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Medizinischer Ultraschall (Medical ultrasound)
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Medizinischer Ultraschall (Medical ultrasound)

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Medical ultrasound

Medizinischer Ultraschall (Medical ultrasound)

Der medizinische Ultraschall umfasst Diagnosetechniken (hauptsächlich Bildgebung) mittels Ultraschall sowie therapeutische Anwendungen von Ultraschall. In der Diagnose ist es…

Medizinischer Ultraschall umfasst sowohl diagnostische Methoden, vor allem Bildgebung, als auch therapeutische Anwendungen der Ultraschalltechnologie. Diagnostisch erleichtert es die Visualisierung innerer anatomischer Strukturen, einschließlich Sehnen, Muskeln, Gelenke, Blutgefäße und Organe. Darüber hinaus ermöglicht es die Quantifizierung spezifischer Parameter wie Entfernungen und Geschwindigkeiten oder die Erzeugung wahrnehmbarer akustischer Signale. Die Anwendung von Ultraschall zur Erzeugung visueller medizinischer Bilder wird als medizinische Ultraschalluntersuchung bezeichnet, oft auch als Sonographie abgekürzt. Wenn die Sonographie auf Ultraschallreflexion beruht, wird sie speziell als Echographie bezeichnet. Darüber hinaus gibt es übertragungsbasierte Techniken, beispielsweise die Ultraschall-Transmissionstomographie. Die Untersuchung schwangerer Frauen mittels Ultraschall wird als geburtshilfliche Ultraschalluntersuchung bezeichnet und stellt einen grundlegenden Fortschritt in der klinischen Ultraschalluntersuchung dar. Das zu diesem Zweck eingesetzte Instrumentarium wird unterschiedlich als Ultraschallgerät, Sonograph oder Echograph bezeichnet. Die durch diese Technik erzeugte visuelle Darstellung wird als Ultraschall, Sonogramm oder Echogramm bezeichnet.

Medizinischer Ultraschall umfasst Diagnosetechniken (hauptsächlich Bildgebung) mittels Ultraschall sowie therapeutische Anwendungen von Ultraschall. In der Diagnose wird es verwendet, um ein Bild von inneren Körperstrukturen wie Sehnen, Muskeln, Gelenken, Blutgefäßen und inneren Organen zu erstellen, bestimmte Eigenschaften zu messen (z. B. Entfernungen und Geschwindigkeiten) oder einen informativen hörbaren Ton zu erzeugen. Die Verwendung von Ultraschall zur Erzeugung visueller Bilder für die Medizin wird als medizinische Ultraschalluntersuchung oder einfach Sonographie bezeichnet. Die Sonographie mittels Ultraschallreflexion wird Echographie genannt. Es gibt auch Transmissionsverfahren, wie zum Beispiel die Ultraschall-Transmissionstomographie. Die Untersuchung schwangerer Frauen mittels Ultraschall wird als geburtshilfliche Ultraschalluntersuchung bezeichnet und war eine frühe Entwicklung der klinischen Ultraschalluntersuchung. Das verwendete Gerät wird als Ultraschallgerät, Sonograph oder Echograph bezeichnet. Das mit dieser Technik erzeugte visuelle Bild wird als Ultraschall, Sonogramm oder Echogramm bezeichnet.

Ultraschall besteht aus Schallwellen mit Frequenzen über 20.000 Hz, was ungefähr der Obergrenze der menschlichen Hörwahrnehmung entspricht. Ultraschallbilder, auch Sonogramme genannt, werden durch die Emission von Ultraschallimpulsen in biologisches Gewebe über eine spezielle Sonde erzeugt. Diese Ultraschallimpulse werden von Geweben mit unterschiedlicher akustischer Impedanz reflektiert und kehren anschließend zur Sonde zurück, die sie dann aufzeichnet und als visuelles Bild wiedergibt.

Während ein Allzweck-Ultraschallwandler für die meisten Bildgebungsanwendungen ausreicht, erfordern bestimmte Szenarien den Einsatz spezieller Wandler. Die vorherrschende Methode zur Ultraschalluntersuchung besteht darin, einen Schallkopf auf der Außenfläche des Körpers zu positionieren; Eine bessere Visualisierung kann jedoch häufig durch die interne Platzierung eines Schallkopfs erreicht werden. Daher werden für die interne Bildgebung routinemäßig spezielle Schallköpfe wie transvaginale, endorektale und transösophageale Schallköpfe verwendet. In fortgeschrittenen Anwendungen können außergewöhnlich kleine Wandler in Katheter mit kleinem Durchmesser integriert und in Blutgefäße eingeführt werden, um die Darstellung von Gefäßwänden und damit verbundenen Pathologien zu erleichtern.

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Bildgebungsmodi

Ein Bildgebungsmodus bezeichnet die spezifischen Konfigurationen der Sonde und des Ultraschallgeräts, die die Dimensionseigenschaften des resultierenden Bildes bestimmen. In der medizinischen Bildgebung werden verschiedene Ultraschallmodi eingesetzt:

Im

Die meisten Ultraschallgeräte wandeln die Laufzeit in beide Richtungen in Bildtiefe um, indem sie von einer konstanten Schallgeschwindigkeit ausgehen, typischerweise 1540 m/s. Da die tatsächliche Schallgeschwindigkeit jedoch je nach Gewebeart erhebliche Schwankungen aufweist, stellt ein Ultraschallbild keine präzise tomografische Darstellung des Körpers dar.

Dreidimensionale Bildgebung

Die dreidimensionale Bildgebung wird durch die Synthese mehrerer B-Mode-Bilder erreicht, wobei entweder spezielle rotierende oder stationäre Sonden zum Einsatz kommen. Diese Methode wurde als C-Modus bezeichnet.

Ein Hybridsystem, das rotierenden Ultraschall und photoakustische Technologien integriert, erzeugt dreidimensionale Bilder von Blut und Gewebe, ohne dass Magnete oder ionisierende Strahlung erforderlich sind. Dieses System verwendet einen Detektorbogen, um ein volumetrisches Bild zu erstellen. Ein Laserimpuls induziert Schwingungen in Hämoglobinmolekülen, die wiederum ein akustisches Signal erzeugen, das anschließend von den Sensoren des Systems erfasst wird.

Methodik

Eine Bildgebungstechnik umfasst die Methoden zur Signalerzeugung und -verarbeitung, die zur Erleichterung einer bestimmten Anwendung eingesetzt werden, wobei die meisten Techniken den B-Modus verwenden.

Therapeutischer Ultraschall stellt, wenn er auf einen bestimmten Tumor oder Zahnstein abzielt, keine bildgebende Modalität dar. Nichtsdestotrotz werden der A-Modus und der B-Modus typischerweise häufig während des Eingriffs verwendet, um eine Behandlungssonde präzise zu positionieren, um sie auf einen bestimmten interessierenden Bereich abzuzielen.

Verwendungen

Sonographie (Ultraschall) wird im medizinischen Bereich häufig eingesetzt und erleichtert sowohl diagnostische als auch therapeutische Verfahren. Ultraschall kann interventionelle Verfahren wie Biopsien oder die Drainage von Flüssigkeitsansammlungen leiten und sowohl diagnostischen als auch therapeutischen Zwecken dienen. Sonographen sind medizinische Fachkräfte, die diese Scans durchführen, die traditionell von Radiologen – Ärzten, die auf die Anwendung und Interpretation medizinischer Bildgebungsmodalitäten spezialisiert sind – oder von Kardiologen für Herzultraschall (Echokardiographie) ausgewertet werden. Die Sonographie erweist sich zur Darstellung der Weichteile des Körpers als wirksam. Oberflächliche Strukturen, einschließlich Muskeln, Sehnen, Hoden, Brust, Schilddrüse und Nebenschilddrüse sowie das Gehirn des Neugeborenen, werden bei höheren Frequenzen (7–18 MHz) abgebildet, was eine überlegene lineare (axiale) und horizontale (laterale) Auflösung ergibt. Umgekehrt werden tiefere Strukturen wie Leber und Niere mit niedrigeren Frequenzen (1–6 MHz) abgebildet, was zu einer verringerten axialen und lateralen Auflösung im Austausch für eine größere Gewebedurchdringung führt.

