Sonographie

Übersicht
Vorteile, Nachteile
Grenzen und Möglichkeiten
      Potentialle Gefährung durch Ultraschall
Typische Indikationen
Prinzip
      Darstellungsmöglichkeiten
      Arten von Schallköpfen
Beteiligte Strukturen
      Artefakte

Übersicht

Die Sonographie ist in ihrer modernen Form (zweidimensionales B-Bild) ein Echtzeit-Schnittbildverfahren, das auf der Anwendung von Ultraschall basiert. Es handelt sich um ein eigenständiges Verfahren, das keine technische Ähnlichkeit mit der Computertomographie (CT), der Magnetresonanztomographie (MRT) oder der Radiographie besitzt.

Zweidimensionale B-Bild-Sonographie, CT und MRT stellen die drei in der modernen Medizin über alle Fachgebiete hinaus relevanten Schnittbildgebungsverfahren dar.

Ein in der Sonographie erzeugter Bilddatensatz wird als Sonogramm bezeichnet. Im klinischen Sprachgebrauch werden auch die Begriff "Sono" oder "Schall" für die Sonographie benutzt. In der Kardiologie wird die Echokardiographie, die Sonographie des Herzens, als "Echo" abgekürzt.
Im Gegensatz zu den meisten bildgebenden Verfahren ist die Sonographie absolut untersucherabhängig. Die Qualität und der Nutzen der erzeugten Bilder ist vollständig von der untersuchenden Person und deren Fähigkeit, mit den Untersuchungsbedingungen umgehen zu können, abhängig. Daher haben sich Qualitätsstandards für die Dokumentation entwickelt, um eine gewisse Vergleichbarkeit von Sonogrammen verschiedener Untersucher(innen) zu gewährleisten.

Vorteile, Nachteile

Der größte Vorteil der Sonographie ist die Tatsache, dass es praktisch keine Kontraindikationen gibt und dass sie von jedem durchgeführt werden kann. Zudem gibt es - mit Ausnahme von Knochen und luftgefüllten Organen - kein Gewebe, das nicht sonographisch untersucht werden kann. Geräte - auch hochwertige - sind in der Regel in allen Kliniken verfügbar.
Des Weiteren ist, bei guten Befunden, die Aussagekraft sehr hoch. Eine Reihe von Diagnosen, die früher nur mit anderen bildgebenden Mitteln möglich waren, können heutzutage sonographisch gestellt werden.

Der größte Nachteil ist jedoch seine nahezu absolute Abhängigkeit von den Kenntnissen und Fertigkeiten der Anwender(innen). Ist niemand mit Erfahrung auf Station oder in der Klinik zugegen, kann diese diagnostische Maßnahme nicht genutzt werden.
Zudem besteht eine hohe Abhängigkeit von den Untersuchungsbedingungen im bzw. am Patientenbett. So ist die Untersuchung von Patient(inn)en auf Intensivstationen bzw. von Bewusstlosen schwieriger, weil diese keine Atemmanöver durchführen oder sich drehen können, um so den Zugang zu bestimmten Organen zu erhalten.
Des Weiteren können sonographische Untersuchungen erhebliche Zeit beanspruchen, wenn die gesuchte Struktur nicht gut fokussiert werden kann.

Grenzen und Möglichkeiten

Die Aussagekraft der Sonographie hängt nahezu vollständig von den praktischen Kenntnissen im Umgang mit Gerät und Schallkopf sowie der Fertigkeit, mit den gegebenen Untersuchungsbedingungen umzugehen, ab. Das Erlernen der Sonographie ist zeitaufwändig und kann nur an lebenden Patient(inn)en - und nicht an Modellen oder Leichnamen - erfolgen. Die Lernkurve besitzt einen zunächst mäßig guten, dann jedoch nachlassenden Anstieg.

