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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


• 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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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



→ Gewebe mit vielen

Impendanzsprüngen

erzeugen viele Echos


→ 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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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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= Brightness modulation

- Reflektierte Echos werden als Helligkeitspunkte dargestellt

- 256 Grauwerte

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Schallkopf

Gel

Haut-

oberfläche


… echoarm (dunkel) … echofrei (schwarz)

H2O


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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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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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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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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)?


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

30

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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Fusionierung von Ultraschall und CT bzw. MRT


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Elastografie … Messung der Gewebesteifigkeit

Transducer


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Elastografie … Messung der Gewebesteifigkeit


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3D-Darstellungen



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



Intravenöse Applikation





Intravesikale Applikation

Miktionszystosonografie (MCS)


Leber, GB

Milz,

Pankreas

Niere, Harnblase

Ausblick

Schilddrüse

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