Post on 23-Aug-2019
Zentrum für Radiologie - IDIR Sektion Pädiatrische Radiologie
Sonographie
Grundlagen und Technik
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Ziele
• Geschichte
• Physikalische Grundlagen
• Gewebecharakteristika /Echogenität
• Schallköpfe
• Darstellungsverfahren
• Artefakte
• Biologische Wirkungen
• Technische Entwicklung / Neuerungen
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• Konventionelles Röntgen → 250-300 /d
• Computertomografie (CT) → 100 /d
• Magnetresonanztomografie (MRT) = Kernspin → 70 /d
• Sonografie (IDIR) → 65 /d (Kinderradiologie: >50 /d)
• Angiografie
• Nuklearmedizinische Methoden
Untersuchungsmodalitäten
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Geschichte des Ultraschalls
~ 1940
2014
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Geschichte des Ultraschalls
~ 1940 2014
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Was ist Ultraschall? … Schallwellen mit Frequenzen
oberhalb des Hörbereiches
des Menschen
… > 16 kHz, < 1 GHz
Frequenzen unterhalb des
Hörschalls = Infraschall
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Erzeugung von Schallwellen – umgekehrter piezoelektrischer Effekt
• Elektrischer Impuls eines Hochfrequenzgenerators (Wechselfeld)
→ piezoelektrische Körper (Kristalle im Schallkopf) verformen sich / Schwingen
→ Erzeugung elektromechanischer Schwingungen (Frequenz abhängig von Impuls)
Detektion von Schallwellen – piezoelektrischer Effekt
• Elektromechanische Schwingungen / Schallwellen
→ piezoelektrische Körper (Kristalle im Schallkopf) verformen sich / Schwingen
→ Erzeugung elektromechanischer Impuls
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Schallwellen
• erzeugt durch umgekehrten piezoelektrischen Effekt
• Longitudinalwellen
• benötigen für Entstehung und Ausbreitung Materie
• Schallgeschwindigkeit (abhängig von Kompressibilität und Dichte des Gewebes)
• V = 1476 -1610 m/s in allen menschlichen Weichteilen
→ Echolot: Rechner nimmt Ausbreitungsgeschwindigkeit von 1540 m/s an
→ Aus Zeitdifferenz zwischen Aussenden von Welle und Empfangen von
Echo erfolgt die Berechnung der Tiefe
Medium Schallgeschwindigkeit
in m/s
Schallimpedanz
in kg/m2s
Dichte ρ
in kg/m3
Luft 340 410 1,2
Fett/Wasser/Hirn/Muskeln 1500 1,5·106 1000
Knochen (kompakt) 3600 6·106 1700
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Schallwellen
• erzeugt durch umgekehrten piezoelektrischen Effekt
• Longitudinalwellen
• benötigen für Entstehung und Ausbreitung Materie
• Schallgeschwindigkeit (abhängig von Kompressibilität und Dichte des Gewebes)
• V = 1476 -1610 m/s in allen menschlichen Weichteilen
→ Echolot: Rechner nimmt Ausbreitungsgeschwindigkeit von 1540 m/s an
→ Aus Zeitdifferenz zwischen Aussenden von Welle und Empfangen von
Echo erfolgt die Berechnung der Tiefe
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Schallwellen
• Schallintensität I …. Schall-Energiegröße (Schalleistung bzw. Energie pro Fläche) [W/m2]
• Abhängig von: - Ausgangsenergie
- Akustischer Impendanz = Zusammenfassung aller Widerstände, die
der Ausbreitung von Schwingungen
in einem bestimmten Umfeld
entgegenwirken
Ultraschallwelle
Grenzfläche/
Inhomogenität
→ Impedanzsprung
Reflexion
Durchdringen/
Transmission
Eindringen
- Absorption
- Streuung
- Beugung
- Bündelung
→ Schallintensität abhängig von
- Ausgangsenergie
- Reflexionsfaktor (Verhältnis
reflektierter zu einfallender
Intensität)
- Abschwächung
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Schallwellen • Reflexionsfaktor abhängig von der Größe des Impendanzsprungs
Schallkopf Schallkopf
Gel
Hautoberfläche
Grenzfläche A
Grenzfläche C
Grenzfläche B
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Schallwellen • Reflexionsfaktor abhängig von der Größe des Impendanzsprungs
Schallkopf
Gel
Haut-
oberfläche
→ Gewebe mit vielen
Impendanzsprüngen
erzeugen viele Echos
… echoreich (hell)
→ Gewebe mit wenigen
Impendanzsprüngen
erzeugen wenige Echos
… echoarm (dunkel)
→ homogene Flüssigkeiten
(Blut, Harn, Galle etc.) ohne
Impendanzsprünge
… echofrei (schwarz)
H2O
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Schallwellen • Reflexionsfaktor abhängig von der Größe des Impendanzsprungs
→ Gewebe mit vielen
Impendanzsprüngen
erzeugen viele Echos
… echoreich (hell)
→ Gewebe mit wenigen
Impendanzsprüngen
erzeugen wenige Echos
… echoarm (dunkel)
→ homogene Flüssigkeiten