Anästhesiologie

In der Anästhesiologie wird Ultraschall routinemäßig eingesetzt, um die Nadelplatzierung zum Injizieren von Lokalanästhesielösungen in die Nähe von Nerven zu steuern, die durch Ultraschallbildgebung identifiziert wurden (Nervenblockade). Es erleichtert auch den Gefäßzugang, einschließlich der Kanülierung großer zentraler Venen und anspruchsvoller arterieller Kanülierungen. Neuroanästhesisten nutzen häufig den transkraniellen Doppler, um Daten zur Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der basalen Hirngefäße zu erfassen.

Angiologie (Gefäßmedizin)

In der Angiologie oder Gefäßmedizin wird Duplex-Ultraschall – der B-Mode-Bildgebung mit Doppler-Flussmessung kombiniert – zur Diagnose von arteriellen und venösen Erkrankungen eingesetzt. Diese Anwendung ist besonders wichtig bei potenziellen neurologischen Problemen, bei denen Karotisultraschall routinemäßig zur Beurteilung des Blutflusses und zur Identifizierung potenzieller oder vermuteter Stenosen in den Halsschlagadern eingesetzt wird, während der transkranielle Doppler zur Darstellung des Flusses in den intrazerebralen Arterien eingesetzt wird.

Intravaskulärer Ultraschall (IVUS) verwendet einen speziell entwickelten Katheter, an dessen distalem Ende eine miniaturisierte Ultraschallsonde befestigt ist, die anschließend in ein Blutgefäß vorgeschoben wird. Das proximale Ende des Katheters ist mit einem computergesteuerten Ultraschallgerät verbunden und ermöglicht die Anwendung von Ultraschalltechnologie, beispielsweise einem piezoelektrischen Wandler oder einem kapazitiven mikrobearbeiteten Ultraschallwandler, zur Visualisierung des Endothels von Blutgefäßen in vivo.

Bei dem weit verbreiteten und möglicherweise schwerwiegenden Problem von Blutgerinnseln in den tiefen Beinvenen übernimmt Ultraschall eine entscheidende diagnostische Rolle. Gleichzeitig konzentriert sich die Ultraschalluntersuchung der chronischen Veneninsuffizienz in den Beinen auf oberflächlichere Venen, um bei der Planung geeigneter Eingriffe zur Symptomlinderung oder kosmetischen Verbesserung zu helfen.

Kardiologie (Herz)

Die Echokardiographie ist ein wesentliches Instrument in der Kardiologie und hilft bei der Beurteilung der Herzklappenfunktion, einschließlich Stenose oder Insuffizienz, Kontraktilität des Herzmuskels und Hypertrophie oder Erweiterung der wichtigsten Herzkammern (Ventrikel und Vorhof).

Notfallmedizin

Point-of-Care-Ultraschall bietet zahlreiche Anwendungen in der Notfallmedizin. Dazu gehört die Unterscheidung zwischen kardialen und pulmonalen Ätiologien akuter Dyspnoe sowie die Focused Assessment with Sonography for Trauma (FAST)-Untersuchung, die häufig auf die Extended Focused Assessment with Sonography for Trauma (EFAST) erweitert wird, um nach einer traumatischen Verletzung ein erhebliches Hämoperitoneum oder eine Perikardtamponade festzustellen. Darüber hinaus hilft die Ultraschalluntersuchung bei der Unterscheidung verschiedener Ursachen von Bauchschmerzen, wie z. B. Cholelithiasis und Nephrolithiasis. Notfallmedizin-Residency-Programme setzen sich seit langem für die Integration der Ultraschalluntersuchung am Krankenbett in die Lehrpläne für die Ärzteausbildung ein.

Gastroenterologie und kolorektale Chirurgie

In der Gastroenterologie und kolorektalen Chirurgie werden häufig sowohl die abdominale als auch die endoanale Ultraschalluntersuchung eingesetzt. In der Bauchsonographie können die wichtigsten Bauchorgane, einschließlich Bauchspeicheldrüse, Aorta, Vena cava inferior, Leber, Gallenblase, Gallenwege, Nieren und Milz, dargestellt werden. Dennoch kann das Vorhandensein von Darmgas Schallwellen behindern und Fettgewebe kann sie in unterschiedlichem Maße dämpfen, was gelegentlich die diagnostische Wirksamkeit beeinträchtigt. Bei einer Entzündung kann der Blinddarm sichtbar gemacht werden (z. B. bei einer Blinddarmentzündung), und die Ultraschalluntersuchung dient als bevorzugte erste bildgebende Methode zur Minimierung der Strahlenbelastung, obwohl sie häufig eine anschließende Bestätigung mit anderen bildgebenden Verfahren wie der Computertomographie (CT) erfordert. Die endoanale Ultraschalluntersuchung ist besonders wertvoll für die Untersuchung anorektaler Symptome, einschließlich Stuhlinkontinenz oder behindertem Stuhlgang. Diese Technik ermöglicht eine Darstellung der unmittelbaren perianalen Anatomie und kann verborgene Defekte wie Risse im Analsphinkter identifizieren.

Hepatologie

Die Ultraschalluntersuchung von Lebertumoren erleichtert sowohl deren Erkennung als auch deren Charakterisierung. Bei der Beurteilung einer Fettlebererkrankung wird häufig eine Ultraschallbildgebung eingesetzt. Diese Modalität zeigt typischerweise eine „helle“ Leber, was auf eine erhöhte Echogenität hinweist. Darüber hinaus können tragbare Ultraschallgeräte im Taschenformat als Point-of-Care-Screening-Instrumente für die Diagnose von Lebersteatose dienen.

Gynäkologie und Geburtshilfe

Gynäkologische Ultraschalluntersuchungen umfassen die Untersuchung weiblicher Beckenorgane, insbesondere der Gebärmutter, der Eierstöcke und der Eileiter sowie der Blase, der Adnexe und des Douglas-Beutels. Diese Modalität verwendet Schallköpfe, die für Zugänge zur unteren Bauchdecke entwickelt wurden, einschließlich krummliniger und sektoraler Typen, sowie spezielle Schallköpfe, wie sie beispielsweise für die transvaginale Ultraschalluntersuchung verwendet werden.

Die geburtshilfliche Sonographie entstand in den späten 1950er und 1960er Jahren durch die Pionierarbeit von Sir Ian Donald und wird während der Schwangerschaft routinemäßig eingesetzt, um die Entwicklung und Präsentation des Fötus zu überwachen. Mit dieser Technik können zahlreiche Erkrankungen identifiziert werden, die möglicherweise schädlich für die Mutter und/oder den Fötus sind und andernfalls ohne sonografische Beurteilung unerkannt bleiben oder zu einer verzögerten Diagnose führen würden. Derzeit herrscht Konsens darüber, dass die mit einer verspäteten Diagnose verbundenen Risiken die minimalen Risiken, die mit einer Ultraschalluntersuchung verbunden sind, falls vorhanden, überwiegen. Nichtsdestotrotz wird die Anwendung für nicht-medizinische Zwecke, wie etwa die Erstellung fetaler „Andenken“-Videos und -Fotos, nicht empfohlen.

Geburtshilfliche Ultraschalluntersuchungen erfüllen mehrere Hauptfunktionen, darunter:

Laut dem Europäischen Komitee für medizinische Ultraschallsicherheit (ECMUS):

Ultraschalluntersuchungen dürfen nur von qualifiziertem Personal durchgeführt werden, das über aktuelle Schulungen und Fachkenntnisse in Sicherheitsprotokollen verfügt. Ultraschall erzeugt thermische Effekte, Druckschwankungen und mechanische Störungen in biologischen Geweben. Diagnostische Ultraschallwerte können Temperaturerhöhungen hervorrufen, die ein Risiko für empfindliche Organe sowie für den Embryo oder Fötus darstellen. Während nicht-thermische biologische Wirkungen in Tierversuchen dokumentiert wurden, wurden bisher keine vergleichbaren Wirkungen beim Menschen beobachtet, mit Ausnahme von Fällen, in denen Mikrobläschen-Kontrastmittel involviert waren.

Daher ist es unbedingt erforderlich, niedrige Leistungseinstellungen zu verwenden und auf gepulste Wellenscans des fötalen Gehirns zu verzichten, es sei denn, dies ist bei Hochrisikoschwangerschaften ausdrücklich angegeben.

