Akustische Wellen mit einer Frequenz über 20 KHz sind physikalisch als Ultraschall definiert.
Der Ultraschall liegt oberhalb der menschlichen akustischen Wahrnehmung und kommt in vielen Bereichen zur Anwendung (HARMS 1992). In der medizinischen Diagnostik werden meist Schallfrequenzen von 2 bis 20 MHz eingesetzt.
Die bildgebende Sonographie macht sich zur Erzeugung von Ultraschallwellen den sogenannten piezoelektrischen Effekt zu Nutze. Dabei wird ein in der Ultraschallsonde befindlicher Kristall durch das Anlegen elektrischer Spannung deformiert und sendet als Folge der Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie Ultraschallwellen aus. Anschließend arbeitet der Kristall als Empfänger der vom Gewebe reflektierten Schallwellen (umgekehrter Piezoeffekt). Man bezeichnet dies auch als Impuls-Echo-Verfahren (HITTMAIR 1997).
2.1.1 Signaldarstellung und Bildkonstruktion
Für die Bildwiedergabe kommen verschiedene ein- oder zweidimensionale Verfahren zur Anwendung. Zu den eindimensionalen Verfahren gehört das A (Amplituden)-Mode-Bild, bei dem die Echoamplituden eines einzelnen Ultraschallstrahls in zeitlicher Abfolge dargestellt werden. Jede Amplitude repräsentiert die akustische Grenzfläche zweier Gewebe, wobei deren Höhe der Intensität des produzierten Echos und deren Lokalisation auf der Zeitachse der Entfernung der Grenzfläche zum Schallkopf entspricht (BARR 1992). Dieses Verfahren wird heutzutage hauptsächlich in der Ophthalmologie eingesetzt (BOYDELL 1995). Bei der ebenfalls eindimensionalen Darstellung des M (Time-Motion)-Modus werden die Amplituden der Echos durch Punkte unterschiedlicher Helligkeit auf dem Bildschirm dargestellt. Während in vertikaler Richtung die durch den Ultraschallstrahl getroffenen Grenzflächen abgebildet werden, ist ihre eventuelle zeitliche Form- oder Lageveränderung an dem waagerechten Verlauf der M-Mode-Kurve abzulesen (POULSEN NAUTRUP 2001). Dieses Verfahren dient in erster Linie der Darstellung intrakorporaler Bewegungsabläufe und wird deshalb fast ausschließlich in der Kardiologie eingesetzt (STEIN u. MARTIN 1994). Das auch in dieser Arbeit zur Anwendung kommende dynamische, zweidimensionale B (Brightness)-Mode-Verfahren verwendet mehrere Ultraschallstrahlen. Die Echos jedes einzelnen Strahls werden analysiert und als Bildpunkte unterschiedlicher Graustufen auf dem Bildschirm wiedergegeben (HITTMAIR 1997). Die Position des jeweiligen Punktes ist abhängig von der Entfernung des
reflektierten Gewebes zum Schallkopf und die Helligkeit, der sogenannte Grauwert des Bildpunktes, ist proportional zu der Amplitude des zurückkehrenden Echos (HAN u. HURD 1994). Dadurch erhält man ein zweidimensionales Schnittbild des untersuchten Gewebes, das mit einer Bildfolgefrequenz von mehr als 15 Bildern pro Sekunde ständig aktualisiert wird. Mit dieser Methode können also Bewegungsabläufe ebenfalls dargestellt werden. Es ist das in der Human- und Veterinärmedizin vorwiegend angewandte Verfahren und wird auch als Real-Time-Verfahren bezeichnet (FRITSCH u. GERWING 1993).
2.1.2 Schallsonden
Die Art des Schallkopfes, auch Transducer oder Scanner genannt, spielt eine wichtige Rolle bei der Ultraschalluntersuchung. Im Real-Time-Verfahren sind verschiedene Ausführungen gebräuchlich, die sich in der Anordnung der piezoelektrischen Elemente und in der Form des entstehenden Schnittbildes unterscheiden (DELORME u. DEBUS 1998).