(Blut, Harn, Galle etc.) ohne
Impendanzsprünge
… echofrei (schwarz)
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Schallwellen • Absorption ist neben Gewebedichte auch von Ausgangsfrequenz des Schallkopfes abhängig
→ Je höher die Frequenz, desto größer wird der Absorptionskoeffizient
Niedrige Frequenz für tiefe Gewebeschichten
Hohe Frequenz für oberflächliche Strukturen
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Schallwellen • Absorption ist neben Gewebedichte auch von Ausgangsfrequenz des Schallkopfes abhängig
→ Je höher die Frequenz, desto größer wird der Absorptionskoeffizient
Niedrige Frequenz für tiefe Gewebeschichten Hohe Frequenz für oberflächliche Strukturen
Merke: „Tiefe Bässe dringen durch dicke Mauern“
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Schallwellen
• Auflösungsvermögen
= Fähigkeit von Schallwellen, zwei nebeneinander liegende Strukturen zu unterscheiden
Tiefenauflösungsvermögen (axial) Seitenauflösungsvermögen (lateral)
- hängt von Wellenlänge/ Frequenz ab - hängt von Schmalheit des Ultraschallbündels ab
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Schallkopftypen
Durch die unterschiedliche Anordnung von piezoelektrischen Elementen können
unterschiedliche Ultraschallbilder erzeugt werden
Die Schallsonden werden nach der Anordnung der piezoelektrischen Elemente
benannt.
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Schallkopftypen
Linear-Array-Technik Sektor-Array-Technik Konvex-Array-Technik
- 60-200 Kristalle nebeneinander
- pro Kristall Schallfeld von 0,5-1mm
+ sehr gute Nahfeldauflösung
- Größe der Ankopplungsfläche
- Schallschatten bspw. hinter Rippen
- Oszillierender/ rotierender Kristall
- Sektorartiges Schallbild
+ kleine Ankopplungsfläche
- schlechte Nahfeldauflösung
- Einstellung Bildebene schwierig
- Mischtyp
+ gute Nahfeldauflösung
+ relativ gute Fernauflösung
+ Ankopplungsfläche gebogen
- Schallschatten bspw. hinter Rippen
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Darstellungsverfahren
1. Eindimensionale Verfahren = A-mode
Echolotprinzip (Amplituden)
2. Zweidimensionale Verfahren = B-mode
Reflektierte Echos werden als
Helligkeitspunkte dargestellt (brightness)
3. Dreidimensionale Verfahren = 3D-US
Dreidimensionale Darstellung von
nebeinander aufgenommenen B-Scan-Bilder
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Darstellungsverfahren
1. Eindimensionale Verfahren = A-mode = Amplitudenmodulation
- Von der Sonde empfangenes Echosignal wird als Diagramm dargestellt
X-Achse = Eindringtiefe (größere Laufzeit)
Y-Achse = Echostärke (hoher Ausschlag = starke Echogenität)
Anwendung heute: HNO
(Nasennebenhöhlen regelrecht
pneumatisiert oder
Flüssigkeitsgefüllt?)
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Darstellungsverfahren
2. Zweidimensionale Verfahren = B-mode
= Brightness modulation
- Reflektierte Echos werden als Helligkeitspunkte dargestellt
- 256 Grauwerte
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Schallkopf
Gel
Haut-
oberfläche
… echoreich (hell)
… echoarm (dunkel) … echofrei (schwarz)
H2O
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Darstellungsverfahren
2. Zweidimensionale Verfahren = B-mode
M-Mode = Motion modulation
- Hohe Impulswiederholungsfrequenz (1000/s)
- Amplitude wird auf vertikaler Achse dargestellt
- Erzeugte Echozüge auf horizontaler Achse = Zeitachse
Anwendung: Bewegungsabläufe von Organen
(Herzklappenbeweglichkeit, Rückenmarkbeweglichkeit)
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Darstellungsverfahren
Doppler-Mode = Motion modulation - Christian Doppler (1803-1852) 1843: Spektrallinien des Lichts ändern sich bei auf die Erde zu
bewegenden Sternen
- Schall welle trifft im Gefäß auf bewegte Körper (Erythrozyten) → durch ihre Eigenbewegung
geringe Änderung der Frequenz (i.A. davon ob sie sich zum Schallkopf hin oder weg
bewegen)
- Diese relativen Frequenzverschiebungen werden von Schallköpfen detektiert und
ausgewertet
- Mittels der Dopplergleichung kann aus gemessener Empfangssequenz bei bekannter
Sendefrequenz auf die Bewegunsgeschwindigkeiten und –richtungen des Blutes zum fixen
Schallkopf geschlossen werden
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∆f = 2f x Blutflussgeschw x cos α
const
∆f Frequenzverschiebung zw. Sende- u. Empfangsfrequenz
f Sendefrequenz (MHz)
α Einfalls-Dopplerwinkel (so gering wie möglich) !
