Was ist Ultraschall?Was ist Ultraschall?Was ist Ultraschall?

Frequenz

0 Hz

20 kHz

Hörbereich des Menschen: 16 Hz bis max. 20 kHz

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LU

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HYPE

RSCH

ALL

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< 1 GHz

HÖ

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1 MHz

Ultraschall-Diagnostik in der MedizinUltraschall-Diagnostik in der Medizin

100 kHz

Als Ultraschall bezeichnet man Schallwellen mit Frequenzen, die oberhalb des menschlichen Hörbereichs liegen.

500 kHz

Technische Anwendungen

Echoorientierung bei Fledermäuse und Delphinen

200 kHz

400 kHz

US-Sensoren, Entfernungs-messung, zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, Einpark-hilfe, US-Schweißen

Erkennen von organischen Veränderungen in der inneren Medizin, Gynäkologie, …

verwendete Frequenzen: 3-20 MHz

Therapeutischer UltraschallTherapeutischer Ultraschall

Untersuchung von Molekülstrukturen

Behandlung von Sehnen- u. Muskelzerrungen, Verspannungen, Schmerzbehandlung bei

Gelenksabnützungen (Knie, Hüfte, Schulter)

verwendete Frequenzen: 1-3 MHz

(C) 2005 UltraSound-Lab, ZBMTP Vienna

Wie wird Ultraschall erzeugt?Wie wird Ultraschall erzeugt?Wie wird Ultraschall erzeugt?Die Grundlage für die Ultraschallerzeugung bildet der inverse piezoelektrische Effekt:

In der bildgebenden US-Diagnostik erfolgt die Erzeugung der US-Wellen in einem Schallkopf. Dieser besteht aus bis zu 192 kleinen Piezoelementen, die elektrisch einzeln angesprochen werden können.

Im Schallkopf werden sowohl die US-Wellen erzeugt und in den Körper abgestrahlt als auch die zurückkommenden Echos nachgewiesen (Piezoeffekt).

Wird an ein piezoelektrisches Material ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeldangelegt, beginnt dieses zu schwingen und sendet dabei Ultraschall - Wellen aus.

Bei bestimmten Kristallen und Keramiken (z.B. Quarz) führt das Anlegen einer elektrischen Spannung zu einer Verformung des Materials (ausdehnen, zusammenziehen).

Ausdehnung Zusammenziehen

(C) 2005 UltraSound-Lab, ZBMTP Vienna

UltraschallUltraschall--AmplitudenverfahrenAmplitudenverfahrenoderoder

das Echolotdas EcholotDas Echolot ist ein Schallortungssystem, in dem die Reflexion (Echo) des Ultraschalls an Oberflächen ausgenutzt wird, um z.B. die Meerestiefe zu bestimmen oder Hindernisse unter Wasser zu orten. Die Entwicklung der ersten Echolote erfolgte zu Beginn des 20. Jahrhunderts nach dem Untergang der Titanic (1912) und während des 1. Weltkrieges zur Unterwasser-detektion von Hindernissen und zur Navigation und Detektion von U-Booten.

Abb. 3 Das Echolot nutzt die Reflexion des Ultraschalls am Meeres-boden zur Bestimmung der Wassertiefe. Diese wird aus dem Zeitunterschied zwischen ausgesandtem und zurückreflektiertem Signal ermittelt. © D. Welz, Unterrichtsmaterialien

Wie funktioniert ein Echolot ?Das Echolot besteht im einfachsten Fall aus einem Sender und einem Empfänger. Der Sender erzeugt im Wasser Ultraschallimpulse, die vom Meeresboden reflektiert werden. Der Empfänger registriert das zurückkommende Signal (Echo) und wertet es aus (Amplituden-Verfahren, Abb. 3). Aus dem Zeitunterschied zwischen ausgesandtem und zurückreflektiertem Signal wird die Wassertiefe bestimmt.Moderne Echolote sind in der Lage, nicht nur die Tiefe, sondern auch die Struktur des Meeresbodens darzustellen.

Versuch: Tiefe von Gegenständen unter Wasser In einem mit Wasser gefüllten Testtank ist eine Unter-wasserlandschaft aufgebaut. Mit Hilfe eines einfachen Echolots kann die Tiefe der einzelnen Gegenstände: dazu wird entlang der Wasseroberfläche ein Schallkopf bewegt, der gleichzeitig als Sender und Empfänger dient. Dieser sendet Ultraschall-Signale aus, die von den Gegenständen reflektiert (Echo) und im Empfänger detektiert und ausgewertet werden.

