Ultraschallverfahren

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass es sich bei den nuklearmedizinischen bildgebenden Verfahren um Verfahren mit einer geringen Ortsauflösung und einem geringen Kontrast handelt. Es besteht ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis. Zumeist ergibt sich eine schlechte Abgrenzbarkeit von Objekten, da diese häufig keine geschlossenen Konturen auf-weisen. Beim SPECT und PET gibt es die Möglichkeit, 3D-Informationen zu gewinnen. Die Kosten für die Verfahren liegen im mittleren Bereich.

Eingesetzt werden nuklearmedizinische Verfahren in der Medizin zur Darstellung von Körperfunktionen. Dies betrifft vor allem Organe, wie Schilddrüse, Nieren, Herz, Gehirn und Skelett.

Der Einsatz von Bildverarbeitungsverfahren wurde bisher u.a. zum Auffinden von Tumo-ren, zur Erkennung von Durchblutungsdefekten und anderen Erkrankungen des Herzens so-wie zur Identifizierung von Erregungsmustern in der Hirnforschung untersucht. Im Beispiel-teil im Kapitel 9.3.3 werden Möglichkeiten zur Verbesserung der Auswertung von dynami-schen SPECT-Aufnahmen des Herzens beschrieben.

Schall-wellen. Durch alle diese Prozesse entstehen die für die Ultraschallbilder typischen Speckle-muster im dargestellten Gewebe.

Abb. 4.20: Ultraschallbild von einem Lymphknoten und 20 MHz-Bild von einem Hauttumor, bei dem eine Farbkodierung der Stärke der Schallreflexionen vorgenommen wurde (Bilddaten von der Klinik für Dermatologie und Venenheilkunde der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg)

Durch Ausnutzung des Doppler-Effekts können mittels Ultraschallgerät auch Blutströmun-gen aufgezeichnet werden. Der Doppler-Effekt bezeichnet dabei die physikalische EiBlutströmun-gen- Eigen-schaft, dass bei jeder Wellenart (Schallwelle, elektromagnetische Welle, Lichtwelle) eine Än-derung der Frequenz eintritt, sobald sich Beobachter und Wellenerreger relativ zueinander bewegen. Ein Beispiel für ein solches US-Doppler-Bild ist in Abbildung 4.22 dargestellt.

Die Qualität der Ultraschallbilder hängt im wesentlichen von der mit dem Gerät erzielba-ren örtlichen Auflösung ab. Die axiale Auflösung wird dabei durch die Länge des Schallim-pulses und durch die Wellenlänge bzw. durch die Frequenz bestimmt. Die laterale Auflösung ist durch die Breite der Strahlungscharakteristik des Schallkopfes gegeben und hängt von der Frequenz und dem Schwingerdurchmesser ab. Ein weiterer Parameter ist das Kontrastauflö-sungsvermögen, welches beschreibt, wie sich Strukturen mit ähnlicher Gewebecharakteristik voneinander unterscheiden. Es wird in erster Linie von den Schallleitungsgeschwindigkeiten beeinflusst. Aufgrund der Proportionalität zwischen Schallabschwächung und Schallfrequenz Abb. 4.21: Darstellung eines US-Doppler-Bildes zur Erfassung der Durchblutung ei-nes Lymphknotens. Die Richtung und Stärke des Blutflusses in den Gefäßen ist dabei farblich kodiert. (Bilddaten von der Klinik für Dermatologie und Venenheil-kunde der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg)

nimmt die Eindringtiefe mit höherer Frequenz ab. Einfluss auf die Bildqualität haben weiter-hin noch der dynamische Bereich und die Bildfolgefrequenz bei bewegten Objekten.

