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Michael Ronner Experte für Technik & Hörakustik
Ultraschall sind Frequenzen, welche das menschliche Gehör nicht wahrnehmen kann. Mit einer Frequenz über 20 kHz bis 10 GHz fällt dieses Frequenzband in den Bereich der nicht hörbaren Ultraschall-Frequenzen (Einheit Hertz).
Die Bezeichnung «Ultraschall» ist ein physikalischer Begriff, welcher zum Beispiel in der Medizin oder der Akustik verwendet wird. Schall stammt auch dem althochdeutschen «scal» und bedeutet «Schwingung», Ultra aus dem lateinischen bedeutet «jenseits».
Inhaltsverzeichnis
Die Geschichte des Ultraschalls
In der Natur hat der Ultraschall bereits seit mehreren Jahrtausenden einen festen Platz eingenommen. Denn im Laufe der Evolutionsgeschichte haben es manche Tiere gelernt, sich mit Ultraschall im Raum zu orientieren. Eines der populärsten Beispiele hierfür ist die Fledermaus. Von der Fledermaus bis zum heutigen Stand der diagnostischen Sonographie wurde jedoch ein weiter Weg zurückgelegt.
Fledermäuse umfliegen mit Ultraschall Hindernisse und orten Ihre Beute.
1880 entdeckte der französische Chemieprofessor Pierre Curie den piezoelektrischen Effekt an Quarzen. Nach dem Untergang der Titanic 1912 befasste sich der deutsche Physiker A. Behm mit einer Methode, Eisberge unter Wasser rechtzeitig orten zu können. Er entwickelte ein Echolot. Dieses konnte auf einer Seite des Schiffes ein Knallsignal erzeugen und auf der anderen Seite das Echo vom Meeresgrund empfangen. Die Entfernung konnte auf einer Skala in Metern abgelesen werden. Im ersten Weltkrieg wurde die welthistorische Bedeutung des Ultraschalls klar, Unterseeboote wurden so mittels Sonar (abgeleitet von Echolot) geortet und zerstört.
Unterseeboote wurden mittels Ulterschallsystemen (Sonar) geortet und zerstört.
1930 wurden in den USA und Europa zerstörungsfreie Materialprüfungen zur zweiten Anwendungsform des Ultraschalls. Japan nutzte Ultraschallgeräte zur Ortung von Fischschwärmen. In dieser Zeit erfolgte bereits eine unkritische Anwendung des Ultraschalls zur Behandlung unterschiedlicher Krankheiten. 1938 wurde das Ultraschallverfahren vom österreichischen Neurologen K. Th. Dussik erstmals zu diagnostischen Zwecken in der Medizin verwendet. Jedoch wollte der Mediziner das menschliche Gehirn mit seiner Methode der Hyperphonographie erforschen. Im Laufe der Zeit stellte sich heraus, dass das Gehirn das schlecht geeignetste Organ zur Ultraschalluntersuchung ist. Howry und Bliss entwickelten 1950 den ersten Wasserbad-Scanner. Das zu untersuchende Organ bzw. der Patient tauchte in ein Wasserbad ein, der Schallkopf fuhr motorgesteuert linear auf einer Holzschiene der Tränke entlang. In den darauffolgenden Jahren wurde dieses Verfahren zunehmend optimiert. 1956 wurde das erste Echtzeitgerät in den Siemenswerken in Erlangen präsentiert. Bei dem vorgestellten „Vidoson“ handelte es sich um einen mechanischen Parallelscanner, der einen 14 cm grossen Körperausschnitt mit 16 Bildern pro Sekunde in Echtzeit untersuchen konnte. Diese Erfindung wurde kurzerhand von Radiologen und Internisten für die Abdomensonographie genutzt. Die Australier Garret und Kossoff stellten 1972 ein Gerät vor, bei dem die ersten Grauabstufung möglich waren – die „Grey-Scale-Technik“. Die Ära der Wasserbad-Untersuchungen wurde 1977 durch die Kontakt-Compound-Scanner abgelöst. Denn die Situation der Ultraschallanwendung änderte sich mit der Entwicklung des ersten serienreifen Sektorscanners – der Combision 100. Der grosse Durchbruch kam ab den 1980 Jahren, als das Sonographieverfahren in vielen Fachbereichen Einzug fand. Aus der klinischen Routine ist dieses heute nicht mehr wegzudenken.
