Schröder, Ralf-Jürgen: Hochauflösende farbkodierte Duplexsonographie von Hauttumoren In-vitro-, tierexperimentelle und klinische Studien zur Signalverstärkung durch d-galaktosehaltige Ultraschallkontrastmittel

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Kapitel 2. Grundlagen der Sonographie

2.1. Physikalische Grundlagen

Schallwellen entsprechen mechanischen Schwingungen, die sich in Form gerichteter periodischer Dichteänderungen räumlich ausbreiten. Der Ultraschall liegt oberhalb der vom Menschen wahrnehmbaren Schallfrequenzen, also oberhalb von 20 kHz.

Voraussetzung für die Schallausbreitung ist das Vorhandensein elastisch verformbarer Materialien, innerhalb derer die Schallausbreitung erfolgen kann. Die enthaltenen Atome und Moleküle werden durch den Ultraschall in Schwingungen versetzt, die sich zeitlich periodisch ausbreiten, wobei die kinetische Energie von Teilchen zu Teilchen weitergegeben wird. Diese zeitlich periodische räumliche Ausbreitung erfolgt durch Wechsel zwischen Kompression und Dekompression des leitenden Materials. Sie wird Wellenbewegung genannt ( Abbildung 2-1 ).

Abbildung 2-1: Schallausbreitung

Da die Teilchen parallel zur Ausbreitungsrichtung schwingen, handelt es sich beim Schall um Longitudinalwellen.

Die Schwingung der Teilchen erfolgt bei gleichem Abstand zur Schallquelle synchron mit gleichem Kompressions- oder Dekompressionszustand. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zonen gleichen Kompressionszustandes ist als Wellenlänge definiert, die von der Welle innerhalb der Schwingungsdauer durchlaufen wird. Die Anzahl der Schwingungen der sich räumlich ausbreitenden Welle pro Zeiteinheit entspricht der Schallfrequenz. Diese ist materialunabhängig konstant und ist durch die schallproduzierende Quelle vorgegeben. Die Frequenz ändert sich allerdings nur dann nicht, wenn Sender, Empfänger und Reflektor des Schalls zueinander räumlich unverändert bleiben. Ansonsten tritt der in den folgenden Kapiteln beschriebene Dopplereffekt ein. Zum klinischen Einsatz kommen gewöhnlich Frequenzen von 2 MHz bis 20 MHz, teilweise jedoch bis zu 50 MHz. Es gilt somit folgende Gleichung:

ny = 1 / T (ny = Schallfrequenz, T = Schwingungsdauer).


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:Der Schalldruck ist definiert als die von der periodischen Teilchenschwingung verursachte Druckschwankung. Hierbei wird die Abweichung vom Normaldruck in Pasqual gemessen. Die Schallintensität wird gemessen in W/m² Watt pro Quadratmeter). Sie ist definiert als die Schallenergie, die pro Zeiteinheit eine Flächeneinheit durchdringt. Sie entspricht dem Produkt aus Schalldruck und Schallschnelle, wobei die Schallschnelle der Bewegungsgeschwindigkeit der Teilchen um ihre Ruhelage entspricht:

J = P * v (J = Schallintensität, P = Schalldruck, v = Schallschnelle)

Die Schallgeschwindigkeit ist definiert als die Geschwindigkeit des Energietransportes durch die Materie, alternativ ausgedrückt durch die Gleichungen:

c = lambda * ny (c = Schallgeschwindigkeit, lambda = Wellenlänge, ny = Frequenz),

c = lambda / T (c = Schallgeschwindigkeit, lambda = Wellenlänge, T = Schwingungsdauer).

Außer in Knochen und Lunge, wo sie ca. 4.000 bzw. 330 m/s beträgt, geht man unabhängig von der Art des Körpergewebes von 1540 m/s als Schallgeschwindigkeit aus. In der Haut liegt die Geschwindigkeit bei ca. 1.518 m/s ( 35 ). Die Schallwellenlänge beträgt in der Ultraschalldiagnostik zwischen 0,6 und 0,001 mm.

2.2. 2.2 Schallausbreitung

Die akustische Impedanz ist gegeben durch die Gleichung:

Z = rho * v (Z = Impedanz, rho = Dichte des Mediums, v = Schallgeschwindigkeit).

Treffen Schallwellen auf die Grenzfläche zwischen Medien unterschiedlicher akustischer Impedanz, wird ein Teil als Schallecho reflektiert, während der andere sich im zweiten Medium weiter 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 Dichte- und Impedanzunterschied, 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 Reflektion gilt, daß der Einfall- dem Ausfallwinkel entspricht. Bei der Transmission wird der Schall je nach Dichte des zweiten Mediums zum Lot auf die Mediengrenzfläche hin oder von dieser weg gebrochen ( Abbildung 2-2 ).


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Abbildung 2-2: Reflektion und Brechung des Schalls.

Während die weitere Ausbreitung des reflektierten Schallanteils gerichtet erfolgt, ist die ebenfalls an der Grenzfläche zweier unterschiedlich dichter Medien auftretende Streuung ungerichtet. Die gestreute Fraktion des immittierten Schalls steigt, je kleiner die streuende Struktur im Vergleich zur Wellenlänge des Schalls ist. Zudem steigt die Streuung mit der vierten Potenz der Frequenz des ausgesandten Schalls. Dieses Phänomen wurde nach dem Physiker John W. S. Lord Rayleigh (1842 - 1919) benannt.

