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Медицина /

Атлас по ультразвуковой анатомии человека

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Anatomisches Institut

der

Universität Tübingen

Kursus der

Ultraschallantomie

Diavortrag

Grundlagen der Ultraschall-Bildgebung

Physikalisch-technische Zusammenhänge

Nach einer Vorlage der

Siemens Aktiengesellschaft

Bereich Medizinische Technik

Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil dieser Veröffentlichung darf ohne vorherige Zustimmung des Herausgebers reproduziert, in Speichersysteme eingegeben werden oder durch elektronische, mechanische, photographische oder sonstige Verfahren übertragen oder aufgezeichnet werden.

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Seit Mitte der 50er Jahre wird die Ultraschalltechnik als bildgebendes Verfahren in der medizinischen Diagnostik eingesetzt.

Grundlage bilden die aus der Tiefe des Gewebes kommenden Reflexionen ausgesandter Ultraschallwellen.

Diese werden zu einem Schnittbild zusammengesetzt, das einem Ausschnitt aus dem menschlichen Körper entspricht. Dem Untersucher stehen heute Geräte zur Verfügung mittels derer er annähernd jeden Bereich des menschlichen Körpers erfassen und darstellen kann.

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Das Schallwellenspektrum wird in drei Frequenzbereiche unterteilt:

Infraschall Frequenz kleiner 16 Hz

Hörbarer Schall Frequenz 16Hz – 20 kHz

Ultraschall Frequenz größer 20 kHz

Für die medizinische Bildgebung (Schnittbildtechnik) werden Frequenzen zwischen 2 MHz und 50 MHz verwendet.

Für den Großteil der diagnostischen Fragestellungen sind die Frequenzen 3,5 MHz, 5,0 MHz und 7,5 MHz geeignet und markieren einen gewissen Standard.

Spezielle Anwendungen z.B. intraluminale oder dermatologische Ultraschall-Bildgebung verwenden Frequenzen bis zu 50 MHz.

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Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen (Schallgeschwindigkeit c) ist vom Material abhängig. Für die im menschlichen Körper vorkommenden verschiedenen Gewebearten wird eine mittlere Schallgeschwindigkeit von c = 1540 m/s angenommen. Wird die Laufzeit eines Schallsignals gemessen, ist eine eindeutige Zuordnung einer Reflexion zum Ort ihres Entstehens möglich.

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Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an ein Piezoelement wird dieses mechanisch verformt. Andererseits wird durch mechanische Verformung in einem Piezoelement eine elektrische Spannung erzeugt. Dieser physikalische Zusammenhang heißt Piezoeffekt.

Zur Erzeugung von Ultraschall werden Piezoelemente verwendet. Ein solches Element wird durch einen elektrischen Impuls zum Schwingen angestoßen. Die Frequenz der Schwingung ist vom Aufbau und der Technologie des Elementes abhängig.

Treffen wiederum mechanische Schwingungen auf ein Piezoelement, so erzeugen diese eine Spannung, die der mechanischen Schwingung proportional ist.

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Eine Ultraschallsonde (Schallkopf) ist ein Schallsender und –empfänger. Ein elektrischer Impuls stößt das Schallelement an (Impulslänge ca. 1 mikrosec). Die resultierende mechanische Schwingung pflanzt sich im Gewebe fort. An einem Zielobjekt wird die mechanische Schwingung reflektiert. Die zurücklaufende Schallwelle erzeugt am Schallelement wiederum ein elektrisches Signal. Die Zeit (t) zwischen Senden und Empfangen ist das Maß für die Distanz von Schallelement und reflektierendem Objekt (Puls-Echo-Verfahren). Die Eindringtiefe (z) ist der Weg zwischen Schallsender und dem Ort der Reflexion.

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Reflexionen entstehen, wenn Wellen Medien (Gewebestrecken) unterschiedlicher akustischer Impedanz durchlaufen. Unter akustischer Impedanz versteht man das Produkt von Dichte und Schallgeschwindigkeit des Mediums (materialabhängig). An jedem Impedanzsprung entsteht eine Reflexion. Der reflektierte Anteil der Ultraschallwelle nimmt mit dem Impedanzunterschied zu.

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Der Wert der Impedanz von Weichteilgewebe ist ähnlich dem von Wasser. Luft oder Knochen besitzen davon stark abweichende Impedanzwerte. Bei großen Impedanzsprüngen an den Grenzflächen Gewebe-Luft oder Gewebe-Knochen wird die Schallenergie annähernd total reflektiert. Dahinter liegende Objekte können mit Ultraschall nicht mehr erfaßt werden. Bei kleinen Impedanzsprüngen im Gewebe bleibt im durchdringenden Schallstrahl genügend Schallenergie erhalten, um weitere Reflexionen erzeugen zu können.

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Am Beispiel der Applikation eines Einzelelement-Schallkopfes am Schädel wird der Signalverlauf entlang einer US-Zeile deutlich. An jedem starken Reflektor entsteht ein Echo; die flüssigkeitsgefüllten Ventrikel sind echoarm.

A-Mode (Amplitude) bedeutet, daß die empfangenen Signalstärken als Amplituden über der Zeit dargestellt werden.

B-Mode (Brightness) bedeutet, die Umsetzung der Echoamplituden in entsprechenden Helligkeiten (Grauwerte).

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Der Vorteil des A-Modes liegt in der einfachen Auswertbarkeit der Echoamplituden und deren Distanz zur Ultraschallsonde.

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Ein zweidimensionales Schnittbild entsteht, wenn mehrere Schallstrahlen nebeneinander angeordnet werden.

Die daraus gewonnenen, helligkeitsmodulierten Signale, werden in einer Matrix zwischengespeichert. Diese Matrix wird auf den Bildschirm übertragen und zu einem US-Bild zusammengesetzt.

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Gerätetechnisch wird die durch den ausgesandten Ultraschallstrahl bewirkte Echofolge zeilenförmig aufgezeichnet und abgespeichert. Das Meßfeld kann durch parallel- oder strahlenförmig/sektorförmig angeordnete Ultraschallstrahlen ausgeleuchtet werden. Daraus resultiert eine unterschiedliche Form des Meßfensters. Die Bildinformation ist bei allen B-Mode-Verfahren gleich.

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Für die zweidimensionale Schnittbildtechnik stehen drei Abtastverfahren zur Verfügung.

LINEAR SCAN wird benützt in der Oberbauch-Diagnostik wegen der großen Abbildungsbreite im applikatornahen Bereich.

CONVEX SCAN erzeugt ein großes Meßfeld in tieferliegendem Gewebe.

SEKTOR SCAN wird vor allem in der Echokardiographie eingesetzt, wegen der kleinen Eintrittsfenster in den Interkostalräumen.

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Die Wahl des Verfahrens richtet sich nach anatomischen Gegebenheiten. Die verschiedenen Scanverfahren und Arbeitsfrequenzen sind in unterschiedlichen Sonden realisiert.

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Für die vielfältigen Aufgaben stehen speziell konstruierte Linear- Convex- und Sektor-Sonden zur Verfügung.

Zum Beispiel:

Linear-Sonden (3,5 / 5.0 / 7.5 MHz)

Convex-Sonden (3,5 MHz Radius 40/70 mm)

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Zum Beispiel:

Sektor-Sonden (Cardiac)

Sektor-Sonden (Duplex)

Sektor-Sonden (Endo P + V)

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Die Schallwellen werden abhängig von den Absorptionseigenschaften des Gewebes, der verwendeten Ultraschallfrequenz und der Abbildungstiefe

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