Die klinische Bedeutung von Untersuchungsmethoden: Ultraschall

3. Die klinische Bedeutung von Untersuchungsmethoden: Ultraschall

Autor: Attila Kollár

 

3.1. Fazit und Ziel dieses Kapitels

Um der Leser mit der nichtionisierenden Strahlung und der nicht-invasiven medizinischen Bildgebungsmethode, seiner physikalischen Basis und seiner Diffusion durch verschiedene Mittels, Techniken und Moden (A, B und M) zu mitteilen. Der Student sollte in der Lage sein, die auf physikalischen Eigenschaften basierende Nomenklatur der Ultraschallmethode zu verstehen und physikalisch interpretieren und verwenden zu können. Sowie einen Einblick in die neuesten Ultraschalltechniken (Kontrastmittel, Gewebeharmonische Bildgebung und Jaelastographia) zu erteilen.

3.2. Physikalische und technische Grundlagen

3.2.1. Physikalische Eigenschaften des Ultraschalls:

Mechanische Wellen mit einer Frequenz ab 20 kHz heißen Ultraschallwellen, die das menschliche Ohr normalerweise nicht hören kann.
Ultraschall wird erzeugt durch kleine Piezokristalle. Diese sind winzige Keramikplatten, dicke Vibratoren, die von einem AC-Triebwerk angetrieben werden und eine gedämpfte mechanische Vibration produzieren, um Ultraschallwellen zu erzeugen (Abb. 1). Die Frequenz des Schallwandlers wird durch die Dicke der piezoelektrischen Keramikplatten bestimmt. In einem Bruchteil einer Sekunde arbeiten die Keramikplatten mehrfach als Sender und Empfänger. In dem Empfänger werden die aus dem Untersuchungsgebiet zurückkehrenden Ultraschallwellen auf die piezoelektrischen Kristalle übertragen, was Vibrationen in dem Silber verursacht, von wo aus dann elektrische Impulse abgeleitet werden. Die Ultraschallaufnahmen sind Hochleistungs-PC-zusammengesetzte Echo-Aufnahmen (sie werden in nahezu Echtzeit abgebildet - 14 bis 25 Sekunden pro Aufnahme mit geringer Verzögerung) und stellen die Schallreflektionen vom inneren des Körpers dar.

 

3.2.2. Die Ausbreitung vom Ultraschall

3.2.2.1. Die Geschwindigkeit dem Ultraschall

Die Ausbreitung vom Ultraschall braucht natürlich ein Medium. Da die Geschwindigkeit der mechanischen Vibrationen in einem Medium konstant ist, liegt dieser Wert für biologische Gewebe bei etwa 1540 m/s. Diese Rate variiert wesentlich in verschiedenen Flüssigkeiten oder Gewebsstrukturen, wie zum Beispiel:
Wasser (20oC) - 1480 cm/s,
Wasser (36oC) - 1530 cm/s,
Gehirn - 1540 cm/s
Fett - 1450 cm/s
Knochen - 2500-4700 cm/s

3.2.2.2. Die Frequenz und die Wellenlänge des Ultraschalls

Die Wellenlänge (λ) kann aus der Frequenz und der Geschwindigkeit des Ultraschalls errechnet werden: λ=c/f,
z.B.: für 5 MHz Frequenz entsteht λ= 0,3 mm Wellenlänge.
Im dem Medium gibt es entlang der longitudinalen Ausbreitung des Ultraschalls Verdickungen und Verdünnungen, die natürlich von der Dichte des Mediums abhängen.

3.2.2.3. Die Ausbreitung vom Ultraschall durch Grenzfläche

An dem Ultraschallbild sind die Objekte nicht "genau dort", wo an der Aufnahme angezeigt werden, zufolge der Ausbreitung durch Grenzflächen. Es muss man besonders bei der Ultraschall steuerten Intervention berücksichtigen.

