Archiv "Physikalische und technische Grundlagen der Sonographie" (14.10.1983)

0. Einleitung

Die Sonographie dürfte heute ne- ben der Röntgentechnik das ver- breiteste bildgebende Verfahren in der Medizin sein. Ultraschallge- räte sind für viele medizinischen Fachdiszipilinen wichtige diagno- stische Hilfsgeräte. Um Möglich- keiten und Grenzen des Verfah- rens und der Sonogramm-Analyse beurteilen zu können, sind Kennt- nisse des die Abbildung erzeugen- den technischen Systems erfor- derlich. Auch bei einem Gerätever- gleich hinsichtlich Leistungsfähig- keit und Qualität der erzeugten Sonogramme ist technisches Ver- ständnis notwendig. Verständnis der Technik setzt Kenntnisse der physikalischen Eigenschaften und Gesetze des Ultraschalls voraus;

sie sind Grundlage der Geräte und Bilderzeugung und bestimmen auch die Grenzen des Verfahrens.

1. Physikalische Grundlagen (Physik des Schallfeldes) 1.1. Schall und Ultraschall Schall- und Ultraschallwellen sind mechanische Schwingungen von Materieteilchen in Gasen, Flüssig- keiten oder festen Körpern. Sie werden von einer Schallquelle er- zeugt, die die Teilchen an einer Stelle in gleichem Takt bewegt, breiten sich durch Übertragung

des Bewegungszustandes über elastische Kräfte zwischen den Teilchen auf die benachbarten Teilchen aus und erscheinen als zeitlich und räumlich veränderli- che Verdichtungen und Verdün- nungen im übertragenden Me- dium. Schallwellen sind an ein Me- dium gebunden; im leeren Raum können keine Schallwellen existie- ren (Darstellung 1).

Schallwellen sind Longitudinal- wellen, also Schwingungen der Teilchen um ihre Ruhelage in Richtung der Wellenausbreitung.

Die von der Schallquelle hervorge rufene Störung der Teilchenan- ordnung pflanzt sich wegen der elastischen Koppelung der Teil- chen in Ausbreitungsrichtung fort;

die stofflichen Teilchen selbst be- wegen sich jedoch nicht durch das Medium, sie schwingen nur um ihre Ruhelage.

Prinzipiell zu unterscheiden von den Ultraschallwellen sind elektro- magnetische Wellen: Lichtwellen, Rundfunkwellen, Röntgenstrah- len. Sie sind nicht an Materie ge- bunden und können sich auch im Vakuum ausbreiten. Darüber hin- aus sind elektromagnetische Wel- len im Gegensatz zu den longitudi- nalen Schallwellen transversale Wellen. Schallwellen und elektro- magnetische Wellen sind in physi- kalischer Hinsicht grundsätzlich verschiedene Erscheinungen.

Die Mehrzahl der klinisch ein- gesetzten Ultraschallgeräte sind verschiedene Arten von elektronischen Real-time- Scannern, nur wenige von ih- nen sind Compound-Scanner.

Eine Erhöhung der diagnosti- schen Sicherheit und Ausbeu- te dürfte in Zukunft weniger durch Steigerung der techni- schen Leistungsfähigkeit spe- zieller Gerätetypen erreicht werden als durch Kombina- tion verschiedener Verfahren beziehungsweise Geräte.

1.2. Physikalische Größen des Schallfeldes

Zur Charakterisierung eines Schallfeldes benutzt man einige Parameter, mit denen man die Schallwellen und ihre Ausbreitung quantitativ beschreiben kann:

1.2.1 Elongation Bei den Schwingungen verschieben sich die Teilchen um die Wegstrecke aus ihrer Ruhelage; wird als Elongation bezeichnet.

1.2.2 Schallschnelle v: Die Ände- rung der Elongation pro Zeitein- heit, die Geschwindigkeit der Teil- chen bei ihrer Schwingung, wird Schallschnelle v genannt. Zu be- achten ist, daß v die Geschwindig- keit ist, mit der sich die Teilchen um ihre Ruhelage bewegen, nicht die Geschwindigkeit, mit der die Störung im Medium weiterwan- dert.

1.2.3 Schalldruck p: Durch die Schwingungen der Materieteil- chen um ihre Ruhelage entstehen im Medium periodische Verdich- tungen und Verdünnungen, die lo- kale Druckschwankungen zur Fol- ge haben. Die Abweichung vom mittleren Normaldruck wird als Schalldruck p bezeichnet.

1.2.4 Schallgeschwindigkeit c: Im Gegensatz zur Schallschnelle v stellt die Schallgeschwindigkeit c

Physikalische und

technische Grundlagen der Sonographie

Adolf Habermehl und Bernhard J. Hackelöer

Aus dem Medizinischen Zentrum für Radiologie

(Geschäftsführender Direktor: Professor Dr. Friedhelm Heß) und dem Medizinischen Zentrum für Frauenheilkunde und Geburtshilfe (Geschäftsführender Direktor: Professor Klaus-Dieter Schulz) der Philipps-Universität Marburg/Lahn

Ausgabe A DEUTSCHES ÄRZTEBLATT 80. Jahrgang Heft 41 vom 14. Oktober 1983 43

die Geschwindigkeit dar, mit der die Störung in der Teilchenanord- nung weiterwandert und mit der auch die Energie durch die Mate- rie transportiert wird.

Diese Fortpflanzungsgeschwin- digkeit im Medium ist stark mate- rialabhängig. Für den Zusammen- hang zwischen c und den Mate- rialkonstanten Elastizitätsriiodul E und Dichte Q erhält man bei der theoretischen Ableitung die Bezie- hung

mit c = -\

71

1.2.5 Frequenz f: Wichtigste und am häufigsten gebrauchte Größe zur Charakterisierung einer Schallwelle ist ihre Frequenz f. Die Frequenz einer Ultraschallschwin- gung wird durch die Schallquelle bestimmt; sie ist materialunabhän- gig und unveränderlich.

