Physikalische Grundlagen und Definitionen der Sonographie

2.1.1 Ultraschall

Als Ultraschall werden Schallfrequenzen bezeichnet, die sich oberhalb der Hörschwelle im Bereich von 20000 bis 100 Millionen Schwingungen pro Sekunde (20 kHz bis 100 MHz) befinden (GIESE 1997). Akustische Wellen sind mechanische Dichtewellen und damit an Materie gebunden. In einer Schallwelle schwingen die Teilchen eines Stoffes mit einer bestimmten Anregungsfrequenz um ihre Ruhelage (GLADISCH 1992). Die Ausbreitung im Gewebe erfolgt in Form von Longitudinalwellen (FRITSCH u. GERWING 1993). In Richtung der Ausbreitung wechseln sich dabei im durchlaufenen Medium Zonen hoher Dichte mit Zonen niedriger Dichte ab. Die Phase eines vollständigen Verdichtungs- und Verdünnungszyklus wird als Periode T bezeichnet: T = λ / c.

Der Abstand zwischen zwei Zonen gleicher Schwingungsphase wird als Wellenlänge λ beschrieben. Die Wellenlänge λ ist abhängig von der Schwingungsfrequenz f und der Schallgeschwindigkeit c: λ = c / f.

Die Frequenz f ist definiert als Anzahl der Perioden pro Zeiteinheit. Dies wird ausgedrückt im Kehrwert der vollständigen Periode T einer Schwingung: f = 1 / T Die Einheit der Frequenz wird mit Hertz (Hz) bezeichnet. Ein Hertz bezeichnet dabei eine vollständige Periode pro Sekunde.

Die Schallgeschwindigkeit c ist definiert als: c = λ x f

Die Geschwindigkeit ist abhängig von der Dichte ς und Elastizität (Elastizitätsmodul E) des Ausbreitungsmediums. Je höher die Dichte, desto schneller kann sich der Schall ausbreiten: c = E / ς

Beispiele (ZINK 1996; POULSEN NAUTRUP 2001a):

anorganisches Material Luft 343 m/s Wasser 1485 m/s menschliches Gewebe Fett 1450 m/s Muskel 1585 m/s Knochen 3300 m/s

2.1.2 Schalleffekte im Gewebe

Die akustischen Eigenschaften eines Gewebes werden mit dem Begriff der Impedanz Z beschrieben (ZINK 1996).

Dieser charakterisiert den spezifischen Schallwellenwiderstand des Mediums. Darunter versteht man den Widerstand, der überwunden werden muß, um die Moleküle aus dem Ruhezustand in Schwingung zu versetzen. Sie ist das Produkt aus Dichte und Ausbreitungsgeschwindigkeit: Z = ς x c

Treten in einem Medium Impedanzunterschiede auf, so wird dies als akustische Grenzfläche angesprochen (FRITSCH u. GERWING 1993). An diesen Grenzflächen kommt es gemäss den physikalischen Gesetzen der Optik zur Reflexion, Brechung, Streuung, Absorption oder Dämpfung der Schallwellen.

An der Grenzfläche zweier Medien unterschiedlicher Impedanz kommt es durch die sprunghafte Änderung der Teilchenbewegung zur Reflexion von Schallwellen. Ein Teil der Wellen wird als Schallecho reflektiert, während der andere sich im zweiten Medium ausbreitet. Letzteres Phänomen wird als Transmission bezeichnet. Aufgrund der Konstanz der Schallgeschwindigkeit wird das Schallecho nur vom Dichteunterschied der beiden aneinandergrenzenden Medien beeinflusst. Erhöhen sich die Dichte- und Impedanzunterschiede, sinkt der transmittierte Anteil des Schalls, während sich der reflektierte Anteil erhöht. Dieses geschieht direkt proportional zur Differenz der akustischen Impedanzen der aneinandergrenzenden Medien. Für die Reflexion gilt, dass der Einfall- dem Ausfallwinkel entspricht. Bei der Transmission wird der Schall je

nach Dichte des zweiten Mediums zum Lot auf die Grenzfläche hin oder von dieser weg gebrochen.

Die Brechung wird auch als Refraktion bezeichnet und beschreibt die Veränderung der Ausbreitungsrichtung von Wellen beim Durchtritt durch eine glatte Grenzfläche.

