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Sonographie (Ultraschall)

Abstract

Die Sonographie ist ein radiologisches Verfahren, das mit Hilfe von Ultraschallwellen die Morphologie innerer Organe und Strukturen sichtbar macht. Ultraschallwellen sind hochfrequente Schallwellen, die durch den piezoelektrischen Effekt im Ultraschallkopf erzeugt und wieder empfangen werden. Je nach gewählter Darstellungsart kann ein zweidimensionales räumliches Bild mittels Graustufen (B-Bild), ein Bildausschnitt in zeitlicher Auflösung (M-Bild) oder auch die Strömungsrichtung und -geschwindigkeit von Flüssigkeiten (Doppler und Duplex) wiedergegeben werden. Dank der Unschädlichkeit von Ultraschallwellen und der hohen Verfügbarkeit von Sonographiegeräten wird dieses Verfahren zur Diagnosefindung häufig als Ergänzung zur klinischen Untersuchung insbesondere auch bei Kindern oder Schwangeren eingesetzt. Die Möglichkeit der schnellen Befunderhebung in ausgewählten akuten Fragestellungen (z.B. Verdacht auf Cholezystitis oder akute Rechtsherzbelastung) ist ein weiterer Vorzug dieser Untersuchungstechnik. Probleme in der Sonographie ergeben sich jedoch durch eine hohe Untersucherabhängigkeit und häufig auftretende Artefakte.

Eine weitere Einsatzmöglichkeit des Ultraschalls stellt die Endosonographie dar, die beispielsweise transrektal, transvaginal, transösophageal oder transgastral erfolgen kann. Sie ist hilfreich bei der Beurteilung von außen nur schwer erreichbaren bzw. beurteilbaren Organen und Strukturen (Prostata, Ovar, Herzklappen, Pankreas). Durch den Einsatz von nebenwirkungsarmen Kontrastmitteln konnte das Einsatzgebiet der Sonographie zusätzlich erweitert werden (z.B. TEE, Abklärungen von hepatischen Raumforderungen).

Definition

Sonographie (von lat. sonare = "erschallen", "erklingen") bezeichnet ein radiologisches Verfahren, das mit Hilfe von Ultraschallwellen Dichteunterschiede von Geweben sichtbar macht. Es handelt sich um ein nicht-invasiv einsetzbares, grundsätzlich komplikationsloses und aussagekräftiges Verfahren, das häufig im klinischen Alltag zum Einsatz kommt.

Gerätebedienung

Technischer Hintergrund

Entstehung der Ultraschallwellen

  • Ultraschallwellen sind hochfrequente Schallwellen, die für das menschliche Ohr nicht hörbar sind
  • Sie entstehen durch den Piezoelektrischen Effekt (von altgr. piezein = "pressen")
    • Definition: Auftreten von elektrischen Spannungen an einem Festkörper (Kristall), wenn dieser elastisch verformt wird
      • Dieser Effekt ist in beide Richtungen möglich. So bewirkt eine elektrische Spannung auch eine elastische Verformung des Festkörpers (Kristall)
    • Technischer Hintergrund: Zur Erzeugung und Aufzeichnung von Ultraschallwellen werden Blei-Zirkonat-Titanat oder Polyvinylidendifluorid-Kristalle genutzt
      • Durch die rhythmische, hochfrequente Verformung der Kristalle entstehen Wellen im Ultraschallbereich
        • Wie andere Wellen auch, werden Ultraschallwellen an Grenzflächen zweier Medien unterschiedlicher Dichte gebeugt und reflektiert
          • Proportional zum Dichteunterschied der Medien wird nur ein kleiner oder ein großer Anteil der auftreffenden Wellen reflektiert
        • Ultraschallwellen weisen im Vergleich zu Wellen anderer bildgebender Verfahren (Röntgen, Szintigraphie) eine hohe Absorption durch Gewebe auf
        • Absorption und Frequenz der Ultraschallwellen sind zueinander proportional
      • Der Untersucher muss sich entscheiden zwischen
        • Hohe Eindringtiefe/wenig Absorption/geringere Auflösung → niedrige Frequenz erforderlich (z.B. Abdomensonographie )
        • Geringere Eindringtiefe/viel Absorption/höhere Auflösung → hohe Frequenz erforderlich (z.B. Schilddrüsensonographie ).