1.2.6. Wellenlänge X.: Der Abstand zwischen zwei gleichartigen Zu- ständen der Welle, z. B. zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ver- dichtungen oder Verdünnungen, ist ihre Wellenlänge X . Sie hängt über die Beziehungen

c = f•X und f = 1 mit Schallgeschwindigkeit c, Fre- quenz f und Schwingungsdauer T zusammen. Da die Frequenz un- veränderlich ist, die Ausbreitungs- geschwindigkeit in den Medien aber differiert, wird die Wellenlän- ge materialabhängig. Ultraschall- wellen der gleichen Ultraschall- quelle haben also in Medien ver- schiedener Schallgeschwindigkeit verschiedene Wellenlängen.

1.2.7 Schallwiderstand Z: Von zentraler Bedeutung für die Aus- breitung von Schallwellen in ei- nem Medium und für die Ultra- schalldiagnostik ist der Schallwi- derstand oder die Schallimpedanz Z des Mediums. Er ergibt sich aus den Materialkonstanten Elastizi- tätsmodul E und Schallgeschwin- digkeit c nach

Editorial

Bildgebende Verfahren in der Medizin:

Ultraschall- diagnostik

In den Heften 16 vom 23. 4. 1982 und 30 vom 30. 7. 1982 hat das DEUT- SCHE ÄRZTEBLATT grund- legende Übersichten seiner Fachredakteure Professor Dr. med. Dr. rer. nat. E. H.

Graul und Professor Dr. rer.

nat. A. Habermehl über die derzeitige revolutionierende Entwicklung bildgebender Verfahren in der Medizin ver- öffentlicht. Seither ist ein weiterer Beitrag über die Praxis der sich ausbreiten- den Kernspinresonanz-Com- putertomographie (Nuclear Magnetic Resonance = NMR) erschienen (A. Rinck und Mitarbeiter, Heft 17 vom 29. 4. 1983.)

Während dieses Verfahren ebenso wie die Röntgen- Computertomographie (CT) an teure Apparate und ein- gearbeitetes technisches Personal gebunden ist, zeigt ein Blick in die Praxis, daß ein anderes der neuen bild-

Z=

mit c =

folgt für den Schallwiderstand Z = c,

das Produkt aus Dichte und Schallgeschwindigkeit..

1.2.8 Schallintensität J: Die bei der Fortpflanzung einer Schallwel- le transportierte Energie wird durch die Schallintensität J ge-

gebenden Verfahren, die Ul- traschalldiagnostik, bereits mit relativ preiswerten Gerä- ten in breitem Umfang be- trieben wird. Die meisten Kollegen haben sich dafür entweder an einem entspre- chenden Institut einige Wo- chen einarbeiten lassen oder mehrere Kurse mitgemacht.

Die Kenntnisse sind aller- dings recht unterschiedlich und bestimmen die Ergeb- nisse in nicht minder hohem Maße, wie die technische Entwicklung der Geräte das tut.

Das DEUTSCHE ÄRZTE- BLATT wird daher in loser Folge eine Reihe von Beiträ- gen zur Sonographie veröf- fentlichen. Sie sollen die physikalischen Grundlagen erklären, die Möglichkeiten und Grenzen des Verfahrens in den verschiedenen Organ- bereichen, vor allem im Ver- gleich zur Computertomo- graphie, aufzeigen und sich schließlich mit den biologi- schen Wirkungen des Ultra- schalls befassen.

Professor

Dr. med. Rudolf Gross Haedenkampstraße 5 5000 Köln 41

messen, die als die in der Zeitein- heit durch die Flächeneinheit tre- tende Energiemenge definiert ist und entsprechend die Dimension Watt/cm' hat. Es läßt sich zeigen, daß sie gleich dem Produkt aus Schalldruck und Schallschnelle ist:

J = p•v.

1.3. Ultraschall der medizinischen Diagnostik

Mechanische Longitudinalschwin- gungen in einem Medium, die eine 44 Heft 41 vom 14. Oktober 1983 80. Jahrgang DEUTSCHES ÄRZTEBLATT Ausgabe A

Frequenz zwischen 16 und 16 000 Hz haben, werden vom menschli- chen Ohr als hörbare Schallwellen wahrgenommen und als Hörschall bezeichnet. Schwingungen unter- halb von 16 Hz heißen Infraschall und können ebenso wie Schwin- gungen oberhalb 16 kHz, die den eigentlichen Ultraschall darstel- len, nicht mehr gehört werden.

Schallwellen mit Frequenzen oberhalb von 1 GHz werden als Hyperschall bezeichnet (Tabelle 1 ). Die in der medizinischen Dia- gnostik benutzten Frequenzen lie- gen im Bereich von 1 bis 16 MHz; bildgebende Systeme verwenden in den meisten Fällen Frequenzen von 2 bis 3,5 MHz, insbesondere zur Untersuchung tiefliegender Organe, während oberflächennah liegende wie Schilddrüse und Mammae mit 5 bis 7 MHz sonogra- phiert werden und in der Ophthal- mologie Frequenzen von 7 bis 10 MHz eingesetzt werden.

Die Wellenlängen von Ultraschall- wellen im Frequenzbereich zwi- schen 1 und 15 MHzliegen in Was- ser und menschlichem Gewebe zwischen etwa 1,5 und 0,1 mm.

Bei eingestrahlten Leistungsdich- ten von 1 bis maximal 100 mW/

cm^2, in der Diagnostik im allge- meinen unter 10 mW/cm2 , führt dies zu maximalen Schalldrucken von

Frequenz f

< 16Hz Infraschall 16Hz-16kHz Hörschall 16kHz- 1 GHz Ultraschall

> 1 GHz Hyperschall

10³ Hz = 1 kHz 10⁶ Hi = 1 MHz 10⁹Hz= 1 GHz Tabelle 1

Schwingung der Teilchen ,

i

Pmax = 5,5 · 1

o -

Vmax = 3,5 · 10-¹ bis 3,5 cm/sec.

Unterhalb 100 mW/cm² und 50 W · sec/cm² werden Schädigungen heute mit Sicherheit ausgeschlos- sen, während bei höheren lntensi- täten bzw. Zeit-Intensitäts-Produk- ten biologische Wirkungen für möglich gehalten werden, im all- gemeinen aber erst oberhalb 5 W/

cm² beobachtet werden.

