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 die Entfernung eines Organs vom Schallkopf bestimmt werden. Weichteilgewebe sind mit Ultraschall gut darstellbar, gashaltige oder durch Knochen verdeckte Organe dagegen schlecht.

Abhängig von der Fragestellung werden im allgemeinen Ultraschallfrequenzen im Bereich von zirka 1 bis 50 Megahertz und verschiedene Scanverfahren eingesetzt. Je höher die Frequenz, desto besser die Auflösung senkrecht zum Schallstrahl, aber auch desto geringer die Eindringtiefe des Ultraschalls 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.

Ultraschallverfahren im Überblick

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

Demgegenüber ermöglicht die Doppler-Sonographie auch Aussagen über die Funktion, insbesondere im 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.

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.

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.

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.

• 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.

• Continous wave-Doppler (cw-Doppler)

  Beim cw-Doppler können alle sich im Schallfeld bewegenden Strukturen dargestellt und sehr hohe Fliessgeschwindigkeiten, zum Beispiel bei einer Herzklappenstenose, analysiert werden.

• 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. Beim Farb-Doppler-Verfahren wird die Geschwindigkeit von bewegten Objekten farbkodiert dargestellt. Konventionell werden Bewegungen auf den Schallkopf zu in der Farbe rot dargestellt, vom Schallkopf weg in der Farbe blau.

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

Als weiterhin mögliche schädliche Wirkungen werden die Auslösung von Mutationen oder angeborene Fehlbildungen diskutiert.

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 das Wissen, dass die Kavitationsschwelle dann reduziert ist, wenn in dem beschallten Gewebe 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.

Thermische Effekte

Die Absorption von Ultraschallenergie führt zur Erwärmung des beschallten Gewebes. Die Temperaturerhöhung ist umso höher, je höher

• die Schallintensität am Untersuchungsort,
• die Ultraschallfrequenz und
• der Absorptionskoeffizient des Gewebes

sind.

Thermische Schäden können bei Patienten oberhalb einer lokalen Temperaturerhöhung von 2°C über der normalen Körpertemperatur von 37°C entstehen und sind vom Untersucher zu vermeiden.

Schwellenwerte

Beim diagnostischen Einsatz medizinischer Ultraschallgeräte werden zum Schutz des Patienten

• der mechanische Index (MI) zur Beschreibung der zu erwartenden mechanischen Wirkung und
• der thermische Index (TI) zur Beschreibung der zu erwartenden Wärmewirkung

ständig angezeigt und vom Untersucher kontrolliert. Zur Definition dieser Indizes siehe DIN EN 62359. Bei

• Schallintensitäten über 50 Milliwatt pro Quadratzentimeter am Auge oder
• Schallintensitäten über 100 Milliwatt pro Quadratzentimeter am übrigen Körper oder
• einem mechanischen Index von mehr als 0,4 oder
• einem thermischen Index von mehr als 0,7

sind die Untersuchungen durch einen qualifizierten Arzt durchzuführen.

Eine Gewebeschädigung durch Kavitation mit Geräten der Ultraschalldiagnostik gilt als ausgeschlossen. Dies gilt auch - bei sachgemäßer Handhabung, das heißt, optimierter Einstellung - für die Doppler-Sonographie (pulse wave Doppler), die den höchsten Druck aller sonographischen Verfahren erreicht.

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

Bewertung der oben beschriebenen Verfahren

B-Mode-Verfahren

Die Temperaturerhöhung im Gewebe ist beim B-Mode-Verfahren minimal. Da eine Patientengefährdung durch Kavitation ebenfalls nicht gegeben ist, sind B-Mode-Verfahren im Hinblick auf eine Patientenschädigung als sicher zu betrachten.

M-Mode- oder Time-Motion-Verfahren

M- und B-Mode-Verfahren sind sichere Verfahren, die bezüglich der im Gewebe absorbierten Schallenergie und damit bezüglich des Risikopotentials ähnlich zu bewerten sind.

Doppler-Verfahren

Beim Pulsed wave-Doppler (pw-Doppler) kann es im Gegensatz zum B-Mode-Verfahren zu einer deutlichen Erhöhung der Temperatur des Gewebes durch Absorption der eingestrahlten Ultraschallenergie kommen. Bezüglich der mechanischen Wirkung erreicht der pw-Doppler den höchsten Druck aller sonographischer Verfahren. Bei sachgemäßem Einsatz ist dieses Verfahren sicher, da die thermische und die mechanische Wirkung der Ultraschallfelder am Gerät angezeigt und vom Arzt kontinuierlich während der Untersuchung kontrolliert werden.

Beim Continous wave-Doppler (cw-Doppler) gilt insichtlich der möglichen Nebenwirkungen das gleiche wie für den pw-Doppler.

Das Risikopotential des Duplex-Verfahren ist ähnlich wie beim pw-Doppler. Beim Farb-Doppler-Verfahren (cD-Verfahren) ist wegen des größeren Untersuchungsvolumens das Risikopotential geringer als beim konventionellen Duplex-Verfahren.

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.

Verbotenes „Baby-Kino“

Gemäß § 10 der Verordnung zum Schutz vor schädlichen Wirkungen nichtionisierender Strahlung bei der Anwendung am Menschen (NiSV) darf ein Ungeborenes im Mutterleib keiner Ultraschalluntersuchung zu nichtmedizinischen Zwecken ausgesetzt werden.

Eine solche Ordnungswidrigkeit liegt vor, wenn die Ultraschalluntersuchung nicht der Untersuchung und Behandlung einer Patientin oder eines Patienten, der Früherkennung von Krankheiten, der Schwangerschaftsvorsorge, oder der medizinischen Forschung dient.

Die Durchführung einer medizinisch nicht erforderlichen Ultraschalluntersuchung eines Ungeborenen mit dem alleinigen Zweck der Produktion von Erinnerungsbildern oder -filmen, umgangssprachlich auch „Baby-Kino“ genannt, ist dementsprechend (anders als eine medizinisch indizierte Ultraschalluntersuchung z. B. nach den Mutterschafts-Richtlinien) verboten.

Wichtiges Element des Qualitätsmanagements der in Deutschland 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 unter anderem 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.