Vom Gesundheitsministerium der britischen Regierung veröffentlichte Daten für Der Zeitraum 2005–2006 zeigt, dass nicht-geburtshilfliche Ultraschalluntersuchungen über 65 % aller durchgeführten Ultraschalluntersuchungen ausmachten.

Hämodynamik (Blutzirkulation)

Die Geschwindigkeit des Blutflusses kann in verschiedenen Gefäßstrukturen, einschließlich der mittleren Hirnarterie und der absteigenden Aorta, mithilfe relativ kostengünstiger und risikoarmer Ultraschall-Doppler-Sonden beurteilt werden, die an tragbare Überwachungsgeräte angeschlossen sind. Diese Methodik ermöglicht eine nicht-invasive oder transkutane (nicht durchdringende) minimalinvasive Beurteilung des Blutflusses. Zu den wichtigsten Anwendungen gehören der transkranielle Doppler, der Ösophagus-Doppler und der suprasternale Doppler.

Otolaryngologie (Kopf- und Halsanwendungen)

Hochfrequenz-Ultraschall bietet eine hervorragende Visualisierung der meisten Halsstrukturen, einschließlich Schilddrüse und Nebenschilddrüse, Lymphknoten und Speicheldrüsen, und liefert außergewöhnliche anatomische Details. Bei Schilddrüsentumoren und -läsionen ist Ultraschall das Bildgebungsverfahren der Wahl und spielt eine entscheidende Rolle bei der Beurteilung, präoperativen Strategieplanung und postoperativen Überwachung von Personen, bei denen Schilddrüsenkrebs diagnostiziert wurde. Darüber hinaus erleichtern diagnostische Ultraschall- und ultraschallgeführte Eingriffe die Differenzierung, Beurteilung und Behandlung zahlreicher anderer gutartiger und bösartiger Erkrankungen im Kopf-Hals-Bereich.

Anwendungen für die Neonatologie

In der Neonatologie wird der transkranielle Doppler zur grundlegenden Beurteilung intrazerebraler Strukturanomalien, vermuteter Blutungen, Ventrikulomegalie oder Hydrozephalus und anoxischer Verletzungen wie periventrikulärer Leukomalazie eingesetzt. Dieses Verfahren kann durch die Fontanellen, die weichen Stellen im Schädel eines Neugeborenen, bis zu ihrem vollständigen Verschluss im Alter von etwa einem Jahr durchgeführt werden. Ab diesem Zeitpunkt stellen sie eine nahezu undurchdringliche akustische Barriere für Ultraschallwellen dar. Die vordere Fontanelle ist die am häufigsten genutzte Stelle für den kranialen Ultraschall; Eine kleinere Fontanellengröße korreliert jedoch mit einer stärkeren Bildverschlechterung.

Lungenultraschall hat sich bei der Diagnose weit verbreiteter Atemwegserkrankungen bei Neugeborenen als nützlich erwiesen, einschließlich vorübergehender Tachypnoe des Neugeborenen, Atemnotsyndrom, angeborener Lungenentzündung, Mekoniumaspirationssyndrom und Pneumothorax. Ein Ultraschall-Score der Lunge von Neugeborenen, der ursprünglich von Brat et al. beschrieben wurde, zeigt eine starke Korrelation mit dem Sauerstoffgehalt bei Neugeborenen.

Ophthalmologie (Augen)

Ophthalmologie und Optometrie nutzen zwei primäre Modalitäten der Augenuntersuchung mit Ultraschall:

Pulmonologie (Lunge)

Ultraschall dient als diagnostisches Instrument zur Lungenbeurteilung in verschiedenen klinischen Umgebungen, einschließlich Intensivpflege, Notfallmedizin, Unfallchirurgie, Allgemeinmedizin und Krankenpflege. Diese Bildgebungsmodalität wird am Krankenbett oder am Untersuchungstisch des Patienten eingesetzt, um verschiedene Lungenanomalien zu beurteilen, die Atemtherapie zu leiten, Strategien zur mechanischen Beatmung zu entwickeln und Verfahren wie Thorakozentese (Pleuraflüssigkeitsdrainage), Nadelaspirationsbiopsie und Kathetereinführung zu erleichtern. Während das Vorhandensein von Luft in der Lunge die optimale Durchdringung von Ultraschallwellen behindert, ermöglicht die Analyse spezifischer Artefakte, die auf der Lungenoberfläche erzeugt werden, die Erkennung pathologischer Zustände.

Lungenultraschall untersucht nicht direkt das Lungenparenchym, sondern beurteilt in erster Linie die Gewebe-Luft-Grenzfläche an der Pleuralinie. Die entscheidende Abhängigkeit von der Artefaktinterpretation unterscheidet Lungenultraschall von bildgebenden Verfahren zur Darstellung solider Organe. Dieser grundlegende Unterschied hat erhebliche mechanische Auswirkungen auf die Interpretation von Artefaktmustern. Während in der modernen Sonographie häufig Softwarefilter und akustische Harmonische eingesetzt werden, um die Darstellung von Organen wie Herz oder Leber zu verbessern, können diese Verbesserungen die spezifischen Muster verzerren, die für die Ultraschallanalyse der Lunge entscheidend sind. Daher wird für Lungenuntersuchungen im Allgemeinen eine Softwarevoreinstellung ohne Bildgebungsfilter, harmonische Bildgebung und Strahlenbündelung bevorzugt.

Grundlagen des Lungenultraschalls

Durch Ultraschall beurteilte Lungenpathologien

Harntrakt

Ultraschall wird in der Urologie routinemäßig eingesetzt, um Restflüssigkeit in der Blase eines Patienten zu quantifizieren. Die Beckensonographie liefert detaillierte Bilder, die bei weiblichen Patienten die Gebärmutter, die Eierstöcke oder die Harnblase umfassen. Bei männlichen Patienten liefern sonografische Untersuchungen Informationen über die Blase, die Prostata oder den Hoden und ermöglichen so eine dringende Unterscheidung zwischen Erkrankungen wie einer Nebenhodenentzündung und einer Hodentorsion. Bei jüngeren Männern ist Ultraschall hilfreich, um gutartige Hodentumoren wie Varikozelen oder Hydrozelen von Hodenkrebs zu unterscheiden, der zwar heilbar ist, aber eine rechtzeitige Behandlung zum Schutz von Gesundheit und Fruchtbarkeit erfordert. Die Beckensonographie kann grundsätzlich auf zwei Arten durchgeführt werden: extern oder intern. Die Beckeninnensonographie wird bei Frauen entweder transvaginal oder bei Männern transrektal durchgeführt. Die sonografische Bildgebung des Beckenbodens bietet entscheidende diagnostische Einblicke in die genauen anatomischen Beziehungen zwischen abnormalen Strukturen und anderen Beckenorganen und liefert wertvolle Hinweise für die Behandlung von Patienten mit Symptomen im Zusammenhang mit Beckenvorfall, doppelter Inkontinenz und behindertem Stuhlgang. Darüber hinaus wird Ultraschall zur Diagnose und, bei höheren Frequenzen, zur Behandlung (Zersplitterung) von Nierensteinen oder Nierenkristallen eingesetzt, einer Erkrankung, die als Nephrolithiasis bekannt ist.

Penis und Hodensack

Die Ultraschalluntersuchung des Hodensacks wird zur Beurteilung von Hodenschmerzen und zur Identifizierung fester Raumforderungen im Hodensack eingesetzt.

Ultraschall stellt eine hervorragende Methode zur Untersuchung des Penis dar, insbesondere in Fällen mit Trauma, Priapismus, erektiler Dysfunktion oder Verdacht auf Peyronie-Krankheit.

Muskuloskelettsystem

Muskuloskelettaler Ultraschall wird zur Untersuchung von Sehnen, Muskeln, Nerven, Bändern, Weichteilmassen und Knochenoberflächen eingesetzt. Es erweist sich als hilfreich bei der Diagnose von Bänderzerrungen, Muskelzerrungen und verschiedenen Gelenkerkrankungen. Für pädiatrische Patienten bis zu 12 Jahren dient es als alternative oder ergänzende bildgebende Technik zum Röntgen zur Erkennung von Frakturen des Handgelenks, des Ellenbogens und der Schulter, eine Praxis, die als Fraktursonographie bekannt ist.