In den Linearschallköpfen sind die Piezoelemente nebeneinander angeordnet und senden parallel verlaufende Schallbündel aus, wobei kleine Kristallgruppen abwechselnd aktiviert werden. Es entsteht ein rechteckiges Schnittbild (STÜTZEL 1994). Der Vorteil dieses Scanners liegt in der guten Bildauflösung im schallkopfnahen Bereich und der vergleichsweise einfachen Interpretation des Bildes (POULSEN NAUTRUP 2001). Allerdings ist die Anwendbarkeit von Linearsonden durch ihre relativ große Auflagefläche in manchen Bereichen eingeschränkt (BARR 1992). Eine Variation des Linearschallkopfs ist der Konvexschallkopf.
Dieser besitzt eine gekrümmte Oberfläche mit bogenförmig angeordneten piezoelektrischen Elementen, woraus ein leicht divergierendes Blickfeld resultiert. Wegen der kleineren Ankopplungsfläche ist er besonders für die abdominale Sonographie beim Kleintier geeignet (FRITSCH u. GERWING 1993). Von den sogenannten Sektorscannern werden die Schallwellen divergierend ausgesandt, dabei wird ein schmal-trapezförmiges Bild erzeugt. Die meist ein bis acht Piezokristalle rotieren bei der mechanischen Ausführung entweder um eine Achse oder führen eine Pendelbewegung aus. In den elektrischen Phased Array Sektor-Schallköpfen sind Einzelkristalle fest installiert, werden elektronisch kurz nacheinander aktiviert und senden so einen fächerförmigen Schallstrahl aus. Die neueren Annular-Array-Schallköpfe kombinieren mechanische und elektrische Eigenschaften bei ringförmiger Anordnung der Piezoelemente (KLEWS 1993). Aufgrund der kleinen Auflagefläche ist der Sektorscanner besonders gut bei kleinen akustischen Fenstern, wie zum Beispiel den Interkostalräumen einzusetzen. Nachteile sind die schlechte Auflösung im Nahbereich sowie die eventuelle Verzerrung schallkopfferner Strukturen (SIEMS 2000).
2.1.3 Verhalten von Ultraschallwellen im Gewebe
Im biologischen Gewebe breiten sich Ultraschallwellen nahezu ausschließlich als Longitudinalwellen aus. Sie unterliegen dabei den auch aus der Optik bekannten Gesetzen von Reflektion, Streuung, Brechung, Beugung und Absorption. Der gewebsspezifische Widerstand, den sie beim Eindringen in das Gewebe überwinden müssen und der auch als akustische Impedanz bezeichnet wird, ist von der Dichte des Gewebes und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen abhängig (KEALY u. McALLISTER 2000).
Treten im Gewebe Impedanzunterschiede auf, so verhält sich die Grenze dazwischen als akustische Grenzfläche und die Schallwellen werden zu einem bestimmten Anteil reflektiert.
Dieser Anteil ist um so größer, je größer der Impedanzunterschied der Gewebe ist (NYLAND u. MATTOON 1995). Zudem wird das Ausmaß der Reflektion durch die Beschaffenheit der Grenzfläche und den Winkel, in dem der Schallstrahl auftrifft, beeinflusst. An unregelmäßigen Grenzflächen wird ein prozentual kleinerer Anteil der Schallwellen reflektiert, da die Schallwellen stärker gestreut werden. Ähnlich verhält es sich, wenn der Schallstrahl mit einem Winkel von kleiner als 90° auf die Grenzfläche trifft. In diesem Fall werden die reflektierten Schallwellen nicht um 180° zurückgeworfen und erreichen den Trancducer nicht (GODDARD 1995). Durch Absorption, d.h. Umwandlung der Bewegungsenergie in Wärme, erleidet der verbleibende transmittierte Schallstrahl einen Intensitätsverlust, der in Weichgeweben durchschnittlich zwischen 0,4 bis 1 dB pro 1 cm Eindringtiefe pro ein MHz liegt und somit von der Beschaffenheit der Gewebe und der Schallwellenfrequenz abhängig ist. Daraus resultiert eine geringere Eindringtiefe bei höheren Frequenzen (STEIN u. MARTIN 1994).