3.2.3. Die Energie-Wert des Ultraschalls, Überlegungen zur Sicherheit

Ein weiterer wichtiger physikalischer Parameter ist die Energie pro Flächeneinheit, die in der Formel W / cm² angegeben wird. Die Intensität liegt bei medizinischen, diagnostischen Anwendungen normalerweise unterhalb 100 mW / cm².
Heutzutage, nach unseren Erkenntnissen ist es bei einer 10-12 Minuten Untersuchung eine durchschnittliche Energiemenge, die wird für die menschlichen Körper nicht schädlich sein. Jedoch man kann in Falle von längeren Dopplerprüfungen bereits in dem betroffenen Bereich ein par Grade Anstieg der Temperatur erfahren.
Dies erklärt, dass - vor allem im ersten Trimester - nur eine sehr limitierte Zeit ist erlaubt Doppler Untersuchungen zu machen bei Schwangerschaftstests.

3.2.4 Bildgebender Verfahren mit Ultraschall

A-Mode (Amplitudenmodulation)
In dieser Methode, das Bild zeigt auf der horizontalen Achse die betrachtete Tiefe und auf der vertikalen Achse die Amplitude des Echos. Bei der biometrische Anwendung in der Augenheilkunde wird es in erster Linie für die Distanz-Messung benutzt (Abb. 2).

 
M-Mode (“Motion mode”, Bewegungsmodulation)
Mit dieser Methode kann man die Änderung den Echopositionen im Laufe der Zeit und entlang einem Strahl an der B-Bilde anzeigen (Abb. 3). Es hat größte Bedeutung für Echokardiographie.

 
B-Mode (Helligkeitsmodulation)
Die, von piezoelektrischen Kristallen in einem Schallwandler (z.B. 256 Stücke) erzeugten, Ultraschallwellen werden auf unterschiedlichen Grenzflächen von jeder Gewebestruktur reflektiert. Dank den schnellen Datenerfassung und -Verarbeitung mit einem Computer dieses Gerät kann diese Reflektionen an dem Monitor als kleine "helle" oder "graue" Punkte anzeigen, somit aus diesen ein Bild (Abb. 4) bestehen wird. Diese Bilder wechseln sich in Folge aufeinander an dem Monitor sehr schnell (25-40 Frame/sec), so es eine echtzeitige Untersuchung ergibt.

 

3.2.5. Die Typen der Echostrukturen

Der Ultraschall passiert verschiedene Grenzflächen:
Grenzflächen zu Luft und kalkhaltigen Knochenstrukturen erzeugen signifikante Reflexionen im Ultraschall, die die darunterliegenden Areale nahezu unsichtbar machen.
Folgende Echo-Strukturen werden nach der Ultraschallausbreitung und Reflektion durch Gewebe unterschieden:
Zystisch: 1. echofrei
Solide: 2. echoarm
3. echoreich
4. echodens
Heutzutage ist die Ultraschalldiagnostik auf real-time B-Mode US-Bildgebung basiert. In der, die mit Ultraschall Untersuchten, Gewebestrukturen werden die oben genannten - unterschiedlichen - vier möglichen Echointenzitäten sich mengen.

3.2.6. Die Resolution des Ultraschallbilds

Je bessere Auflösung in entsprechende Richtungen erfassbar ist, desto besseres detailreiches Ultraschallbild werden wir mit dem angegebenen Gerät haben. Die axiale Auflösung wird bei Schallwandler mit höherer Frequenz verbessert. Die Verbesserung der lateralen Auflösung erfordert in entsprechender Tiefe konzentrierte Ultraschallbund. Mit der Anwendung des dynamisch konzentrierten Strahls wird die seitliche Auflösung fast der gleichen sein bis zu der gesamten Untersuchungstiefe.

