Der Ultraschallkopf und piezoelektrische Kristalle
Der Ultraschallkopf (auch Ultraschallsonde oder engl. transducer) erzeugt Ultraschallwellen. Der Schallkopf wird mit einer Hand gehalten und seine Position und sein Winkel werden so eingestellt, dass Ultraschallwellen durch zu visualisierende Strukturen gesendet werden.
Ultraschallwellen werden schnell vom Ultraschallkopf abgegeben. Diese Schallwellen durchdringen Gewebe und Flüssigkeiten. Einige der Schallwellen werden zurück zum Schallkopf reflektiert. Durch die Analyse der reflektierten Schallwellen erzeugt das Ultraschallgerät ein Bild des Gewebes. Das Prinzip der Ultraschallbildgebung ist also einfach: Schallwellen werden in das Gewebe gesendet und die reflektierten Wellen werden verwendet, um ein Bild des Gewebes zu erzeugen (Abbildung 1).
Piezoelektrische Kristalle
Die Ultraschallwellen werden von Keramikkristallen erzeugt, die piezoelektrische Eigenschaften aufweisen (sog. piezoelektrische Kristalle). Tausende von solchen piezoelektrischen Kristallen sind an der Vorderseite des Schallkopfes angebracht (Abbildung 2). Die Kristalle sind über Elektroden mit dem Ultraschallgerät verbunden.
Piezoelektrische Kristalle haben einzigartige elektromechanische Eigenschaften. Wenn ein elektrischer Strom an einen piezoelektrischen Kristall angelegt wird, beginnt er zu vibrieren und diese Schwingungen erzeugen Schallwellen mit Frequenzen zwischen 1,5 und 8 MHz (d.h. Ultraschall). So können piezoelektrische Kristalle elektrische Ströme in Ultraschallwellen umwandeln. Die Kristalle können auch das Gegenteil bewirken: Wenn die Kristalle von reflektierten Ultraschallwellen getroffen werden, beginnen sie zu vibrieren und diese mechanischen Schwingungen werden wiederum in elektrischen Strom umgewandelt. Dieser wird dann an das Ultraschallgerät zurückgesendet, wo das elektrische Signal interpretiert und in ein Bild übersetzt wird (Abbildung 3).
Wie aus Abbildung 2 ersichtlich ist, besteht der Ultraschallkopf aus mehreren Komponenten. Der Schallkopf enthält eine Schalldämmung, die sicherstellt, dass keine anderen Schallwellen den Schallkopf beeinflussen. Die Kristalle befinden sich auf einer Trägerschicht, die die Schwingungen der Kristalle unterdrückt. Dadurch können Schallwellen in kürzeren Impulsen ausgesendet können, was die Auflösung verbessert (siehe unten). Vor den Kristallen befindet sich eine Anpassungsschicht, die den Unterschied in der Impedanz zwischen den Kristallen und dem zu untersuchenden Gewebe verringert. Ohne diese Schicht gäbe es einen großen Impedanzunterschied, wodurch zu viele der Schallwellen reflektiert werden würden (wodurch dann weniger Schallwellen in das Gewebe eindringen würden). An der Vorderseite des Schallkopfes befindet sich eine akustische Linse. Diese fühlt sich wie Hartgummi an und fokussiert die Ultraschallwellen, was zu einer geringeren Streuung der Wellen führt und somit die Auflösung des Bildes erhöht.
Vom Ultraschallkopf werden Ultraschallwellen in Impulsen gesendet. Jeder Impuls besteht aus einigen Schallwellen, die innerhalb von 1 bis 2 Millisekunden emittiert werden. Diese Schallwellen wandern durch Haut, Brust, Perikard, Myokard usw. Beim Übergang von einem Medium ins andere (Gewebe, Blut usw.) wird ein erheblicher Teil der Schallwellen zum Schallkopf zurückreflektiert. Wenn der reflektierte Schall auf die piezoelektrischen Kristalle trifft, beginnen diese zu vibrieren und erzeugen elektrische Ströme. Diese werden dann zur Analyse an das Ultraschallgerät weitergeleitet.
Die reflektierten Schallwellen haben die gleiche Geschwindigkeit wie die emittierten Schallwellen, aber die Amplitude, die Frequenz und der Einfallswinkel können sich von den emittierten Schallwellen unterscheiden. Das Ultraschallgerät nutzt Variationen in der Amplitude, Frequenz und dem Timing der reflektierten Schallwellen, um ein Bild des Mediums (also des Gewebes) zu erzeugen.