Ein großes Problem zeigt sich bereits darin, die zu untersuchenden Strukturen überhaupt ins Bild zu bekommen und vollständig darzustellen. Weitere Schwierigkeiten sind dann in der Erkennung und Einordnung pathologischer Befunde zu sehen. Der Umgang mit Farbduplex und Doppler stellt eine weitere, davon unabhängige Anforderung dar und bedarf eines Grundverständnisses für Fragen der Gefäßphysiologie und der Hämodynamik.
Die Echokardiographie stellt ein in der Praxis nahezu eigenständiges Verfahren dar und wird praktisch nur von Kardiolog(inn)en durchgeführt.
Sonstige Verfahren wie die Kontrastmittel-Sonographie müssen ebenso von Grund auf erlernt werden.

Die Sonographie stellt damit eines der am stärksten untersucherabhängigen Verfahren in der klinischen Medizin dar.
Bei korrekt durchgeführter Untersuchung und klarer Fokussierung im Bild bzw. korrekter Darstellung von Duplex und/oder Doppler, ist die Aussagekraft der Sonographie sehr hoch und übersteigt in Teilen auch die anderer Verfahren.
Im gleichen Maße verringern mangelnde oder fehlende Kenntnisse die Aussagekraft z.T. auf null.

Weil die Sonographie frei von radioaktiver oder anderer schädlicher Strahlung ist, kann sie von jedem durchgeführt werden. Das bedeutet, alle Ärzt(inn)e(n) können Ultraschalluntersuchungen durchführen, ebenso Studierende im Praktischen Jahr, in der Famulatur sowie nicht-ärztliches Personal.

Es gibt praktisch keine Kontraindikationen für die Durchführung einer Sonographie. Metallene und andere Gegenstände können zwar die Bilddarstellung stören, jedoch besteht immer die Möglichkeit eine Darstellung von einem anderen Winkel durchzuführen um dieses Problem zu umgehen. Für eine gute Darstellungsqualität ist die Kooperation der Patient(inn)en hilfreich, aber nicht zwingende Voraussetzung. Größere Bewegungen der Patient(inn)en sollten vermieden werden. Jedoch kann die gleiche Untersuchung immer wieder versucht werden.
Die Verbesserung der Darstellung kann für bestimmte Organe durch Atemmanöver erfolgen, jedoch ist dies nicht zwingend nötig.
Für einzelne Untersuchungen kann der Verzicht auf Nahrungsaufnahme vor der Untersuchung die Schallbedingungen verbessern, auch das ist jedoch nicht zwingend erforderlich.

Potentielle Gefährdung durch Ultraschall

Ultraschall wird in der Medizin seit nunmehr einigen Jahrzehnten verwenden. Bisher sind keine relevanten Langzeitschäden beobachten worden. Auch in der perinatalen Diagnostik ließ sich nicht beobachten, dass es zu korrelierbaren Späteffekten kommt. Weder die Morbidität, noch die Mortalität für Malignome stieg nach der Einführung der Sonographie in der perinatalen Diagnostik signifikant an. Das gilt zumindest für die zweidimensionale B-Bild-Sonographie.
Gewisse Einschränkungen sind in Bezug auf die Doppler-Sonographie zu berücksichtigen. Im Rahmen der Untersuchung kommt es zu lokalen Temperaturerhöhungen. Nach aktueller Ansicht ist jedoch davon auszugehen, dass diese keine Wirkung auf den Fötus haben. Der fehlende Nachweis von schädigenden Effekten ist jedoch nicht mit dem Nachweis des Fehlens von schädigenden Effekten gleichzusetzen.
Bisher gibt es keine Untersuchungen, die einen Schaden nachweisen konnten. Trotzdem wird dazu geraten Ultraschalluntersuchungen in der Schwangerschaft nur bei gegebener Indikation durchzuführen und auf unnötige Sonographien zu verzichten. Die Untersuchung ausschließlich zum Zwecke des "Babyfernsehens", soll vermieden werden.

Typische Indikationen

Zu den häufigsten Untersuchungen, die sonographisch durchgeführt wird, zählen die Beurteilung der Bauchorgane, der Schilddrüse, der peripheren Gefäße inklusive extrakranieller hirnversorgender Gefäße, der Schilddrüse sowie des Ungeborenen (Schwangerensonographie).
Zudem ist es mit besonders kleinen Sonden möglich, die intrakraniellen Hirngefäße zu beurteilen. Diese Untersuchung erfordert im Gegensatz zur MR-Angiographie oder der CT-Angiographie kein Kontrastmittel und erlaubt die Beurteilung der qualitativen Flusseigenschaften des Blutes im Gehirn.