Charakteristische Besonderheiten treten bei der sonographischen Untersuchung von Knochen, luft-oder flüssigkeitsgefüllten Strukturen auf. Trifft der Schallstrahl auf Knochen, werden 50 Prozent der Schallwellen reflektiert und der Rest wird absorbiert, so dass hinter knöchernen Strukturen keine weitere Energie für die Bildentstehung vorhanden ist und ein sogenannter Schallschatten entsteht (POULSEN NAUTRUP 2001). Dieser wird auch hinter Grenzflächen zu luftgefüllten Räumen durch eine Totalreflexion hervorgerufen. Im Gegensatz dazu werden die Schallwellen in wässrigen Flüssigkeiten nahezu ohne Intensitätsverlust weitergeleitet, was distal der Flüssigkeit gelegene Strukturen besonders gut sichtbar werden lässt. Man bezeichnet dies als relative Schallverstärkung (DELORME u. DEBUS 1998).
2.1.4 Bildartefakte
Zur Vermeidung von Fehlinterpretationen ist die Kenntnis der häufigsten in der Ultraschalldiagnostik vorkommenden Bildartefakte unumgänglich. Unter Artefakten versteht man in diesem Zusammenhang Darstellungen auf Ultraschallbildern, welche tatsächlichen Gegebenheiten anatomischer oder physiologischer Natur nicht oder nur teilweise entsprechen (MEIER 1989). Nachfolgend werden die wichtigsten möglichen Artefakte im Hinblick auf Ursachen und Vorkommen dargestellt.
Wiederholungsechos und akustische Spiegelungen
Bei Geweben mit großem Impedanzunterschied kann es durch den hohen Anteil reflektierter Schallwellen zu wiederholten Spiegelungen kommen, so dass im Anschluß an die erste, echte Reflexion mehrere Echos in gleichem Abstand mit abnehmender Intensität auftreten. Diese Wiederholungsechos bezeichnet man auch als Reverberationen (BRÜGMANN 1994).
Typischerweise geschieht das bei schlechter Ankopplung des Schallkopfs an die Körperoberfläche. Es kann aber auch durch Strukturen im Körperinneren wie möglicherweise gasgefüllte Darmschlingen oder den Beckenboden bei der transrektalen Sonographie des Rindes zur Ausprägung dieses Phänomens kommen (KÄHN 1991). Als Synonyme werden bei besonders zahlreichen Wiederholungsechos die Begriffe Kometenschweif-Artefakt und Ring-down-Phänomen gebraucht. Eine spezielle Form ist das Spiegelbildartefakt, bei dem die Echos zwischen zwei Gewebsflächen mehrfach reflektiert werden. Das Echo wird dabei durch die verlängerte Rückkehrzeit zum Schallkopf tiefer im Gewebe als Spiegelbild der eigentlichen Gewebsstruktur dargestellt (HITTMAIR 1997). Ein Beispiel für akustische Spiegelungen ist die Zwerchfell-Lungen-Grenze, an der die Leber gespiegelt dargestellt wird.
Rauschen
Als Rauschen werden zahlreiche kleine bis mittelgroße, mehr oder weniger unregelmäßige Echos im Bild bezeichnet. Es ist besonders auffällig in schallkopfnahen und echofreien Bezirken und kann durch eine zu hohe Einstellung der Gesamtverstärkung am Ultraschallgerät selbst oder Störströme anderer technischer Geräte wie Kühlschränke im gleichen Raum hervorgerufen werden (MEIER 1989).
Schichtdickenartefakt
Bei diesem Artefakt handelt es sich um einen Saum feiner, unscharf abgegrenzter, wandständiger Binnenechos am Rand von flüssigkeitsgefüllten Organen. Er tritt charakteristischerweise bei der Untersuchung von Harn- und Gallenblase auf (HAN u. HURD 1994). Grund dafür ist das schräge Auftreffen eines Schallstrahls mit großer lateraler Ausdehnung auf eine Grenzfläche zwischen reflexkräftigem und reflexlosem Material, wodurch Echos geringer Intensität entstehen und Konturen unscharf und breiter erscheinen (BRÜGMANN 1994).
Schallschatten und Schallverstärkung
Auf die Entstehung von Schallschatten hinter knöchernen Strukturen und die relative Schallverstärkung distal von flüssigkeitsgefüllten Organen wurde im Punkt 2.1.3. bereits hingewiesen. Eine Besonderheit ist der sogenannte Tangentialschatten. Dieser wird durch Beugung und Brechung des Schallstrahls am Rand von runden, meist flüssigkeitsgefüllten, zystischen Gebilden hervorgerufen (BARR 1992). Der Bereich distal der lateralen Reflexgrenze erscheint streifenförmig echofrei (PENNINCK 1995).