Neben Reflektion und Streuuung ist das Phänomen der Absorption zu beobachten. Hierbei reduziert sich die Schallintensität bei der Penetration des jeweiligen Mediums exponentiell zur Eindringtiefe. Diese Dämpfung, die von der Dichte, der Homogenität des Mediums und und der Schallfrequenz abhängt, beträgt in Weichteilgeweben ca. 1 dB/cm * 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. Als Folge der linearen Proportionalität zwischen Schallfrequenz und Absorptionsgrad sinkt die Eindringtiefe im Medium mit steigender Frequenz des ausgesandten Schalls.

2.3. Erzeugung und Empfang

Das Auftreten von elektrischen Spannungen an der Oberfläche bestimmter Kristalle bei der Anwendung von Druck wird als piezoelektrischer Effekt bezeichnet. Er wurde zuerst von Pierre Curie im Jahre 1883 beschrieben. Dieser ermöglicht sowohl die Erzeugung als auch den Empfang


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der Ultraschallwellen. Bei der Erzeugung werden die piezoelektrischen Kristalle der Schallsonde durch einen kurzen Spannungsstoß verformt, wodurch es zur Schallemission kommt (umgekehrter piezoelektrischer Effekt). Beim Empfang der vom Gewebe reflektierten Schallwellen bewirken diese eine Kompression der piezoelektrischen Elemente mit konsekutiver Spannungserzeugung (piezoelektrischer Effekt). Schallintensität und Spannung verhalten sich hierbei proportional zueinander. Die Schallfrequenz hängt von der Kristalldicke und der angelegten Spannung ab. Die Schallsonde dient periodisch wechselnd sowohl als Sender als auch als Empfänger. Nur ca. 0,3 % der Zeit dienen der Schallwellenemission, während ca. 99,7 % der Zeit dem Empfang der reflektierten Schallwellen vorbehalten sind (Impuls-Echo-Prinzip). Die piezoelektrischen Elemente bestehen heute meist nicht mehr aus dem früher gebräuchlichen Quarz, sondern aus Bariumtitanat, Bleizirkonat, Lithiumsulfat oder künstlich hergestellten keramischen Stoffen.

Die gewünschte Sendefrequenz der Schallsonde wird durch den speziellen Schliff vorgegeben und ist bei moderneren Geräten häufig innerhalb einer gewissen Bandbreite variabel (Multifrequenzsonden). Unterschieden werden die Schallsonden nach der Anordnung ihrer üblicherweise 64 oder 128 piezoelektrischen Elemente, welche linienförmig bei Linear-array-Scannern, bogenförmig bei Curved-array- und in einem 90o-Sektor bei Sektorscannern ist.

Da eine räumliche Zuordnung der eintreffenden Echos zu reflektierenden Strukturen in unterschiedlicher Tiefe nur anhand des zeitlichen Abstandes ihres Eintreffens möglich ist, muß der ausgesandte Impuls möglichst kurz im Vergleich zur Empfangszeit sein. Die kürzeste heutzutage erreichbare Impulslänge beträgt zwei Schwingungsperioden, entsprechend zwei Wellenlängen. Um also zwei Grenzflächen voneinander diskriminieren zu können, darf der Hin- und Rückweg zwischen diesen Flächen vom Schall in nicht weniger als zwei Schwingungsperioden durchlaufen werden. Dieses ist nur bei einem Minimalabstand von einer Wellenlänge lambda gewährleistet. Eine Schallfrequenzerhöhung und konsekutive Wellenlängenreduktion führen zu einer Steigerung der räumlichen Auflösung.

Abbildung 2-3: Anordnung der Funktionseinheiten am Beispiel des Ultraschallgerätes HDI 3000.

2.4. A- und B-Modus

Das A-Modus-Verfahren erlaubt die Darstellung der Intensitätsunterschiede der Schallechos, die an den Grenzflächen verschiedener aneinandergrenzender Gewebe entstehen. Die Darstellung


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erfolgt in Form einer Kurve, wobei zeitlicher Verlauf und Intensität der empfangenen Schallechos gegeneinander aufgetragen werden. Aufgrund der verstrichenen Zeit zwischen Schallwellenemission und Empfang kann auf den räumlichen Abstand zwischen Schallquelle und reflektierender Gewebegrenzfläche geschlossen werden. Das A-Modus-Verfahren ist eindimensional.

Das B-Modus-Verfahren addiert die gewonnenen Informationen aus mehreren nebeneinanderliegenden A-Modus-Schallinien und erlaubt als zweidimensionales Verfahren eine topographische Zuordnung der untersuchten Strukturen. Die Schallintensitätsamplitude des A-Modus wird im B-Modus als Graustufe in einem zweidimensionalen Bild dargestellt. Wird das B-Bild periodisch als bewegtes Bild neu aufgebaut, spricht man von der Real-Time-Sonographie.


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Mon Apr 10 17:16:34 2000