschiedener Gewebe. Nach [2]

E1 E2

Animation: "Dopplereffekt"; Das stilisierte Polizeifahrzeug in der Animation bewegt sich mit eingeschalteter Sirene. Dabei kommt es zur Frequenzverschiebung und damit zu einer hörbaren Veränderung der Tonhöhe für die Empfänger "E1" und "E2". Nähert sich das Auto "E1" ist der Ton höher als bei stationärem Polizeifahrzeug mit eingeschalteter Sirene. Entfernt es sich von "E2" wird der Ton tiefer gegenüber jenem bei stationärem Polizeifahrzeug. Die beiden Empfänger können also aufgrund der Tonhöhe darauf schließen ob und in welche Richtung sich das Fahrzeug bewegt. In der Dopplersonographie ist der Schallkopf zunächst der Sender und die Erythrozyten die Empfänger. Durch ihre Bewegung kommt es zur Frequenzverschiebung und der Schallkopf (nun Empfänger) empfängt das frequenzveränderte Echo. Daraus kann auf die Geschwindigkeit und die Bewegungsrichtung geschlossen werden. [b2]

Dopplereffekt

Um die Flussgeschwindigkeit von Gefäßen zu beurteilen macht man sich bei der Duplexsonographie den Dopplereffekt zu Nutze. 1842 beobachtete Christian Doppler eine Rotverschiebung bei beweglichen Sternen und leitete daraus ab, dass sich die Frequenz einer Welle ändert wenn Quelle und Empfänger ihren Abstand zu einander verändern. Bei Ultraschallverfahren ist die Sonde bzw. der Schallkopf die Quelle. Die sich in Bewegung befindlichen Erythrozyten sind die Empfänger und damit für das in seiner Frequenz veränderte Echo verantwortlich. Diese so genannte Dopplerfrequenz errechnet sich aus der Dopplergleichung: Δ f = 2*f/c*v*cos α. f steht dabei für die ausgesandte Frequenz, c für die Schallgeschwindigkeit im Gewebe, v für die Flussgeschwindigkeit, α für den Dopplerwinkel (zwischen Gefäßverlauf und Schallstrahl) und Δ f für die Dopplerfrequenz. Bei der Messung der Blutflussgeschwindigkeit liegt die Dopplerfrequenz mit einigen KHz typischerweise im hörbaren Bereich. Nach Verstärkung des Signals dient der Ton bzw. seine gemessene Frequenz auch der Diagnostik; mit der Flussgeschwindigkeit steigt nämlich auch die Dopplerfrequenz.

Duplexsonographie

Bei der Duplexsonographie der hirnversorgenden Gefäße kommen hauptsächliche gepulste Dopplerverfahren zum Einsatz. Hier sendet ein Transducer einen Schallpuls und schaltet sich anschließend in den Empfangsmodus. Da man so die Laufzeit des Signals bestimmen kann, weiß man aus welcher Tiefe das Echo kommt. Ein Dauerschallverfahren wie der CW-Doppler (Continuous-Wave-Doppler) hingegen sendet dauerhaft mit einem Transducer und empfängt mit einem direkt daneben liegenden Transducer. Dadurch lassen sich auch sehr hohe Flussgeschwindigkeiten messen, man weiß aber mangels Information über die Laufzeit nicht, wie tief das gemessene Gefäß liegt.

Für die Darstellung von Gefäßen hat sich insbesondere die farbkodierte Dopplersonographie (FKDS, Farbdoppler) bewährt. Hier wird jeder Dopplerfrequenz bzw Flussgeschwindigkeit eine bestimmte Farbe zugewiesen. Legt man nun das "Farbfenster" über das B-Bild, lassen sich damit sich in Bewegung befindliche Stellen mit Falschfarben einfärben. Dabei kann man sowohl die Bewegungsrichtung (Farbe) als auch die Geschwindigkeit (Farbton) darstellen. Klinisch hat es sich etabliert Bewegung zum Schallkopf hin üblicherweise rot einzufärben, je höher die Geschwindigkeit desto heller das Rot. Blau stellt die entgegensetzte Flussrichtung dar. Bei der typischen Haltung des Schallkopfes (Markierung zeigt nach cranial oder lateral) werden dadurch in der Sonographie der hirnversorgenden Gefäße Arterien rot und Venen blau dargestellt. Ein Farbenspiel mit einem direkten Wechsel zwischen roten und blauen Bildpunkten ist deshalb ein Zeichen von Turbulenzen und ein Hinweis auf lokale Störungen der Hämodynamik.