Die maximale Elongation der schwingenden Teilchen ist von Leistung und Frequenz abhängig. Für 2 MHzergibt sich eine Elonga- tion von 3 · 10-⁷ bis 3 · 10-⁶ mm.

Schallgeschwindigkeit c, Dichte Q

und den daraus berechneten Schallwellenwiderstand Z einiger

>

~~~~MW~WM~~~~MM~~

@ Materie als elastisch gekoppelte Teilthen

~ [j

schwingend~~~

Oberfläche als +i

Schallquelle !·

r.MV'Mt/'NVVV...tMANWII>tWYW\f.MMII!Ve'NN~WN~WY\,..,..

>

Verdichtungszone

I

Verdünnungszene

i

Weltenlänge

Darstellung 1: Schallwelle als Longitudmalwelle in Materie

@ Longitudinalwelle als Verdichtungs-und Verdünnungszenen in Materie

Ausb re itu ngsrichtu n_g

Ausgabe A DEUTSCHES ARZTEBLATT 80. Jahrgang Heft 41 vom 14. Oktober 1983 47

Luft 330 0,0013 0,0043 • 10 5

Lunge 650-1160 0,4 0,26 — 0,46 • 10 5

Fett 1476 0,928 1,37 • 10 5

Wasser 1492 0,9982 1,49 • 10 5

Gehirn 1530 1,02 1,56 • 10 5

Leber 1570 1,040 1,63 • 10 5

Muskel 1545-1630 1,06 1,64 — 1,72 • 105

Knochenmark 1700 0,97 1,65 • 105

Plexiglas 2680 1,18 3,16 • 10 5

Knochen 2700-4100 1,4-1,8 3,78 — 7,38 • 10 5

17,3 • 10 5 6400

Aluminium 2,70

Schallgeschwindigkeit c

in m/sec

Dichte 0 in g/cm 3

Schallwellenwiderstand in g/cm 2 sec für die Ultraschalldiagnostik wich-

tiger Substanzen und Gewebe zeigt die Tabelle 2.

1.4. Physikalische Grundgesetze der Ausbreitung der Schallwelle Bei der Ausbreitung der Ultra- schallwelle in Materie kann die Welle absorbiert, reflektiert, ge- brochen und gestreut werden.

Für die medizinische Sonographie sind die Absorption und die Refle- xion von besonderer Bedeutung.

1.4.1 Absorption: Beim Durch- gang der Ultraschallwelle durch das Medium wird ein Teil der Ener- gie durch innere Reibung in Wär- me umgewandelt. Die Abnahme der Schallintensität läßt sich be- schreiben durch

J(x) = J o ek2cl>

worin J(x) die Intensität nach Durchlaufen einer Materialschicht der Dicke x, J, die Intensität ohne Absorption und a der die schwä- chenden Eigenschaften des Me- diums beschreibende Absorp- tions- oder Schwächungskoeffi- zient ist (Darstellung 2a).

Man kann die Dämpfung auf einer Strecke nicht nur durch Angabe von a und x, sondern auch durch Angabe des Verhältnisses zwi- schen Anfangs- und Endintensität beschreiben. Den Logarithmus dieses Verhältnisses bezeichnet man als Dämpfungsmaß A, das in Dezibel (dB) gemessen wird:

A(dB) = 10 • log —Q

Mit dem Absorptionsgesetz

-«X

erhält man für die Dämpfung A auch

A(dB) = 8,7 • a • x.

Angaben in dB finden sich häufig in Darstellungen von Ultraschall- geräten und bei Anwendungen.

Von praktischer Bedeutung ist die Tatsache, daß Knochen ein sehr großes, bis 10 dB/cm, Wasser ein sehr kleines u = 0,002 dB/cm auf- weist; Wasser also Ultraschall kaum, Knochen dagegen sehr stark absorbiert.

Der Absorptionskoeffizient u ist von der Frequenz des Ultraschalls

abhängig; für weiches Gewebe nimmt er in einem weiten Fre- quenzbereich linear, für Luft und Wasser quadratisch mit der Fre- quenz zu; für Knochen liegt die Zunahme zwischen beiden Abhän- gigkeiten.

1.4.2 Reflexion: Die für die Sono- graphie wichtigste Eigenschaft von Ultraschallwellen ist ihre Re- flexion an Grenzflächen. Medien mit unterschiedlichem Wellenwi- derstand Z stoßen in Grenzflächen aneinander. Eine auf die Grenzflä- che auftreffende Welle tritt zum Teil in das angrenzende Medium ein, zum Teil wird sie zurückreflek- tiert (Darstellung 2b). Ein um so größerer Anteil wird reflektiert, je größer der Sprung zwischen den Wellenwiderständen Z, und Z 2 der beiden Medien ist. Quantitativ wird die Reflexion durch den die reflektierte relative Energie ange- benden Reflexionskoeffizienten R beschrieben, der sich bei senk- rechtem Einfall nach

R= (Z 2 — Z1 2 Z2 +Z,

aus den Wellenwiderständen er- gibt.

Tabelle 2

48 Heft 41 vom 14. Oktober 1983 80. Jahrgang DEUTSCHES ÄRZTEBLATT Ausgabe A

Intensität J J o

J = J o • e -2"

a klein a groß

Absorption

Materialdicke x

einlaufende 114 Welle

r 4. _•-• * •

• •

Grenzfläche Medium 1 Medium 2

ei • ci Z2 = Q2 C2

O e = 0, reflektierte

Welle

Flächennormale ® Reflexion

sin ße _ c i sin O d c 2

durchgehende

d ei

Darstellung 2: Ausbreitung der Ultraschallwelle; 2a (oben): Abfall der Ultraschallintensität durch Absorption; 2b (unten): Aufspal- tung der einlaufenden Ultraschallwelle in eine reflektierte und eine gebrochene, in das Medium eintretende Teilwelle bei Reflexion an einer Grenzfläche

Ist Z1 =Z2, wirdR=O;d. h: an der Grenzfläche zwischen zwei Me- dien mit gleichem Wellenwider- stand wird keine Energie reflek- tiert. Ist dagegen Z 1 > Z2, wird R 1; d. h.: differieren die Wellenwi- derstände stark, wird die gesamte Energie zurückreflektiert, es tritt Totalreflexion auf.

Berechnet man die Reflexionsfak- toren für typische Weichteilgewe- be aus den Wellenwiderständen der Tabelle 2, erhält man Refle- xionsfaktoren in der Größe von nur 1 Prozent.

