Ultraschall

die physikalischen Grundlagen

Dr. med. Konstantin Schraepler, Bremen 09/2024

Was sind Schallwellen?

Schallwellen

• Schallwellen sind mechanische Schwingungen eines Mediums
  • Maßeinheit Hertz: Schwingung pro Zeiteinheit (Sekunde), z.B. 440 Hertz = 440 Schwingungen pro Sekunde
• führen zu Kompression und Dekompression der umgebenden Teilchen
  • = Druck- und Dichteschwankungen

• breiten sich von der Schallquelle über Medien jeglicher Materie aus
  • Gase, Flüssigkeiten, Festkörper

Ausbreitung von Schallwellen

• Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Medien unterschiedlich
  • von der Dichte des Mediums abhängig
    (Luft 340 m/s, Weichteilgewebe 1540 m/s, Leber 1549 m/s, Muskulatur 1570 m/s Blut 1570 m/s, Knochen 3600 m/s)
• Beeinflussung durch umgebende Drücke, Temperaturen
• Ausbreitung auf andere Teilchen durch Übertragung mit Schallgeschwindigkeit
  • longitudinal^* in Gasen und Flüssigkeiten
  • longitudinal^* und transversal (s.u.) in festen Medien

^*siehe Animation vorherige Folie

Einteilung

Einteilung

• Infraschall
  • unterhalb des für das menschliche Gehör wahrnehmbaren Bereichs von unter 16 Hz
• Hörschall
  • für das menschliche Gehör wahrnehmbare Bereich von 16 Hz bis 20 kHz
• Ultraschall
  • = oberhalb des für das menschliche Gehör wahrnehmbaren Bereichs von 20 kHz bis 1,6 GHz
• Hyperschall
  • = oberhalb des für das menschliche Gehör wahrnehmbaren Bereichs von über 1,0 GHz

Eigenschaften von Schallwellen

können reflektiert werden

als Echo wahrgenommen

können gestaucht/gedehnt werden (Doppler-Effekt)

• Verringerung Sender-Empfänger-Abstand erhöht die wahrgenommene Frequenz
• Vergrößerung vermindert die wahrgenommene Frequenz

können gebrochen werden (= Refraktion)

es kommt zur Richtungsänderung beim Übergang von Schallwellen in ein Medium mit anderer Schallgeschwindigkeit

können gebeugt werden (= Diffraktion)

es kommt zur Ablenkung von Schallwellen an einem Schallhindernis, wodurch der Schall in auf geradem Weg versperrte Bereiche dringt

können sich überlagern (Interferenzen)

konstruktive Interferenz bedeutet eine Verstärkung
destruktive Interferenz bedeutet eine Auslöschung

Interferenzen

bei Phasengleichheit Amplitudenverstärkung, bei Ungleichheit Minderung bis Auslöschung

Medizinischer Ultraschall

Medizinischer Ultraschall

• an piezoelektrische Kristalle angelegter Wechselstrom erzeugt Ultraschallwellen
• auf Gewebe aufgelegte piezoelektrische Kristalle geben an dieses Ultraschallwellen ab
• die Ultraschallwellen werden von den verschiedenen Gewebestrukturen reflektiert
• die Reflexionen erzeugen in piezoelektrischen Kristallen ein elektrisches Signal
• das elektrische Signal kann in ein Bild umgewandelt

Medizinischer Ultraschall: Schallköpfe

Linearschallkopf, Konvexschallkopf, Sektorschallkopf

Ultraschall-Impuls und zeitliche Auflösung

der Schallkopf sendet Impuls mit bestimmter Impulsdauer (= Pulse Width)
und wartet dann auf Echosignale

Ultraschall-Impuls und zeitliche Auflösung bei Reflektion

der Schallkopf empfängt aufgrund aufgrund einer Reflektion 2 Echosignale

Darstellungsmethoden des elektrischen Signals

• A-Mode
• B-Mode
• D-Bild (2D realtime)
• M-Mode

A-Mode (Amplitude Mode Scan)

Darstellung des empfangenen Echosignals in einem Diagramm

Die x-Achse zeigt die Eindringtiefe, die y-Achse die Stärke des empfangenen Echosignals. Je höher der Ausschlag der Messkurve, desto echogener das Gewebe in der angegebenen Tiefe

B-Mode (brightness modulation)

In der Darstellung des empfangenen Echo wird die Echostärke im Gegensatz zum A-Mode nicht mehr auf der y-Achse aufgetragen sondern in Helligkeit dargestellt

• Wird der Ultraschall-Meßstrahl an einer Stelle belassen und das empfangene Signal auf einer Zeitachse abgebildet lassen sich Bewegungen der Strukturen darstellen (= M-Mode)
• Wird der Ultraschall-Meßstrahl (automatisch) geschwenkt lässt sich mittels B-Mode hingegen ein zweidimensionales Bild aufbauen (= 2D-Bild)

M-Mode

zeigt die Bewegungsabläufe von Strukturen und Organen, hat an Bedeutung verloren, in bestimmten Situationen wertvoll.

Vorteil des M-Mode

• hohe zeitliche Auflösung
  • Abtastrate bei ca. 1000 bis 2000 Impulse/sec., dem gegenüber besitzt das D-Bild nur 30-100 Bilder/sec.
• ermöglicht die Messung von Zeitintervallen
• für bestimmte Messungen günstig

heutiger Einsatz des M-Mode

• TAPSE
• MAPSE (= AVPD)
• Beurteilung der Beweglichkeit bestimmter Strukturen
  • hochfrequente Bewegungen von Vegetationen, frühzeitiger systolischer Aortenklappenschluss bei subvalvulärer Aortenstenose, diastolisches Flimmern der Mitralklappe u./o. interventrikulären Septums bei Aortenklappeninsuffizienz
• Beurteilung von Kunstklappen

M-Mode-Sonderformen

• Farbdoppler M-Mode (Timing der Strömung, d.h. Strömungsausbreitung)
• Gewebe-Doppler M-Mode (Myokardfunktion, Timing von Ereignissen, Septal flash)
• Anatomischer M-Mode/ Curved M-Mode
• Strain-Analyse

2D-Bild

2D-Bild (realtime)

cW-Doppler

pW-Doppler

Farbdoppler

Fragen?