Bild: "Turbulenzen"; Das Bild zeigt ein Farbenspiel zwischen Rot und Blau im linken Bereich des Gefäßes als Zeichen für Turbulenzen poststenotisch hinter kalkhältigen Plaques. In englischsprachiger Literatur wird das auch "Color Bruit" (Farblärm) genannt [1]

Bild: "Spektraldoppler"; Im B-Bild hellgrün markiert ist das Winkel-korrigierte Samplegate, welches den Messpunkt für den Spektraldoppler bestimmt.

Spektraldoppler

Zur Messung der Flussgeschwindigkeit eines Gefäßes kommt üblicherweise eine weitere Methode zum Einsatz - der Spektraldoppler (Pulsed Wave Doppler, PW-Doppler, Dopplerfrequenzzeitspektrum). Dabei handelt es sich ebenfalls um ein gepulstes Dopplerverfahren, bei dem ein und derselbe Transducer Aussenden des Schallstrahls und Empfang der Reflexion übernimmt. Der Vorteil des Spektraldopplers ist, dass man sehr genau die Messstelle bestimmen kann. Durch die Positionierung des so genannten Samplegates (Gate, Zeittor) kann man zum Beispiel genau vor, in und nach einer Gefäßengstelle die Flussgeschwindigkeit messen. Bei richtig positioniertem Gate wird das Flussprofil des untersuchten Gefäßes sicht- und hörbar und kann beurteilt werden. Der Name Spektraldoppler ergibt sich daher, dass das Spektrum der Geschwindigkeiten aller beweglichen Partikel - hauptsächlich Erythrozyten - dargestellt wird. (Erythrozyten in der Mitte des Gefäßes bewegen sich schneller, weshalb es zu messbaren Unterschieden kommt.)

Vor der Beurteilung sollte allerdings noch der Doppler-Winkel (Winkel zwischen der Schallausbreitungsrichtung und der Bewegungsrichtung) auf 60° bzw. möglichst wenig unter 60° korrigiert werden. Durch diese Konvention möchte man die Inter-Observer-Variabilität gering und die Messung exakt halten. Durch die Krümmung der ACC und ACI steigt nämlich die gemessene Flussgeschwindigkeit mit der Annäherung des Dopplerwinkels an 90°. Dieser "Fehler" basiert auf der Annahme der Dopplergleichung, dass die Messung in einem geraden Rohr bei konstantem Fluss durchgeführt wird; die Geschwindigkeitsvektoren verlaufen also parallel zur Gefäßwand. Blutfluss ist aber pulsatil, verläuft helikal und die hirnversorgenden Gefäße sind gekrümmt; die Vektoren verlaufen also nicht parallel zur Gefäßwand und der eingestellte Dopplerwinkel hat einen Einfluss auf das Messergebnis. Misst man hingegen die langstreckig gerade A.femoralis superficialis ist der eingestellte Dopplerwinkel nahezu irrelevant. Um bei Wiederholung der Untersuchung vergleichbare Messergebnisse zu erhalten, schlägt Strandness[1] darum vor den verwendeten Dopplerwinkel im Befund zu dokumentieren.

Tabelle: "Dopplerwinkel"; nach Strandness [1]; Die Tabelle zeigt, dass ein zu steiler Dopplerwinkel die Messung in der ACC verfälscht. Aber auch ein zu geringer Winkel führt zu einer verfälschten Messung. Darum sollte man den Winkel laut Konvention unter 60° und nach Empfehlungen möglichst knapp bei 60° halten. Wird der Winkel zusätzlich dokumentiert, kann man damit die Variabilität der Untersuchung zwischen zwei verschiedenen Untersuchern verbessern.

