Ultraschall bezeichnet in der Medizin ein bildgebendes Verfahren zur Untersuchung des Körperinneren, wobei der Terminus Ultraschall die umgangssprachliche Form dieses Verfahrens darstellt, sodass der Ausdruck “Sonografie” auf die gleiche Untersuchung zurückzuführen ist, aber in medizinischen Zusammenhängen häufiger Verwendung findet. Dabei wird das Körperinnere mithilfe sogenannter Schallwellen sichtbar gemacht, sodass die Funktion der Ultraschallgeräte unter anderem in der Schwangerschaftsvorsorge eine große Rolle spielt. Die Sonografie gehört zu den am häufigsten durchgeführten medizinischen Untersuchungen, zumal sie unkompliziert, schnell, gefahrlos und für den Patienten schmerzfrei. Da die Sonografie mit Schallwellen durchgeführt wird, dessen Frequenz oberhalb des menschlichen Hörbereichs liegt, ist das Verfahren auch gegenüber anderen medizinischen Arbeitsgeräten, wie zum Beispiel dem Röntgen, weitaus unschädlicher. Schließlich bleiben selbst sensible Gewebe unbeschädigt.

Wie entsteht aus Schallwellen ein Bild?

Das Ultraschallgerät besteht aus einem Schallkopf, der Ultraschallwellen in den Körper sendet. Anschließend empfängt dieser ein Echo, dass von Muskeln, Organen oder auch Knochen erzeugt wird. Die Dauer, bis das Echo zurückgeworfen wird, gibt Auskunft darüber, wie weit ein bestimmtes Organ von der Körperfläche entfernt ist. Die Stärke des Echos kann unterdessen über die Art des Gewebes informieren, sodass schlussendlich ein Bild durch die Messung der Schallwellen entsteht.

Kontrastmittel kann in gewissen Fällen zur Verbesserung der Diagnostik führen, da unter anderem die Perfusion, also die Durchblutung bestimmter Organe kontrolliert werden kann. Dies ermöglicht beispielsweise eine frühzeitige Diagnose des ischämischen Schlaganfalls.

Die Geschichte des Ultraschalls

Die Funktionsweise von Ultraschall ist vergleichbar mit der Orientierungsfähigkeit von Fledermäusen. Diese senden einen Schall mit einer Frequenz zwischen 40 und 90 Kilohertz aus und die zurückkommende Schallwelle gibt Auskunft darüber, ob Bäume oder Felsen in der Umgebung sind, sodass diese Vorgehensweise zugleich der Ortung ihrer Beute dient. Allerdings war das Phänomen lange Zeit unbekannt, da der Schall für den Menschen nicht hörbar ist, sodass der Orientierungssinn der Fledermäuse die Wissenschaftler zunächst vor ein Rätsel stellte. Genauso unbeachtet blieb zunächst auch die Funktionsweise des Ultraschalls.

Erste Erkenntnisse und die Anwendung im Militär

Die Grundvoraussetzung für die Schaffung eines Ultraschalls besteht in der Schaffung eines schwingenden Körpers, der gleichermaßen Schwingungen auf die Luft übertragen kann. Diese Tatsache führte im Jahr 1881 zur Entdeckung des Schwingungskristalls der Gebrüder Curie. Dabei sorgen zwei elektrische Platten dafür, dass ein Schwingquarz sich bei Stromstößen zusammenzieht, was wiederum zu Schwingungen in der Luft führt. Insgesamt erhält dieses Phänomen den Namen “reziproker piezoelektrischer Effekt”.

Erstmals Verwendung erhielt das Phänomen nach dem Untergang der Titanic, aufgrund des zu späten Erkennens eines Eisberges. Um solche Katastrophen in Zukunft zu verhindern, erfanden die Wissenschaftler Alexander Behm und Lewis Richardson unabhängig voneinander im Jahr 1912/1913 ein System zur Abstandsmessung im Wasser, basierend auf der Entdeckung des Ultraschalls.

Im darauffolgenden Ersten Weltkrieg findet diese Idee das erste Mal Anwendung beim Militär. Paul Langevin nutze die Schallwellen nämlich zur Ortung von U-Booten. Für die Nutzung des Ultraschalls in der Medizin, waren die Schallwellen hingegen noch zu intensiv, da der hohe Energieeinsatz zu dieser Zeit sogar zum Zerbersten von Fischen führte.

Ultraschall als Mittel in der Medizin

Erstmals Verwendung in der Medizin fand die Funktion des Ultraschalls im Jahr 1942 dank des Neurologen Karl Dussik. Ebendiesem gelang die Darstellung eines Seitenventrikels, also eines im Großhirn liegenden und mit Hirnwasser gefüllten Hohlraumes. Zu dieser Zeit nutzte der Neurologe die Darstellung des sogenannten A-Modes, wobei seit Ende der 1940er Jahre vermehrt fortschreitende und teils parallele Entwicklungen von Funktionen moderner Ultraschallgeräte erkennbar sind, je nachdem, in welcher Fachrichtung sie ihren Einsatz finden.