Quantitativer Ultraschall fungiert als ergänzende muskuloskelettale Beurteilung zur Diagnose myopathischer Erkrankungen bei Kindern, zur Schätzung der fettfreien Körpermasse bei Erwachsenen und zur Bereitstellung von Proxy-Messwerten für die Muskelqualität (d. h. Gewebezusammensetzung) bei älteren Erwachsenen an Sarkopenie leiden.

Darüber hinaus kann Ultraschall die Nadelführung bei Muskel- oder Gelenkinjektionen erleichtern, beispielsweise bei ultraschallgesteuerten Hüftgelenkinjektionen.

Nieren

Die Nierenultraschalluntersuchung ist für die Diagnose und Behandlung nephrologischer Erkrankungen unverzichtbar. Dieses bildgebende Verfahren erleichtert die einfache Untersuchung der Nieren und ermöglicht die Identifizierung der meisten pathologischen Veränderungen. Seine Zugänglichkeit, Vielseitigkeit, Kosteneffizienz und schnelle Anwendung machen es zu einem wertvollen Instrument für die klinische Entscheidungsfindung bei Patienten mit Nierensymptomen und zur Anleitung von Niereninterventionen. Die B-Mode-Bildgebung ermöglicht problemlos die Beurteilung der Nierenanatomie, und Ultraschall wird häufig zur Bildführung bei Niereneingriffen eingesetzt. Zu den jüngsten Fortschritten gehört die Integration von kontrastverstärktem Ultraschall (CEUS), Elastographie und Fusionsbildgebung in die Nierenultraschalluntersuchung. Dennoch weist die Nierenultraschalluntersuchung inhärente Einschränkungen auf, die die Berücksichtigung ergänzender bildgebender Verfahren wie Computertomographie (CECT) und Magnetresonanztomographie (MRT) für eine umfassende Beurteilung von Nierenerkrankungen erforderlich machen.

Venöse Zugangsverfahren

Der intravenöse Zugang stellt einen routinemäßigen medizinischen Eingriff dar, der für Zwecke wie die Entnahme von Blutproben für diagnostische oder Laboruntersuchungen, einschließlich Blutkulturen, und für die Verabreichung intravenöser Flüssigkeiten zur Flüssigkeitszufuhr, Ersatztherapie oder Bluttransfusionen bei kritisch kranken Patienten unerlässlich ist. Diese Anforderung erstreckt sich auf verschiedene klinische Umgebungen, einschließlich ambulanter Labore, stationärer Krankenhausstationen und, was am wichtigsten ist, Notaufnahmen und Intensivstationen. Häufig ist ein intravenöser Zugang wiederholt oder über einen längeren Zeitraum erforderlich. In solchen länger andauernden Fällen wird zunächst eine in einem Katheter eingeschlossene Nadel in die Vene eingeführt; Anschließend wird der Katheter sicher vorgeschoben und die Nadel anschließend zurückgezogen. Während typischerweise Venen im Arm bevorzugt werden, kann es in schwierigen Fällen erforderlich sein, Zugang zu tieferen Venen zu erhalten, beispielsweise zur Vena jugularis externa am Hals oder zur Vena subclavia am Oberarm. Zahlreiche Faktoren können die Auswahl einer geeigneten Vene erschweren. Zu diesen Faktoren gehören unter anderem Fettleibigkeit, frühere Venenverletzungen aufgrund von Entzündungsreaktionen bei früheren Venenpunktionen und Schäden durch Freizeitdrogenkonsum.

In solch schwierigen Situationen hat die Ultraschallführung die erfolgreiche Einführung von Venenkathetern erheblich erleichtert. Die Ultraschallgeräte können entweder auf einem Wagen montiert oder in der Hand gehalten werden und verwenden typischerweise einen linearen Wandler, der in einem Frequenzbereich von 10 bis 15 Megahertz arbeitet. Im Allgemeinen wird die Venenauswahl durch die Notwendigkeit eingeschränkt, dass sich das Gefäß innerhalb von 1,5 Zentimetern von der Hautoberfläche befinden muss. Der Schallkopf kann entweder längs oder quer über der Zielvene positioniert werden. Die Ausbildung in der ultraschallgesteuerten intravenösen Kanülierung ist ein Standardbestandteil der meisten Lehrpläne für die Ultraschallausbildung.

Betriebsmechanismus

Der Prozess der Erzeugung eines Bildes aus Schallwellen umfasst drei verschiedene Phasen: das Senden einer Schallwelle, den Empfang der resultierenden Echos und die anschließende Interpretation dieser Echos.

Schallwellenerzeugung

Schallwellen werden im Allgemeinen durch einen piezoelektrischen Wandler erzeugt, der in einem Kunststoffgehäuse gekapselt ist. Der Wandler wird durch starke, kurze elektrische Impulse aktiviert, die vom Ultraschallgerät mit einer vorgegebenen Frequenz abgegeben werden. Während typische Betriebsfrequenzen zwischen 1 und 18 MHz liegen, wurden bei experimentellen Anwendungen wie der Biomikroskopie in speziellen anatomischen Bereichen wie der vorderen Augenkammer Frequenzen von bis zu 50–100 Megahertz verwendet.

Frühere Wandlertechnologien verwendeten physikalische Linsen zur Strahlfokussierung. Moderne Wandler nutzen jedoch digitale Antennenarray-Techniken, bei denen piezoelektrische Elemente innerhalb des Wandlers zu unterschiedlichen Zeiten Echos erzeugen, sodass das Ultraschallgerät die Strahlrichtung und Fokustiefe dynamisch anpassen kann. In der Nähe des Wandlers entspricht die Breite des Ultraschallstrahls in etwa der des Wandlers selbst. Bei Erreichen einer bestimmten Entfernung, der sogenannten Nahzonenlänge oder Fresnel-Zone, verengt sich der Strahl auf die Hälfte seiner ursprünglichen Breite. Jenseits dieses Punktes, in der Fernzonenlänge oder der Fraunhofer-Zone, divergiert der Strahl, was zu einer Verringerung der lateralen Auflösung führt. Folglich erweitern ein breiterer Wandler und eine höhere Ultraschallfrequenz die Fresnel-Zone und bewahren so die laterale Auflösung in größeren Tiefen vom Wandler. Ultraschallwellen breiten sich als diskrete Impulse aus. Dementsprechend erfordert eine kürzere Pulslänge eine größere Bandbreite und damit einen größeren Frequenzbereich zur Bildung des Ultraschallpulses.

Wie bereits erwähnt, wird akustische Energie durch mehrere Mechanismen fokussiert: das intrinsische Design des Wandlers, die Integration einer vor dem Wandler positionierten Linse oder die Anwendung komplizierter Steuerimpulse, die vom Ultraschallscanner erzeugt werden, wobei Techniken wie Strahlformung oder räumliche Filterung zum Einsatz kommen. Dieser Fokussierungsvorgang erzeugt eine bogenförmige Schallwelle, die von der Oberfläche des Wandlers ausgeht. Anschließend breitet sich diese Welle in das biologische Gewebe aus und konvergiert in einer vorgegebenen Tiefe.

Spezielle Materialien, die in die Vorderseite des Wandlers integriert sind, erleichtern die effiziente Übertragung akustischer Energie in den Körper und umfassen häufig eine Gummibeschichtung, die als Impedanzanpassungsschicht fungiert. Darüber hinaus wird ein Gel auf Wasserbasis zwischen der Epidermis des Patienten und der Sonde aufgetragen, um die Ultraschallausbreitung in das biologische Medium zu verbessern. Diese Vorgehensweise ist erforderlich, da Luft eine Totalreflexion des Ultraschalls induziert und dadurch dessen wirksame Übertragung in den Körper behindert.

Die sich ausbreitende Schallwelle erfährt eine Teilreflexion an Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Geweben oder wird an winzigen anatomischen Strukturen gestreut. Insbesondere wird akustische Energie überall dort reflektiert, wo im Körper Schwankungen der akustischen Impedanz auftreten, beispielsweise zwischen Blutzellen und Blutplasma oder innerhalb kleiner Strukturen, die in Organe eingebettet sind. Ein Teil dieser Reflexionen kehrt anschließend zum Wandler zurück.