Da die Sonographie im strengeren Sinne keine anatomischen Strukturen, sondern physika-lische Phänomene darstellt, aus denen dann auf die Gewebestrukturen geschlossen wird, kann es durch nicht korrekte Wiedergabe der anatomischen Reflektoren zu Diskrepanzen zwischen dem Dargestellten und der realen Struktur kommen. Für die Bilddarstellung heißt dies, dass auftretende Artefakte tatsächlich nicht vorhandene Strukturen suggerieren, die Darstellung vorhandener Strukturen verhindern und die Lokalisation, Form und Reflektivität einer Struk-tur verändern können. Darum ist die Kenntnis der möglichen vorkommenden Artefakte eine unbedingte Voraussetzung für die Beurteilung von Ultraschallbildern. So können Laufzeitfeh-ler infolge von Schallgeschwindigkeitsänderungen auftreten. Diese bedingen, dass die Lage von Bildpunkt und Objektpunkt nicht übereinstimmen. Durch Brechungsfehler kann gleich-falls der Bildpunkt gegenüber dem Objektpunkt verschoben dargestellt sein. An Organgren-zen mit großen Impedanzsprüngen können Spiegelechos bzw. Mehrfachechos entstehen. Bei ersteren treten abhängig vom Einschallwinkel zusätzlich verschobene Bildpunkte hinter der Grenzfläche und bei letzteren zwischen der Grenzfläche und dem Schallkopf auf. Weiterhin können durch niedrigfrequente Querschwingungen Hyperbelartefakte im Bild existieren. In-folge zu langsamer Scanbewegung bei Organpulsationen oder -bewegungen, kann es zu Be-wegungsartefakten in Form einer wellenförmigen Verzeichnung und zu Unschärfen bei be-wegten Organen kommen. Hinter stark reflektierenden oder absorbierenden Grenzflächen können Schallschatten im Bild auftreten. Sie erscheinen als echofreier Streifen. Ein weiterer möglicher Fehler ist, dass durch den automatischen Tiefenausgleich bei den Ultraschallgerä-ten die hinter weniger stark absorbierenden Regionen liegenden Gewebestrukturen häufig ü-berstrahlt wiedergegeben werden. Dies tritt z. B. hinter Flüssigkeitsregionen auf. Kometen-schweifartefakte ergeben sich infolge einer erhöhten Echointensität nach Luftbläschen, ver-kalkten Granulomen bzw. Metall- und Glasfremdkörpern. Als letzte Bildfehler seien noch Nebenkeulenartefakte aufgrund der technischen Gegebenheiten des Schallkopfes und Fehler wegen mangelnder Schallankopplung erwähnt. Eine ausführliche Beschreibung und bildliche Darstellung der Ultraschallartefakte befindet sich in [Reim97].

Soll eine quantitative Auswertung der Ultraschallbilder erfolgen, so müssen noch weitere Einflüsse berücksichtigt werden. Diese können vom Untersucher herrühren oder durch biolo-gische Gegebenheiten, wie unterschiedliche Dicke des subkutanen Fettgewebes und unter-schiedliche Konstitution der Patienten, bedingt sein. Geräteseitig wird das Bild durch die Wahl von Schallfrequenz, Geräteverstärkung und Fokus beeinflusst. Schließlich spielen auch noch Einflüsse des Schallkopfes, wie seine Orientierung (Longitudinal- oder Transversal-schnitt), der ausgeübte Auflagedruck und der Beschallungswinkel, eine Rolle [Mill87].

Zusammenfassend kann man einschätzen, dass es sich bei der Ultraschallbildgebung um ein Verfahren mit mittlerer bis hoher Auflösung, je nach verwendeter US-Frequenz, und ge-ringem Kontrast handelt. Infolge der vielfältigen physikalischen Prozesse bei der Ultra-schallausbreitung im Gewebe weisen die Bilder meist ein niedriges Signal-Rausch-Verhältnis auf. Ein weiterer Nachteil ist, dass aufgrund der vielen Artefaktmöglichkeiten meist eine schlechte Abgrenzbarkeit von Objekten gegeben ist, da diese häufig keine geschlossenen Konturen zeigen. Unter dem Aspekt der Durchführung von Vergleichsuntersuchungen stehen den geringen Kosten und der Unbedenklichkeit in der Anwendung die hohe zeitliche Inan-spruchnahme des Untersuchers entgegen. Zum Erhalt von 3D-Informationen ist gleichfalls ein aufwändiges Vorgehen nötig.

Eingesetzt wird die Ultraschallbildgebung für medizinische Fragestellungen bei parenchy-matösen Organen und Hohlorganen. Dabei werden Aussagen über die Organabmessungen,

deren Lage und Veränderung, über die Gewebestrukturen, über das Vorhandensein von Flüs-sigkeiten, über Bewegungs- und Funktionsabläufe und über Blutströmungen gewonnen [Schi87].

Häufig im Rahmen der medizinischen Bildverarbeitung bearbeitete Fragestellungen sind die Erkennung von Plaques in intravaskulären Ultraschallbildern und die Erkennung und Vermessung der Herzkammern in 3D-Ultraschallbildern. Weitere Untersuchungen beschäfti-gen sich mit der Segmentierung von Follikeln in Ultraschallbildern der Ovarien um eine Ver-besserung in der Reproduktionsmedizin zu erreichen und mit der Volumenvermessung ver-schiedener Organe, z.B. von Prostata und Milz, um den Verlauf bestimmter Therapien besser beurteilen zu können. Neben diesen Arbeiten, die jeweils eine Segmentierungsaufgabe bein-halten, gibt es noch zahlreiche Forschungsarbeiten, die sich mit Aspekten der Gewebediffe-renzierung beschäftigen. Fragestellungen sind hier z. B. die Unterscheidung zwischen ver-schiedenen Muskelerkrankungen, die Differenzierung zwischen malignen und benignen Tu-moren und zwischen verschiedenen Lymphknotenerkrankungen. Bei diesen Einsatzgebieten spielen Fragen hinsichtlich der Gewinnung geeigneter Merkmale zur Beschreibung der Ge-webeunterschiede und Fragen bezüglich des Einsatzes von geeigneten Klassifikatoren zur Differenzierung der Gewebe eine wichtige Rolle.