Ultraschall ist Schall mit Frequenzen über 20 kHz, der sich als Longitudinalwelle durch Medien fortpflanzt, mit Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten, die von der Dichte und Härte des Mediums abhängen. Die Technik nutzt den piezoelektrischen Effekt zur Erzeugung und Detektion von Schallwellen, um medizinische Bildgebung zu ermöglichen, wobei verschiedene Modis wie A-, B- und M-Modus zur Darstellung von Echos verwendet werden. Trotz geringer Kosten und risikoarmer Anwendung hat Ultraschall Einschränkungen in der Bildqualität und Benutzerfreundlichkeit.

1. Ultraschall
Physikalische Grundlagen
© Michael Wolrab

2. Ultraschall ist Schall mit einer Frequenz ab 20 kHz (20.000Hz) –
jenseits der menschlichen Hörschwelle (20 – 20.000Hz)
Schall pflanzt sich in Form von abwechselnder Kompression und
Dehnung eines Mediums fort; die Darstellung des Druckverlaufs
an einem bestimmten Ort ergibt eine Wellenform:
Ultraschall ist eine Longitudinalwelle – die Partikel bewegen sich
in der selben Richtung wie die Welle
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3. Der Abstand von Wellental zu Wellental bezeichnet man als
Wellenlänge λ .
Die Wellenlänge ist abhängig von der erzeugten US Frequenz und
von der Geschwindigkeit der Welle im Medium.
Diese Geschwindigkeit ist von der Härte und der Dichte des
Gewebes abhängig.
Luft 330m/sec
Knochen 3500m/sec
Weichteilgewebe 1540m/sec
1540m/sec - wird zur Berechnung von Entfernungen im
Medizinischen Ultraschall verwendet
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4. Die Zeit von Wellental zu Wellental nennt man
Schwingungsdauer T (Periode)
Schallgeschwindigkeit c ist ‚Weg pro Zeit‘ => c = λ / T (1)
Die Frequenz ist die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde: eine
Sekunde geteilt durch die Schwingungsdauer => f = 1 / T (2)
Die Frequenz wird in Hertz (Hz) angegeben
Setzt man (2) in (1) ein: c = λ x f
Die Amplitude beschreibt die Größe der US Welle und die Power
Die Power ist direkt proportional der Amplitude, sie ist regelbar
und wird in Dezibel (dB) angegeben
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5. Um im Medizinischen Ultraschall einen 2-dimensionalen
Bildaufbau zu ermöglichen braucht man eine Tiefenzuordnung
=> gepulster Ultraschall
Pulse Duration
= Anzahl der Zyklen x Periode (T)
Spatial Pulse Length
= Anzahl der Zyklen x Wellenlänge
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6. Pulse Repetition Period = die Zeit vom Start eines Pulses zum
Beginn des nächsten Pulses
=> diese Zeit enthält eine Pulse Duration und die Zeit bis zur
Rückkehr dieses Pulses
Pulse Repetition Period (roter Pfeil)
Pulse Duration (blauer Pfeil)
Zeit bis zur Rückkehr des Pulses (schwarzer Pfeil)
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7. Pulsrepetitionsfrequenz = die Anzahl der Pulse pro Sekunde, die
das US Gerät sendet.
=> dies ist abhängig von der Tiefe, weil sich die Zeit bis zur
Rückkehr des Pulses damit ändert.
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8. Entfernungsmessung mittels Ultraschall
Wird ein kurzer, kräftiger Schall ausgesendet und trifft dieser auf
ein Hindernis, das den Schall reflektiert, so ergibt sich ein kurzes,
prägnantes Echo, welches wieder zum Sende-Ort zurückkehrt.
Wird die Zeit gemessen und ist die Schallgeschwindigkeit bekannt,
so kann die Entfernung des Hindernisses bestimmt werden.
Geschwindigkeit = Weg / Zeit
Weg = Geschwindigkeit x Zeit
Schallgeschwindigkeit in Körpergeweben ca. 1540m/sec
(= 4-5x höher als in Luft)
Tiefe (mm) = 1,54mm/μs x Hin-Retourzeit / 2
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9. Entfernungsmessung mittels Ultraschall
Tiefe (mm) = 1,54mm/μs x Hin-Retourzeit / 2
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10. Schall im Gewebe
Schallabschwächung ist umso größer, je höher die US Frequenz
