Back to Kurse

Klinische Echokardiographie

0% Complete
0/0 Steps
  1. Einführung in Ultraschall und Echokardiographie
    12 Themen
  2. Hämodynamische Prinzipien und Berechnungen
    5 Themen
  3. Die echokardiographische Untersuchung
    3 Themen
  4. Linksventrikuläre Funktion
    11 Themen
  5. Linksventrikuläre diastolische Funktion
    3 Themen
  6. Kardiomyopathien
    7 Themen
  7. Herzklappenerkrankungen
    8 Themen
  8. Verschiedene Krankheiten und Zustände
    5 Themen
  9. Perikarderkrankung
    2 Themen
Lektion Progress
0% Complete

Erzeugung des Ultraschallbildes

Der Ultraschallkopf erzeugt kurze Schallstöße (Impulse) von Ultraschallwellen. Reflektierte Ultraschallwellen werden von dem Ultraschallgerät während den kurzen Pausen zwischen den Impulsen analysiert. Das Gerät empfängt und analysiert die reflektierten Schallwellen also unmittelbar nach dem Aussenden der Schallwellen (Abbildung 1).

Abbildung 1. Das Ultraschallgerät sendet Ultraschallimpulse und empfängt die reflektierten Ultraschallwellen zwischen den Impulsen.
Abbildung 1. Das Ultraschallgerät sendet Ultraschallimpulse und empfängt die reflektierten Ultraschallwellen zwischen den Impulsen.

Um ein zuverlässiges Echtzeitbild des Gewebes zu erstellen, muss das Ultraschallgerät die folgenden technischen Hindernisse überwinden:

  1. Das Ultraschallgerät muss wissen, welche Schallwellen reflektiert werden und von wo sie reflektiert werden. Da die Schallwellen in Impulsen gesendet werden und die Geschwindigkeit im Gewebe konstant ist (1540 m/s), kann das Gerät berechnen, wo die Schallwellen reflektiert wurden (d.h. das Gerät kann den Reflexionspunkt berechnen). Dazu wird die Zeit gemessen, die benötigt wird, bis der Schall zum Schallkopf zurückkehrt. Damit kann dann die Entfernung zu der Struktur berechnet werden, die die Welle reflektiert hat. Strukturen, die sich in der Nähe des Schallkopfes befinden, reflektieren die Schallwellen frühzeitig und somit ist das Zeitintervall kurz. Strukturen, die sich hingegen weit vom Schallkopf entfernt befinden, werden die Schallwellen später reflektieren und es wird länger dauern, bis der Schallkopf wieder erreicht wird.
  2. Ultraschallwellen, die von derselben Struktur reflektiert werden, können die verschiedenen Kristalle zu verschiedenen Zeitpunkten erreichen. Um dies zu lösen, gibt es eine eingebaute Funktion, die als dynamische Fokussierung (engl. dynamic focusing) bezeichnet wird und berechnet, welche Ultraschallwellen vom selben Reflexionspunkt ausgehen.
  3. Reflektierte Ultraschallwellen haben veränderte Eigenschaften (z.B. eine veränderte Amplitude). Dies wird ausgenutzt, um den reflektierten Schallwellen, basierend auf ihrer Amplitude, unterschiedliche Nuancen im Ultraschallbild zu geben. Die Gewebe im Ultraschallbild werden mit unterschiedlichen Farbtönen einer Farbe (normalerweise grau) gezeichnet. Dies ist möglich, da die Schwingungen in den piezoelektrischen Kristallen und damit die elektrischen Ströme, die sie an das Schallgerät zurücksenden, mit der Amplitude des reflektierten Schalls variieren. Je stärker die Reflexionen sind, desto höher ist die Amplitude und desto weißer ist die Farbe des Gewebes im Ultraschallbild.
  4. Bewegte Strukturen (Myokard, Blutfluss) verändern die Eigenschaften von Ultraschallwellen (z.B. die Frequenz). Dies wird ausgenutzt, um die Richtung und Geschwindigkeit von Gewebe- und Flüssigkeitsbewegungen zu berechnen.