const Schallgeschwindigkeit im Gewebe
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Darstellungsverfahren
Doppler-Mode = Motion modulation
a) „Doppler“ = Spektraldoppler
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b) Duplex = B-Bild + spektraler Doppler
c) Farbduplex = B-Bild + Farbdoppler
d) Triplex = B-Bild + Farb- + Spektraldoppler
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Darstellungsverfahren
Doppler-Mode = Motion modulation
Powerdoppler
- Sonderform des Fardopplers
- Farbkodierung des Energiegehaltes
(der Strömung)
- Nur eine Farbe – hohe Energie = hell
Wenig winkelabhängig
Gut für langsame Geschwindigkeiten und
kleine Gefäße
Turbulenzen nicht darstellbar
Strömungsrichtung nicht darstellbar
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Artefakte
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Was? Bildsignale, die keine oder keine adäquate
Entsprechung im Gewebe haben
Warum? Grundlegende Annahmen im Ultraschall gelten nur
näherungsweise (konstante Schallgeschwindigkeit,
geradlinige Ausbreitung im Gewebe,…)
Wie (unterscheide ich)? Bewegen sich beim Schwenken mit und sind in 2. Ebene nicht
reproduzierbar
Welche (gibt es)?
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Schallkopf
Gel
Haut-
oberfläche
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Artefakte
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1. Mehrfachreflexionen = Wiederholung = Reverberation
?
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Artefakte
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2. Brechungsfehler
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Artefakte
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3. Spiegelechos
Schallkopf
Gel
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Artefakte
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3. Spiegelechos
Schallkopf
Gel
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Artefakte
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4. Schallschatten
Schallkopf
Gel
Haut-
oberfläche
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Artefakte
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5. (Dorsale) Schallverstärkung
Schallkopf
Gel
Haut-
oberfläche
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Artefakte
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5. (Dorsale) Schallverstärkung
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Artefakte
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6. Tangentenartefakt
Schallkopf
Gel
Haut-
oberfläche
Streuung
Brechung
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-Mechanische Wirkung Folge der Teilchenbeschleungigung
-Zerrung u. Kompression des Gewebes
-Druckanstieg u. Druckgefälle in Zellen
-Platzen von Zellkernen bei höchster Schallintensität
-Thermische Wirkung -Schallabsorption
-Umwandlung von kinetischer Energie in Wärme
-umso ausgeprägter je höher die Intensität, die Absorption u. der
Impedanzsprung sind
-Chemische Wirkung Folge chemischer Reaktionen
-Dissoziation der Wassermoleküle in Wasserstoff u. Hydroxyl- gruppe
-Schäden zu erwarten ab 3 W/cm²
-Diagnostischer Ultraschall 1000fach geringere Energie
Biologische Wirkungen … Ist Ultraschall sicher?
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Biologische Wirkungen
-Therapie-Verfahren mit Ultraschall
-Potentiell gefährlich durch hohe Energieinträge
-Erwärmung u. mechanische Effekte – Gewebezerstörung möglich
-Doppler-Verfahren -Geringst mögliche Leistung u. Einsatzzeit verwenden, sofern die
diagnostische Information nicht beeinträchtigt wird
-Minimierung der Schallexposition an einem Gewebepunkt
-In Kombination mit US-Kontrastmittel erhöhtes Risiko
-B-mode / 3D / 4D
-Nicht kontrainidiziert, keine Einschränkungen
-In Kombination mit US-Kontrastmittel erhöht sich das Risiko
-Elastografie mit höherem mechanischem Index mglw. riskant
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Technische Neuerungen
Kabellose Ultraschallsonde
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Technische Neuerungen
Fusionierung von Ultraschall und CT bzw. MRT
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Technische Neuerungen
Elastografie … Messung der Gewebesteifigkeit
Transducer
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Technische Neuerungen
Elastografie … Messung der Gewebesteifigkeit
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Technische Neuerungen
3D-Darstellungen
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Technische Neuerungen
Kontrastmittelultraschall
- gasgefüllte Mikrobläschen „microbubbles“
- 1-4 µm (Sonovue 2,5 µm; Erythrozyt 2x7,5 µm)
- Beginnen im Ultraschallfeld zu oszilieren → Impedanzsprünge → Echogenität ↑
- Sonovue® (Schwefelhexafluorid mit Phospholipidschicht)
- Bei Kindern noch nicht zugelassen (off-label, )
- Bläschen zerplatzen von allein und werden
dann abgeatmet (80% innerhalb 2 min, 100% nach 15min)
- Applikation intravenös oder intracavitär
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Technische Neuerungen
Intravenöse Applikation
Kontrastmittelultraschall
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Technische Neuerungen
Kontrastmittelultraschall
Intravesikale Applikation
Miktionszystosonografie (MCS)
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Leber, GB
Milz,
Pankreas
Niere, Harnblase
Ausblick
Schilddrüse