Bild: "Photopic"; Die Basis dieses photopisches Bildes ist ein B-Bild, bei dem die Werte auf einer braunroten Skala anstatt einer Grauwertskala aufgetragen werden. Das verbessert die Beurteilbarkeit bei Tageslicht.

Photopic Ultrasound Imaging (Tageslichtsonographie, Tageslichtverfahren) ist eine Spielart des B-Mode. Hier wird anstatt einer Grauwertskala eine monochromatische Skala verwendet, die die Kontrastwahrnehmung des Auges berücksichtigt (in diesem Atlas sind die Bilder dann braun-rötlich eingefärbt). Der Name Photopic rührt daher, dass Farben im Auge photopisch, also mit den Zapfen, gesehen werden. Die Auflösung des photopischen Sehens ist wesentlich besser, wodurch das Verfahren robuster wird. Kleine Kontrastunterschiede können damit auch bei Tageslicht ausgemacht werden. Ferner kann die Tageslichtsonographie auch in abgedunkelten Räumen eine genauere Beurteilung ermöglichen. Beim technisch schwierigen Patienten ist Photopic Ultrasound also eine Option zur Diagnosefindung.

Der Power-Doppler (intensitätskodierter, leistungsabhängiger, amplitudenkodierter Doppler) ist ebenfalls ein gepulstes Dopplerverfahren und stellt die Amplitude (=Häufigkeitsverteilung) der sich bewegenden Teilchen dar. Im Dopplerfrequenzzeitspektrum (Spektraldoppler) werden die Dopplerfrequenzen (oder deren in Strömungsgeschwindigkeit umgerechnete Werte) gegen die Zeit aufgetragen. Die Häufigkeit der gemessenen Partikel wird über die Amplitude farbcodiert dargestellt - je mehr Erys sich mit derselben Geschwindigkeit bewegen, desto heller wird der Punkt im Spektraldoppler dargestellt.

Diese Information blendet der intensitätskodierte Powerdoppler ins B-Bild ein und zeigt somit nicht die Geschwindigkeit der einzelnen Erys an, sondern deren Häufigkeitsverteilung. Im nebenstehenden Beispiel-Bild "Powerdoppler" sind deshalb jene Bereiche, in denen laminare Strömung vorherrscht, am hellsten (gelb): Dort halten sich die meisten Erys auf.

Durch die Amplitudenkodierung lassen sich aber keine Aussagen über die Bewegungsrichtung oder -geschwindigkeit treffen. Dafür ist der Powerdoppler-Modus wesentlich weniger winkelabhängig und zeigt wegen seiner höheren Persistenz (Darstellung der Farbimpulse über längere Zeit) auch Gefäßbereiche mit niedriger Geschwindigkeit dar. Dafür ist der Powerdoppler ist anfällig für Bewegungsartefakte aus der Umgebung.

In der Praxis ist der Powerdoppler ein wichtiges Werkzeug um die Begrenzung des Lumens darzustellen und auch kleine Gefäße mit niedriger Flussgeschwindigkeit zu beurteilen.[15][21]

Bild: "Powerdoppler"; diese Bild zeigt eine Carotisbifurkation im Duplexmodus mit Power-Doppler und B-Bild

Ultraschallsicherheit

Bei jeder durchgeführten Ultraschalluntersuchung ist die Ultraschallsicherheit ein wichtiger Punkt. Potentielle unerwünschte Wirkungen einer Ultraschalluntersuchung umfassen thermische und kavitative Effekte. Erstere sind bedingt durch die lokale Erwärmung durch den Schallkopf oder in tieferen Schichten durch den Ultraschall selbst (was ja auch in der Physiotherapie therapeutisch genützt wird). Kavitative Effekte entstehen durch die druckschwankungsbedingte Bildung und Auflösung von Hohlräumen. Bei stärkeren Druckschwankungen werden diese Kavitationen instabil und zerfallen zu kleineren Bläschen. Zu den Sekundäreffekten dieser instabilen Kavitationen zählen mögliche Gewebeschäden. Auch ist eine Störung der Membranpermeabilität eine mögliche Nebenwirkung einer diagnostischen Ultraschallanwendung. Momentan gibt es aber noch zu wenig Daten um Nebenwirkungen genauer zu beziffern. Bei modernen Ultraschallgeräten ist die akustische Leistung nämlich einstellbar und es können auch höhere Leistungsniveaus erreicht werden als jene, bei denen mögliche unerwünschte Effekte beobachtet wurden.