Empfang von Echos

Die Rückkehr der akustischen Welle zum Wandler löst einen Prozess aus, der die Übertragungsphase widerspiegelt, wenn auch in umgekehrter Reihenfolge. Die einfallende reflektierte Schallwelle versetzt den Wandler in Schwingungen, und diese mechanischen Schwingungen werden anschließend vom Wandler in elektrische Impulse umgewandelt. Diese Impulse werden dann zur Verarbeitung und Umwandlung in ein digitales Bild an den Ultraschallscanner übertragen.

Bilderzeugung

Zur Bilderzeugung muss der Ultraschallscanner aus jedem empfangenen Echo zwei unterschiedliche Merkmale ermitteln:

  1. Das Zeitintervall zwischen der Aussendung des Schallimpulses und dem Empfang des entsprechenden Echos. (Es ist wichtig zu beachten, dass Zeit und Entfernung in diesem Zusammenhang direkt proportional sind.)
  2. Die Amplitude oder Intensität des empfangenen Echos.

Nach der Bestimmung dieser beiden Parameter kann der Ultraschallscanner das entsprechende zu beleuchtende Pixel innerhalb der Bildmatrix genau identifizieren und seine entsprechende Intensität angeben.

Die Umwandlung des empfangenen Ultraschallsignals in ein digitales Bild kann durch eine Analogie mit einer leeren Tabellenkalkulation erläutert werden. Zunächst könnte man sich einen linearen, planaren Wandler vorstellen, der an der Spitze dieser Platte positioniert ist. Akustische Impulse werden dann nacheinander durch die „Spalten“ der Tabelle (z. B. A, B, C) übertragen. Das System überwacht jede Spalte auf zurückkommende Echos. Bei Erkennung eines Echos wird die Dauer seines Rückwegs aufgezeichnet. Eine längere zeitliche Verzögerung entspricht einer größeren Tiefe innerhalb der „Zeilen“ (z. B. 1, 2, 3). Die Intensität des Echos bestimmt die der jeweiligen Zelle zugewiesene Helligkeit, wobei starke Echos durch Weiß, schwache Echos durch Schwarz und mittlere Intensitäten durch verschiedene Grautöne dargestellt werden. Sobald alle Echos systematisch über das Blatt aufgezeichnet wurden, wird ein vollständiges Graustufenbild gerendert.

In modernen Ultraschallsystemen beruht die Bilderzeugung auf dem kollektiven Empfang von Echos durch eine Reihe mehrerer Wandlerelemente und nicht auf einem einzelnen Element. Diese einzelnen Elemente innerhalb des Wandlerarrays arbeiten synergetisch, um Signale zu erfassen, ein Mechanismus, der für die Optimierung der Fokuseigenschaften des Ultraschallstrahls und die Erzeugung hochauflösender Bilder von entscheidender Bedeutung ist. Eine zu diesem Zweck eingesetzte bekannte Technik ist das „Delay-and-Sum“-Beamforming. Die genaue Zeitverzögerung, die auf jedes Element angewendet wird, wird basierend auf der geometrischen Wechselbeziehung zwischen dem Abbildungspunkt, dem Wandler und den Empfängerstandorten berechnet. Durch die Integration dieser zeitlich angepassten Signale erreicht das System eine präzise Fokussierung auf bestimmte Geweberegionen und erhöht so die Bildauflösung und -schärfe. Die kombinierte Anwendung von Multi-Element-Empfangs- und Verzögerungs- und Summenprinzipien bildet die grundlegende Grundlage für die überlegene Bildqualität, die in der modernen Ultraschalluntersuchung beobachtet wird.

Bildanzeige

Vom Ultraschallscanner erzeugte Bilder werden unter Verwendung des DICOM-Standards übertragen und gerendert. In der Regel wird anschließend nur eine minimale Nachbearbeitung vorgenommen.

Akustische Ausbreitung in biologischen Geweben

Ultrasonographie, auch Sonographie genannt, verwendet eine Sonde, die mit mehreren akustischen Wandlern ausgestattet ist, um Schallimpulse in ein Medium auszusenden. Wenn eine akustische Welle auf ein Material mit einer bestimmten Dichte trifft, das durch eine unterschiedliche akustische Impedanz gekennzeichnet ist, wird ein Teil der Schallwelle gestreut, während ein anderer Abschnitt zurück zur Sonde reflektiert und anschließend als Echo erfasst wird. Das Zeitintervall, das das Echo benötigt, um zur Sonde zurückzukehren, wird genau gemessen und zur Berechnung der Tiefe der Gewebeschnittstelle verwendet, die für die Erzeugung des Echos verantwortlich ist. Eine größere Ungleichheit der akustischen Impedanzen korreliert mit einer erhöhten Amplitude des Echos. Trifft der Ultraschallimpuls auf Gase oder Feststoffe, führt der erhebliche Dichteunterschied zur Reflexion des Großteils der akustischen Energie und verhindert so ein weiteres Eindringen.

Die in der diagnostischen medizinischen Bildgebung verwendeten Frequenzen liegen typischerweise zwischen 1 und 18 MHz. Höhere Frequenzen führen zu kürzeren Wellenlängen, was die Aufnahme von Ultraschallbildern mit höherer Auflösung erleichtert. Allerdings verstärkt sich die akustische Dämpfung bei höheren Frequenzen, sodass für eine wirksame Penetration in tiefere Gewebe die Anwendung niedrigerer Frequenzen (3–5 MHz) erforderlich ist.

Das Erreichen einer tiefen Gewebepenetration mittels Sonographie stellt erhebliche Herausforderungen dar. Mit jeder Echobildung geht ein Teil der akustischen Energie verloren, der überwiegende Energieverlust liegt jedoch bei ca 0,5 dB cm Tiefe ⋅ MHz {\displaystyle \textstyle 0.5{\frac {\mbox{dB}}{{\mbox{cm Tiefe}}\cdot {\mbox{MHz}}}}} ) entsteht durch akustische Absorption.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit akustischer Wellen schwankt in verschiedenen biologischen Geweben und hängt von der akustischen Impedanz des Materials ab. Allerdings arbeiten sonografische Instrumente unter der Voraussetzung einer konstanten Schallgeschwindigkeit, die typischerweise auf 1540 m/s standardisiert ist. Diese inhärente Annahme führt zu einer Strahldefokussierung und einer daraus resultierenden Verringerung der Bildauflösung bei der Abbildung heterogener biologischer Strukturen.

Die Erstellung eines zweidimensionalen (2-D) sonografischen Bildes erfordert das Abtasten eines Ultraschallstrahls. Dieser Schwenkvorgang kann mechanisch durch Drehung oder Oszillation des Wandlers oder elektronisch durch Verwendung eines eindimensionalen (1-D) Phased-Array-Wandlers erreicht werden. Anschließend werden die erfassten Daten verarbeitet, um das Bild zu rekonstruieren. Das resultierende Bild stellt eine 2D-Darstellung des anatomischen Querschnitts dar.

Dreidimensionale (3D-)Bilder werden durch die Zusammenstellung einer Folge zusammenhängender 2D-Sonographieaufnahmen erstellt. In der Regel handelt es sich dabei um eine spezielle Sonde, die einen herkömmlichen 2D-Bildwandler mechanisch abtastet. Dennoch behindert die inhärente Langsamkeit des mechanischen Scannens die effektive Erzeugung von 3D-Bildern für dynamische Gewebe. Zu den jüngsten Fortschritten gehört die Entwicklung von 2D-Phased-Array-Wandlern, die eine volumetrische (3D) Strahlablenkung ermöglichen. Solche Wandler ermöglichen eine schnellere Bildgebung und erleichtern die Erfassung von 3D-Visualisierungen in Echtzeit, selbst für Strukturen wie ein schlagendes Herz.

Die Doppler-Sonographie dient als diagnostisches Werkzeug zur Analyse der Blutflussdynamik und Muskelbewegung. Schwankungen der erkannten Geschwindigkeiten werden zur Verbesserung der Interpretierbarkeit normalerweise farbig dargestellt. Beispielsweise manifestiert sich ein Regurgitationsstrahl aus einer undichten Herzklappe als deutlicher Farbblitz. Alternativ kann eine Farbzuordnung die Amplituden der empfangenen akustischen Echos anzeigen.