und je größer die Distanz ist.
3 Ursachen der Schallabschwächung:
1. Reflexion (an glatten Oberflächen)
2. Streuung (an unregelmäßigen Oberflächen)
3. Absorption (Umwandlung von US Energie in Wärme)
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11. Der Schallkopf (Transducer)
Technische Grundlage ist der ‚Piezoelektrische Effekt‘
 1880 entdeckten die Brüder Curie, dass ein Kristall seine Größe
ändert, wenn an ihn eine elektrische Spannung gelegt wird,
umgekehrt führt Druck auf einen Kristall zum Auftreten von
elektrischen Ladungen an seiner Oberfläche, wobei die Größe
der Ladung der Druckeinwirkung proportional ist.
 Es lässt sich also ein und derselbe Kristall als Sender
(Wechselstrom erzeugt Vibration) und Empfänger (reflektierter
Schall erzeugt Strom) verwenden und die Geräte entsprechend
klein konstruieren.
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12. ‚Piezoelektrische Effekt‘
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13. Schallkopf (Transducer)
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14. Schallkopf (Transducer) – Phased Array
Um den Schallstrahl in unterschiedliche Richtungen dirigieren zu
können, verwendet man mehrere nebeneinander liegende
Kristalle. Durch zeitlich abgestimmte Ansteuerung der einzelnen
Elemente kann der Schallstrahl nun fächerförmig gesendet und
auch fokussiert werden (phased array).
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15. Das Echo Bild
A-Modus (Amplitude)
Das Ultraschallgerät stellt die empfangenen Echos entlang der
Entfernungsachse je nach Stärke (Amplitude) dar.
B-Modus (Brightness)
Die Amplituden werden durch Leuchtpunkte je nach Helligkeit
(Brightness) ersetzt.
M-Modus (Motion)
B-Modus Darstellung entlang einer Zeitachse (1 Schallrichtung)
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16. Das Echo Bild
A-Modus (Amplitude)
Das Ultraschallgerät stellt die
empfangenen Echos entlang der
Entfernungsachse je nach Stärke
(Amplitude) dar.
B-Modus (Brightness)
Die Amplituden werden durch
Leuchtpunkte je nach Helligkeit
(Brightness) ersetzt.
M-Modus (Motion)
B-Modus Darstellung entlang einer
Zeitachse (1 Schallrichtung)
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17. Zweidimensionales Echobild (2D Bild)
Für ein 2D Bild wird der B-Modus verwendet, allerdings entsteht
das Bild aus der fächerförmigen Abtastung der gewünschten
Region. Das US Gerät sendet in eine Richtung, wartet auf die
zurückkommenden Echos, ändert die Abstrahlrichtung um ein
paar Grad und sendet erneut.
Dadurch ergeben sich Bildraten von 30-60 Bildern pro Sekunde.
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18. Zweidimensionales Echobild (2D Bild)
Für ein 2D Bild wird der B-Modus verwendet, allerdings entsteht
das Bild aus der fächerförmigen Abtastung der gewünschten
Region. Das US Gerät sendet in eine Richtung, wartet auf die
zurückkommenden Echos, ändert die Abstrahlrichtung um ein
paar Grad und sendet erneut.
Dadurch ergeben sich Bildraten von 30-60 Bildern pro Sekunde.
© Michael Wolrab

19. Fledermaus
Ultraschall 14.000 – 80.000 Hz
weitere Beispiele: Delphine, Zahnwale, Nachtfalter
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20. Ultraschall
Anwendungsbeispiele
Echolot
US Materialprüfung
US Schwangerschaft
Herz-Ultraschall
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21. Vor- und Nachteile
Vorteile
• Risikoarm
• Schmerzlos
• Schnelle Durchführung
• Anschaffung und Betriebskosten in Relation zu anderen
bildgebenden Verfahren gering
• umweltfreundlich
Nachteile
• Qualität der Bilder hängt von vielen Faktoren ab (Patient,
Untersucher, US Gerät, ..)
• Schwierig zu erlernen
• Bild Auflösung im Vergleich zur Eindringtiefe
• Fledermäuse können sich bei Nebel oder hoher
Luftfeuchtigkeit nicht orientieren
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