Wie Ultraschall funktioniert
Von Craig C. Freudenrich, Ph.D. Es gibt viele Situationen, in denen eine Ultraschalluntersuchung durchgeführt wird. Vielleicht sind Sie schwanger und Ihr Geburtshelfer möchte, dass Sie eine Ultraschalluntersuchung durchführen lassen, um nach dem sich entwickelnden Baby zu sehen oder den Geburtstermin zu bestimmen. Vielleicht haben Sie Probleme mit der Durchblutung in einer Gliedmaße oder an Ihrem Herzen, und Ihr Arzt hat einen Doppler-Ultraschall angefordert, um den Blutfluss zu beurteilen. Ultraschall ist seit vielen Jahren ein weit verbreitetes medizinisches Bildgebungsverfahren.
Ultraschalluntersuchung während der Schwangerschaft
In dieser Ausgabe von How Stuff Works betrachten wir, wie Ultraschall funktioniert, welche Arten von Ultraschallverfahren verfügbar sind und wofür die einzelnen Verfahren eingesetzt werden können.
Was ist Ultraschall?
Ultraschall oder Sonografie ist ein medizinisches Bildgebungsverfahren, das hochfrequente Schallwellen und deren Echos nutzt. Das Verfahren ähnelt der Echoortung von Fledermäusen, Walen und Delfinen sowie dem SONAR von U-Booten. Beim Ultraschall laufen folgende Vorgänge ab: Das Ultraschallgerät sendet mithilfe einer Sonde hochfrequente Schallimpulse (1 bis 5 Megahertz) in Ihren Körper. Die Schallwellen dringen in Ihren Körper ein und treffen auf eine Grenzfläche zwischen Geweben (z. B. zwischen Flüssigkeit und Weichgewebe, Weichgewebe und Knochen). Ein Teil der Schallwellen wird zur Sonde zurückreflektiert, während ein anderer Teil weiter vordringt, bis er eine weitere Grenzfläche erreicht und reflektiert wird. Die reflektierten Wellen werden von der Sonde erfasst und an das Gerät weitergeleitet. Das Gerät berechnet die Entfernung von der Sonde zum Gewebe oder Organ (Grenzflächen) anhand der Schallgeschwindigkeit im Gewebe (5,005 ft/s oder 1,540 m/s) und der Laufzeit bis zur Rückkehr des jeweiligen Echos (üblicherweise in der Größenordnung von Millionstelsekunden). Das Gerät zeigt die Entfernungen und Intensitäten der Echos auf dem Bildschirm an und erzeugt so ein zweidimensionales Bild wie das unten gezeigte.
Foto mit freundlicher Genehmigung von Karim und Nancy Nice
Ultraschallbild eines heranwachsenden Fötus (ungefähr 12 Wochen alt) in der Gebärmutter einer Mutter. Dies ist eine Seitenansicht des Babys, die (von rechts nach links) Kopf, Hals, Rumpf und Beine zeigt. Bei einer typischen Ultraschalluntersuchung werden jede Sekunde Millionen von Impulsen und Echos gesendet und empfangen. Die Sonde kann entlang der Körperoberfläche bewegt und angewinkelt werden, um verschiedene Ansichten zu erhalten.
Ein einfaches Ultraschallgerät besteht aus folgenden Teilen
Schallkopfsonde - Sonde, die die Schallwellen sendet und empfängt Zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) - Computer, der alle Berechnungen durchführt und die elektrischen Netzteile für sich selbst und die Schallkopfsonde enthält Schallkopf-Impulssteuerung - ändert die Amplitude, Frequenz und Dauer der von der Schallkopfsonde ausgesendeten Impulse Bildschirm - zeigt das Bild aus den von der CPU verarbeiteten Ultraschalldaten an Tastatur/Cursor - gibt Daten ein und nimmt Messungen am Bildschirm vor Datenspeicher (Festplatte, Diskette, CD) - speichert die erfassten Bilder Drucker - druckt das Bild aus den angezeigten Daten
Schallkopfsonde
Der Schallkopf ist der Hauptteil des Ultraschallgeräts. Der Schallkopf erzeugt die Schallwellen und empfängt die Echos. Er ist sozusagen Mund und Ohren des Ultraschallgeräts. Der Schallkopf erzeugt und empfängt Schallwellen nach einem Prinzip namens piezoelektrischer Effekt (Druckelektrizität), der 1880 von Pierre und Jacques Curie entdeckt wurde. In der Sonde befinden sich ein oder mehrere Quarzkristalle, die piezoelektrische Kristalle genannt werden. Wenn an diese Kristalle ein elektrischer Strom angelegt wird, verändern sie rasch ihre Form. Die raschen Formveränderungen bzw. Schwingungen der Kristalle erzeugen Schallwellen, die sich nach außen ausbreiten. Umgekehrt geben die Kristalle elektrische Ströme ab, wenn Schall- oder Druckwellen auf sie treffen. Daher können dieselben Kristalle zum Senden und Empfangen von Schallwellen verwendet werden. Die Sonde verfügt außerdem über eine schallabsorbierende Substanz, um Rückreflexionen von der Sonde selbst zu eliminieren, und eine akustische Linse, die dabei hilft, die ausgesendeten Schallwellen zu fokussieren. Schallköpfe gibt es in vielen Formen und Größen, wie auf dem Foto oben gezeigt. Die Form der Sonde bestimmt ihr Sichtfeld, und die Frequenz der ausgesendeten Schallwellen bestimmt, wie tief die Schallwellen eindringen, sowie die Auflösung des Bildes. Schallköpfe können ein oder mehrere Kristallelemente enthalten; bei Mehr-Element-Sonden verfügt jeder Kristall über einen eigenen Schaltkreis. Mehr-Element-Sonden bieten den Vorteil, dass der Ultraschallstrahl „gesteuert“ werden kann, indem der zeitliche Ablauf geändert wird, mit dem jedes Element gepulst wird; die Steuerung des Strahls ist besonders beim kardialen Ultraschall wichtig (siehe Grundprinzipien des Ultraschalls für Details zu Schallköpfen). Zusätzlich zu Sonden, die über die Körperoberfläche bewegt werden können, sind einige Sonden dafür ausgelegt, durch verschiedene Körperöffnungen (Vagina, Rektum, Speiseröhre) eingeführt zu werden, damit sie näher an das zu untersuchende Organ (Gebärmutter, Prostata, Magen) herankommen; eine größere Nähe zum Organ kann detailliertere Ansichten ermöglichen.
Zentrale Recheneinheit (CPU)
Die CPU ist das Gehirn des Ultraschallgeräts. Die CPU ist im Grunde ein Computer, der den Mikroprozessor, Speicher, Verstärker und Netzteile für den Mikroprozessor und den Schallkopf enthält. Die CPU sendet elektrische Ströme an den Schallkopf, um Schallwellen auszusenden, und empfängt auch die elektrischen Impulse von den Sonden, die durch die zurückkehrenden Echos erzeugt wurden. Die CPU führt alle Berechnungen durch, die mit der Datenverarbeitung verbunden sind. Sobald die Rohdaten verarbeitet sind, erzeugt die CPU das Bild auf dem Monitor. Die CPU kann die verarbeiteten Daten und/oder das Bild auch auf Festplatte speichern.