Das bedeutet, daß nur ein sehr ge- ringer Teil der Ultraschallwelle re- flektiert wird und man zum Nach- weis des Echos empfindliche De- tektoren und hohe Verstärkungen benötigt; es bedeutet aber auch,

daß noch genügend Energie in die tieferen Gewebe eindringt und an weiteren Grenzflächen noch genü- gend Energie für weitere Reflexio- nen zur Verfügung steht, so daß derselbe Schallstrahl Echos an mehreren, hintereinander liegen- den Grenzflächen erzeugen kann.

Totalreflexion tritt nicht nur zwi- schen Gewebe und Knochen, son- dern auch zwischen Luft und Ge- webe auf; R wird hierfür größer als 99 Prozent.

Diese Tatsache ist der Grund für die Notwendigkeit eines Koppel- mediums zwischen Schallkopf des Gerätes und Körper des Patienten, das die Fehlanpassung der Wel- lenwiderstände verbessert und ge- nügend Schallenergie in den Kör- per eintreten läßt. Sie ist letzten

Endes auch die Ursache dafür, daß Gebiete hinter Gasansamm- lungen und Knochen nicht unter- sucht werden können, weil nicht mehr genügend Schallenergie durch die Grenzfläche tritt. Luftge- füllte Organe wie Lunge, Magen, Darm können deshalb entweder überhaupt nicht, wie die Lunge, oder nur unter Einsatz besonderer Hilfsmittel untersucht werden.

Der Patient muß nüchtern bleiben oder die Gasansammlungen müs- sen durch „entgasende" Maßnah- men beseitigt werden. Umgekehrt kann durch Flüssigkeitsfüllung von z. B. Magen und Harnblase die sonographische Sicht auf dahin- terliegende Organe wie Pankreas, inneres weibliches und männli- ches Genitale wieder ermöglicht werden.

Ausgabe A DEUTSCHES ÄRZTEBLATT 80. Jahrgang Heft 41 vom 14. Oktober 1983 53

elektrische

Zuleitungen radiale Schallisolation

Gehäuse

Dämpfungskörper Scheibe aus Piezokeramik Koaxialkabel

V4-Anpassungsschicht

sin y = 1,22 . — D

2.2. Echoimpulstechnik

gilt (Darstellung 4b). In dem Zah- lenbeispiel wird der Öffnungswin- kel Y = 2,6°. Eine vereinfachte Dar- stellung der Strahlgeometrie zeigt Darstellung 4c.

Nahezu alle Verfahren der Ultra- schalldiagnostik beruhen auf der Reflexion der Ultraschallwelle an Grenzflächen. Ein Teil der von dem Ultraschallsender in das Ge- webe gestrahlten Ultraschallener-

Darstellung 3: Aufbau eines Schallkopfes

2. Technische Grundlagen (Gerätetechnik)

2.1. Erzeugung von Ultraschall Obwohl eine Reihe technisch sehr verschiedener Verfahren zur Er- zeugung von Ultraschall existiert, beruht die Erzeugung in medizini- schen Diagnostikgeräten aus- schließlich auf dem piezoelektri- schen Effekt bzw. auf der Umkeh- rung dieses Effektes: legt man an einen Piezokristall, z. B. Quarz oder Turmalin, eine elektrische Spannung und verschiebt damit durch elektrische Kräfte die Sym- metriezentren der Ionengitter ge- geneinander, führt dies zu einer Dickenänderung des Kristalles.

Legt man eine elektrische Wech- selspannung an, entstehen perio- dische Dickenschwankungen, die als Longitudinalschwingungen, als Ultraschall, auf das angrenzen- de Medium übertragen werden (Darstellung 1b).

In Ultraschallgeräten werden im allgemeinen allerdings keine na- türlich vorkommenden Kristalle benutzt, sondern synthetisch her- gestellte keramische Stoffe wie Bariumtitanat und Bleizirkontita- nat.

Zur Umwandlung der als elektri- sches Wechselfeld in den Schall- kopf eingespeisten elektrischen Energie in die mechanische Ener-

gie der Ultraschallschwingungen dienen die sogenannten Wandler, Transducer oder Schwinger (Dar- stellung 3). Sie enthalten als akti- ves Element eine Scheibe aus pie- zoelektrischem Material, der über zwei Elektroden die elektrische Wechselspannung zugeführt wird.

Zur besseren Übertragung der Schwingungsenergie auf das zu untersuchende Objekt dient eine Anpassungsschicht vor dem schwingenden Kristall, deren Wel- lenwiderstand Z wischen dem der beiden Medien liegt und die bei einer Dicke von X/4 den Wellenwi- derstandssprung zwischen Kristall und Gewebe verkleinert und die Reflexion der Schallenergie an der Grenzfläche in den Kristall vermin- dert. Für diagnostische Zwecke sollte der von dem Schallkopf emittierte Ultraschallstrahl schmal sein, um ein möglichst hohes Auf-

lösungsvermögen zu erreichen.

Die Schallintensität soll in einem kleinen Querschnitt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung konstant sein und außerhalb des 'Quer- schnittes schnell auf Null abfallen;

längs der Ausbreitungsrichtung soll sich diese Eigenschaft mög- lichst wenig ändern. Ein solches Schallfeld kann man näherungs- weise erzeugen, wenn man als Wandler eine Piezoscheibe mit ei- nem Durchmesser benutzt, der wesentlich größer als die Wellen- länge des Ultraschalles ist.

Der Druckverlauf auf dem Zentral- strahl in Ausbreitungsrichtung ist in Abbildung 4a dargestellt. Aus- gehend von der Schwingerober- fläche wechseln Maxima und Mini- ma der Druckamplitude bis zu ei- nem letzten Maximum in einer Entfernung von

D2

_ k

xmax

= 4 k '

worin D der Durchmesser der Pie- zoscheibe und X die Wellenlänge ist. Der Bereich vom Schwinger bis zu diesem Punkt heißt Nahfeld oder Fresnelzone; im sich an- schließenden Fernfeld oder der