Definition von Ultraschall
In der Physik ist Schall eine Welle in einem Medium. In Gas oder Flüssigkeit breitet sich der Ultraschall hauptsächlich als Longitudinalwellen (Längswellen) und in Festkörpern auch in Transversalwellen (Querwellen) aus. Egal ob Ultraschall von der Natur oder künstlich vom Mensch erzeugt, beim Auftreffen auf ein Material wird er entweder reflektiert, absorbiert, gestreut oder durchgelassen (Transmission). Durch den Widerstand wird die Ultraschall-Welle gebrochen (Refraktion), gebeugt (Diffraktion) oder es entsteht eine Interferenz (könnte auch interessieren – Resonanz). Luft dämpft die hohen Ultraschallwellen stark ab, wobei sich die Ultraschallwellen in Flüssigkeiten wie Wasser sehr gut ausbreiten. Die zugehörige Wissenschaft ist die Akustik.
So entstehen Bilder aus Schallwellen
Dank Ultraschall ist man in der Lage Bilder aus den reflektierten Schallwellen zu erzeugen. Die bekanntesten Bilder sind wohl die Ultraschallbilder (nicht zu verwechseln mit Röntgenbildern). Die Forschung nutzt also die Eigenschaft, dass Schallwellen an Objekten unterschiedlich reflektieren. Durch dies konnten Techniken entwickelt werden, mit denen Bilder dargestellt werden können. Entweder als Standbild oder als bewegendes Bild. Am anschaulichsten erklären kann man die Bilderentstehung anhand des Bildgebungsverfahren in der Medizin, wo der Mediziner dank Ultraschallbilder Einblick in den Körper des Patienten erhält. Eine Ultraschalluntersuchung funktioniert auf ähnliche Weise, wie das Echolot in der Tierwelt bei Fledermäusen und Delphinen. In der Technik wird es z.B. bei Schiffen angewandt. Das Ultraschallgerät stösst einen hohen Ton aus. Dieser Ton ist so hoch, dass er vom menschlichen Gehör nicht wahrgenommen wird. Ultraschallwellen werden über den Schallkopf durch die Haut in den Körper gesendet. Das von Knochen, Muskeln und Organen erzeugte Echo wird über ein feines Mikrophon am Schallkopf wieder aufgenommen, so entstehen Bilder.
Ultraschallwellen werden über den Schallkopf durch die Haut in den Körper gesendet.
Abhängig von der Zeit, in der das Echo zurückgeworfen wird, berechnet das Ultraschallgerät, wie weit eine Gewebeschicht oder ein bestimmtes Organ von der Körperoberfläche entfernt ist. Der Mediziner erhält anhand der Stärke des zurückgeworfenen Echos Aufschluss über die Art des Gewebes. Konkret bedeutet das, dass die Sonde des Ultraschallgeräts kurze Schallwellenimpulse aussendet. Diese werden von den verschiedenen Geweben im Körper, beispielsweise Flüssigkeiten, Organen oder Knochen unterschiedlich stark durchgelassen oder zurückgeworfen. Es wird dabei von absorbieren und reflektieren gesprochen. Knochen reflektieren Schallwellen stark und werfen diese dadurch ebenfalls stark zurück, was bedeutet, dass sie einen grösseren Widerstand entgegensetzen als andere Gewebe. Flüssigkeiten reflektieren Schallwellen entweder gar nicht oder nur sehr schwach, das bedeutet, dass das Blut oder der Inhalt der Harnblase Schallwellen nahezu ungehindert durchlassen. All diese unterschiedlichen Eigenschaften nutzt die Sonographie für die Bildgebung. Ein Schnittbild entsteht durch die vielen Echos, die an den unterschiedlichen Körperstrukturen und Geweben zustande kommen. Im Computer wird die Stärke der Reflexion in ein Farbsignal umgewandelt. Ist das Echo stärker, wird also viel zurückgeworfen, ist das Bild an dieser Stelle heller. An jenen Stellen, die das Echo schwächer reflektieren, stellt sich das Bild dunkler dar. Bis zu 256 verschiedene Graubereiche können moderne Ultraschallgeräte zwischen schwarz und weiss darstellen. Die spezielle Doppler-Sonographie ist im Stande, das Bild in Farbe zu erzeugen. Organe lassen sich so beispielsweise detailliert in ihrer Struktur erkennen, unterschiedliche Gewebe abbilden oder Hinweise auf Gewebeveränderungen oder Tumorgewebe finden. Die Bilder werden in Echtzeit empfangen, so kann bei Schwangeren beispielsweise der Bewegungsablauf des Kindes erfasst werden. Zur Dokumentation werden häufig Sonogramme verwendet. Bei diesen handelt es sich um Ausdrucke der Monitorbilder. Dies kennt man vor allem von Schwangeren, heutzutage können sie sogar 3D-Sonogramme ihres ungeborenen Kindes erhalten.