Die Echokardiographie als morphologische und funktionelle Bildgebung ist integraler Bestandteil kardiologischer Basisdiagnostik.

Neben diesen Anwendungen werden aus Muskeln und Nerven sonographisch untersucht. Mit einem hochauflösenden Schallkopf ist bei Betrachtung relativ oberflächlicher Strukturen eine deutlich bessere Auflösung möglich, als in der MRT. Zudem können die Strukturen in mehreren Ebenen betrachtet werden.

Eine weitere Anwendung ist die Beurteilung von Lymphknoten im Rahmen von malignen Erkrankungen oder bei Verdacht auf diese. In der Nachbehandlung verschiedener Malignome werden Lymphknoten manuell - jeweils einzeln - sonographisch untersucht. In der MRT ist dieser Detailgrad häufig nicht gegeben.

Prinzip

In der Sonographie werden Schallwellen von einem Schallkopf in das Gewebe ausgesendet, wieder empfangen und daraus ein ein- oder zweidimensionales Bild generiert.
Bei diesen Wellen handelt es sich um Ultraschall im Bereich von >20 kHz. Die Wellen entstehen, wenn ein piezoelektrischer Kristall mechanisch komprimiert wird. Bei Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes dehnt er sich aus bzw. zieht sich zusammen. Wird ein solches Wechselfeld angelegt, kommt es bei Ankopplung an die Haut des Patienten zur räumlichen Ausdehnung, sodass die Schallwellen in den Körper eindringen.
Es kommt also zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische Schwingungen.

Der Schallkopf arbeitet als Sender und Empfänger. Seine Sendefunktion beinhaltet die Anregung des Kristalls zum Schwingen (negativer piezoelektrischer Effekt), seine Empfangsfunktion besteht darin, dass die reflektierten Schallwellen am Kristall eine elektrische Spannung erzeugen (positiver piezoelektrischer Effekt), die messbar ist. Der Wechsel von Senden und Empfangen wird als Puls-Echo-Methode bezeichnet.

Die Reflektion von Schallwellen ist die Grundlage der Fähigkeit, ein Bild zu erzeugen. Jedes Gewebe besitzt unterschiedliche Dichteeigenschaften und damit unterschiedliche Reflektionseigenschaften. An den Grenzflächen von Geweben verschiedenen Reflektionsverhaltens (Wellenimpedanz-Grenzflächen) werden Schallwellen im besonderen Maße zurückgeworfen.

Der Schallkopf sendet kein kontinuierliches Signal, sondern jeweils kurze Ultraschallimpulse. In der Pause nach der Aussendung eines Impulses ist der Kristall empfangsbereit. Je länger die Schallwelle im Gewebe unterwegs ist, desto mehr verliert sie an Energie. Ursache dieser Verluste sind
- Schwächung und Absorption
- Brechung und Streuung
- Reflektion

Schwächung und Absorption kommen durch den Widerstand, den das Gewebe entgegensetzt, zustande. Ein Teil der Schallwellenenergie wird dabei in Wärme umgewandelt.
Brechung und Streuung treten in inhomogenen Strukturen auf sowie an Grenzflächen, wo nach dem Prinzip Einfallswinkel = Ausfallsweinkel ein Teil der Energie nicht mehr zum Schallkopf zurückkehrt.
An Grenzflächen von Geweben mit signifikanter Impedanz kommt es zur Reflektion der Wellen, die dann zum Schallkopf zurückkehren.

Zwischen Geweben mit besonders hohen Impedanzsprüngen ist nahezu keine Weiterleitung des Ultraschalls möglich. Dazu zählen die Übergangsbereiche von Luft und Wasser sowie von Weichteilgewebe und Knochen. Daher können Knochen und gasgefüllte Organe nicht durchschallt werden.
Auch zwischen Haut und Schallkopf eingeschlossene Luft besitzt diese Eigenschaft, sodass die Verwendung von Gel zwischen Haut und Schallkopf notwendig ist. Dabei handelt es sich um eine Form des medizinisches Gleitgels, das wasserlöslich ist. Fettlösliche Gele können den Schallkopf zerstören. (Ein einzelner Schallkopf kostet zwischen 2000 und 10000 Euro.)
Die Auflösung eines Schallkopfes steigt mit der Frequenz, jedoch sinkt dadurch die Eindringtiefe.

