physikalische Grundlagen

Zum Verständnis der Vorgänge bei einer Sonographie und inwiefern überhaupt ein lesbares Bild erzeugt wird, sind physikalische Grundlagen notwendig.

Unter Schall wird die Ausbreitung von Schwingungen in den Raum, in Form von Wellen beschrieben.

Der Begriff findet zumeist Anwendung in der Akustik, da sich auch Geräusche in Form von Schallwellen im Raum ausbreiten.

Ein Maß für die Wellenbeschreibung ist die Frequenz. Sie zeigt auf, wie viele periodische Wiederholungen aufeinander folgen. Berechnet wird es über die folgende Formel, T steht dabei für die Periodendauer:

Die der Frequenz zugehörige Einheit ist Hertz (Hz). 1 Hz entspricht somit  einer Periode pro Sekunde.

Das Gebiet des hörbaren Schalls befindet sich in dem Bereich 16 Hz < f > 20kHz.

Der Bereich des Ultraschalls beginnt ab dem nicht mehr hörbaren Bereich 20kHz < f < 10GHz[1].

Ultraschall kann auf verschiedene Weisen erzeugt werden, dennoch wird in der Medizin der Piezoelektrischen Effekt, oder einfacher Piezoeffekt vorzugsweise genutzt.

Das Prozedere funktioniert folgendermaßen:

Piezoelektrische Materialien, wie zum Beispiel Quarzkristalle oder Blei-Zirkonat Titanat (Keramik) werden unter Wechselspannung gesetzt. Ladungsträger, die in diesen Materialien enthalten sind, werden dadurch verschoben, was zu einer Periodischen Längenänderung des Materials führt (s.Abb.1)[2].

Dieses Schwingen erzeugt im Medium Druckschwankungen, die als Schall definiert werden können.

Dieser Schall wird von seiner Wellenlänge, welche den Abstand zwischen zwei Verdünnungs- bzw. Verdichtungsbereichen beschreibt und von seiner Frequenz, die die Anzahl von Perioden pro Zeiteinheit festlegt, beschrieben.

Die so entstandenen Schallwellen bzw. Ultraschallwellen, breiten sich in der Materie aus, da die Piezoelektrischen Elemente mit einer relativ hohen Frequenz schwingen und können je nach Eigenschaften des Mediums an Celerität zu oder abnehmen.

Man betrachtet in der Regel eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 1540 m/s, im menschlichen Gewebe, bei knöchernen Strukturen werden circa 3500 m/s erreicht.

Nach Reflexion der Wellen, werden diese vom Ultraschallkopf wieder aufgenommen und setzen in Folge das piezoelektrische Element in Schwingung, welches somit eine Spannung erzeugt, die dann benutzt wird, um ein Bild zu erzeugen.

Sonographie bzw. Ultraschall, ist auch, unter anderem, bei der Bestimmung von Blutfluss-Geschwindigkeiten relevant und kann somit bei der Diagnose von Herzkreislauf - Krankheiten helfen.

Definieren kann man den Doppler-Effekt als die zeitliche Stauchung bzw. Dehnung eines Signals als bei Veränderungen des Abstandes zwischen Sender und Empfänger, während der Dauer des Signals[3]. Um sich dieses Phänomen anschaulich zu machen, kann man auf das Martinshorn des Rettungswagens zurückgreifen (s.Abb.2).

In der Medizin funktioniert es wie folgt: Wenn Blut in einem Blutgefäß in

Richtung des Ultraschallkopfes fließt, werden die

vom ihm ausgesandten Wellen mit höherer Frequenz zum piezoelektrischen Element im Ultraschallkopf reflektiert. Werden die Wellen mit einer niedrigeren Frequenz empfangen, heißt es, dass sich die Flüssigkeit von dem Ultraschallkopf wegbewegt. Um die Geschwindigkeit des Blutflusses zu bestimmen wird folgende Formel benutzt[4]:

Wo f die ausgesandte Frequenz des Ultraschallkopfes ist, v die Flussgeschwindigkeit des Blutes,  die Frequenz Verschiebung zwischen der Schallkopffrequenz und der reflektierten Frequenz, c die
Schallgeschwindigkeit im gegebenen Medium, und  der Winkel zwischen der Richtung des Blutflusses und des Schallstrahls (s.Abb.3).

Schwächung von Ultraschall im Gewebe

Die Anwendung des Ultraschalls in der Medizin findet durch Sonographie-Geräte statt. Über den piezoelektrischen Effekt wird ein mit Spannung erzeugter Schall von einem Schallkopf ausgesendet. Dieser Schallkopf wird von dem Arzt auf die zu untersuchende Stelle gerichtet. Die Schallwellen breiten sich von Ihrem Ausgangspunkt in den Körper aus[5].

Ultraschallwellen durchlaufen der Körper bis Sie eine Grenzfläche erreichen, diese können nicht nur Organe und Knochen selbst darstellen, sondern auch innerhalb der Organe können Grenzflächen bestehen.

Sobald Schallwellen auf Grenzflächen treffen können diese reflektiert/ absorbiert/ gebrochen oder auch gestreut werden. Abhängig ist dies von der akustischen Impedanz. Die Impedanz ist ein Maß für Widerstände, die der Schallausbreitung entgegenstehen[6].

Reflektion: Die Schallwellen werden an den Grenzflächen teilweise reflektiert oder transmittiert (`durchgelassen`). Bei sehr hoher Impedanz bzw. sehr hohen Dichteunterschieden kann es zu einer totalen Reflexion kommen. Dahinterliegende Strukturen befinden sich somit in einem Schallschatten und können nicht mehr durchschallt werden. Dies kann z.B.: bei dem Übergang von Luft und Knochen zu Weichteilgewebe passieren.

Streuung: Bei Kontakt mit Grenzflächen können die Schallwellen auch in vielfache ungerichtete Reflexionen gestreut werden. Aufgrund der vielen Reflexionen können besonders gerundete Konturen besser dargestellt werden.

Brechung: Die Schallwellen werden schräg an der Grenzfläche gebrochen, somit durchlaufen Sie auch den dahinterliegenden Bereich nur in einem anderen Winkel (s.Abb.4)[7]. Meist ist dies der Fall bei einer glatten Grenzfläche und einer hohen Impedanz.

Absorbierung und Dämpfung: Unreflektierte Schallwellen können von dem Körper absorbiert und in Wärme umgewandelt werden. Darüber hinaus findet eine Dämpfung der Schallwellen statt, so ist mit zunehmender Eindringtiefe eine abnehmende Intensität von Echos anzunehmen.

Reflektierte Schallwellen werden als Echo zurückgeworfen und treffen auf den Schallkopf in unterschiedlicher Intensität zurück. Der Schallkopf registriert diese Wellen und kann diese in einer Spannung messen (s.Abb.5)[8]. Zum Interpretieren kann die Auswertung der Messung in einem A-Mode oder einem B-Mode erfolgen.

Der A-Mode erfasst die Spannung und stellt diese als hintereinander geschaltete (´positive`) Amplituden dar. Die Darstellung ist eindimensional (s.Abb.6).

Der B-Mode erstellt mithilfe der Messergebnisse ein zweidimensionales Bild. Unterschiede werden durch verschiedene Graustufen sichtbar.