3.2.7. Doppler Methode mit Ultraschall (spektrale Doppler)

Die Doppler Technik basiert auf der Reflektion von den strömenden (nähende, weitende) Partikeln mit differenten Geschwindigkeiten.
In einem einfachen Doppler-Instrument mit kontinuierlicher Schallemission ist ein Signalsender und ein Empfänger. Bei dieser Technik gibt es im Prinzip keine Begrenzung für die Geschwindigkeits-Messung.
Bei der Anwendung der Impuls Doppler, wir können auswählen mit der Hilfe einer variabler Musteranschluss ("gate"), wovon wir Geschwindigkeits-Information erschöpf wollen, entlang der Ultraschall (Arteriellen - Abb. 5, Vene - Abb. 6).

 

3.2.8. Color Doppler US

In der aktuellen Messregion (Farbfeld) wird der Computer grundlegend die Strömung in Richtung zur Wandler in roten und vom Wandler in blau codieren. Zur differenten Geschwindigkeits-Werte der Strömung wird auch anderen Farbton zugewiesen. Deshalb bei den Strikturen und bedeutendem Aderbogen werden variable Farben gezeichnet (Abb. 7).
Für die quantitative Messung der Strömung dient das an der bestimmten Region aufgenommene Doppler Spektrum, neben der Farbe Doppler. (je kleiner Sie das Musteranschluss wählen können, je weniger "laute" Doppler-Kurve gewonnen werden)

 

3.2.9. Power Doppler US

Bei diesem Doppler Technik die Tatsache des Strömung wird verstärkt in der Farbfeld, welches Technik über 7-8 Fach sensibler ist als das Color Doppler, allerdings können wir die Richtung der Strömung nicht bestimmen. Diese Methode (Abb. 8) ist sehr geeignet für die Nachweisung der Stromregionen in den das Geschwindigkeit sehr variable und niedrige ist.

 

3.2.10. Dreidimensionale (3D) und Vierdimensionale (4D) Ultraschall

Bei dem konventionellen 2D Ultraschall-Verfahren wird die Bildgebung in einer ausgewählten Plane geschehen. Jedoch bei dem dreidimensionalen Ultraschall-Verfahren wird aus dem bestimmten Volumen entstandene große Menge von Reflektion-Daten zum Bild (Abb. 9) verarbeitet.
In den vergangenen 8-10 Jahren erfahrene sturmvolle Entwicklung der dreidimensionalen Ultraschall-Verfahren ermöglicht, dass wir die mit speziellen Schallwandlern erstellte 3D US Bilde fast zur gleichen Zeit wie die Untersuchung als bewegende Struktur zeichnen können. So kamen wir zum rekonstruierten dreidimensionalen Bewegungs-Bild-Anzeigung, so genannte 4D Ultraschall-Verfahren.

 

3.3. Kontrastgestützte Ultraschallprozederen

Gasblasen sind seit 1968 bei Ultraschalluntersuchungen als Kontrastmittel in Gebrauch. sie werden allerdings erst seit Mitte der neunziger Jahre regelmäßig eingesetzt. Ursprünglich wurde Kontrastmittel bei kardialen Doppler-Untersuchungen eingesetzt, um die Sensitivität zu verbessern. Dopplerstudien können nach wie vor den Fluss in Gefäßen mit einem Durchmesser wenigen Millimetern feststellen; mit der Verabreichung von 2-3 ml Ultraschallkontrastmittel ist die Flussdarstellung auch auf Kapillarebene möglich. Bei geringem mechanischem Index gibt das Kontrastmittel ein starkes von den Geweben differenzierendes Signal.
In Ungarn gibt es nur ein zugelassenes und klinisch genutztes Kontrastmittel, Sonveu (Lebenszeit von etwa 5min nach i.v.-Verabreichung, besteht aus Sulfurhexafluorid-Gasblasen und Phospholipiden.
Die Kontrastmittelgabe bei Ultraschall-Verfahren ist mehr und mehr erbreitet in der Bildgebung verschiedener Organen (Abb. 10, 11).