Einsatzgebiete von Ultraschall
Ultraschall wird heute in vielen Bereichen der Technik und Medizin eingesetzt. Anbei eine Kleinzahl an Auflistung dessen Einsatzgebietes:
- Zuhause: Ultraschall-Zahnbürste
- Kosmetik/Beauty: Ultraschall Therapie Gerät für z.B. Gesichtsbehandlung
- Auto: Einparkhilfen, Abstandshalte-Assistenten, Marderschreck
- Tierwelt: Hundepfeife
- Therapien: Ultraschalltherapie
- Schifffahrt: Sonar, Echolot, Fishfinder
- Flugzeuge: Flugschreiber
- Fotografie: Autofokus (AF)
- Messgeräte: Abstands-Messgerät
- Sensoren: Ultraschall-Durchflusssensoren
- Beleuchtung: Bewegungsmelder (PIR)
- Maschinen: Ultraschallreiniger
- Industrie: Ultraschallschweissen
- Werkzeuge: Ultraschall-Schneider
- Forschung: Ultraschall-Mikroskop
- Motoren: Ultraschallmotoren
- Fernseher: Fernbedienung (heute Infrarot)
- Medizin: Sonografie, Zahnarzt (Zahnsteinreiniger)
- uvm.
Ultraschall in der Medizin
Das Anwendungsgebiet des Ultraschalls in der Medizin ist heute breit gefächert, das liegt vor allem an der Unschädlichkeit der eingesetzten Schallwellen, im Gegensatz zum Röntgen. So können auch sensible Gewebe, wie die eines ungeborenen Babys im Mutterleib, risikofrei untersucht werden. Darüber hinaus verläuft eine Ultraschalluntersuchung für den Patienten schmerzfrei, dadurch kann dieses Bildgebungsverfahren bei unterschiedlichen und auch unbekannten Symptomen angewandt werden.
Mit Ultraschall kann ein ungeborenes Baby im Mutterleib untersucht werden.
Der medizinische Fachbegriff hierfür ist „Sonographie“ (auch „Sonografie“). Bei diesem Untersuchungsverfahren wird das Körperinnere mit Hilfe von Schallwellen sichtbar gemacht. Am besten funktioniert das Untersuchungsverfahren mit Schallwellen an inneren Organen, die Flüssigkeit enthalten. Das trifft vor allem auf die Bauchorgane, wie Galle, Leber, Milz, Nieren, Bauchspeicheldrüse, Harnleiter und Teile des Darms zu. Auch die Schilddrüse, Blutgefässe, das Herz, Speicheldrüsen und Lymphknoten können sehr gut über ein Sonographieverfahren untersucht werden. Des Weiteren ist eine Ultraschalluntersuchung bei Symptomen an Eierstöcken, der Gebärmutter und den Hoden gut einsetzbar. Für die Untersuchung von Enddarm, Prostata, Magen und Nebenniere funktioniert die Untersuchung mit Schallwellen etwas schlechter. Besonders schwierig ist eine Lungenuntersuchung, da die Luft den Schall auf andere Weise leitet als Flüssigkeit. Von Knochen wird der Ultraschallton komplett abgeblockt, daher lassen sich Gelenke, Knochenmark, Gehirn und Rückenmark nicht per Ultraschall untersuchen. Treten beim Patienten Symptome in diesen Bereichen auf, muss auf ein anderes medizinisches Untersuchungsverfahren zurückgegriffen werden.
Der medizinische Sonographie-Ablauf
Der Sonographie-Ablauf erfolgt immer nach einem Schema:
- Die Körperstelle des zu untersuchenden Organs muss freigelegt werden.
- Anschliessend wird Ultraschallgel auf den Schallkopf des Ultraschallgeräts und die Haut getropft. Das Ultraschallgel auf Wasserbasis ist für eine verbesserte Schallleitung notwendig und sorgt dafür, dass keine Luft zwischen Schallkopf und Haut gelangt. Das würde zu Störungen bei der Bilderstellung führen.
