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Ultraschall wird vorwiegend in der medizinischen Diagnostik eingesetzt: bei verschiedenen bildgebenden Verfahren sowie bei Blutflussmessungen mittels Dopplersonographie. Die Ultraschalldiagnostik wird der Röntgendiagnostik wo möglich vorgezogen, weil sie in der Regel geringere schädigende Wirkungen hat. Grundsätzlich unschädlich ist Ultraschall jedoch aufgrund seiner Wärmewirkung und der mechanischen Deformierung des Körpergewebes nicht. Diese in der Diagnostik unerwünschten Effekte werden in therapeutischen Anwendungen wiederum gezielt eingesetzt (z.B. Diathermie und Zerkleinerung von Nieren- und Gallensteinen).
Die bildgebenden Verfahren liefern mehrdimensionale Bilder von Strukturen des Körperinneren, zu deren Interpretation Kenntnisse über das Entstehungsprinzip notwendig sind. Dieses beruht in der Regel auf Laufzeitmessungen für an Gewebegrenzen reflektierte kurze Ultraschallpulse: Ein Ultraschallsender (oder auch -geber oder Schallkopf) sendet einen kurzen Ultraschallpuls aus und der Empfänger registriert den reflektierten Anteil und die Zeit, die zwischen dem Aussenden und dem Empfang des Pulses vergangen ist. In diesem Versuch werden Sie untersuchen, wie aus diesen gemessenen Laufzeiten räumliche Informationen über Gewebestrukturen rekonstruiert werden können. Da Erzeugung und Registrierung von Ultraschall auf dem gleichen physikalischen Prinzip beruhen, werden in den meisten Ultraschallgeräten Ultraschallwandler verwendet, die abwechselnd als Sender und Empfänger arbeiten. So können grundsätzlich nur die senkrecht (entgegen der Ausbreitungsrichtung) reflektierten Anteile registriert werden.
Im Versuch wird ein Gerät verwendet (siehe Abbildung), bei dem Sender und Empfänger getrennt sind und an unterschiedlichen Stellen der Probekörper platziert werden können. Damit untersuchen Sie zunächst nur die Ausbreitung von Ultraschallpulsen in Wasser, die derjenigen in Körperflüssigkeiten und Weichteilgewebe sehr ähnlich ist. Ein für die Bildentstehung wesentlicher Aspekt hierbei ist der Zusammenhang zwischen der Laufzeit, die vom Ultraschallgerät gemessen wird, und der vom Ultraschallpuls zurückgelegten Laufstrecke, die im Bild dargestellt wird.
Anschliessend werden Probekörper aus verschiedenen Materialien in das Wasser eingebracht, an denen die Ultraschallpulse teilweise reflektiert werden. Die Messungen sollen veranschaulichen, wie durch die Reflexionen ein- bzw. zweidimensionale Ultraschallbilder entstehen, und was in diesen Bildern darstellbar ist. Effekte wie Mehrfachreflexionen oder Abschattung können hier, wie bei medizinischen Ultraschallaufnahmen, zu Artefakten führen und müssen bei der Interpretation der gemessenen Signale berücksichtigt werden. Da die zu messenden Signale schnelle zeitliche Änderungen zeigen (typische Laufzeiten liegen in der Grössenordnung von Mikro-- bis Millisekunden), ist zu deren Messung und zeitaufgelösten Darstellung ein Oszilloskop notwendig. Er wird in diesem Versuch durch einen Computer ersetzt, dessen Bedienung Sie im ersten Versuchsteil kennenlernen werden.
(c) mh, Heike Theyssen 2004