 

3.4. Tissue Harmonic Imaging - THI

Tissue Harmonic Imaging (THI) kann auch als 2D-Methode US-Untersuchung in spezifischen Frequenzbereichen verwendet werden (z.B. 3.5 MHz). (Sie sind) Es werden ganzzahlige Vielfache des Sendeimpulses (der ursprünglichen Ultraschallfrequenz) verwendet. Entsprechend können wir zwischen Gewebe (THI) und kontrastanreichernden Harmonic Imaging-Methoden (Contrast Harmonic Imaging – CH unterscheiden.
Die harmonischen Wellen sind ganzzahlige Vielfache einer fundamentalen Ultraschallfrequenz (z.B. 5 MHz - 10 MHz). Die Harmonie wird aufgrund der ursprünglichen US-Frequenz im Geweben verursacht, weil die Ausbreitungsgeschwindigkeit des USs leicht erhöht ist während der Hochdruck Halbwertzeit (Verdickung), während sie bei der Rarefaktion geringer ist. Folglich wird durch eine Verzerrung der ursprünglichen Sinusvibration die Harmonie, erzeugt. Durch das Empfangen von nur harmonischen Frequenzen und das Auslöschen der einfachen Frequenzvibrationen können wir hochwertigere, wesentlich weniger verrauschte, zweidimensionale Bilder produzieren. Diese Methode wird hauptsächlich genutzt, um eine detailliertere Beurteilung der Struktur von parenchymatösen Organen zu ermöglichen und um lokalisierte Läsionen mit schärferen Konturen (Abb. 12) darzustellen. Im Verhältnis zu der Basisfrequenzprozedere ist eine entsprechende Eingangsverstärkung einzustellen. THI und CHI Techniken setzten die Anwendung von Breitband-Schallwandlern voraus.

 

3.5. Endokavitäre, endoskopische Ultraschallmethoden

Neben den Ultraschalltechniken, bei denen diverse konvexe (3.5-6 MHz) und lineare (5-10 MHz) (Abb. 13) Schallköpfe auf die Hautoberfläche gesetzt wird, gewinnen heutzutage dank stetigen technologischen Entwicklungen verschiedene endokavitäre und laparoskopische Ultraschallverfahren an Bedeutung. Mit diesen Schallwandlern wird die Ultraschallbildauflösung durch die Anwendung sehr hoher 10-14 MHz Frequenzen dramatisch verbessert.
Endoskopischer US- Ösophagus, Magen, Duodenum, endobronchial, endonasal
Intraduktaler US- Gallengänge, Wirsung-Gang
Transrektaler US- Rektum, Prostata, Perirektalraum (Abb. 14)
Transvaginaler US- Vagina, Uterus, Ovarien
Laparoskopischer US- Abdomen, Becken, mediastinale Region

Nicht-tastsbare Veränderungen (z.B. kleine Metastasen des Leberparenchyms) können durch spezielle intraoperative Schallwandler, die an der Oberfläche der parenchymalen Organe gehalten werden, dargestellt werden.

 
Zu dem Beispiel der Anwendung des endoskopischen Ultraschalls sei erwähnt, dass sie bei Magenkrebs eine wichtige Bildgebungsmethode darstellt, mit der die akkurate Beurteilung der Tumorausbreitung in der Wand wie auch die Feststellung von pathologischen Lymphknoten um den Magen herum möglich wird. Sensitivität und Sensitivität sind denen der MDCT gleichwertig. In der Untersuchung von Fernmetastasten sind natürlich MDCT, MRT und PET-CT die adäquaten Methoden.
Bei Tumoren des Pankreaskopfes können diese mithilfe des endoskopischen Ultraschalls auf Höhe des Duodenums sehr gut klassifiziert und die Ausbreitung der Läsion, die innere Struktur sowie die Gefäßneubildung untersucht werden. Außerdem kann mit einer speziellen Nadel eine ultraschallgesteuerte Biopsie durchgeführt werden.

