Ultraschallaufnahme eines Fötus in der Gebärmutter (Für eine größere Darstellung klicken Sie auf das Bild)

Vorteile

Vorteile gegenüber anderen diagnostischen Methoden sind insbesondere die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten, die Wirtschaftlichkeit sowie die geringe Belastung für den Patienten. Für den Arzt ist die Ultraschall-Diagnostik somit hervorragend geeignet, über die körperliche Untersuchung hinaus "in den Patienten" hineinzuschauen.

Zunehmend werden radiologische Untersuchungsverfahren durch sonographische ersetzt, da hier, im Gegensatz zu den Verfahren mit ionisierender Strahlung, unterhalb bestimmter Expositionsschwellenwerte biologische Schädigungen ausgeschlossen werden können.

Verfahren

Neben dem üblicherweise verwendeten zweidimensionalen Schnittbildverfahren, dem sog. B-Mode-Verfahren (B = brightness = Helligkeit), gibt es spezielle Verfahren zur Erfassung der Blutflussgeschwindigkeit in Gefäßen, die sog. Doppler-Verfahren. Das B-Bild ermöglicht einen Blick auf die anatomischen Verhältnisse sowie ggf. auf pathologische Veränderungen in den Organen und Geweben.

Demgegenüber ermöglicht die Doppler-Sonographie auch Aussagen über die Funktion, insbesondere in Hinblick auf den Blutfluss in großen und kleinen Gefäßen. Die Farbdoppler-Technik gibt diese Informationen farbkodiert wieder. Mit der Duplex-Sonographie, bei der gleichzeitig die Information eines B-Bildes und einer Doppler-Messung gewonnen wird, können anatomische und funktionelle Informationen auf einem Schnittbild dargestellt werden.

Mögliche Nebenwirkungen

Für die Abschätzung des Gefahrenpotentials sind die Schallfeldparameter Schalldruck bzw. mittlere Schallintensität von großer Bedeutung. Überschreiten diese Parameter Grenzwerte, können Organe bzw. Gewebe mechanisch durch die Kavitation oder thermisch durch eine Temperaturerhöhung aufgrund von Schallabsorption geschädigt werden.

In der Literatur bestehen allerdings große Spannbreiten bei der Festlegung dieser Grenzwerte. Als weiterhin mögliche schädliche Wirkungen werden diskutiert: die Auslösung von Mutationen oder angeborene Fehlbildungen.

Kavitation

Schallwellen sind an Materie gebundene Wellen, die sich in eine Richtung ausbreiten. Betrachtet man einen Punkt eines beschallten Volumens, so wechseln dort in zeitlicher Folge Druckmaxima und -minima einander ab. In diesem Wechselfeld können sich im Gewebe Hohlräume bilden, die zu Schwingungen angeregt werden. Diesen Vorgang nennt man Kavitation. Sie tritt erst ab einem bestimmten Unterdruck auf, und gilt deshalb als Schwellenphänomen.

Bei Überschreitung des Schwellenwerts können große Scher- und Torsionskräfte auftreten, die biologische Membranen belasten oder zerstören können.

Extremfall

Im Extremfall kann es zu einer explosionsartigen Vergrößerung der Hohlräume mit anschließendem Kollaps kommen. Dabei können räumlich eng begrenzt hohe Drücke und Temperaturen auftreten. Durch solche Ereignisse können im beschallten Gewebe Nekrosen und Gewebeeinblutungen hervorgerufen werden. Wichtig für die klinische Anwendung ist dabei, dass die Kavitationsschwelle reduziert ist, wenn in dem beschallten Gewebe bereits Luft oder Gas enthalten ist.

Natürlicherweise ist dies in Organen wie der Lunge oder dem Darm der Fall. In diesem Zusammenhang sind aber insbesondere auch die in letzter Zeit zunehmend häufig eingesetzten Ultraschall-Kontrastmittel zu nennen, bei denen der kontrastverstärkende Effekt durch gasgefüllte "Bubbles" erzielt wird. Die Beurteilung der Patientensicherheit im Zusammenhang mit derartigen Kontrastmitteln ist noch nicht abschließend geklärt.