Bei der Streuung handelt es sich um eine ungerichtete Reflexion an einer rauhen Grenzfläche. Die gestreute Fraktion des intermittierten Schalls steigt, je kleiner die streuende Struktur im Vergleich zur Wellenlänge des Schalls ist. Die Stärke der Streuung ist dabei abhängig von der Frequenz der Schallwellen. Je höher die Frequenz, desto höher ist auch der Anteil der Streuung.

Neben Reflexion und Streuung ist das Phänomen der Absorption zu beobachten.

Hierbei reduziert sich die Schallintensität bei der Penetration des jeweiligen Mediums exponentiell zur Eindringtiefe. Die Energie wird dabei in Bewegungsenergie der Moleküle und Wärmeenergie durch Reibungsverluste überführt. Diese Dämpfung, die von der Dichte, der Homogenität des Mediums und der Schallfrequenz abhängt, beträgt in Weichteilgeweben ca. 1 dB/cm x Schallfrequenz in MHz. Um gleiche Impedanzunterschiede zwischen Medien verschiedener Dichte tiefenunabhängig mit gleichen absoluten und relativen Helligkeiten im B-Bild darstellen zu können, ist eine tiefenabhängige Schallechoverstärkung zum Ausgleich des von der Eindringtiefe abhängigen Schallintensitätsverlustes erforderlich. Dem Untersucher bietet sich die Möglichkeit, dies mit Hilfe des Tiefenausgleichsreglers (depth-/time-gain-compensation, DCG oder TCG) zu erreichen. Als Folge der linearen Proportionalität zwischen Schallfrequenz und Absorptionsgrad sinkt die Eindringtiefe im Medium mit steigender Frequenz des ausgesandten Schalls (KUTTRUFF 1988; GINTHER 1995).

2.1.3 Erzeugung und Empfang von Ultraschallwellen

Die Erzeugung von Ultraschallwellen erfolgt durch den inversen piezoelektrischen Effekt.

Den dafür verwendeten piezoelektrischen Kristallen und Keramiken ist gemein, dass sie ihre Dicke durch Anlegen einer elektrischen Spannung verändern. Es kommt so zu einer Wandlung elektrischer in mechanische Schwingungen. Diese Schwingungen werden als

periodische Druckwellen an das umgebende Gewebe abgegeben. Wird eine hochfrequente Wechselspannung angelegt, so schwingt der Kristall mit dieser Frequenz und erzeugt an seiner Oberfläche Ultraschallwellen (POULSEN NAUTRUP 2001b). Für den Empfang kann nun derselbe Kristall verwendet werden, indem er als Schallsender schweigt und intervallweise nicht angeregt auf das Eintreffen reflektierter Schallwellen wartet. Diese versetzen ihn dann in mechanische Schwingungen, die ihrerseits an den beiden Oberflächen positive bzw. negative Ladungen erzeugen, welche als elektrische Spannung registriert werden können. Dieser Effekt wurde erstmals im Jahre 1880 von Pierre Curie beschrieben.

Die sonographische Darstellung von Geweben beruht auf der unterschiedlichen Transmission und Reflexion von Ultraschallwellen im Gewebe. Im Real-time-

B-Bildverfahren (B = brightness = Helligkeit) werden die in einer Linie liegenden reflektierenden Grenzflächen auf dem Monitor als Punkt unterschiedlicher Helligkeit dargestellt. Diese Form ermöglicht eine zweidimensionale Darstellung des untersuchten Gewebes. Die Echos werden aufgrund der gemessenen Laufzeiten einer bestimmten Tiefe im Untersuchungsfeld zugeordnet. Die unterschiedliche Schallreflexionsqualität der Gewebe wird durch unterschiedliche Helligkeiten bzw. Graustufen wiedergegeben (STEIN u. MARTIN 1996).

Am Ende entsteht ein Ultraschallbild, welches die Umrisse des Objektes und seiner Binnenstrukturen widerspiegelt.

Das Schallfeld, welches über das zu untersuchende Organ gelegt wird, ist unterteilt in ein Nahfeld (Interferenzfeld, Fresnel-Zone), welches zwischen Sender und Fokus liegt, und einem Fernfeld (Frauenhofer-Zone). Zur Diagnostik wird aufgrund der gleichmässig verteilten Druckverhältnisse das Fernfeld gewählt (KUTTRUFF 1988; KAPLAN 1991;

GINTHER 1995). Bei der Graustufenanalyse hingegen bemüht man sich um eine möglichst direkte Ankopplung an das Untersuchungsobjekt, um Artefakte durch Schallablenkungen oder Verwacklungen auszuschliessen (GEBEL et al.1984; ZIELKE et al. 1985).