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Ultraschall 
Physikalische Grundlagen 
© Michael Wolrab
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 
© Michael Wolrab
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 
© Michael Wolrab
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 
© Michael Wolrab
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 
© Michael Wolrab
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) 
© Michael Wolrab
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. 
© Michael Wolrab
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 
© Michael Wolrab
Entfernungsmessung mittels Ultraschall 
Tiefe (mm) = 1,54mm/μs x Hin-Retourzeit / 2 
© Michael Wolrab
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) 
© Michael Wolrab
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. 
© Michael Wolrab
‚Piezoelektrische Effekt‘ 
© Michael Wolrab
Schallkopf (Transducer) 
© Michael Wolrab
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). 
© Michael Wolrab
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) 
© Michael Wolrab
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) 
© Michael Wolrab
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
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
Fledermaus 
Ultraschall 14.000 – 80.000 Hz 
weitere Beispiele: Delphine, Zahnwale, Nachtfalter 
© Michael Wolrab
Ultraschall 
Anwendungsbeispiele 
Echolot 
US Materialprüfung 
US Schwangerschaft 
Herz-Ultraschall 
© Michael Wolrab
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 
© Michael Wolrab

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Ultraschall

  • 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 © Michael Wolrab
  • 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 © Michael Wolrab
  • 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 © Michael Wolrab
  • 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 © Michael Wolrab
  • 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) © Michael Wolrab
  • 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. © Michael Wolrab
  • 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 © Michael Wolrab
  • 9. Entfernungsmessung mittels Ultraschall Tiefe (mm) = 1,54mm/μs x Hin-Retourzeit / 2 © Michael Wolrab
  • 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) © Michael Wolrab
  • 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. © Michael Wolrab
  • 13. Schallkopf (Transducer) © Michael Wolrab
  • 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). © Michael Wolrab
  • 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) © Michael Wolrab
  • 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) © Michael Wolrab
  • 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. © Michael Wolrab
  • 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 © Michael Wolrab
  • 20. Ultraschall Anwendungsbeispiele Echolot US Materialprüfung US Schwangerschaft Herz-Ultraschall © Michael Wolrab
  • 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 © Michael Wolrab