Grenzwerte

Die Strahlenschutzkommission gibt als Grenzwert für die absolute Schalldruckamplitude einen Wert von 5 MPa an, bei lufthaltigem Gewebe 1 MPa (Lunge) bzw. 2 MPa (Darm). Unterhalb dieser Grenzwerte können kavitationsbedingte Schädigungen in Organen und Geweben ausgeschlossen werden.

Eine Gewebeschädigung durch Kavitation mit Geräten der medizinischen Ultraschalluntersuchung gilt als ausgeschlossen. Dies gilt auch - bei sachgemäßer Handhabung, d. h. optimierter Einstellung - für die Doppler- Sonographie (pulse wave Doppler), die den höchsten Druck aller sonographischer Verfahren erreicht.

Anwendung

Eine klinische Anwendung, bei der die Kavitation einen gewollten Effekt darstellt, ist die Zerstörung von Nierensteinen mit hochenergetischen Ultraschallimpulsen (Schockwellen). Dieses Verfahren arbeitet mit negativen Spitzendruckwerten über 10 MPa. Bei positiven Druckmaxima von 10 MPa wurden an der Niere keine Schäden gesetzt.

Thermische Effekte

Die Absorption von Ultraschallenergie führt zu einer Erwärmung des beschallten Gewebes. Die Temperaturerhöhung ist umso höher, je höher die Schallintensität am Untersuchungsort, die Ultraschallfrequenz und der Absorptionskoeffizient des Gewebes ist.

Thermische Schäden können bei Patienten ohne Fieber oberhalb einer lokalen Temperaturerhöhung von 2°C über der normalen Körpertemperatur von 37°C nicht ausgeschlossen werden. Für das embryonale oder fetale Gewebe empfiehlt die SSK einen niedrigeren Wert. Beim Erwachsenen sind kurzfristige Überwärmungen oftmals harmlos. Beim Embryo dagegen können sie zu Fehlbildungen wie einem zu kleinem Gehirn, Herzfehlern oder Lippenkiefergaumenspalten führen.

Verfahren der Ultraschall-Diagnostik

Fast alle in der medizinischen Diagnostik eingesetzten Ultraschallverfahren basieren auf der Impuls-Echo-Technik. Es werden kurze Ultraschallimpulse in den Körper gesendet und die an internen Grenzflächen reflektierten bzw. gestreuten Signale ("Echos") empfangen. Aus der Laufzeit zwischen dem Beginn des Sendeimpulses und dem Eintreffen des Echos kann bei bekannter Schallgeschwindigkeit die Entfernung eines Organs bestimmt werden.

Abhängig von der Fragestellung werden Ultraschallfrequenzen im Bereich von 2 - 50 MHz und verschiedene Scanverfahren (linear-scan, convex-scan, sector-scan) eingesetzt. Je höher die Frequenz, desto besser die Auflösung senkrecht zum Schallstrahl, aber auch desto geringer die Eindringtiefe ins Körpergewebe. Deshalb können tief liegende Organe nur mit niedriger Frequenz und niedrigerem Auflösungsvermögen dargestellt werden.

Das Signal/Rausch Verhältnis des empfangenen Signals bestimmt den Bildkontrast. Es kann durch Erhöhung der akustischen Ausgangsleistung verbessert werden. Der eingestellte Wert der Ausgangsleistung sollte niedrig genug sein, um die Patientensicherheit zu gewährleisten, aber doch so hoch, dass der Anwender einen möglichst hohen Informationsgehalt für die Diagnostik erhält.

B-Mode-Verfahren

Ein wichtiger und häufiger Einsatzbereich dieses Verfahrens ist die Schwangerschaftsvorsorge.

Das B-Mode-Verfahren liefert zweidimensionale Schnittbilder. Dazu muss der darzustellende Körperquerschnitt mit dem Ultraschallstrahl abgescannt werden. Die Temperaturerhöhung im Gewebe ist dabei minimal. Da eine Patientengefährdung durch Kavitation, wie oben erwähnt, ebenfalls nicht gegeben ist, sind B-Mode-Verfahren im Hinblick auf eine Patientenschädigung als sicher zu betrachten.