Darstellungsmöglichkeiten

Die einfachste Form ist die eindimensionale A-Mode-Darstellung. Das A steht für amplitudenmoduliert und bedeutet, dass die registrierten Echos als vertikale Auslenkung wie in einem Oszilloskop dargestellt werden. Dabei entspricht die Höhe der Amplitude der Intensität des Echos und die Breite der Kurve der Tiefe des Ortes der Entstehung des Echos. Das Verfahren wird nur noch in wenigen Fachrichtungen eingesetzt und wurde zumeist durch die zweidimensionale B-Bild-Sonographie abgelöst.

Bei der eindimensionalen B-Mode-Darstellung wird die Intensität des registrierten Echos nicht durch den Amplitudenausschlag, sondern die Helligkeit repräsentiert. Dabei steht B für brightness. Diese Darstellung wird praktisch nicht mehr verwendet.

In der zweidimensionalen B-Mode-Darstellung entsteht ein zweidimensionales Bild durch Aneinanderreihung vieler eindimensionaler B-Bild-Zeilen. Erfolgt diese schnell genug, entsteht ein ein nahezu flüssiges Bild, das eine Darstellung in Echtzeit zeigt. Ab einer Bildwiederholrate von 25 Bildern pro Sekunde wirkt eine Darstellung für das menschliche Auge ununterbrochen. Das Verfahren stellt die häufigste Anwendung der Sonographie dar.

Die Doppler-Sonographie ist ein Verfahren, mit dem die Messung von Strömen in Gefäßen möglich ist. Dem liegt die Anwendung des Dopplereffektes zugrunde, sodass die Frequenzänderung, die ein an einer Grenzfläche reflektierter Schallstrahl erfährt, beschrieben werden kann. Die Erythrozyten des Blutes dienen dabei als bewegte Grenzfläche. Unterschieden wird zwischen cw-Doppler und pw-Doppler. Dabei steht cw für continuous wave und pw für pulsed wave. In einem cw-Doppler-Gerät sind Sende- und Empfangskristall getrennt. Die Darstellung erfolgt als Kurve.
Bei einem pw-Doppler werden kurze Ultraschallimpulse ausgesandt, worauf jeweils eine Empfangspause erfolgt.

Bei der farbkodierten Duplexsonographie (kurz "Farbduplex" bzw. FKDS) werden zweidimensionale B-Bild-Sonographie und pw-Doppler miteinander kombiniert. Die Blutströmung wird mit Hilfe einer am Gerät definierten Farbkodierung dargestellt.

Der M-Mode ist eine Form der Darstellung, bei welcher der Schallkopf an einer fixen Position verharrt und ein zweidimensionales B-Bild erzeugt, das sich von links nach rechts bewegt. Bewegende Objekte werden als Wellenlinien dargestellt. Das Verfahren wird überwiegend in der Echokardiographie als Teil des Untersuchungsablaufes angewandt.

Schallköpfe

Es gibt verschiedene Arten von Schallköpfen für unterschiedliche Anwendungen. Diese unterscheiden sich in Form und Frequenz. Im Folgenden sind Schalköpfe für die B-Bild-Sonographie beschrieben.
Der am häufigsten genutzte ist der Curved Array-Kopf. Dieser ist - wie die Bezeichnung nahelegt - gebogen und erlaubt so ein größeres Schallfenster, da die Schallwellen gefächert ausgesandt werden. In der Regel arbeiten diese Schallköpfe mit einer Frequenz von etwa 2 bis 6 Mhz. Die Eindringtiefe ist dadurch hoch, die Auflösung mäßig. Sie sind hervorragend für die Untersuchung des Abdomens geeignet.