Fraunhoferzone nimmt die Druck- amplitude monoton ab.

Bei einer Schwingerscheibe mit 20 mm Durchmesser und einer Fre- quenz von 2 MHz wird das Nahfeld in Wasser 13,4 cm lang.

Im Nahfeld ist der Strahl nahezu zylindrisch; der Querschnitt ver-

mindert sich, allerdings mit be- trächtlichen Inhomogenitäten, von der Größe des Schwingerkristalles bis in die Übergangszone zwi- schen Nah- und Fernfeld; die dort liegende Einschnürung wird als natürlicher Fokus bezeichnet.

Im Fernfeld divergiert der Strahl mit einem Öffnungswinkel y^, für den

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Schalldruck Ä

® Schalldruck auf der Achse

Abstand x vom Kristall

Lateraler Abstand C) Strahlgeometrie

y/2

Abstand x vom Kristall Abstand

x vom Kristall

natürlicher Fokus

() vereinfachte Darstellung der Strahlgeometrie Lateraler Abstand

Darstellung 4: Strahlungsfeld eines runden Schwingers

gie wird wegen des Wellenwider- standssprunges an der Grenzflä- che reflektiert und kehrt als Echo zum jetzt unter Ausnutzung des direkten Piezoeffektes als Schall-

empfänger dienenden Schallkopf zurück. Der Echoimpuls ist Träger der diagnostisch interessierenden Information. Die Laufzeit vom Zeit- punkt der Emission des Schallim-

pulses bis zur Rückkehr des Echos ist proportional der Entfer- nung der reflektierenden Schicht von der Schallquelle. Die Stärke des Echos ist im Prinzip entspre- Ausgabe A DEUTSCHES ÄRZTEBLATT 80. Jahrgang Heft 41 vom 14. Oktober 1983 57

—•

chend dem Reflexionskoeffizien- ten R ein Maß für die Höhe des Wellenwiderstandssprunges an der Grenzfläche; allerdings haben Art, Größe und Neigung der Grenzfläche wesentlichen Einfluß auf die Intensität des Echos, so

daß diese Größe quantitativ kaum ausgewertet werden kann. Je nach Auswertung und Darstellung der in dem Echo enthaltenen Informa- tionen unterscheidet man ver- schiedene Standardverfahren der Ultraschallgerätetechnik.

2.3. A-Bild-Verfahren

Bei dem A-Bild-Verfahren (A be- deutet Amplitude), auch A-Scan oder A-Mode genannt, wird die Zeit und damit die Entfernung der reflektierenden Schicht als x-

Schallkopf als Sender und Empfänger.

Hf-lmpu Issender

Taktgeber

Tiefenausgleich (= zeitabhängige Regelung der Verstärkung)

Empfänger und geregelter

Verstärker y-Ablenkung

Sichtgerät

Darstellung 5: Grundprinzip und Schema der Gerätetechnik beim A-Bild-Verfahren Zeitablenkung

(Sägezahngenerator) -■ t

x-Ablenkung

Zeitachse Entfernung

Gehäuse mit Winkelgebern

Taktgeber

Hochfrequenz- Sender

Tiefenausgleich

•

Stellung der Mechanik

Empfänger

Sägezahngenerator

-t

v

Ablenkeinheit

y-Ablenkung

Sichtgerät x-Ablenkung

mit in Richtung des momentanen Schallstrahles abgelenktem Elektronenstrahl

Steuerung der Helligkeit

Darstellung 6: Prinzip des B-Bild-Verfahrens: Compound-Scanner

58 Heft 41 vom 14. Oktober 1983 80. Jahrgang DEUTSCHES ÄRZTEBLATT Ausgabe A

Bildkipp -4. t

Zeilenkipp Hochfrequenz-

Impulssender

Empfänger

Tiefenausgleich

Steuerung der Helligkeit

Sichtgerät mit parallelen Zeilen

Parabolspiegel

rotierendes System mit 3 Schwingern

— Wasservorlauf

Taktgeber

Darstellung 7: Prinzip eines mechanischen Parallel-Scanners mit rotierendem Schallkopf

Koordinate und die Intensität des Echos als Amplitude der y-Auslen- kung auf einem Bildschirm darge- stellt (Darstellung 5). Die Lage des Echos auf der x-Achse erlaubt die genaue Lokalisierung der Grenz- flächen.

Hauptbestandteile eines Gerätes für das A-Bild-Verfahren sind ein Taktgeber, der die Aussendung des Ultraschallimpulses und die Zeitablenkung des Elektroden- strahles im Sichtgerät auslöst und ein Sägezahngenerator, der eine linear ansteigende Spannung, ei- ne sogenannte Sägezahnspan- nung, erzeugt, die die Ablenkung des Elektronenstrahles in horizon- taler Richtung bewirkt. Die vertika- le Ablenkung erfolgt durch das vom Ultraschallempfänger aufge- nommene, in eine Spannung um- gewandelte und entsprechend verstärkte Echo.

Da der Ultraschallimpuls auf sei- nem Weg durch das Medium nach dem Absorptionsgesetz ge- schwächt wird, würden Echos von gleichen Wellenwid.erstands- sprüngen aus tiefer liegenden Schichten ohne weitere Verarbei- tung schwächer als näher an der Oberfläche reflektierte sein. Zur Kompensation ist bei den Geräten eine tiefenabhängige Verstärkung, der sogenannte Tiefenausgleich, vorgesehen, der eine von der Lauf- zeit exponentiell abhängige Ver- stärkung des reflektierten Impul- ses bewirkt. Damit werden .unab- hängig von der Lage der echoge- benden Grenzschicht bei gleich hohen Wellenwiderstandssprün- gen gleich hohe Amplituden auf dem Bildschirm sichergestellt.

Das A-Bild-Verfahren wird in der Neurologie und Ophthalmologie eingesetzt und dient zur Feststel-

lung und genauen Lokalisierung von z. B. raumfordernden Prozes- sen, Netzhautveränderungen und zur Vermessung von Augenab- schnitten, die auch bei Trübung der Augenmedien durchgeführt werden kann.