Alle Strukturen in einem Medium können Ultraschallwellen reflektieren. Die größten Reflexionen finden jedoch an den Übergängen zwischen zwei Medien statt. Daher werden beim Übergang von Blut zu Myokard viele Schallwellen reflektiert, was zu einer klar dargestellten Grenzzone zwischen Blut und Myokard auf dem Echokardiogramm führt. Ultraschallwellen werden auch reflektiert, wenn die Wellen durch das Myokard wandern, jedoch in geringerem Maße. Daher erscheint das Myokard nicht so deutlich auf dem Ultraschallbild (Abbildung 2).

Ultraschallwellen werden hauptsächlich an der Grenzfläche zwischen Medien (Gewebe, Flüssigkeiten usw.) unterschiedlicher Dichte reflektiert. Je größer der Unterschied in der Dichte ist, desto mehr Ultraschallwellen werden reflektiert. Dies erklärt, warum Geweberänder als hellere Strukturen auf dem Ultraschallbild erscheinen.

Abbildung 2. Visualisierung von reflektierten Ultraschallwellen: Beim Übergang von einem Gewebe zum anderen werden die meisten Schallwellen reflektiert. Dies verleiht dem Ultraschallbild eine hellere Farbe der Gewebsgrenzen. Das schematische Ultraschallbild zeigt hellere Farben, wenn es von Perikard zu Epikard geht und wenn es vom Endokard zur Ventrikelhöhle geht.
Abbildung 2. Visualisierung von reflektierten Ultraschallwellen: Beim Übergang von einem Gewebe zum anderen werden die meisten Schallwellen reflektiert. Dies verleiht dem Ultraschallbild eine hellere Farbe der Gewebsgrenzen. Das schematische Ultraschallbild zeigt hellere Farben, wenn es von Perikard zu Epikard geht und wenn es vom Endokard zur Ventrikelhöhle geht.

Ausrichtung und Fokussierung von Ultraschallwellen

Die Richtung und der Fokus der Ultraschallwellen können durch Variieren der Aktivierungsreihenfolge der piezoelektrischen Kristalle eingestellt werden (Abbildung 3). Durch gleichzeitiges Aktivieren aller Kristalle bewegt sich die resultierende Schallwelle in eine gerade Richtung (Abbildung 3A). Wenn die Aktivierung auf einer Seite beginnt, zum Beispiel von rechts nach links, wird die Wellenfront nach links gerichtet (Abbildung 3B). Wenn die Aktivierung an den beiden Enden beginnt und sich in Richtung Zentrum bewegt, wird der Ultraschallstrahl wie in Abbildung 3C dargestellt fokussiert.

Figure 3A, 3B, 3C. Das Ultraschallgerät kann die Reihenfolge der Aktivierung der piezoelektrischen Kristalle variieren, wodurch die Richtung der Wellenfront und der Fokus des Ultraschallstrahls angepasst werden.
Figure 3A, 3B, 3C. Das Ultraschallgerät kann die Reihenfolge der Aktivierung der piezoelektrischen Kristalle variieren, wodurch die Richtung der Wellenfront und der Fokus des Ultraschallstrahls angepasst werden.

Moderne Ultraschallgeräte enthalten hochentwickelte Software, die die Aktivierung von Tausenden von piezoelektrischen Kristallen umsetzt. Mit ausgefeilter Software und Hardware ist es somit möglich, hochauflösende zweidimensionale (2D) und dreidimensionale (3D) Echokardiogramme zu erhalten.

Reflexion von Ultraschallwellen

Wie bereits erwähnt werden Ultraschallwellen hauptsächlich an der Grenzfläche zwischen Medien (Gewebe, Flüssigkeiten usw.) unterschiedlicher Dichte reflektiert. Je größer der Unterschied in der Dichte ist, desto mehr Ultraschallwellen werden reflektiert. Zum Beispiel ist der Unterschied in der Dichte zwischen Haut und Knochen sehr groß, was erklärt, warum die meisten Ultraschallwellen reflektiert werden, wenn sie auf Knochen treffen. Strukturen, die sich hinter dem Knochen befinden, können daher nicht mit Ultraschall visualisiert werden (da nur sehr wenige Schallwellen durch den Knochen gehen). In ähnlicher Weise erklärt der Unterschied in der Dichte zwischen den luftgefüllten Lungen und dem Perikard, warum ein Großteil des Ultraschalls auf der Perikardoberfläche reflektiert wird (die daher auf dem Echokardiogramm hell erscheint).