Aufzeichnung von Ultraschallwellen

  • Der reflektierte Anteil der Ultraschallwellen wird vom Kristall im Ultraschallkopf wieder empfangen und durch den piezoelektrischen Effekt wieder in elektrische Spannung umgewandelt und aufgezeichnet
  • Die räumliche Auflösung erfolgt dabei über die Messung der Laufzeitunterschiede der reflektierten Wellen
  • Die reflektierten Wellen können mit Hilfe verschiedener Aufzeichnungsverfahren entweder zur Darstellung der Morphologie oder zur Beurteilung einer Bewegung (zumeist Strömungsgeschwindigkeit des Blutes) herangezogen werden

Erfassung der Morphologie

Durch die Reflexion der Ultraschallwellen an den Grenzflächen unterschiedlich dichter Gewebe kann einerseits die Echogenität des Gewebes (≈ Dichte des Gewebes), durch den Laufzeitunterschied andererseits auch die Entfernung der dargestellten Strukturen zum Ultraschallkopf (räumliche Zuordnung) wiedergegeben werden. Hierdurch wird ein morphologisches Abbild der Strukturen erzeugt.

  • A-Bild: Amplitudenmodulation
    • Die Größe des Anteils der reflektierten Wellen wird mit entsprechend großen Amplituden auf dem Bildschirm des Sonographiegeräts wiedergegeben
    • Ursprüngliche Art der Bilddarstellung - heute kaum noch relevant
  • B-Bild: Brightness-Modulation
    • Reflektierte Wellen werden in Graustufen dargestellt → Klassisches "Sono-Schwarz-Weiß-Bild"
    • Die zweidimensionale Darstellung beruht auf einer Zuordnung von reflektierten Wellen (≅ Strukturen) zu Bildpunkten
      • Tiefe: Wird durch die Laufzeit der Wellen (≈ Distanz zwischen Schallkopf und Grenzfläche) bestimmt
      • Breite: Durch die Kombination von ca. 120 Bildreihen nebeneinander entsteht ein zweidimensionales Bild.
  • M-Bild: Auch TM (Time-motion)-Bild
    • Erfasst einen schmalen Bildausschnitt im zeitlichen Verlauf
    • Sinnvoll bei der Wiedergabe von bewegten Strukturen (Einsatz v.a. in der Echokardiographie)

Erfassung von Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit

Neben der Darstellung der Morphologie von Strukturen kann die Sonographie auch zur Erfassung von Strömungen (insb. von Blut) herangezogen werden. Hierzu kommen sog. Doppler-Verfahren zum Einsatz, die auf der Nutzung des Doppler-Effekts beruhen. Hierbei wird nicht die Laufzeit der Ultraschallwellen, sondern deren Stauchung und Streckung durch die Bewegung des reflektierenden Mediums ausgenutzt. Je höher die (relativ zum Ultraschallkopf gerichtete) Strömungsgeschwindigkeit, desto stärker werden die Wellen gestaucht oder gestreckt. Die so ermittelte Strömungsgeschwindigkeit wird in m/sec angegeben. Durch die Erfassung im zeitlichen Verlauf entsteht ein Diagramm (X-Achse: Zeit; Y-Achse: Strömungsgeschwindigkeit), aus dem die Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit während eines Zeitraums ersichtlich werden.

  • PW-Doppler: Pulsed-wave-Doppler
    • Ultraschallwellen werden wie auch bei A-/B- und M-Bild von einem piezoelektrischen Element sowohl "pulsartig" erzeugt als auch empfangen
      • Vorteil der pulsatilen, nicht-kontinuierlichen Aufzeichnung: Eine Tiefenlokalisation der reflektierenden Strukturen ist möglich
      • Nachteil: Der zeitlichen Auflösung sind Grenzen gesetzt → Bei zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten kann die Flussrichtung nicht mehr eindeutig bestimmt werden (Alias-Effekt)
  • CW-Doppler: Continuous-wave-Doppler
    • Es werden zwei piezoelektrische Elemente verwendet, wovon eines kontinuierlich sendet und das andere kontinuierlich empfängt
      • Vorteil: Es können auch hohe Flussgeschwindigkeiten (z.B. Klappenstenosen) erfasst werden
      • Nachteil: Eine räumliche Zuordnung der reflektierenden Strukturen ist nicht möglich.