Es ist Grundlage jedes quantitati- ven Meßverfahrens und war lange Zeit Standardmethode zur Mes- sung des biparietalen Kopfdurch- messers. Die dafür erforderliche exakte Festlegung der Meßpunkte ist bei dem zweidimensionalen Verfahren (siehe nächster Ab- schnitt) nicht möglich, da die Stär- ke des Echos erheblich von der Geräteeinstellung abhängt.

Das A-Bild ermöglicht auch eine sehr frühe Darstellung (ab 42. Tag p. m.) der embryonalen Herzaktion und spielte bei der Abortdiagno- stik eine gewisse Rolle.

Ausgabe A DEUTSCHES ÄRZTEBLATT 80. Jahrgang Heft 41 vom 14. Oktobe 1983 61

Schwingerelemente

Fortschaltung

der emittierenden Gruppe in dieser Richtung

Scan-Richtung r --

Schallkeule

1 2. 3. . Zeile 2.4. B-BiId-Verfahren

Beim B-Bild-Verfahren, das ei- gentlich erst ein wirklich bildge- bendes Verfahren ist, werden die Echosignale nicht zur Auslenkung des Kathodenstrahles benutzt, sondern zur Steuerung der Hellig- keit des Strahles auf dem Schirm;

daher rührt auch die Bezeichnung B wie brightness, Helligkeit. Je stärker das Echo, desto heller wird der Leuchtpunkt. Seine Lage auf dem Schirm entspricht dem Ort der Reflexion im Körperinneren.

Dazu werden die Koordinaten des Reflexionsortes in eine horizonta- le und eine vertikale Ablenkspan- nung für den Elektronenstrahl um- gewandelt. Werden in geeigneter Weise alle Orte in einer Schicht des Körpers abgetastet, erhält man auf dem Bildschirm ein zwei- dimensionales Bild dieser Schicht, auf dem die Helligkeiten die Stär- ken der Reflexion darstellen und damit die Lage der Grenzflächen markieren.

Hinsichtlich der Art und Weise, wie die Schicht abgetastet wird, lassen sich eine Reihe verschiede- ner Verfahren und Geräte unter- scheiden, die man in statische und Real-time-Verfahren einteilt:

2.4.1 Statische Verfahren (Com- pound-Scan): Bei der Compound- Scan-Methode wird der an einem beweglichen Arm angebrachte

Abbildung 1: Sektor- scan eines Feten in der 9. Woche; rechts Kopf mit Augenhöhle, links Dottersack

Schallkopf mit der Hand so über die Körperoberfläche geführt, daß senkrecht unter dem Schallkopf die gewünschte Schnittebene liegt. In einer Koordinatenrichtung fixiert das Gestänge die Schnitt- ebene.

Positionsmelder in den Gelenken des Gestänges geben die Winkel an, die in Verbindung mit den kon-

Gruppe der gemeinsam erregten Elemente

zur Sende- und Empfängerelektronik Applikator

I I I 1 I I I ^It

Darstellung 8: Applikator eines elektronischen Linear-Scanners

62 Heft 41 vom 14. Oktober 1983 80. Jahrgang DEUTSCHES ÄRZTEBLATT Ausgabe A

8 3 1 1 3 zi ti E,0

stanten Längen der Arme und der Laufzeit des Echoimpulses den Reflexionsort exakt festlegen (Darstellung 6). Compound-Scan- ner haben inzwischen an Bedeu- tung verloren, da sie — wie auch der Name langsames oder stati- sches B-Bild andeutet — relativ lan- ge Zeit, einige Sekunden, für die Untersuchung und den Aufbau ei- nes Bildes benötigen und keine Bewegungsvorgänge darstellen

können. Sie werden eingesetzt, wenn vollständige Körperquer- schnitte sonographiert werden sollen. In der Bundesrepublik Deutschland dürften nur noch et- wa 2 Prozent der Geräte Com- pound-Scanner sein.

2.4.2 Real-time-Verfahren: Dauert bei dem statischen B-Bild-Verfah- ren der Aufbau eines Bildes meh- rere Sekunden, können die schnellen B-Bild-Geräte oder Real-time-Scanner 15 bis 30 Ein- zelbilder pro Sekunde aufbauen.

Damit können Organbewegungen in Echtzeit sichtbar gemacht werden.

Bei diesen Geräten kann man me- chanische und elektronische Ver- fahren unterscheiden:

2.4.2.1 Mechanische Real-time- Scanner: Bei den mechanischen Geräten werden die Schallwandler so bewegt, daß in kurzer Zeit die gesamte Schnittfläche von Schall- strahlen überstrichen wird. Liegen die Schallstrahlen und damit die das Bild aufbauenden Linien par- allel nebeneinander, spricht man von Linear- oder Parallelscanner, gehen die Schallstrahlen diver- gent von einem Zentrum aus und

Abbildung 2: Sono- gramm eines elektro- nischen Parallel- Scanners; Körper und obere Extremität ei- nes Feten in der 16.

Woche.

überstreichen sie einen Kreissek- tor, spricht man von Sektor- oder Divergent-Scannern.

Bei einem mechanischen Parallel- Scanner rotiert der mit drei Schall- wandlern besetzte Strahlerkopf im Brennpunkt eines Parabolspiegels (Darstellung 7). Der dem Spiegel zugewandte Wandler emittiert Ul- traschallwellen, die vom Spiegel reflektiert werden und danach par- allel sind. Der Schallkopf befindet sich in einem Wassergefäß, das die Schallübertragung verbessert.

Auch bei den mechanischen Sek- torscannern, die Sektorwinkel bis zu 100° erfassen können, wird die Schallquelle bewegt. Sektorscan- ner können bei einem kleineren Ausgangszentrum, also durch ein

kleineres Fenster, noch einen wei- ten Bereich untersuchen. Die durch den weiteren Zeilenabstand in der Tiefe gegebene schlechtere Auflösung und der schmale Nah- bereich können Nachteile des Sektorscanners sein.