Bild: "Thermal Index"; Die aktuellen Empfehlung der BMUS aus den Safety Guidelines, Version 2009 [4]

Thermischer Index

Um die Sicherheit von Ultraschall in Hinblick auf die beiden Parameter thermische und kavitative Effekte hinreichend evaluieren zu können, wurden 1992 zwei Sicherheitsindizes geschaffen: der Thermische Index (TI) und der Mechanische Index (MI). Der TI errechnet sich aus der akustischen Leistung des Ultraschallgeräts dividiert durch die (gewebespezifisch) erforderliche Leistung für eine Temperaturerhöhung von 1°C. Dadurch bietet er während der Untersuchung einen Anhaltspunkt für das Risiko und Ausmaß einer Temperaturerhöhung im Gewebe. Ferner gibt es drei Unterformen des TI, welche sich besonders für unterschiedliche Gewebe eignen: der TIS (thermal index for soft tissue), TIB (thermal index for bone) und TIC (thermal index for cranial bone). Leider besteht laut BMUS Safety Guidelines die Möglichkeit von Fehlern in der Berechnung der TI, die zu einer Unterschätzung der Temperaturerhöhung um den Faktor 2 führen.

Mechanischer Index

Den MI erhält man durch Division des maximalen Expansionsdrucks in MPa durch die Quadratwurzel der Ultraschallmittenfrequenz in MHz. Wichtig ist der MI vor allem in Verbindung mit Kontrastmitteln, die Kavitation für bessere Bildgebung ausnützen. In der Angiologischen Diagnostik und speziell der Duplexsonographie der hirnversorgenden Arterien spielt er aber nur eine untergeordnete Rolle. Auch die thermischen Effekte halten sich in Grenzen - abgesehen von einer eventuellen lokalen Erwärmung am Auflagepunkt des Schallkopfes. Lediglich bei intensiver Anwendung des Spektraldopplers ist an jener Stelle, an welcher das Gate im Gefäß positioniert ist, ein Temperaturanstieg um 2-3° möglich. Das spürt der Patient aber üblicherweise nicht. Ferner gelten B-Bild und Farbdoppler auch bei modernen Ultraschallgeräten mit hoher Leistung als sehr sicher. Diese Sicherheit beruht neben einer guten Ausbildung der Untersucher im Grunde auf zwei Pfeilern: dem ALARA-Prinzip und gut gewarteter Ausrüstung. Ein erfahrener Untersucher hilft dabei die Expositionszeit kurz zu halten und dabei dennoch gute Ergebnisse zu erzielen und damit ALARA gut zu verwirklichen. Die regelmäßige Wartung obliegt zwar mehr dem Fachpersonal. Eine einfache 5-Minuten-Anleitung der ÖGUM zur Qualitätssicherung ist dennoch unten verlinkt[*].

Bild: "linear"; Dieser lineare Schallkopf ist der wichtigste im Gefäßultraschall und eignet sich mit 4 bis 9 MHz ideal für cerebrovasculären Ultraschall und oberflächliche Bildgebung. Der hier abgelichtete Kopf beherrscht auch die Triplexsonographie, also die gleichzeitige Darstellung von B-Bild mit farbcodiertem CW-Doppler und PW-Doppler zur Messung der Flussgeschwindigkeit.

Bild: "Sequoia"; Das mittlere Bild zeigt das Ultraschallgerät auf dem alle Videos und die meisten der in dieser Software eingebauten Bilder gemacht wurden (Siemens Acuson Sequoia 512).

Bild: "Sektor"; Dieser konvexe Sektorschallkopf unterstützt Frequenzen zwischen 1 und 4 MHz und eignet sich Aufgrund seiner hohen Eindringtiefe auch für Abdomenultraschall oder in unserem Fall das Auffinden der AV bei technisch schwierigen Patienten.