Erweiterte Ultraschalltechniken

Ein bemerkenswerter Fortschritt in der Ultraschalluntersuchung ist der biplanare Ultraschall, der durch eine Sonde mit zwei senkrechten 2D-Bildebenen gekennzeichnet ist, was die Lokalisierungs- und Erkennungseffizienz verbessert. Darüber hinaus bietet eine Omniplane-Sonde die Möglichkeit, sich um 180° zu drehen und so eine Vielzahl von Bildern aufzunehmen. Beim 3D-Ultraschall werden zahlreiche 2D-Ebenen digital synthetisiert, um eine umfassende dreidimensionale Darstellung des Zielobjekts zu erstellen.

Prinzipien der Doppler-Sonographie

Doppler-Ultraschall nutzt den Doppler-Effekt, um die Richtungsbewegung (zum Schallkopf hin oder vom Schallkopf weg) und die relative Geschwindigkeit von Strukturen, hauptsächlich Blut, zu ermitteln. Durch die Berechnung von Frequenzverschiebungen innerhalb eines bestimmten Probenvolumens können Parameter wie Geschwindigkeit und Richtung des arteriellen Blutflusses oder Klappeninsuffizienzstrahlen präzise bestimmt und visuell dargestellt werden. Die Farbdoppler-Bildgebung quantifiziert die Geschwindigkeit mithilfe einer farbcodierten Skala. Typischerweise werden Farbdopplerbilder mit Graustufenbildern (B-Modus) integriert, um Duplex-Ultraschall-Anzeigen zu erstellen. Klinische Anwendungen umfassen:

Kontrastultrasonographie (Ultraschall-Kontrastbildgebung)

Ein Kontrastmittel für die medizinische Ultraschalluntersuchung besteht aus eingekapselten gasförmigen Mikrobläschen, die die Echogenität des Blutes steigern sollen, ein Phänomen, das ursprünglich 1968 von Dr. Raymond Gramiak identifiziert und später als kontrastverstärkter Ultraschall bezeichnet wurde. Dieses diagnostische Bildgebungsverfahren wird weltweit eingesetzt, mit einer bemerkenswerten Verbreitung in der Echokardiographie in den Vereinigten Staaten und in der Ultraschallradiologie in Europa und Asien.

Kontrastmittel auf Mikrobläschenbasis werden während des Ultraschallverfahrens intravenös in den Blutkreislauf des Patienten eingeführt. Ihre Abmessungen stellen sicher, dass Mikrobläschen im Gefäßlumen zurückgehalten werden und so eine Extravasation in den interstitiellen Raum verhindert wird. Folglich sind Ultraschallkontrastmittel ausschließlich intravaskulär und eignen sich daher optimal für die Abbildung der Mikrogefäße von Organen in diagnostischen Kontexten. Eine häufige klinische Anwendung der Kontrastultraschalluntersuchung besteht darin, hypervaskuläre metastatische Tumoren zu identifizieren, die im Vergleich zu benachbartem gesundem biologischem Gewebe eine schnellere Kontrastaufnahme aufweisen (was die Kinetik der Mikrobläschenkonzentration im Blutkreislauf widerspiegelt). Zu einem weiteren klinischen Nutzen gehört die Verbesserung der linksventrikulären Abgrenzung in der Echokardiographie, um die Kontraktilität des Myokards nach einem Myokardinfarkt zu beurteilen. Darüber hinaus wurden quantitative Perfusionsanwendungen (einschließlich der Messung des relativen Blutflusses) entwickelt, die die Früherkennung von Patientenreaktionen auf Krebstherapien erleichtern (wie durch die Methodik und klinische Studie von Dr. Nathalie Lassau im Jahr 2011 gezeigt) und so optimale onkologische Behandlungsstrategien liefern.

Im Rahmen der onkologischen Anwendung der medizinischen Kontrastultraschalluntersuchung nutzen Kliniker die „parametrische Bildgebung von Gefäßsignaturen“, eine Technik, die 2010 von Dr. Nicolas Rognin entwickelt wurde. Diese Methode fungiert als computergestütztes Diagnoseinstrument für Krebs und hilft bei der Unterscheidung verdächtiger Läsionen (bösartig gegenüber gutartig) innerhalb eines Organs. Der Ansatz nutzt medizinische Computerwissenschaft, um eine zeitliche Abfolge von Ultraschallkontrastbildern zu analysieren, im Wesentlichen ein digitales Echtzeitvideo, das während der Patientenbeurteilung aufgenommen wird. Anschließend werden zwei aufeinanderfolgende Signalverarbeitungsstufen auf jedes Pixel innerhalb der Tumorregion angewendet:

  1. Der erste Schritt umfasst die Berechnung einer Gefäßsignatur, definiert als Differenz der Kontrastmittelaufnahme im Vergleich zum gesunden peritumoralen Gewebe;
  2. Der anschließende Schritt beinhaltet die automatische Klassifizierung dieser Gefäßsignatur in einen eindeutigen Parameter, der dann mithilfe einer von vier Kategorien farblich gekennzeichnet wird:
    • Grün, was auf eine kontinuierliche Hyperanreicherung hinweist (wobei die Kontrastaufnahme die von gesundem Gewebe übersteigt);
    • Blau, was auf eine kontinuierliche Hypoanreicherung hinweist (gekennzeichnet durch eine geringere Kontrastmittelaufnahme als gesundes Gewebe);
    • Rot, was auf eine schnelle Hyperanreicherung hinweist (wobei die Kontrastaufnahme der von gesundem Gewebe vorausgeht); oder
    • Gelb steht für eine schnelle Hypoanreicherung (wobei die Kontrastaufnahme im Anschluss an die von gesundem Gewebe erfolgt).

Nach Abschluss der Signalverarbeitung in jedem Pixel wird auf einem Computermonitor eine farbige räumliche Karte des Parameters, ein so genanntes parametrisches Bild, angezeigt, in der alle zum Tumor gehörenden Gefäßinformationen konsolidiert werden. Ärzte interpretieren dieses parametrische Bild anhand der vorherrschenden Färbung des Tumors: Rot weist typischerweise auf einen Verdacht auf Bösartigkeit hin, während Grün oder Gelb auf eine hohe Wahrscheinlichkeit einer Gutartigkeit hinweisen. Bei Verdacht auf bösartige Tumoren empfehlen Ärzte üblicherweise eine Biopsie zur Diagnosesicherung oder einen CT-Scan zur Einholung einer zweiten Meinung. Umgekehrt wird in Fällen, in denen ein gutartiger Tumor sehr wahrscheinlich ist, eine Nachuntersuchung mit Kontrast-Ultraschall typischerweise mehrere Monate später angesetzt. Zu den wichtigsten klinischen Vorteilen gehören die Verringerung der Notwendigkeit systemischer Biopsien gutartiger Tumoren, die mit invasiven Eingriffen verbundene Risiken bergen, und die Verringerung der Patientenexposition gegenüber Röntgenstrahlung durch CT-Scans. Die parametrische Bildgebungsmethode, die Gefäßsignaturen nutzt, hat sich bei der Charakterisierung von Lebertumoren beim Menschen als wirksam erwiesen. Im Rahmen der Krebsvorsorge könnte diese Methode auch auf andere Organe, einschließlich Brust und Prostata, anwendbar sein.

