Ultraschall (Sonographie)

Bei der Sonographie (Synonyme: Ultraschall, Echographie) handelt es sich um ein diagnostisches Verfahren der Radiologie zur Erstellung von Schnittbildern nahezu jedes Organs in beliebiger Schichtführung. Die Erzeugung eines Sonogramms funktioniert durch die Aussendung von hochfrequenten Schallwellen an der Oberfläche des Körpers, welche am zu untersuchenden Gewebe reflektiert werden.

Obwohl es sich bei der sonographischen Untersuchung um ein radiologisches Verfahren handelt, erfolgt die überwiegende Zahl der Durchführungen durch Ärzte anderer Disziplinen. Die Anwendung der Sonographie stellt häufig das erste diagnostische Verfahren bei der Untersuchung eines Patienten dar, es kann jedoch auch beispielsweise zur Verlaufskontrolle bei diversen Krankheiten oder in der Schwangerschaftsvorsorge eingesetzt werden. Als Grund für die breite Anwendung der Sonographie ist das verhältnismäßig geringe Schädigungsrisiko im Vergleich zur konventionellen Röntgenuntersuchung zu sehen.

Die erste medizinische Anwendung der Sonographie wurde durch den amerikanischen Neurologen Karl Dussik im Jahre 1942 durchgeführt. Die Grundidee der Sonographie stammte aus dem Ersten Weltkrieg, als zur Ortung von U-Booten Ultraschallwellen genutzt wurden.

Das Verfahren

Das Prinzip der Sonographie beruht auf der Verwendung eines Schalls im Bereich von 1 MHz bis ungefähr 20 MHz, welcher von einer Vielzahl von Kristallelementen im Ultraschallkopf durch den piezoelektrischen Effekt (Auftreten einer elektrischen Spannung an einem Festkörper, wenn dieser elastisch verformt wird) erzeugt wird. Diese Kristalle sind direkt neben dem Transducer (Auflagefläche im Schallkopf) lokalisiert. Durch die Kristalle im Schallkopf werden Schalllinien erzeugt. Die Dichte der Schalllinien bestimmt das Auflösungsvermögen des erzeugten Sonogramms. Aufgrund dessen werden die Schallwellen gebündelt und fokussiert, sodass das erzeugte Bild abbildungsgetreuer wird.

Nachdem die erzeugten Schallwellen aus dem Schallkopf ausgesendet werden, treffen sie im Körper auf verschiedene Gewebestrukturen, an denen sie reflektiert werden. Dadurch erfolgt eine Energieabschwächung im Gewebe, die umso stärker ist, je höher der Frequenzbereich der Wellen ist. Als Resultat des vermehrten Energieverlustes im hohen Frequenzbereich nimmt die Eindringtiefe der Ultraschallwellen im Gewebe ab. Die erzeugte Frequenz der Schallköpfe kann jedoch nicht beliebig verringert werden, da höhere Frequenzen mit einer kürzeren Wellenlänge einhergehen und so ein besseres Auflösungsvermögen haben.

Trifft die erzeugte Schallwelle auf eine Gewebestruktur auf, so ist der Grad der Reflexion der Schallwelle direkt abhängig von den Gewebeeigenschaften. Jede Gewebeart verfügt über eine unterschiedliche Anzahl von reflektierenden Strukturen, die sich in Dichte und Anzahl unterscheiden. Obwohl an jedem Gewebe, auf das Ultraschallwellen auftreffen, Reflexionen entstehen, ist es dennoch möglich, dass nicht jede reflektierte Schallwelle ein ausreichend starkes Rückstreusignal zur Folge hat, um es im Sonogramm erkennen zu können. Erfolgt die Reflexion am Gewebe, so werden die Schallwellen teilweise wieder zurück zum Schallkopf gesendet und dort von den Kristallelementen empfangen. Die empfangenen Informationen werden nun mittels Beamformer (Methode zur Ortung von Schallquellen) verarbeitet und als elektrische Impulse zur Digitalisierung weitergeschickt. Die Digitalisierung wird durch einen Receiver durchgeführt und im Anschluss an diesen Prozess werden die Sonogramme auf dem Monitor sichtbar.