Linearschallköpfe haben eine gerade Oberfläche. Sie werden zumeist mit höheren Frequenzen, um 5 bis 13 Mhz, betrieben und besitzen eine geringere Eindringtiefe, aber eine höhere Auflösung. Sie eignen sich zur Untersuchung aller oberflächlichen Strukturen sowie nahezu der gesamten Halsregion.

Sektorschallköpfe besitzen unterschiedliche Frequenzen, je nach Hersteller. Ihre Besonderheit ist das sehr kleine Schallfenster, sodass beispielsweise durch die Rippen hindurch geschallt werden kann, was mit anderen Schallköpfen nicht möglich ist. Dadurch eignen sie sich unter anderem für die Sonographie des Herzens (Echokardiographie), aber auch der intrakraniellen Gefäße (Zugang durch sehr schmale Schallfenster).

Neben diesen drei grundlegenden Bauformen gibt es zahlreiche Modifikationen und weitere Formen, beispielsweise speziell für den transvaginalen, den transrektalen oder den transösophagealen Ultraschall.

Wie andere Verfahren auch, kann die sonographische Diagnostik um die Verwendung von Kontrastmittel erweitert werden und wird als CEUS bezeichnet (contrast enhanced ultrasound). Dabei kommen solche Kontrastmittel zur Anwendung, die intravenös appliziert werden und aus gasgefüllten Mikrobläschen bestehen. Diese können lungengängig sein oder nicht lungengängig. Lungengängige werden abgeatmet und dadurch aus dem Blutkreislauf entfernt.
Anwendung findet CEUS vor allem in der Beurteilung der Leber, der Nierendurchblutung sowie in der Kardiologie. Auch in der Gynäkologie und Pädiatrie wird sie verwendet.

Beteiligte Strukturen

Mit Hilfe der Sonographie können nahezu alle anatomischen Strukturen dargestellt werden. Ausnahme: Knochen, Hohlorgane und wassergefüllte Strukturen. Allerdings werden die dabei entstehenden Artefakte dennoch ausgenutzt, um diese Strukturen indirekt zu beurteilen, z.B. in Form von sonographischen Entzündungszeichen im umliegenden Weichgewebe.

In der B-Bild-Sonographie werden Strukturen, die besonders stark reflektieren, als echoreich oder hyperechogen bezeichnet. Diese finden sich vor allem an den Grenzflächen von Knochen und Weichgewebe oder luftgefüllten Organen. Sie stellen sich in der B-Bild-Sonographie hell dar. Das Gegenteil davon ist echoarm bzw. hypoechogen. Vor allem Weichgewebe stellen sich echoarm dar.

Also isoechogen werden, beim Vergleich von Geweben, solche bezeichnet, deren Echoverhalten gleich ist. Anisogen werden Bereiche oder Strukturen genannt, die nicht darstellbar sind und im Bild schwarz erscheinen.

Artefakte

In der Sonographie gibt es eine Reihe von Artefakten, die während der Untersuchung auftreten können. Im Gegensatz zu Artefakten in der CT oder MRT stören diese aber häufig nicht, sondern werden bewusst diagnostisch genutzt.
Zu den wichtigsten dieser Darstellungsfehler gehört die dorsale Schallauslöschung und die dorsale "Schallverstärkung": Bei der Untersuchung von Strukturen mit hohem Impedanzunterschied kommen solche Bildfehler zustande.
Liegt im Bild der Fokus auf einer Struktur, die gut schallgängig ist, z.B. einer Zyste, erfolgt eine "dorsale Schallverstärkung". Dabei handelt es sich physikalisch gesehen allerdings nicht um eine Verstärkung der Schallwellen, sondern eine verminderte Abschwächung. Sie kommt dadurch zustande, dass die Schallwellen beim Durchqueren der Struktur nur in sehr geringem Maße abgeschwächt wurden, sodass sie mehr Energie besitzen als im umliegenden Gewebe.

Werden Objekte oder Strukturen untersucht, die den Schall sehr stark reflektieren (z.B. Gallensteine), verliert er an Energie. Im davon dorsal liegenden Bereich ist die Darstellung abgeschwächt, es zeigt sich eine dorsale Schallauslöschung.