Abb. 1 In der Vermessungstechnik werden Echolotvermessungen von Gewässern dazu verwendet, Geländemodelle von Seebecken zu erstellen. Hier sind der Wallersee und der Mattsee dargestellt.© ICRA & Next.GIS

Abb. 2 Der Fishfinder zeigt neben Tiefe und Struktur des Meeresbodens auch die Echos von Fischschwärmen an.© GARMIN

Echolote kommen aber nicht nur in der Schifffahrt, sondern auch in vielen Bereichen zur Anwendung: zur Vermessung von Gewässern, in der Unterwasser-archäologie, in der Geologie oder zum Auffinden von Fischschwärmen tief unter der Meeresoberfläche (Abb. 1-2). Und auch im alltäglichen Leben finden sie eine Verwendung: so haben Forscher einen Echolot-Blinden-stock entwickelt, der die Umgebung mit Ultraschall-signalen abtastet und so vor Hindernissen warnt.

Mit Hilfe einer Motorsteuerung kann der Schallkopf entlang der Wasseroberfläche bewegt werden. Gleichzeitig wird am Bildschirm des Echolot-Geräts der Verlauf des jeweiligen Signals angezeigt. Der Abstand des Maximums der Kurve vom Nullpunkt entspricht der Zeitdauer zwischen dem Aussenden des Signals und dem Eintreffen des Echos am Empfänger; aus ihr läßt sich mit Hilfe der Schallgeschwindigkeit in Wasser die Tiefe der Gegenstände berechnen.

Die medizinische Ultraschall-Diagnostik nutzt dieses Echolot-Prinzip,um Bilder aus dem Inneren des Körpers zu erzeugen.

Motorsteuerung

(C) 2005 UltraSound-Lab, ZBMTP Vienna

Wie entsteht ein Ultraschall-Bild ?Wie entsteht ein UltraschallWie entsteht ein Ultraschall--Bild ?Bild ?Treffen die von einem diagnostischen Schallkopf emittierten Ultraschallwellen auf Gewebe / Organ-Grenzen im Kör-per, so wird ein Teil der einfallenden Schallintensität transmittiert, ein anderer Teil wird zum Schallkopf zurückreflektiert.

Alle Echos werden von den gleichen Piezo-elementen im Schallkopf wie im Sendefall in elektrische Spannungen (Amplituden) umgewandelt und anschließend digitalen Werten zugeordnet. Je nach spezifischer Gewebedämpfung fallen die Echos un-terschiedlich stark aus. Abb.1 Abb.1

Abb.2

Abb.3

Gewebe-/StrukturinformationAufgrund der Digitalisierung der Spannun-gen wird es möglich, einzelnen empfange-nen Echos insgesamt 256 verschiedene Grauwertstufen zuzuordnen. Damit ist die Helligkeit eines Bildpunktes (Grauwertdarstellung) festgelegt.(B-Mode oder Grauwertverfahren) Abb.2

Orts-/TiefeninformationAus der Zeitdifferenz zwischen dem Sen-den des Schallpulses und dem Empfang der Echos wird die Tiefe berechnet, aus der die Echos stammen. Aus der Abstrahl-und Empfangscharakteristik des Schall-kopfes ermittelt das Gerät die Position (Koordinaten) des Bildpunktes.

Ein Ultraschall-Bild ist ein zweidimensio-nales Schnittbild aus dem Körperinne-ren, das aus vielen Ultraschallinien in Echtzeit (25-100 Bilder/sek) aufgebaut wird.Abb.3

255

0

(C) 2005 UltraSound-Lab, ZBMTP Vienna

Anwendungen der US - DiagnostikAnwendungen der US Anwendungen der US -- DiagnostikDiagnostik

• Gynäkologie & SchwangerschaftUterus, Ovarien, Brust, Entwicklungsstand des Fötus, Mehrlings - Schwangerschaften, Missbildungen

• OberbauchLeber, Gallenblase, Nieren, Milz, Bauchspeicheldrüse

• UnterbauchHarnblase, Harnwege, Prostata

• GefäßeVerengungen und Verschlüsse von Venen und Arterien, Durchblutung von Organen oder Tumoren, Arteriosklerose

normale Niere Gallenblase mit Gallenstein

Fötus in der 12. Schwangerschaftswoche

© TOSHIBA

© UltraschallAtlas

Thrombus in der Halsschlagader (Farbdoppler-Darstellung des Blutflusses)

© www.ultrasoundcases.info

© TOSHIBA

(C) 2005 UltraSound-Lab, ZBMTP Vienna

räumliche Ultraschall-Verfahren3D – 4D

räumliche Ultraschallräumliche Ultraschall--VerfahrenVerfahren3D 3D –– 4D4D

3D-VerfahrenGrundsätzlich kann jedes Ultraschallgerät zu einem 3D-Gerät ausgebaut werden :Viele einzelne 2D-Schnittbilder müssen dazu aus dem Körper akquiriert werden. Zusätzlich müssen ihre geometrischen Lagedaten im Raum ermittelt werden.