Mechanische Sektorscanner brin- gen durch ihren schmalen und schlechten Nahbereich Probleme z. B. in der geburtshilflichen Dia- gnostik, so ist ein fetaler Kopf vor dem Termin schwieriger zu ver- messen, sind jedoch von Vorteil, wenn ein schräger Bildausschnitt gewünscht wird und z. B. durch eine volle Blase der Nahbereich überbrückt wird. In gewissen Fäl- len können Leberuntersuchungen durch den „Schlüssellocheffekt"

sogar erleichtert werden, wenn zwischen den Rippen untersucht werden muß.

Das Sonogramm eines mit 3,5 MHz arbeitenden mechanischen Sektorscanners zeigt Abbildung 1.

2.4.2.2 Elektronische Real-time- Scanner (Array-Scanner): Elektro- nische Real-time-Scanner arbei- ten mit linearen Anordnungen von Schwingerelementen, sogenann- ten Arrays, als Strahlern. Das Array befindet sich im Applikator. Die einzelnen Schwinger werden ein- zeln oder in Gruppen nacheinan- der zur Schallemission angesteu- ert (Darstellung 8).

Auf diese Weise wandert der Schallstrahl parallel über die Schnittfläche, ohne daß der Appli- kator mechanisch bewegt wird. Es liegt ein elektronischer Parallel- scanner vor. Abbildung 2 zeigt ein mit einem elektronischen Real- time-Scanner bei 3,5 MHz erzeug- tes Sonogramm aus dem Bereich der Geburtshilfe.

Elektronische Sektorscanner wer- den realisiert, indem man die ein- zelnen Elemente einer linearen Anordnung phasenverschoben er- regt (phased array). Dadurch ent- steht eine Wellenfront, die sich nicht senkrecht vom Strahlerkopf wegbewegt, sondern — je nach Ausgabe A DEUTSCHES ÄRZTEBLATT 80. Jahrgang Heft 41 vom 14. Oktober 1983 65

Sendeimpuls J-1_

nach rechts abnehmende keine Phasenverzögerung nach rechts zunehmende

Phasenverzögerung Phasenverzögerung

1

11111. 1 11 .11.

21,11 1. 1

1

...1111J1 11 JL 11111111_11. 11_11_11IL JL

--

"" "4191

1 4 1 . ⁷

Verzögerung des Impulses um ;

Schwingerelemente

Lee

Strahlrichtung Strahlrichtung

111.1911191.

Vp# 1 1,4911

3" ..-

Wellenfront

Strahlrichtung

Darstellung 9: Elektronisches Schwenken der Schallkeule durch phasenverschobene Erregung der Schwingerelemente bei dem elektronischen Sektor-Scanner

Größe der Phasenverschiebung — in einem bestimmten Winkel abge- strahlt wird (Darstellung 9).

Auf diese Weise kann durch Ände- rung der Phasenverschiebung und damit auf elektronische Weise die Schallkeule ohne mechanische Bewegung eines Geräteteils ge- schwenkt werden und einen Sek- tor überstreichen und abtasten.

Der Schallkopf kann bei dieser Technik klein gebaut werden und mit ihm können auch Regionen untersucht werden, die nur durch ein kleines Schalleintrittsfenster erreicht werden können.

Elektronische Real-time-Geräte haben wegen der kleinen Sende- elemente im allgemeinen niedrige Sendeleistungen und damit ge- ringere Eindringtiefen; auch die erreichbaren Untersuchungsge- biete sind im allgemeinen kleiner.

Sie sind aber wegen ihrer Klein- heit handlich und wegen ihres rein elektrischen Aufbaus weniger störanfällig als mechanisch be- wegte Systeme.

Die Mehrzahl der zur Zeit im klini- schen Einsatz befindlichen Geräte sind elektronische Real-time- Scanner.

3. Schlußbemerkungen und Ausblick

Neben den A- und B-Bild-Verfah- ren beruhen auf der Reflexion von Ultraschallwellen das bevorzugt in der Echokardiographie zur Dar- stellung der Bewegungen von Herzklappen und Herzmuskel- scheidewänden eingesetzte Time- Motion-(TM-)Verfahren und das auch zur Untersuchung bewegli- cher Grenzflächen dienende Dopplerverfahren, das bei der Be- urteilung der Strömungsverhält- nisse im arteriellen und venösen Gefäßsystem und beim Nachweis der fetalen Herzbewegungen bzw.

-frequenz eine wesentliche Be- reicherung der diagnostischen Möglichkeiten gebracht hat. Beide Verfahren haben sich im klini- schen Einsatz bewährt und ihre Brauchbarkeit für die Diagnostik bewiesen; ihre physikalischen und technischen Grundlagen waren in diesem Rahmen aber nicht zu er- läutern.

Bei einem Vergleich der geräte- technischen Verfahren, auch im Hinblick auf Auswahl eines Gerä- tetypes, muß beachtet werden — und es hat einige Zeit gedauert, bis bei dem klinischen Nutzer dies

ins Bewußtsein gedrungen war —, daß eine weitere Steigerung der diagnostischen Sicherheit und Ausbeute weniger durch eine wei- tere Steigerung der technischen Leistungsfähigkeit eines speziel- len Gerätetyps zu erreichen ist als durch eine Kombination verschie- dener Verfahren und Geräte.

Im Bereich der Gynäkologie und Geburtshilfe dürfte heute eine re- lativ preisgünstige Kombination von Sektor- und Linear-Array- Scanner dem Untersucher einen höheren Nutzen bringen als ein Einzelgerät, auch wenn es — bei einem erheblich höheren Preis — höhere Leistungen in einem spe- ziellen Bereich erbringt. Mit Vor- teil wird der Gynäkologe z. B. zur Untersuchung der Schwangeren den elektronischen Linear-Scan- ner-Teil und für die Darstellung des nicht schwangeren Uterus und der Adnexe den mechani- schen Sektor-Scanner-Teil einer System-Kombination einsetzen.

