Der Ultraschall findet Anwendung in der Geburtshilfe und Gynäkologie, der Diagnostik von Leber und Niere, des Herzens, der Schilddrüse, der Prostata und Blase sowie der Gefäße. Ein wesentlicher Grund dafür ist, dass nicht etwa ionisierende Strahlung (wie etwa Röntgenstrahlung), sondern ungefährliche akustische Wellen dafür genutzt werden. Hohe Bildraten und die Echtzeitdarstellung ermöglichen, Bewegungen von Organen, wie zum Beispiel dem schlagenden Herzen, direkt zu verfolgen.
Die Ultraschallbilder werden mit dem Impuls-Echo-Verfahren erzeugt, das auch bei der Unterwasserortung und der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung zum Einsatz kommt. Die Ultraschallimpulse entstehen durch den piezoelektrischen Effekt: Eine dünne Keramikplatte, deren gegenüberliegende Flächen metallisiert sind, wird mit einem kurzen Spannungsimpuls zu Schwingungen angeregt. Die Platte wirkt dann wie eine Lautsprechermembran – nur hier für Ultraschallfrequenzen im Bereich von einigen MHz – und erzeugt kurze Ultraschallwellenzüge von wenigen Mikrosekunden Länge, die gerichtet in den Körper eindringen. Diese Schallwellenpakete sind kürzer als ein Millimeter, was auch nötig ist, um eine räumliche Auflösung in der gleichen Größe zu erzielen.
Vom Schall zum Bild
Während der Ausbreitung im Körper entstehen durch Reflexion und Streuung an den verschiedenen anatomischen Strukturen charakteristische Echos, die zurück zum Piezowandler gelangen. Dort erzeugen diese über den direkten Piezoeffekt ein zeitlich veränderliches, hochfrequentes Spannungssignal, aus dem sich die Laufzeit und Amplitude einzelner Ultraschallechos ermitteln lassen. Aus der Laufzeit einzelner Echos ergibt sich mithilfe der Schallgeschwindigkeit im Gewebe (im Mittel 1540 m/s) der Abstand vom Schallwandler bis zu der echogebenden Struktur.
Um ein Bild zu erhalten, werden die Amplituden zunächst in Grauwerte umgerechnet. Auf diese Weise wird aus der Amplitudenlinie (A-Line) eine Helligkeitslinie (B(rightness)-Line). Durch seitliches Verschieben oder Schwenken der Schallrichtung wird dann eine Vielzahl von B-Linien auf einer Ebene erfasst, d. h. eine Schnittebene innerhalb des Körpers wird abgetastet. Anschließend werden die ermittelten Grauwerte exakt den Pixeln in der Bildmatrix zugeordnet.
Optische Kohärenztomografie (OCT)
Die optische Kohärenztomografie hat sich in den vergangenen 20 Jahren in der medizinischen Bildgebung rasch verbreitet und ist heute beinahe in jeder augenärztlichen Praxis zu finden. Das Verfahren arbeitet mit Licht in einem Bereich, der nicht ionisierend wirkt, und erzeugt so nichtinvasiv hochauflösende Querschnitts- und 3D-Bilder von biologischem Gewebe. Dazu wird kurzkohärentes Licht aufgespalten. Der eine Teil trifft auf die Probe, wird dort gestreut und an Strukturübergängen reflektiert und im Anschluss mit dem Referenzstrahl, der nur an einem Spiegel reflektiert wird, überlagert. Die Tiefeninformation erhält man über die Differenz der Laufzeit der beiden Teilstrahlen. Solch kurze Laufzeitunterschiede von Licht lassen sich schwer messen, weshalb man sich das Phänomen der Interferenz zunutze macht. Das Verfahren findet so ganz ähnlich in Gravitationswellendetektoren (siehe Seite 64) seine Anwendung.
Die Methode erlaubt detaillierte Einblicke in die Netzhautstruktur. Darauf basierend wird sie für die Verlaufskontrolle neurodegenerativer Erkrankungen eingesetzt. Es lassen sich beispielsweise Herzwandbewegungen präzise bewerten und Veränderungen der Haut tomografisch darstellen. OCT kann mit weiteren Technologien gekoppelt werden. Angio-OCT erlaubt eine kontrastmittelfreie Echtzeitvisualisierung des Blutflusses auch in kleinen Gefäßen. Die Kombination mit anderen bildgebenden Verfahren erweitert darüber hinaus die Diagnosemöglichkeiten.
Inge Becker
Der Ultraschall findet Anwendung in der Geburtshilfe und Gynäkologie, der Diagnostik von Leber und Niere, des Herzens, der Schilddrüse, der Prostata und Blase sowie der Gefäße. Ein wesentlicher Grund dafür ist, dass nicht etwa ionisierende Strahlung (wie etwa Röntgenstrahlung), sondern ungefährliche akustische Wellen dafür genutzt werden. Hohe Bildraten und die Echtzeitdarstellung ermöglichen, Bewegungen von Organen, wie zum Beispiel dem schlagenden Herzen, direkt zu verfolgen.
Es gibt Schallköpfe mit nebeneinander auf einer Geraden (Linear Array) oder einem Kreisbogen (Curved Array) angeordneten, separat ansteuerbaren einzelnen Piezowandlern. Werden Elementgruppen zeitlich versetzt aktiviert, so können das Abtasten (Scannen) und die Fokussierung sehr schnell und rein elektronisch erfolgen. Je nach gewählter Bildtiefe können über Tausend Scanlinien pro Sekunde erfasst werden. Das dargestellte Schnittbild wird so 20- bis 100-mal pro Sekunde aktualisiert.
Seit den ersten diagnostischen Anwendungen in der 1940er- und 1950er-Jahren wurde die Sonografie kontinuierlich verbessert. Zu den Innovationen zählen unter anderem die farbkodierte Darstellung des Blutflusses und die 3D-Sonografie. Verfahren, die zweidimensionale Arrays von Piezowandlern nutzen – auch in leichten, tragbaren Geräten für den Einsatz direkt am Krankenbett oder in der Notfallmedizin – werden zukünftig zum Standard, genauso wie die Bildgebung mit ebenen Wellen und die Bildgebung mit Hochauflösung.