Medizinisch relevante Applikationendieser Verfahren ergeben sich hier u.a.

• in der Diagnose von Fehlbildungen

• der Quantifizierung von

Plaqueablagerungen in Gefäßen

• der Vermessung von Strukturen

• Darstellung diverser Schallebenen

• …

4D-VerfahrenMittlerweile ist dieses Verfahren schon soweit fortgeschritten, dass sogar ein räumliches Bild in "Echtzeit" also Live auf dem Monitor dargestellt wer-den kann.

Diese Lagedaten können mit ex-ternen Positionsgebern oder imSchallkopf selbst mit gesteuerten Wandlerelementen ermittelt wer-den.

Anschließend können dann compu-tergestützt die 2D-Bilddaten zu ei-ner räumlichen Ultraschall-Darstellung (3D) aufgearbeitet werden.

2D-Schnittbilder

3D-Volumenbild

Visualisierung

(C) 2005 UltraSound-Lab, ZBMTP Vienna

Wie wird Blutfluss mit Ultraschall detektiert ?Wie wird Wie wird BlutflussBlutfluss mit Ultraschall detektiert ?mit Ultraschall detektiert ?Um Durchblutungen oder Geschwindigkeiten des Blutes inner-halb von Gefäßen und Organen zu detektieren, wird der vom Österreicher Christian Doppler (1843) gefundene soge-nannte Doppler-Effekt ausgenutzt, wonach die beobachtete Wellenlänge abhängig von der relativen Bewegung von Quelle und Beobachter zueinander ist :

Diese relativen Frequenzverschiebungen werden von Schall-köpfen der Doppler-Ultraschallgeräte detektiert und ausge-wertet (Farbdoppler, Duplexgeräte). Mittels der Doppler-Gleichung kann aus der gemessenen Empfangsfrequenz bei bekannter Sendefrequenz auf die Be-wegungsgeschwindigkeiten und -richtungen des Blutes oder be-wegter Organe relativ zum fixen Schallkopf geschlossen wer-den. Abb. 1

Darstellung einer Leber-Perfusion ►

Abb.2

Abb.1

Empfangsfrequenz

Sendefrequenz

Geschwindig-keiten innerhalbeiner Carotis

▼

Gefäß

v

BlutkörperchenDie Schallpulse, die ein Schallkopf mit bekannter Mittenfrequenzaussendet, treffen im Gefäß oder Organ auf bewegte Streukörper- die roten Blutkörperchen. Diese verändern durch ihre Eigenbe-wegung die Frequenz ein wenig, je nachdem ob sich die Körper-chen in Richtung des Schallkopfes bewegen oder von ihm weg.

Messungen mit Dopplergeräten werden in der Diagnostik her-angezogen, um z.B.• Stenosegrade und wichtige Blutgefäßindizes zu bestimmen,• den Verlauf von Organtransplantationen zu kontrollieren oder • Gefäßverschlüsse (Thrombosen) zu detektieren.

(C) 2005 UltraSound-Lab, ZBMTP Vienna

Sind Ultraschall-Verfahren gefährlich ?Sind UltraschallSind Ultraschall--Verfahren gefährlich ?Verfahren gefährlich ?Der Ultraschall stellt eine sichere Bildgebungs- und Therapiemethode dar. Bislang sind keine negativen Effekte an Patienten für die diagnostischen Verfahren festgestellt worden.

Folgendes sollte jedoch bei der Anwendung von Ultraschall in Diagnostik & Therapie beachtet werden :

Doppler-Verfahren :

geringst mögliche Leistung & Einsatzzeit ver-wenden, sofern die diagnostische Information nicht beeinträchtigt wird (prudent use).

Minimierung der Schallexposition an einem Gewebepunkt.

(in Kombi mit US-Kontrastmitteln erhöhtes Risiko !!)

B-Mode / 3D / 4D-Verfahren :

nicht kontraindiziert, keine Einschränkungen(in Kombi mit US-Kontrastmitteln erhöhtes Risiko !!)

Therapie-Verfahren ::

potentiell gefährlich durch hohe Energieeinträge

Erwärmung &

mechanische Effekte: Gewebezerstörung möglich

(C) 2005 UltraSound-Lab, ZBMTP Vienna

Ultraschall in der Medizin–Abseits der Bildgebung

Ultraschall in der Medizin–Abseits der Bildgebung

Ultraschall-Wellen werden in der Medizin nicht nur zur Erzeugung von Bildern vom Inneren unseres Körpers verwendet:

PHYSIOTHERAPIE mit Ultraschall

Mit Ultraschall gegen NierensteineLITHOTRIPTER

© Schuhfried Medizintechnik GMBH

Sonostat 135 Durch die Einwirkung der Ultraschall-Wellen kommt es zu einer Temperaturerhöhung im Gewebe, die eine Durchblutungs- und Stoffwechselsteigerungbewirkt.Anwendungsgebiete: Muskelverspannungen, Schmerz-behandlung bei Gelenksarthrosen (Finger, Schulter, Knie, Hüfte), Sehnenscheidenentzündungen.