Molekulare Ultraschalluntersuchung (Ultrasound Molecular Imaging)

Die sich entwickelnde Landschaft der Kontrastultraschalluntersuchung weist auf die molekulare Bildgebung hin, mit erwarteten klinischen Anwendungen in der Krebsvorsorge zur Früherkennung bösartiger Tumoren. Bei der molekularen Ultraschalluntersuchung, auch Ultraschall-Molekularbildgebung genannt, werden zielgerichtete Mikrobläschen eingesetzt, die ursprünglich 1997 von Dr. Alexander Klibanov entwickelt wurden. Diese zielgerichteten Mikrobläschen binden oder haften gezielt an Tumormikrogefäßen, indem sie auf biomolekulare Expressionen im Zusammenhang mit Krebs abzielen, beispielsweise auf die Überexpression bestimmter Biomoleküle während der Neoangiogenese oder bei Entzündungen bei bösartigen Tumoren. Folglich sammeln sich diese gezielten Mikrobläschen innerhalb von Minuten nach der intravenösen Injektion in bösartigen Tumoren an und erleichtern so ihre Lokalisierung in einem deutlichen Ultraschallkontrastbild. Die erste explorative klinische Studie am Menschen zur Behandlung von Prostatakrebs, bei der diese Technik zum Einsatz kam, wurde 2013 in Amsterdam, Niederlande, von Dr Erhöhung des direkten Kontakts zwischen gezielten Mikrobläschen und krebsartigen Biomolekülen, die auf der Innenfläche von Tumormikrogefäßen exprimiert werden. Während der präklinischen Forschung wurde die Technik der akustischen Strahlungskraft als Prototyp in klinische Ultraschallsysteme integriert und in vivo über 2D- und 3D-Bildgebungsmodalitäten hinweg validiert.

Elastographie (Ultraschallelastizitätsbildgebung)

Ultraschalltechnologie wird außerdem in der Elastographie eingesetzt, einem relativ neuen bildgebenden Verfahren zur Abbildung der elastischen Eigenschaften von Weichgewebe. Diese Technik hat in den letzten zwei Jahrzehnten an Bedeutung gewonnen. Die Elastographie erweist sich in der medizinischen Diagnostik als wertvoll, da sie die Unterscheidung zwischen gesundem und pathologischem Gewebe innerhalb bestimmter Organe oder Wucherungen ermöglicht. Beispielsweise weisen bösartige Tumoren häufig eine größere Steifheit auf als umgebendes gesundes Gewebe, und erkrankte Lebern sind typischerweise steifer als gesunde.

Es gibt zahlreiche Ultraschall-Elastographie-Techniken.

Interventionelle Ultraschalluntersuchung

Interventionelle Ultraschalluntersuchungen umfassen Verfahren wie Biopsie, Flüssigkeitsaspiration und intrauterine Bluttransfusion bei Erkrankungen wie der hämolytischen Erkrankung des Neugeborenen.

Kompressionsultrasonographie

Bei der Kompressionsultraschalluntersuchung wird mit der Ultraschallsonde Druck auf die Hautoberfläche ausgeübt. Diese Technik kann den Abstand zwischen der Zielstruktur und der Sonde verringern und dadurch die räumliche Auflösung verbessern. Durch den Vergleich der Morphologie der Zielstruktur vor und nach der Kompression können diagnostische Erkenntnisse gewonnen werden.

Diese Methode wird bei der Ultraschallbeurteilung tiefer Venenthrombosen (TVT) eingesetzt, bei der die mangelnde Komprimierbarkeit der Vene als robuster Indikator für eine Thrombose dient. Die Kompressionsultraschalluntersuchung zeigt eine hohe Sensitivität und Spezifität für die Identifizierung proximaler TVT bei symptomatischen Personen. Allerdings nimmt die diagnostische Zuverlässigkeit bei asymptomatischen Patienten ab, beispielsweise bei postoperativen orthopädischen Hochrisikopatienten.

Panorama-Ultraschall

Panorama-Ultraschall beinhaltet die digitale Verkettung mehrerer Ultraschallbilder, um ein einziges, umfassenderes zusammengesetztes Bild zu erstellen. Diese Technik ermöglicht die Visualisierung einer gesamten Anomalie und ihrer räumlichen Beziehung zu angrenzenden anatomischen Strukturen in einer einheitlichen Darstellung.

Multiparametrische Ultraschalluntersuchung

Die multiparametrische Ultraschalluntersuchung (mpUSS) integriert verschiedene Ultraschalltechniken, um ein umfassendes diagnostisches Ergebnis zu erzielen. Bei einer bestimmten Untersuchung wurden beispielsweise B-Mode-Bildgebung, Farbdoppler, Echtzeit-Elastographie und kontrastverstärkter Ultraschall kombiniert, was zu einer Genauigkeit führte, die mit der multiparametrischen MRT vergleichbar ist.

Speed-of-Sound-Bildgebung

Mit der Schallgeschwindigkeitsbildgebung (SoS) wird versucht, die räumliche Verteilung von SoS innerhalb biologischer Gewebe zu ermitteln. Das zugrunde liegende Prinzip besteht darin, relative Verzögerungsmessungen über verschiedene Übertragungsereignisse hinweg zu bestimmen und anschließend das Problem der tomografischen Rekonstruktion mit begrenztem Winkel durch Nutzung dieser Verzögerungsmessungen und der Übertragungsgeometrie zu lösen. Im Vergleich zur Scherwellenelastographie zeigt die SoS-Bildgebung überlegene Ex-vivo-Gewebedifferenzierungsfähigkeiten zur Unterscheidung zwischen gutartigen und bösartigen Tumoren.

Attribute

Ähnlich wie andere bildgebende Verfahren hat auch die Ultraschalluntersuchung deutliche Vor- und Nachteile.

Stärken

Schwächen

Risiken und Nebenwirkungen

Ultraschall gilt weithin als sicheres Bildgebungsverfahren, wie die Weltgesundheitsorganisation bestätigt, die Folgendes feststellt:

„Diagnostischer Ultraschall gilt als sichere, effektive und hochflexible Bildgebungsmethode, die schnell und kostengünstig klinisch relevante Informationen über die meisten Körperteile liefern kann.“

Fetale diagnostische Ultraschalluntersuchungen gelten im Allgemeinen während der gesamten Schwangerschaft als sicher. Dennoch sollten solche Verfahren nur dann durchgeführt werden, wenn eine eindeutige medizinische Indikation vorliegt, und es müssen die niedrigstmöglichen Ultraschall-Expositionseinstellungen verwendet werden, um die erforderlichen diagnostischen Informationen zu erhalten, wobei das Prinzip „so niedrig wie vernünftigerweise praktikabel“ (ALARP) einzuhalten ist.

Obwohl keine eindeutigen Beweise für eine Schädigung des Fötus durch Ultraschall vorliegen, raten medizinische Behörden im Allgemeinen von der Förderung, dem Verkauf oder der Vermietung von Ultraschallgeräten zur Erstellung von „Fetal-Andenkenvideos“ ab.

Forschung zur Ultraschallsicherheit

Regulierungsrahmen

In den Vereinigten Staaten werden diagnostische und therapeutische Ultraschallgeräte von der Food and Drug Administration (FDA) reguliert, während andere nationale Regulierungsbehörden ihre Verwendung weltweit überwachen. Die FDA legt durch verschiedene Messgrößen Grenzwerte für die Schallleistung fest, und diese etablierten Richtlinien werden im Allgemeinen von anderen internationalen Behörden übernommen.

Derzeit sind New Mexico, Oregon und North Dakota die einzigen US-Bundesstaaten, die diagnostische medizinische Sonographen regulieren. In den Vereinigten Staaten werden Zertifizierungsprüfungen für Sonographen von drei verschiedenen Organisationen durchgeführt: dem American Registry for Diagnostic Medical Sonography, Cardiocular Credentialing International und dem American Registry of Radiologic Technologists.

Zu den wichtigsten regulierten Parametern gehören der mechanische Index (MI), der mit dem Bioeffekt der Kavitation korreliert, und der thermische Index (TI), der mit dem Bioeffekt der Gewebeerwärmung verbunden ist. Die FDA schreibt vor, dass Geräte etablierte, konservativ festgelegte Grenzwerte einhalten müssen, um sicherzustellen, dass diagnostischer Ultraschall eine sichere Bildgebungsmethode bleibt. Dies erfordert eine Selbstregulierung der Hersteller hinsichtlich der Maschinenkalibrierung.

In den 1980er Jahren wurden in Indien ultraschallbasierte Technologien für Schwangerschaftsvorsorge und Sexualscreening eingeführt. Aufgrund von Bedenken hinsichtlich ihres Missbrauchs für geschlechtsselektive Abtreibungen erließ die indische Regierung 1994 den Pre-natal Diagnostic Techniques Act (PNDT), um die zulässigen und verbotenen Anwendungen von Ultraschallgeräten zu unterscheiden und zu regeln. Diese Gesetzgebung wurde später im Jahr 2004 als Gesetz über präkonzeptionelle und pränatale Diagnosetechniken (Regulierung und Verhinderung von Missbrauch) (PCPNDT) geändert, mit dem Ziel, pränatale Geschlechtsuntersuchungen und geschlechtsselektive Abtreibungen zu unterbinden und zu bestrafen. In Indien ist die Bestimmung oder Offenlegung des Geschlechts eines Fötus mithilfe von Ultraschallgeräten derzeit verboten und stellt eine strafbare Handlung dar.