Kombinierte Verfahren: Duplexsonographie

Durch die Kombination zweier Verfahren kann sowohl die Morphologie (z.B. Gefäße) als auch die Strömungsrichtung und -geschwindigkeit von bewegten Strukturen (z.B. Blut) wiedergegeben werden. Die Duplexsonographie stellt eine Kombination von PW-Doppler und B-Bild dar. Bei der farbkodierten Duplexsonographie (auch "color flow mapping") erfolgt zusätzlich eine farbige Codierung der Strömungsrichtung (rot = zum Schallkopf hin, blau = vom Schallkopf weg) und Geschwindigkeit (umso heller der Farbton, desto schneller die Flussgeschwindigkeit). Unbewegte Strukturen werden weiterhin mit den üblichen gewebespezifischen Grauwerten angezeigt.

Ablauf/Durchführung

Organbezogene Abläufe

Hintergründe

  • Vorteil der Sonographie ist unabhängig vom eingesetzten Verfahren die Unschädlichkeit für den Organismus
    • Es werden unschädliche, nicht-ionisierende Ultraschallwellen eingesetzt, die im Gegensatz zur Röntgenstrahlung auch bedenkenlos bei Kindern und Schwangeren verwendet werden können
    • Weiterhin ist die Sonographie nicht-invasiv einsetzbar und erlaubt eine morphologische sowie funktionelle ("bewegtes Bild") Diagnostik in vielen Fragestellungen
  • Nachteile ergeben sich insb. durch Artefakte
    • Schallschatten
      • Werden Ultraschallwellen an einer Grenzfläche stark resorbiert und reflektiert, so dringen keine Wellen mehr in die Tiefe. Alle hinter der Grenzfläche liegenden Strukturen erscheinen schwarz
      • Eine Abgrenzung der Strukturen ist nicht mehr möglich
      • Dies ist insb. bei der Darstellung von Strukturen, die hinter Knochen (Milz oder Nieren hinter den Rippen) oder von Luft überlagert werden (Darmschlingen, Pankreas) relevant
    • Schallverstärkung
      • Da die Ultraschallwellen in Flüssigkeiten kaum abgeschwächt werden, erscheinen Strukturen, die hinter flüssigkeitsgefüllten Räumen liegen, im B-Bild echoreicher ("heller")
    • Reverberation: Wiederholungsartefakte
      • An stark reflektierenden Grenzflächen entstehende Mehrfachechos, die auch hinter der Grenzfläche in regelmäßigem Abstand wiederholt werden

Die Qualität und Aussagekraft eines Sonographiebefundes ist stark vom Können des Untersuchers abhängig!

Konventionelle Sonographie Duplex-Sonographie Endosonographie Kontrastmittel-Sonographie
Charakteristika
  • Hohe Verfügbarkeit
  • Vielfältiges Einsatzgebiet
  • Zuordnung von Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit zu morphologischen Strukturen möglich
  • Geringerer Organ-Ultraschallkopf-Abstand
  • Vorteil
    • Überlagerungsartefakte werden vermindert
    • Darstellung mittels hoher Frequenz möglich, die nur eine geringe Eindringtiefe hat, die Strukturen aber schärfer darstellt
  • Nachteil: Je nach Indikation muss eine Sedierung des Patienten erfolgen (z.B. TEE)
  • Als Kontrastmittel werden Gasmikrobläschen (Luft oder inerte Gase) eingesetzt, die nicht größer als ein Erythrozyt sind (<10μm)
  • Durch den hohen Dichteunterschied zwischen dem verwendeten Gas und der umgebenden Flüssigkeit - meist Blut - wird ein Großteil der auftreffenden Ultraschallwellen reflektiert und ist damit bildgebend
  • Vorteil: Verwendete Kontrastmittel lösen kaum allergische Reaktionen aus und werden schnell über die Lungen abgeatmet. Es besteht somit keine Belastung von Leber oder Nieren
  • Nachteil: Stark untersucherabhängig

Ausgewählte Indikationen

Beurteilung bzw. Nachweis von:

  • Erfassung der Durchgängigkeit von Gefäßen
  • Nachweis von Stenosen oder Thromben
  • Beurteilung von Herzklappeninsuffizienz en und -stenosen
  • Nachweis von arteriellen Aneurysmen, Dissektionen

Interpretation/Befund