Von entscheidender Bedeutung für die Ausbreitung der Ultraschallwellen ist die Impedanz. Die Impedanz stellt ein Phänomen dar, welches bei der Ausbreitung aller Schallwellen von Belang ist und den Widerstand beschreibt, der der Ausbreitung der Wellen entgegenwirkt. Zur Verringerung des Impedanz-Phänomens wird bei einer sonographischen Untersuchung ein spezifisches Gel verwendet, wodurch der Schall nicht von Lufträumen zwischen Schallkopf und Körperoberfläche reflektiert wird.

Zur Darstellung der empfangenen Ultraschallwellen und zur Bildrekonstruktion dienen die folgenden Systeme:

• A-Mode-Verfahren (Synonym: Amplitudenmoduliertes Verfahren): Bei diesem Verfahren, welches eine technisch simple Methode zur Bilderstellung der Echosignale darstellt, basiert die Darstellungsfunktion auf der Amplitudenauslenkung der einzelnen Ultraschallwellen. Nachdem die Schallwellen von dem Gewebe reflektiert und gestreut wurden, treffen die zurückkehrenden Echosignale auf den Schallkopf auf und werden als hintereinander geschaltete Amplituden dargestellt. Als Indikation für die Anwendung eines A-Mode-Verfahrens zählt beispielsweise die Qualitätskontrolle in der Schweißnahttechnik.
• B-Mode-Verfahren (Synonym: Brightness-Mode Verfahren): Im Gegensatz zum amplitudenmodulierten Verfahren wird bei dieser Methode ein zweidimensionales Schnittbild erstellt, bei welchem die Abgrenzungen der diversen Gewebestrukturen durch unterschiedliche Helligkeitsstufen erreicht wird. Die Intensität der zurückkehrenden Ultraschallwellen kodiert bei diesem Verfahren die Darstellung in Graustufen. Abhängig von der Echointensität werden die einzelnen Bildpunkte mit unterschiedlicher Dichte elektronisch verarbeitet. Mithilfe des B-Mode-Verfahrens wird es möglich, die einzelnen Sonogramme als animierte Bildfolge ablaufen zu lassen, sodass das Verfahren auch als Real-Time-Verfahren bezeichnet werden kann. Dieses zweidimensionale Real-Time-Verfahren kann mit weiteren Verfahren wie dem M-Mode oder der dopplersonographischen Untersuchung gekoppelt werden. Die Form des Schallkopfes zur Abtastung erfolgt durch einen konvex geformten Scanner.
• M-Mode-Verfahren (Synonym: Motion-Mode): Diese Methode ist prädestiniert für die Aufnahme von Bewegungsabläufen wie beispielsweise bei der Aufnahme der Funktion des gesamten Herzens oder einer einzelnen Klappe. Die Abtastung erfolgt durch die Anwendung eines kreisförmigen Vektorscanners, von dem aus sich die Strahlen in diverse Richtungen ausbreiten können.
• Dopplersonographische Verfahren (s. u. Dopplersonographie/Einleitung)
• Mehrdimensionale Anwendungen: Als zusätzliche Verfahren wurden in den vergangenen Jahren die dreidimensionale und vierdimensionale sonographische Untersuchung eingeführt. Mithilfe des 3D-Verfahrens besteht die Möglichkeit, räumliche Aufnahmen zu erstellen. Das 4D-Verfahren bietet durch die Abbildung einer weiteren Ebene in Kombination beispielsweise mit dem 3D-Verfahren die Option, eine dynamisch funktionelle Untersuchung durchzuführen.