Anwendungen in der Veterinärmedizin

Ultraschall ist auch ein wichtiges Instrument in der Veterinärmedizin und bietet vergleichbare nicht-invasive Bildgebungsmöglichkeiten, die bei der Diagnose und Überwachung von Tiergesundheitszuständen von entscheidender Bedeutung sind.

Historische Entwicklung

Die Entdeckung der Piezoelektrizität durch den französischen Physiker Pierre Curie im Jahr 1880 ermöglichte die gezielte Erzeugung von Ultraschallwellen für industrielle Anwendungen. Im Jahr 1940 entwickelte der amerikanische Akustikphysiker Floyd Firestone das erste Ultraschall-Echo-Bildgebungsgerät, das Überschallreflektoskop, mit dem interne Fehler in Metallgussteilen erkannt werden sollten. Im folgenden Jahr, im Jahr 1941, gilt der österreichische Neurologe Karl Theo Dussik in Zusammenarbeit mit seinem Physikerbruder Friedrich als der erste, der den menschlichen Körper per Ultraschall abbildete und dabei insbesondere die Ventrikel eines menschlichen Gehirns abbildete. Dr. George Ludwig vom Naval Medical Research Institute in Bethesda, Maryland, nutzte Ende der 1940er Jahre erstmals Ultraschallenergie auf den menschlichen Körper für medizinische Anwendungen. Der in England geborene Physiker John Wild (1914–2009) setzte bereits 1949 erstmals Ultraschall zur Beurteilung der Dicke des Darmgewebes ein, was ihm die Anerkennung als „Vater des medizinischen Ultraschalls“ einbrachte. Während spätere Fortschritte gleichzeitig in mehreren Ländern stattfanden, brachte die Forschung von David Robinson und George Kossoff am australischen Gesundheitsministerium erst 1961 den ersten kommerziell nutzbaren Wasserbad-Ultraschallscanner hervor. Im Jahr 1963 gründeten Meyerdirk & Wright begann mit der Produktion des ersten kommerziellen, handgehaltenen B-Mode-Scanners mit Gelenkarm und zusammengesetztem Kontakt und machte damit Ultraschall allgemein für medizinische Anwendungen zugänglich.

Entwicklungen in Frankreich

Léandre Pourcelot, ein Forscher und Pädagoge am INSA (Institut National des Sciences Appliquées) in Lyon, war 1965 Mitautor eines Berichts für die Académie des Sciences mit dem Titel „Effet Doppler et mesure du débit sanguin“ („Doppler-Effekt und Messung des Blutflusses“), der die Grundlage für seinen Entwurf eines Doppler-Durchflussmessers im Jahr 1967 bildete.

Entwicklungen in Schottland

Gleichzeitig leisteten Professor Ian Donald und seine Kollegen am Glasgow Royal Mutterschaftskrankenhaus (GRMH) in Glasgow, Schottland, Pionierarbeit bei den ersten diagnostischen Anwendungen dieser Technik. Donald, ein Geburtshelfer, gab offen zu, dass er „ein kindisches Interesse an elektronischen und anderen Maschinen“ habe. Nach der Behandlung der Frau eines Unternehmensleiters erhielt er eine Einladung, ihre industriellen Ultraschallgeräte anzupassen, um Experimente an verschiedenen anatomischen Proben durchzuführen und deren Ultraschalleigenschaften zu bewerten. In Zusammenarbeit mit dem Medizinphysiker Tom Brown und seinem Geburtshelferkollegen John MacVicar verfeinerte Donald das Gerät, um die Differenzierung der Pathologie bei lebenden freiwilligen Patienten zu erleichtern. Diese Ergebnisse wurden am 7. Juni 1958 in The Lancet unter dem Titel „Investigation of Abdominal Masses by Pulsed Ultrasound“ veröffentlicht, einer Veröffentlichung, die zu den bedeutendsten auf dem Gebiet der diagnostischen medizinischen Bildgebung zählt.

Die Professoren Donald und James Willocks am GRMH haben ihre Techniken für geburtshilfliche Anwendungen weiterentwickelt und insbesondere die Messung des fetalen Kopfes entwickelt, um die Größe und das Wachstum des Fötus zu bewerten. Die Einweihung des neuen Queen Mother's Hospital in Yorkhill im Jahr 1964 ermöglichte eine weitere Verbesserung dieser Methoden. Stuart Campbells bahnbrechende Forschung zur fetalen Kephalometrie etablierte sie später als die endgültige Langzeitmethode zur Beurteilung des fetalen Wachstums. Fortschreitende Verbesserungen der technischen Scanqualität ermöglichten eine umfassende Schwangerschaftsüberwachung vom Beginn bis zum Ende und ermöglichten die Diagnose zahlreicher Komplikationen, darunter Mehrlingsschwangerschaften, fetale Anomalien und Placenta praevia. Seitdem wurde der diagnostische Ultraschall in fast allen anderen medizinischen Fachgebieten übernommen.

Schweden

Im Jahr 1953 wurde die medizinische Ultraschalluntersuchung erstmals an der Universität Lund von der Kardiologin Inge Edler und Carl Hellmuth Hertz eingesetzt, damals Doktorand in der Abteilung für Kernphysik der Universität und Sohn von Gustav Ludwig Hertz.

Edler erkundigte sich zunächst, ob Radar für die Untersuchung innerer Körper eingesetzt werden könne, eine Möglichkeit, die Hertz jedoch verwarf. Hertz schlug jedoch die mögliche Anwendung der Ultraschalluntersuchung vor. Aufbauend auf seiner Vertrautheit mit Ultraschallreflektoskopen, einer Erfindung des amerikanischen Akustikphysikers Floyd Firestone zur zerstörungsfreien Materialprüfung, arbeitete Hertz mit Edler zusammen, um diese Methode für medizinische Zwecke anzupassen.

Die erste erfolgreiche Messung der Herzaktivität erfolgte am 29. Oktober 1953 mit Geräten, die von der Schiffbaufirma Kockums in Malmö geliehen wurden. Am 16. Dezember desselben Jahres wurde die Technik um die Erstellung eines Echoenzephalogramms, einer Ultraschalluntersuchung des Gehirns, erweitert. Edler und Hertz veröffentlichten ihre Forschungsergebnisse anschließend im Jahr 1954.

Vereinigte Staaten

Nach etwa zweijähriger Entwicklungszeit stellten Joseph Holmes, William Wright und Ralph Meyerdirk 1962 den bahnbrechenden Compound-Contact-B-Mode-Scanner vor. Dieses Unterfangen wurde vom U.S. Public Health Services und der University of Colorado finanziert. Anschließend verließen Wright und Meyerdirk die Universität, um Physionic Engineering Inc. zu gründen, das 1963 den ersten handgehaltenen Gelenkarm-Verbindungskontakt-B-Mode-Scanner auf den Markt brachte und damit das am weitesten verbreitete Design in der Geschichte des Ultraschallscanners initiierte.

In den späten 1960er Jahren untersuchten Gene Strandness und das Bioingenieurteam der University of Washington Doppler-Ultraschall als diagnostisches Instrument für Gefäßpathologien. Ihre Forschung führte schließlich zur Entwicklung von Duplex-Bildgebungstechnologien, die Doppler mit B-Mode-Scanning integrieren, um neben der Erfassung hämodynamischer Daten auch eine Echtzeitvisualisierung von Gefäßstrukturen zu ermöglichen.

Geoff Stevenson, eine Schlüsselfigur in den Anfangsstadien der Doppler-verschobenen Ultraschallenergieentwicklung und ihrer medizinischen Anwendungen, führte die erste Demonstration des Farbdopplers durch.

Hersteller

Prominente Hersteller von medizinischen Ultraschallgeräten und -geräten sind:

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Çavkanî: Arşîva TORÎma Akademî

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