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Bilder aus Schall
Schall wird oftmals mit Geräuschen, Tönen oder Musik assoziiert. Unhörbare Schallwellen werden aber auch in der modernen Medizin benutzt, um verborgene Strukturen sichtbar zu machen.
Ärztinnen und Tierärzte bringen Licht ins Dunkel – oder besser: Sie bringen Schall ins Dunkel, um Verborgenes sichtbar zu machen. Ultraschallwellen erlauben uns nämlich, einen Einblick in den Körper zu bekommen.
Im Inneren gelegen – von aussen sichtbar gemacht
Die bildgebende Diagnostik ist ein Gebiet der heutigen Veterinär- und Humanmedizin, das sich mit den verschiedenen Methoden zur Darstellung von Körperteilen beschäftigt. Röntgenstrahlen, Ultraschallwellen oder Magnetfelder werden benutzt, um Organe und Knochen darzustellen, die im Inneren des Körpers verborgen sind. Die Geschichte des Ultraschalls beginnt bereits vor dem ersten Weltkrieg.
Vom Militär zur Medizin
Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelte der Franzose Paul Langevin ein Verfahren, um militärische Unterseeboote im Wasser orten zu können. Dazu erzeugte er Ultraschallwellen – also Schallwellen mit einer Frequenz oberhalb des hörbaren Bereichs – mithilfe von Piezokristallen und übertrug diese ins Wasser. Ein Schallempfänger mass anschliessend die reflektierten Schallwellen und berechnete aus deren Laufzeit, wie weit entfernt das reflektierende Objekt war. Damit konnten zwar erfolgreich feindliche Unterseeboote geortet werden, aber es war noch ein langer Weg bis zum Einsatz in der modernen Medizin. Die verwendeten Schallwellen hatten nämlich eine so hohe Intensität, dass Fische, die sich im Ausbreitungsbereich der Wellen befanden, einfach zerbarsten. Erst Mitte des 20. Jahrhunderts wurden die Ultraschallwellen für die Darstellung von Körperstrukturen weiterentwickelt und angepasst.
Ultraschall aus dem Kristall
Wie produziert man denn eigentlich Ultraschallwellen? Zur Schallerzeugung wird der sogenannte piezoelektrische Effekt genutzt. Dieser wurde als erstes bei bestimmten natürlichen Kristallen entdeckt; wenn sie unter Druck verformt werden, kann eine elektrische Spannung zwischen ihrer Ober- und Unterseite gemessen werden. Quarz ist wohl das bekannteste Material mit Piezoeigenschaften, doch es werden heutzutage auch eine Reihe von piezoelektrischen Keramik-Werkstoffen hergestellt.
Mit diesen Materialien ist also eine Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie möglich – und umgekehrt: Legt man eine Wechselspannung an einen Piezokristall an, beginnt er im Takt mit dieser Spannung (also enorm schnell) zu schwingen. Diese mechanischen Schwingungen werden als Ultraschall auf die Luft übertragen – der Kristall sendet Schallwellen aus. Umgekehrt kann der Kristall auch als Empfänger dienen, wenn er Schallwellen aus der Luft aufnimmt und in Schwingung gerät, was wiederum elektrische Ladung erzeugt und gemessen werden kann.
In der Sonde eines medizinischen Ultraschallgeräts sind verschiedene Kristalle angeordnet, die mit Hilfe des piezoelektrischen Effekts Ultraschallwellen erzeugen, aussenden und wieder empfangen.
Von der Sonde in den Körper und zurück
Für die Ultraschalluntersuchung wird eine Sonde am Körper der Patientin oder des Patienten angelegt. Der Sondenkopf erzeugt Ultraschallwellen, die sich im Gewebe ausbreiten. Die Ausbreitung wird dabei vom Widerstand des zu durchdringenden Materials beeinflusst. Wenn Schallwellen an eine Grenze stossen, beispielsweise wenn sie von Luft zu Wasser übergehen, wird ein grosser Teil der Wellen reflektiert. Die Zeit, bis diese reflektierten Wellen wieder bei der Sonde ankommen, kann gemessen werden. Daraus lässt sich berechnen, wie tief im Körper eine bestimmte Struktur liegt.
Da der Unterschied im Widerstand zwischen Luft und Wasser besonders gross ist, muss man sicherstellen dass keine Luft zwischen dem Sondenkopf und der Haut des Patienten eingeschlossen ist. Dies wird gewährleistet, indem man ein Gel aufträgt, das einen lückenlosen Kontakt zwischen der Sonde und der Haut ermöglicht.
Anwendungen in der modernen Medizin
Ultraschallgeräte sind aus den heutigen Spitälern und Tierarztpraxen kaum mehr wegzudenken. Die grundlegende Technik wurde über die letzten Jahrzehnte immer weiter verfeinert und auf bestimmte Anwendungsbereiche zugeschnitten. So kann man heute beispielsweise mit der Echokardiografie die Pumpleistung der verschiedenen Herzkammern messen oder die Funktionalität der Herzklappen untersuchen. Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet des Ultraschalls ist die Darstellung von noch ungeborenen Kindern im Mutterleib. Dabei kann nicht nur gezeigt werden, ob das Kind überhaupt lebt, sondern es kann auch gemessen und, je nach Entwicklungsstand, auf allfällige Fehlbildungen untersucht werden. Von der Humanmedizin wurde diese Methode auch in die Veterinärmedizin übertragen und wird heute zum Nachweis einer Trächtigkeit bei verschiedenen Tierarten wie Rind, Pferd oder Hund benutzt.
Ultraschall als bildgebende Methode bietet viele Vorteile: Oftmals kann rasch und sicher eine Diagnose gestellt werden, eine Gesundheitsschädigung durch die Ultraschallwellen ist äusserst unwahrscheinlich, und zudem können Bewegungen direkt beobachtet werden. Doch die Methode hat auch gewisse Nachteile. So können beispielsweise Gewebe, die sehr tief im Körper liegen, nur mit schlechter Auflösung dargestellt werden (vergleiche einmal den Durchmesser eines Meerschweinchens mit demjenigen eines Pferdes!). Ausserdem kann man luftgefüllte Strukturen wie die Lunge schlecht darstellen und darunter gelegene Körperteile nur undeutlich erkennen. Schliesslich ist die korrekte Interpretation der Bilder auch nur mit viel Erfahrung möglich.
Ultraschall als bildgebendes Verfahren hat seit seiner Entdeckung vor rund 100 Jahren enorme Fortschritte gemacht. Leistungsfähige Software ermöglicht es, dass sogar dynamische Vorgänge im Körperinnern dreidimensional und in Echtzeit dargestellt werden können, also beispielsweise das Pulsieren des Herzens oder die Bewegungen eines ungeborenen Babys. Es bleibt spannend zu sehen, wie sich diese Diagnosetechnik noch weiter entwickeln wird.