Neben den Weiterentwicklungen im Bereich der mehrdimensionalen Sonographie sind besonders Weiterentwicklungen bei der digitalen Signalverarbeitung gemacht worden. Besonders durch die gesteigerte Rechenleistung der Prozessoren der Ultraschallgeräte ist es nun möglich geworden, das Umgebungsrauschen von den zuvor erzeugten Schallwellen präzise abzugrenzen, sodass die Bildauflösung verbessert werden konnte. Des Weiteren ist der Einsatz von Kontrastmitteln zur Ultraschalluntersuchung optimiert worden, welches zur Folge hat, dass die sonographische Gefäßuntersuchung präziser geworden ist.

Der kontrastverstärkte Ultraschall (CEUS: Contrast Enhanced Ultrasound) ist beim Management maligner (bösartiger) Erkrankungen ein Standard, der nicht mehr wegzudenken ist. Das Verfahren erkennt mit größerer Sicherheit als bei anderen bildgebenden Verfahren, ob ein Tumor benigne (gutartig) oder maligne (bösartig) es. Dies gilt insbesondere für solide Organe wie die Leber, der Niere und der Bauchspeicheldrüse. Unter einer Chemo-, Immun- oder Strahlentherapie kann mittels CEUS erkannt werden, ob die Therapie die Tumordurchblutung reduziert bzw. ganz eliminiert hat. Damit ist das Verfahren auch zur Therapiesteuerung und erster Therapiekontrolle einsetzbar.
Die Kontrastmittelsonographie ist das Verfahren der ersten Wahl für Tumorpatienten, bei denen die Nierenfunktion eingeschränkt ist, ein Herzschrittmacher den Einsatz einer Magnetresonanztomographie (MRT) verhindert, eine Strahlenbelastung vermieden werden sollte oder eine Jodallergie vorliegt.

Als Vorteile der sonographischen Untersuchung sind die folgenden zu nennen:

• Es handelt sich um ein risikoarmes und häufig verwendetes Verfahren mit einem sehr hohen Qualitätsstandard, welches ohne die Exposition von gesundheitsgefährdender Strahlung auskommt.

Als Nachteile der sonographischen Untersuchung sind die folgenden zu nennen:

• Da es sich um ein sehr komplexes Verfahren handelt, ist die Erlernung für den Arzt als schwierig anzusehen. Aufgrund dessen ist die Objektivität des Verfahrens als gering einzuschätzen.
• Überdies ist die Auflösung des Verfahrens geringer als beispielsweise bei der Computertomographie.

Nachfolgend werden unter anderem folgende Ultraschallanwendungen dargestellt:

• 3D-Ultraschall (Ultraschalluntersuchung – dreidimensional)
• 4D-Ultraschall – 3D-Darstellung des ungeborenen Kindes in Echtzeit
• Echokardiographie (Ultraschalluntersuchung des Herzens)
• Skrotalsonographie (Ultraschalluntersuchung zur Untersuchung der Skrotalorgane: Hoden und Nebenhoden)
• Sonographie in der Schwangerschaft (Ultraschalluntersuchung gemäß den Mutterschaftsrichtlinien)
• Sonographie der fetalen Nackentransparenz (NT)
• Transrektale Prostatasonographie (Ultraschalluntersuchung der Prostata)
• etc.
  

Wie findet man qualifizierte Ultraschallexperten?

Die Deutsche Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) bietet eine Liste aller Ärzt*innen in Deutschland an, die eine Ultraschall-Qualifikation durch eine entsprechende DEGUM-Zertifizierung besitzen. Auf der Webseite der DEGUM können alle Interessierten passende Untersucher in ihrer Nähe finden. Des Weiteren gibt es dort eine Liste zertifizierter Abteilungen/Zentren.

Literatur

1. Schmidt G, Görg C: Kursbuch Ultraschall: Nach den Richtlinien der DEGUM und der KBV. Georg Thieme Verlag 2015
2. Fröhlich E: Klinikleitfaden Sonographie. Elsevier Verlag 2014
3. Groß M: Sonographie: Schritt für Schritt zur Diagnose. Elsevier Verlag 2006
4. Kauffmann G: Radiologie. Elsevier Verlag 2006