Funktionen moderner Ultraschallgeräte

A-Mode

Mit der A-Bild-Sonografie beginnt die Ultraschalldiagnostik, wobei diese heutzutage nahezu irrelevant ist. In der Urform der sonographischen Diagnostik werden Ultraschall-Echos aus Kurvenausschlägen dargestellt, sodass eine eindimensionale Darstellung der Schallreflexion in einem Diagramm ermöglicht wird. Auf der x-Achse wird die Tiefe des eingedrungenen Schalls angegeben, während auf der y-Achse die Stärke des Echos abgelesen werden kann. Ein höherer Ausschlag der Messkurve bedeutet demzufolge, dass es eine größere Reflexion der Wellen in der angegebenen Tiefe gibt. Auf der Schattenseite ist ein genaues Erkennen von Strukturen, sowie dessen Aufbau jedoch nicht möglich ist, was zwangsläufig zu weiteren Darstellungsformen in der sonographischen Diagnostik führen musste.

B-Mode

Mithilfe dieser Funktion gelang es erstmals, zweidimensionale Schnittbilder aus dem Bereich des Halses und des Bauches zu visualisieren. In den Anfängen wurde dazu eine Versuchsperson in eine mit Wasser gefüllte Tonne gesetzt und eine Ultraschallsonde wanderte auf einer Kreisbahn um diese herum. Mittlerweile handelt es sich bei diesem Verfahren um die am häufigsten genutzte Variante, bei der die Echointensität in Helligkeit transformiert wird.

Abhängig davon, wie intensiv die vom Ultraschallgerät ausgesendeten Reflexionen der Schallwellen sind, entsteht ein helles, beziehungsweise dunkleres Bild der zu untersuchenden Stelle. Wenn das Bild auf dem Monitor schwarz erscheint, handelt es sich um Wellen, die vom Ultraschallgerät kaum oder gar nicht reflektiert wurden, wie zum Beispiel Flüssigkeiten im Blut. Bei einem weißen Bild hingegen stammt die starke Reflexion vor allem von Knochen. Das Ultraschallgerät nimmt dementsprechend die Stärke der Reflexion auf, und die Laufzeit reflektierter Signale gibt Aufschluss über die Tiefe der Gewebestruktur. Der Einsatz wasserhaltiger Gels soll dazu dienen, dass der Schall nicht aufgrund von Luft zwischen dem Sondenkopf und der Hautoberfläche reflektiert.

M-Mode

Mithilfe dieser Funktion können Bewegungsabläufe, wie beispielsweise die des Herzklappenrhythmus sichtbar gemacht werden. Letztlich entsteht dabei ein eindimensionales Diagramm zur Darstellung sich bewegender Organe.

Doppler-Prinzip

Das Doppler-Prinzip wurde erstmalig 1959 angewendet und prinzipiell unterscheidet man drei Darstellungsformen. Die eindimensionale, die zweidimensionale und die farbcodierte Aufnahme.

Das Verfahren basiert auf der Entdeckung des Doppler-Effekts und dient der Bestimmung der Geschwindigkeit, sowie der Richtung des Blutflusses. Wenn sich Sender und Empfänger der Schallwellen aufeinander zu oder voneinander weg bewegen, führt das zu einer vermeintlichen Veränderung der Tonhöhe des Schalls für den Empfänger. Somit kann die Blutströmungsgeschwindigkeit, beziehungsweise -richtung durch veränderte Tonhöhen rekonstruiert werden. Eine schnellere anatomische Orientierung bietet zusätzlich die farbcodierte Dublex-Sonographie. Dabei wird das Verfahren des B-Bildes kombiniert mit der Doppler-Methode und der Farbcodierung. Somit entsteht durch das B-Bild zunächst ein zweidimensionales Ultraschallbild und die Richtung des Blutstroms wird zusätzlich mithilfe unterschiedlicher Farben sichtbar gemacht. Auf der Kehrseite ist es jedoch nicht möglich, die Tiefe des Gewebes mithilfe der Doppler-Sonographie zu bestimmen.

Mehrdimensionaler Ultraschall

Im Laufe des 21. Jahrhunderts entwickelten sich verschiedene Funktionen der mehrdimensionalen Ultraschalldiagnostik. Dazugehören der 3D-, sowie der 4D-Ultraschall. Durch zusätzliches Schwenken des Schallkopfes können Wellen aus unterschiedlichen Winkeln gesendet werden, sodass zunächst eine Vielzahl direkt hintereinander aufgenommener zweidimensionaler Schnittbilder entsteht, die im Nachhinein durch den Computer in ein räumliches Bild umgerechnet werden. Beim 4D-Ultraschall wird das 3D-Bild zusätzlich durch den Komponenten der Zeit ergänzt, dementsprechend entsteht ein dreidimensionales Video. Nichtsdestotrotz sind Fachleute überwiegend der Meinung, dass die üblichen zweidimensionalen Ultraschalluntersuchungen genauso viele Informationen übermitteln und das auch noch in kürzerer Zeit. Zudem ist die Auflösung und damit die Diagnosefindung auf einem zweidimensionalen Bild besser, sodass mehrdimensionale Sonografien keinen entscheidenden Fortschritt in der Ultraschalldiagnostik darstellen.

Abschließend gibt es zahlreiche Funktionen moderner Ultraschallgeräte, die in unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz kommen. Dementsprechend stellt das B-Bild zwar das am häufigsten genutzte Verfahren dar, dennoch können beispielsweise Bewegungsabläufe besser mithilfe des M-Modes rekonstruiert werden.