An Bedeutung gewinnen werden auch die Kombinationen Real-ti- me/Dopplerverfahren, mit der Kör- perfunktionen nicht nur qualitativ dargestellt, sondern quantifiziert werden können, und der mit 66 Heft 41 vom 14. Oktober 1983 80. Jahrgang DEUTSCHES ÄRZTEBLATT Ausgabe A

Dopplerverfahren kombinierte Im- mersions-Scanner. Durch Verfah- ren der digitalen Bildverarbeitung werden möglicherweise nicht nur die bildlichen Darstellungen der Sonogramme verbessert werden können, sondern auch andere Sy- stem-Kombinationen an Bedeu- tung gewinnen.

Noch keine klinische Bedeutung haben dagegen Verfahren, die sich noch im Entwicklungs- oder Forschungsstadium befinden wie die nicht auf der Reflexion, son- dern auf der Transmission beru- hende Ultraschall-Computer-To- mographie, die Ultraschall-Holo- graphie und die Ultraschall-Kame- ra, die das Schallfeld nach dem Durchgang durch das Objekt zum Aufbau eines Bildes nutzen will.

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(Hrsg.): Ultraschall in der medizinischen Dia- gnostik, Walter de Gruyter (1980)

Anschrift der Autoren:

Prof. Dr. rer. nat. Adolf Habermehl Prof. Dr. med.

Bernhard J. Hackelöer Medizinisches Zentrum für Radiologie und

Medizinisches Zentrum für Frauenheilkunde und Geburtshilfe der

Philipps-Universität Lahnstraße 4a 3550 Marburg/Lahn

Überlebensrate unter Hämodialyse und Nierentransplantation

In einer multizentrischen Studie aus dem Nordwesten der USA (Staat Washington) wurde die Überlebensrate von nierentrans- plantierten bzw. hämodialysierten Patienten verglichen.

Dabei konnte durch ein differen- ziertes Verfahren die bekannte Be- obachtung statistisch untermauert werden, daß niereninsuffiziente Patienten nach Transplantation ei- ner Verwandtenniere eine signifi- kant höhere Überlebensrate als nach Leichennieren-Transplanta- tion oder unter Hämodialyse auf- weisen.

Dagegen fand sich kein signifikan- ter Unterschied des Überlebens zwischen der Behandlung mit Hä- modialyse und nach Leichennie- ren-Transplantation.

Untersucht wurden 1038 Patien- ten, bei denen zwischen 1960 und 1979 mit der Behandlung des ter- minalen Nierenversagens durch Dialyse bzw. Transplantation be- gonnen worden war. Ein mathe- matisches Modell (Cox „Propor- tional-hazards model) wurde zum Vergleich zwischen den drei Be- handlungsgruppen (Hämodialyse oder Transplantation einer Le- bendspenderniere oder Leichen- niere) herangezogen, das gleich- zeitig den Einfluß einer unter- schiedlichen Verteilung unter den Behandlungsgruppen (z. B. Alter, Geschlecht) und andere Faktoren (Zusatzerkrankungen wie Diabe- tes mellitus, Hypertonie), die die Überlebensrate beeinflussen, be- rücksichtigt.

Von den 1038 Patienten erhielten primär 170 als Transplantat eine Verwandtenniere, 125 eine Lei- chenniere und 743 wurden hämo- dialysiert. Dabei zeigte sich allge- mein, daß Patienten mit Diabetes mellitus (n = 115) oder Hypertonie (n = 74) in allen drei Gruppen schlechter abschnitten als Patien-

ten mit primären Nierenerkran- kungen (n = 849). Darüber hinaus konnte gezeigt werden, daß eben- falls in allen drei Gruppen das Al- ter der Patienten und das Jahr zum Zeitpunkt des Therapiebe- ginns, die Jahre der Hämodialyse vor Transplantation und die Zahl zusätzlicher Erkrankungen einen negativen Einfluß auf die Überle- bensrate ausüben und daher beim Gruppenvergleich mit berücksich- tigt werden müssen.

Beispielsweise enthielt die Gruppe mit Lebendspender-Transplanta- tion die jüngsten und die Hämo- dialyse-Gruppe die ältesten Pa- tienten; weiter hatte die Dialyse- gruppe signifikant mehr Zusatzer- krankungen als die Transplantat- gruppe, so daß es ohne Berück- sichtigung dieser Faktoren zu Un- terschieden in diesen Gruppen kommt, die nicht durch das Be- handlungsverfahren bedingt sind.

Zusammengefaßt zeigt sich, daß unter Berücksichtigung des Alters der Patienten, der Ursache der Niereninsuffizienz, von Zusatzer- krankungen und des Jahres des Behandlungsbeginns kein signifi- kanter Unterschied der Patienten- Überlebensrate zwischen Hämo- dialyse und Leichennieren-Trans- plantation besteht, während bei Empfängern von Lebendspender- nieren eine signifikant höhere Überlebensrate zu erwarten ist.

Falls eine Lebendspender-Trans- plantation nicht möglich ist, sollte die Entscheidung zwischen Lei- chennieren-Transplantation und Dialyse aufgrund der individuellen Lebensverhältnisse des Patienten im Hirtblick auf Rehabilitation, Fa- milie und soziale Integration ge- troffen werden. Ob diese Meinung durch die Verwendung von Cyclo- sporin A in Zukunft zugunsten der Transplantation geändert werden muß, läßt sich gegenwärtig nicht abschätzen. krs

Vollmer, W. M.; Wahl. Patricia W.; Blagg, Chr.

R.: Survival with dialysis and transplantation in patients with end-stage renal disease, New England Journal of Medicine 308 (1983) 1553-1558, Dr. Blagg, Northwest Kidney Cen- ter. 700 Broadway. Seattle WA 98122/USA.

DEUTSCHES ÄRZTEBLATT Ausgabe A 68 Heft 41 vom 14. Oktober 1983 80. Jahrgang