3.6. Rolle der sonographischen Bildgebung in der Onkologie

Die Sonographie ist eine sehr wichtige und nicht-invasive Untersuchungsmethode für alle Tumorarten; sie können untersucht und visualisiert werden.
Im Vergleich zum CT oder MRT hängt die Methode stark vom Untersucher ab; deshalb kann die Sonographie in der onkologischen Bildgebung- bei der Reproduzierbarkeit, Vergleichbarkeit und regelmäßige Kontrollen entscheidend sind- und trotz wesentlicher technischer Entwicklungen einfach nicht mit anderen Methoden konkurrieren.
Alle parenchymatösen Organe und oberflächlichen Weichteile können mit Hilfe konventionellen 2D-bildgebenden Verfahren gut untersucht werden, aber Luft, Knochen und verkalkte Strukturen stellen unüberwindbare Hürde für den Ultraschall dar, da die Wellen von solchen Strukturen reflektiert werden. Bei der Beurteilung der intraabdominalen Organe kann die Bildqualität des Ultraschalls durch ausgeprägtes Übergewicht und postoperative Zustände (Verbände, Drainagen) unterbrochen und verschlechtert werden.
In der Visualisierung und morphologischen Beurteilung mittels Ultraschall kann bei sehr oberflächlich liegenden, tumorverdächtigen Läsionen der Subkutanschicht sowie oberflächlich gelegenen Lymphknoten ein Gelkissen hilfreich sein.
Mittels Farbdoppler und Power-Doppler-Untersuchung können wir wertvolle Auskünfte über die Gefäßneubildung von Tumoren (Abb. 15) gewinnen. Bei manchen Tumoren (wie z.B. beim Hepatozelluläre Karzinom, FNH, Adenom) können wichtige Informationen durch eine Dopplerspektral-Gefäßanalyse gewonnen werden, die zur Beurteilung der Differentialdiagnostik von Hilfe sein können.

 

3.7. Sonoelastographie

In der sonoelastographischen Untersuchung wird das ausgewählte Areal mit dem Schallkopf leicht zusammengedrückt, um die Weichteile dieser Region zu komprimieren.
Anschließend werden die Ergebnisse in einem B-Bild farbkodiert, in dem unterschiedlich elastische Strukturen leicht voneinander differenziert werden können. Die Gewebsstrukturen des Körpers werden härter und weniger flexibel durch verschiedene entzündliche oder neoplastische Prozesse. Die Geschwindigkeit, mit der diese Veränderung vonstattengeht kann durch die Elastizität gemessen werden. Die Größe der Gewebe wird durch die Kompression durch den Schallkopf in Abhängigkeit der Elastizität verlängert, sowohl in der axialen als auch in der seitlichen Dimension. Durch die korrekte Anwendung der Autokorrelationssoftware können diese Veränderung quantitativ beurteilt werden. Harte Strukturen werden im B-Bild blau abgebildet, während die weicheren Gewebe rot erscheinen. Da es Übergänge in den Härtewerten gibt, ergibt sich eine Schattierung in der Farbkodierung (Abb. 16). Erste Ergebnisse zu Studien von Brust-, Schilddrüsen, und Bauchspeicheldrüsenkrebs im Bezug auf sonoelastographische Untersuchungen sind schon in der Literatur erschienen.

Fazit

Wir haben gelernt,
wie der Ultraschall erzeugt und wie detektiert wurde

• seine Physikale und technische Grundlagen und Eigenschaften
• seine primäre Rolle in nicht-invasiven und bildgebenden Verfahren, die keine Strahlung verursachen
• seine Anwendbarkeit in den vaskulären Untersuchungen / bei der Beurteilung der Vaskularität
• seine spezielle (endokavitale) Anwendungen und seine Rolle in onkologischen Untersuchungen
• Die Vorteile der Kontrastmittelabgabe

 
Deutsche Übersetzung von Csaba Korom und Dávid Tárnoki
mit der Hilfe von der Asklepios Klinik

 

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