Beim Schneiden mit dem Ultraschall-Skalpell kann das Gewebe den hochfrequenten Schwingungen der Klingenicht folgen, wird über seine Elastizitätsgrenze gedehnt und dadurch mechanisch schonend getrennt. Ultraschall-aktivierte chirurgische Instrumente werden neben dem Schneiden auch zum Abklemmen oder Verschweißen von Gewebe und Gefäßen sowie zur Blutstillung eingesetzt.

Mikrochirurgie mit Ultraschall-Wellen: Das ULTRSCHALL-SKALPELL

Harmonic Scalpel© Johnson&Johnson

Ein Lithotripter benutzt Stoss- oder Schockwellenim Ultraschall-Bereich, die von außen in das Körperinnere geleitet werden und den Nieren- oder Gallenstein zum Schwingen bringen. Dadurch werden auf den Stein solche Kräfte ausgeübt, dass dieser in kleine Stücke (< 1-2mm) zerbricht, die dann auf natürlichem Weg ausgeschieden werden können.

© http://members.aol.com/geometrie11/koorgeom/lithotr2.htm

Nierenstein (links) und seine Bruchstücke nach der Behandlung (rechts).

ULTRASCHALL –eine Technik, die uns täglich begleitet

ULTRASCHALL –eine Technik, die uns täglich begleitet

Die Einsatzgebiete des Ultraschalls sind sehr vielfältig:

Der Fishfinder zeigt neben Tiefe und Struktur des Meeresbodens auch die Echos von Fischschwärmen an.

Schifffahrt - Echolot

FüllstandsmessgerätAnzeige des Füllstandes von Tanks, Silos oder Gerinnen.

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Entfernungsmessung

UltraschallreinigerReinigung von Schmuckstücken, Modeschmuck, Brillen, Besteck, Werkzeug …

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Innen- und Außenraummessungen, Flächenberechungen.

Wühlmaus-AbwehrVerjagt Wühlmäuse, Maulwürfe und

andere unterirdische Nagetiere.

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Einparkhilfe

© Lescars

Das Ton-Intervall des Warntons verändert sich beim Annähern an ein Hindernis.

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Geschichte des diagnostischen UltraschallsGeschichte des diagnostischen UltraschallsUltraschall (US) gibt es in der Natur schon seit tausenden Jahren (z.B. Echoorientierung bei Fledermäusen).

1880 Entdeckung des Piezoelektrischen Effekts (P. u. J. Curie)Erzeugung von US-Wellen

1912 US Wellen breiten sich im Wasser aus (P. Langevin). Sonargeräte zur Unterwasserortung von Eisbergen nach dem Untergang der Titanic.

GESTERN

GESTERN

HEUTE

MORGEN

3D Ultraschall in Echtzeit (live 3D, 4D)

1940 Karl Dussik (österreichischer Neurologe)erste diagnostische Anwendung von Ultraschall in der Medizin

1969 1. Weltkongress über US-Diagnostik in der Medizin (in Wien!)

1952 D. Howry, W. Bliss: zweidimensionale US-Bilder von Organen

Mikrobläschen als US-Kontrastmittel

Gentherapie mit US-Kontrastmitteln

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1972 G. Kossoff, W. Garrett: Darstellung der US-Bilder in Graustufen.

1956 Darstellung von US-Bilder in Echtzeit (16 Bilder/Sekunde)

1958 I. Donald: Anwendung von US in der Gynäkologie und Geburthilfe

Erste diagnostische Anwendung:Untersuchung von Gehirnventrikeln

1989 3 dimensionale US-Diagnostik(Combison 330, Kretztechnik AG Österreich)

1974 Darstellung des Blutflusses mittels Doppler-US

Grauwert US-Bild eines Fötus ~ 1970

US-Geräte in der Größe eines Notebooks

Überlagerung von US-Bildern mit CT, MRI

© www.ob-ultrasound.net

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Mit freundlicher Unterstützung von:Mit freundlicher Unterstützung von:

EINBLICK – DURCHBLICK – AUSBLICK Ultraschallphysik in der Medizin

© U

ltraschall-Labor am Zentrum

für Biomedizinische Technik und Physik, M

edizinische Universität W

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Werkstatt-Team des ZBMTP(A. Gamperl, F. Swoboda und E. Unger)

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