- Sobald das Ultraschallgerät eingeschaltet ist und der Schallkopf auf die Haut gesetzt wird, erscheint auf dem Ultraschallmonitor ein Schwarzweissbild. Der Mediziner kann den Schallkopf frei über die Haut schieben, um verschiedene Blickwinkel in den Körper zu bekommen.
- Hat der Arzt genug gesehen, können Screenshots, so genannte Sonogramme, für die Patientenakte gemacht werden.
- Um die Untersuchung zu beenden, wird das Gel abgewischt und die Kleidung wieder angezogen.
- Der Arzt bespricht nun die Ultraschallergebnisse und berät zu weiteren Massnahmen. Nach Abschluss der Ultraschalluntersuchung erhält der Patient den Befund und die Bilder.
Abhängig von den betroffenen Organen und der Fragestellung hat eine Ultraschalluntersuchung einen Zeitraum von drei Minuten bis zu einer halben Stunde. Die Sonographie wird für folgende Anwendungsgebiete in der Medizin genutzt:
- Sonografie der weiblichen Brust (Mammasonografie)
- Untersuchung von Bauchorganen wie z.B. der Nieren (Abdomensonografie)
- Sonografie der Schilddrüse
- Ultraschall vom Herzen (Echokardiografie)
- Ultraschall von Gelenken wie z.B. vom Hüftgelenk
- Ultraschall von Gefässen wie z.B. der Beinvenen oder Halsschlagadern
- Ultraschall in Gynäkologie wie z.B. der Gebärmutter, Eierstöcke, Schwangerschaft
- Untersuchung von Gefässverengungen und Gefässverschlüssen (Dopplersonografie)
- Untersuchung von Organen wie Speiseröhre, Darm, Herz, Magen (Endosonografie)
- Tumorerkennung mittels Kontrastmittel-Sonografie
Mittlerweile gibt es sogar moderne Ultraschallgeräte mit 3D-Sonografie. Hierbei können die Spezialisten-Ärzte dreidimensionale Aufnahmen erstellen und die kompletten Organe erkennen.
Ultraschall in der Natur - Tiere, Pflanzen
Tiere nutzen Ultraschall für die Kommunikation und Orientierung (Echo-Ortung) oder hören Ultraschall. Sie nutzen im Dunkeln Klicklaute um beim Jagen zu orten, wo Ihre Beute steckt. Sie senden also mit dem Mund anhand Klicks Schallwellen aus, wie wenn ein Mensch mit seiner Zunge ab oberen Mundgaumen schnalzt. Diese wiederum reflektieren an der Beute und anhand der Zeit kann das jagende Tier den Standort ermitteln. Gleiches machen sich heute zum Teil Blinde Menschen zu eigen und kopieren diese Art der Orientierung für die Fortbewegung. Nachfolgend einige Tiere, welche sich Ultraschall zunutze machen:
- Fledermäuse
- Delfine, Zahnwale
- Nagetiere wie: Mäuse, Ratten, Hamster, Meerschweinchen, Siebenschläfer
- Insekten wie: Heuschrecken, Grillen, Nachtfalter, Wasserzikaden
Grillen nutzen Ultraschall für die Kommunikation und Orientierung.
Aber auch der Mensch nutzt Ultraschall im Zusammenhang mit Tieren, so zum Beispiel eine Hundepfeife, Marderschreck, Fischfinder usw. In der Pflanzenwelt erzeugen selbst Bäume Ultraschall, dies wenn sie Wassermangel haben und sogenannte Kavitationsbläschen in den Kapillaren entstehen.
Ist Ultraschall schädlich?
Richtig angewendet ist Ultraschall ungefährlich. Die klassische Sonografie birgt keinerlei Risiken. Die Schallwellen sind für die Patienten und Fötus weder spür- noch hörbar und verursachen keinerlei Verletzungen. Im Gegensatz zum Röntgen oder zur Computertomografie sind es andere Strahlen. Bei unsachgemässer Handhabung aber könnten Ultraschall Frequenzen (Einheit Hertz) gefährlich sein. In Flüssigkeiten könnte es bei hohen Schalldrücken zur Bildung von Dampfblasen (Kavitation) kommen. Die heutig zugelassene Technik ist indes mehrfach abgesichert oder lässt gar nicht erst so hohe Schalldrücke für dessen Anwendungsgebiet zu.