M-Mode- oder Time-Motion-Verfahren

Das M-Mode-Verfahren findet besonders in der Kardiologie Anwendung. Dabei wird die Bewegung der Herzklappen und -wände qualitativ und quantitativ erfasst. Es stellt den Abstand der reflektierenden Strukturen vom Schallkopf im Zeitverlauf dar. M- und B-Mode-Verfahren sind bezüglich der im Gewebe absorbierten Schallenergie und damit bezüglich des Risikopotentials ähnlich zu bewerten.

Doppler-Verfahren

Beim Doppler-Verfahren wird die Frequenzänderung des Echos gegenüber dem eingestrahlten Signal gemessen. Sie entsteht bei der Reflexion am bewegten Objekt (Doppler-Effekt) und ermöglicht die Ermittlung von Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit des Objekts. Beispiele sind die im Blut fließenden Erythrozyten bzw. die Bewegung des Herzens. Entsprechend der Messtiefe und der Dämpfung durch das vorgelagerte Gewebe kann eine für die Bildgüte optimale Sendefrequenz eingestellt werden.

1. Pulsed wave-Doppler (pw-Doppler)
   
   Beim pw-Doppler wird mit deutlich höherer Intensität untersucht als beim B-Mode-Verfahren. Das beschallte Volumen ist viel kleiner und wird während der ganzen Untersuchung beschallt. Im Vergleich zum B-Mode-Verfahren kann es zu einer beträchtlichen Erhöhung der eingestrahlten Ultraschallenergie kommen. Die Gefahr einer Überwärmung im beschallten Volumen ist bei unsachgemäßer Handhabung nicht auszuschließen. Der pw-Doppler erreicht bezüglich der Kavitation den höchsten Druck aller sonographischer Verfahren. Bei sachgemäßer Einstellung ist dieses Verfahren aber als sicher einzustufen. Eine strenge Indikationsstellung muss allerdings gefordert werden.
   
   
2. Continous wave-Doppler (cw-Doppler)
   
   Beim cw-Doppler können alle im Schallfeld sich bewegenden Strukturen dargestellt und sehr hohe Fliessgeschwindigkeiten, z. B. bei einer Herzklappenstenose, analysiert werden. Hinsichtlich der möglichen Nebenwirkungen gilt das gleiche wie für den pw-Doppler.
   
   
3. Duplex- und Farb-Doppler-Verfahren (cD-Verfahren)
   
   Beide Verfahren stellen eine Kombination aus B-Mode-Verfahren und pw-Doppler dar. Mit dem B-Bild gewinnt der Anwender eine Übersicht zum schnellen Auffinden der Doppler-Messstelle. Das Risikopotential des Duplex-Verfahren ist ähnlich wie beim pw-Doppler einzuschätzen. Beim Farb-Doppler-Verfahren wird die Geschwindigkeit von bewegten Objekten farbkodiert dargestellt. Wegen des größeren Untersuchungsvolumens ist hier das Risikopotential geringer als beim konventionellen Duplex-Verfahren.

Empfehlungen für die Ultraschall-Exposition des Patienten

Ultraschall kann diagnostisch dann gefahrlos angewendet werden, wenn das Ultraschallfeld weder Kavitation im Körpergewebe hervorruft noch eine bedenkliche Temperaturerhöhung bewirken kann.

Die Anzeige von Indizes für die thermische und nichtthermische Einwirkung von Ultraschallfeldern auf den Patienten ermöglicht dem Anwender bei der Ultraschalluntersuchung die Kontrolle der Exposition des Patienten im Ultraschallfeld. Gemäß der Norm IEC 60601-2-37 müssen diese Indizes beim diagnostischen Einsatz von medizinischen Ultraschallgeräten zum Schutz des Patienten angezeigt werden.

Qualitätsmanagement

Wichtiges Element des Qualitätsmanagements der deutschlandweit mehr als 40.000 installierten Ultraschallgeräte in der medizinischen Diagnostik ist die Kontrolle der Leistungsmerkmale während der Lebensdauer eines Geräts, nicht nur, um eine Gefährdung der Patienten auszuschließen, sondern auch um die Zuverlässigkeit der Diagnose zu gewährleisten.

Bei der Ausbildung der Ärzte ist es u. a. wichtig zu vermitteln, dass bei der Abschätzung des Gefährdungspotentials die Höhe des Schallpegels entscheidend ist und sie nicht durch eine kürzere Anwendungsdauer kompensiert werden kann.