Ultraschall: Klassische Mechanik im Dienste der medizinischen Diagnostik

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Ultraschall: Klassische Mechanik im Dienste der medizinischen Diagnostik Es ist faszinierend den Einzug de Ultraschalls in die Medizin rUckblickend zu verfolgen. Au der Organ-Echolotung ist ein bildgebendes Verfahren entstanden, das heute zum unverzichtbaren Bestand der medizinischen Diagnostik gehort und in der Medizintechnik hochste Zuwachsraten erzielt. Yon der modemen Rontgenentwicklung wie der Computer-Tomographie hat ich die Echographie nicht verdrangen lassen, vielrnehr durch die e neue Impul e erhalten. Beide Yerfahren liefem zwar Schnittbilder mit ahnlichen Formen und Umrissen von Organen, aber das Echo ist nicht strahlenbelastend. Bei den verwendeten Ultraschallfrequenzen von Ibis 10 MHz reicht die Ortsauflosung aus, anatomische Strukturen in der GroBenordnung von 1 mm im Schnittbild zu differenzieren. Der groBere Streuquerschnitt beim Ultraschall ist sogar von Yorteil bei der Dar teHung des Organparenchyms. Die relativ geringe SchaHgeschwindigkeit in Weichgeweben im Mittel 1500 mis, erlaubt es, iiber kurze Distanzen Schallaufzeiten genau zu messen und steUt somit die Grundlage fiir eine exakte Gewebebiometrie dar. Das am Anfang der Entwicklung klinisch eingesetzte emdimensionale Echogramm wurde bald durch das zweidimensionale Schnittbild (B-Bild) verdrangt. Multielement-Wandlerarrays ta ten durch elektronische Fiihrung von lmpulsschallfeldem linear oder sektorformig die Untersuchungsregion abo Durch Wahl von Schallkopffrequenz und -geometrie ist eine optimale Adaptation an die Untersuchungsregion gewahrleistet. Der mit dem Gewebescan synchrone Bildaufbau erfolgt in Real-time. Starke Reflexe, verursacht durch lmpedanz priinge an Grenzen von Organen, zeichnen deren Konturen, und schwachere Binnenecho geben durch Streuung die Gewebestruktur wieder. Die Bildpunkthelligkeit ist proportional der Echoamplitude. BeeinfluBt durch die Reflexionsbedingungen und die Schallschwachung, liiBt sich allerding die Echoamplitude quantitativ nicht direkt bewerten. Trotzdem lassen sich aus den Echomustem zusammen mit der frequenzabhangigen Schwiichung differentialdiagnostiche Aussagen gewinnen, fe te Gewebe von Fliissigkeitsanammlungen unter cheiden, der Parenchymcharakter, GefaBverlaufe u.a. mehr beurteilen. Unterstiitzt wird die Gewebedifferenzierung durch eine Grauwertstatistik des B-Bildes oder durch Analysen des direkt am Wandler abgenommenen primaren Ultraschallsignals. Auf diese Weise hat durch Umsetzung phy ikali cher Effekte mit Hilfe modemer Signalverarbeitungsmethoden das Echobild auf vielen Gebieten der medizinischen Diagnostik einen hohen Stellenwert erlangt, wie z.B. in der Geburtshilfe, in der gesamten Weichteildiagnostik, bei Untersuchungen des Auges, neuerdings in der Chirurgie und ogar in der Orthopiidie. Zur Beurteilung de Knochenzustandes, z.B. einer osteoporotischen Yeranderung, i t jedoch das Echobild nicht geeignet. Aber dadurch daB Schallausbreitungseigenschaften abhangig von Dichte und Ela tizitat sind, gibt das Transmissionssignal der Knochendurchschal-

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lung durch Messung von Schallge chwindigkeit und -schwachung Auskunft iiber den Knochenzu tand. Exakte Aussagen iiber Anatomie und Funktion des Herzens sind mit dem Real-time-Echobild, genauer noch mit der M-Mode-Dar tellung zu erhalten. Letztere gibt in einem Ort-Zeit-Diagramm bewegte Strukturen wieder. Die Registrierung von Herzklappen, von Herzwandbewegungen und die Messung von Herz-Leistungspararnetem ist moglich. Intraluminale Sonden verbessem die Detailerkennbarkeit. Durch die organnahe Untersuchung ist die Schallschwachung gering. Eine hOhere Schallfrequenz ist einsetzbar, und die Auflosung steigt. In dieser Hinsicht hat die oesophagale Sonde die Echo-Kardiographie wesentlich verbessert. Ahnliches trifft auch fiir den Small-part-scanner zu mit dem in der Derrnatologie hautnah Schallfrequenzen von 50 MHz ein etzbar indo Keine fall ausgeschopfr sind Informationen aus dem Doppler-Effekt fiir die Diagnostik von Blutstromungen. Mit Hilfe der Ultraschall-Riickstreuung an den bewegten Erythrozyten lassen sich aus der Frequenzverschiebung Stromungsgeschwindigkeiren und andere Stromungsparameter ermitteln. Das zeitabhangige Stromung profI.1 laBt sich bei Arterien synchron zum Herzzyklus und bei Yenen atmungsabhangig darstellen und quantitativ auswerten. Zahlreiche Modifikationen, z.B. durch Extremitatenkompression, Yalsalva-Te t Stromungsortung in KollateralgefaBen oder Beobachtung der Richtungsumkehr irn gemeinsamen Yer orgungsgebiet mehrerer Arterien geben der Ultraschall-Dopplermessung einen hohen Stellenwert bei der Diagnostik von GeHiBerkrankungen. Durch das tiefenauflosende Puls-Dopplerverfahren kommen komplexe Stromungsverhiiltnisse, wie etwa bei Herzvitien, im Ultra challbild farbcodiert zur Darstellung (siehe Titelbild dieses Heftes). Neuere Entwicklungen zeigen, daB aus intensitatschwacheren Echoinformationen auch ohne Auswertung der Doppler-Frequenzverschiebung Bilder des Stromungsprofils gewonnen werden konnen. Ein wichtiger Beitrag konnte von eiten der Physik auch im Hinblick auf die Qualitiit der Ultraschallgerate - in erster Linie dUTCh Testphantome - und die Sicherheit des Patienten geleistet werden. EnLScheidend flir die ebenwirkungsfreiheit ist daB sowohl der therrnischen Bela tung als auch der mechanischen Bean pruchung durch stabile Kavitation ein naturgegebener Belastbarkeitsbereich der Gewebe gegeniibersteht. Daher existieren Einsatz chwellen der biologichen Effekte, deren Uberschreitung sich verrneiden IaEt. So war e moglich, Grenzwerte fiir die Lei rungsparameter von Ultra chall-Diagnostikgeraten aufzustellen und neue Techniken wie zur Zeit die Puls-Dopplertechnik, daran zu messen. Die klinisch-diagno ti che UItraschalJanwendung gilt daher rundum als eines der hervorragendsten und erfolgreichsten medizinischen Anwendung gebiete der Physik. Rudolf Millner, Halle

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