Je größer der Anteil der reflektierten Schallwellen ist, desto weniger Schallwellen bleiben übrig, um den Rest des Gewebes (also tiefere Strukturen) zu untersuchen. Luftgefüllte Räume (d.h. Lunge) und harte Oberflächen (d.h. Knochen) stellen insofern besondere Herausforderungen dar. Es ist daher wichtig, den Schallkopf so zu platzieren und die Schallwellen so auszurichten, dass der Kontakt mit Knochen und der Durchgang durch das Lungengewebe minimiert werden.

Wenn Ultraschallwellen durch Weichteile oder mit Flüssigkeit gefüllte Räume (z.B. Ventrikelhöhle, Vorhöfe, größere Gefäße) wandern, wird ein relativ geringer Anteil der Schallwellen reflektiert. Dies liegt an dem geringen Unterschied in der Dichte innerhalb des Gewebes oder der Flüssigkeit.

Damit eine Ultraschallwelle in einem unveränderten Winkel (im Vergleich zum Einfallswinkel) reflektiert wird, muss das die Ultraschallwelle reflektierende Objekt (d.h. der Reflektor), eine glatte Oberfläche haben, welche senkrecht zur Richtung der Schallwellen steht. Menschliche Gewebe bestehen aus mehr oder weniger unregelmäßigen Strukturen, was dazu führt, dass Schallwellen immer in einem leicht veränderten Winkel reflektiert werden. Diese Änderung des Winkels ist jedoch im Allgemeinen klein und die meisten der reflektierten Schallwellen treffen auf den Schallkopf. Diese Art der Reflexion wird als Spiegelreflexion bezeichnet. Ultraschallwellen, die nicht an der Schnittstelle zwischen zwei Medien reflektiert werden, setzten ihren Weg durch das zweite Medium mit leicht verändertem Winkel fort. Dieses Phänomen wird Schallbrechung (auch Refraktion) genannt.

Obwohl die meisten der reflektierten Schallwellen am Übergang zwischen zwei Medien (Geweben/Flüssigkeiten) gespiegelt werden, werden einige Wellen auch während der Passage durch homogenes Gewebe wie dem Myokard reflektiert. Andernfalls wäre das Myokard auf dem Echokardiogramm nicht sichtbar. Reflexionen innerhalb der Gewebe sind jedoch gestreuter. Je unregelmäßiger die Struktur des Gewebes ist, desto gestreuter sind die Reflexionen.

Erythrozyten sind besonders gut darin, die Ultraschallwellen in alle Richtungen zu verbreiten. Somit kehrt nur eine Minderheit der Reflexionen zum Ultraschallkopf zurück.

Ultraschallwellen werden gedämpft (geschwächt), während sie sich durch den menschlichen Körper bewegen. Die Abschwächung beruht auf der Reflexion von Schallwellen und der Umwandlung von mechanischer Energie in Wärme (die vom Gewebe absorbiert wird).

Figure 4. Reflexion und Brechung von Ultraschallwellen.
Figure 4. Reflexion und Brechung von Ultraschallwellen.

Auflösung und Eindringtiefe von Ultraschallwellen

Die Beschaffung hochauflösender Ultraschallbilder ist für eine präzise klinische Diagnostik unerlässlich. Die Bildauflösung kann als die Fähigkeit definiert werden, zwei benachbarte Objekte unterscheiden zu können. Um kleine, insbesondere bewegte Strukturen zu untersuchen, erfordert es hochauflösende Bilder. Je niedriger die Bildauflösung ist, desto schwieriger ist es, kleine und benachbarte Objekte zu unterscheiden.

Die Bildauflösung hängt hauptsächlich von der Wellenlänge der Ultraschallwellen ab. Wie bereits besprochen (siehe Physik des Ultraschalls) ist die Wellenlänge nach folgender Formel umgekehrt proportional zur Wellenfrequenz:

λ = c / f

Dies bedeutet, dass hochfrequente Wellen kurze Wellenlängen haben und umgekehrt. Je kürzer die Wellenlänge ist, desto kleinere Strukturen können die Schallwelle reflektieren und somit auf dem Ultraschallbild sichtbar werden. Je höher also die Frequenz, desto höher ist die Auflösung. Daher mag es sinnvoll erscheinen, die Frequenz bis zum Limit des Ultraschallgeräts zu erhöhen. Die Gewebedurchdringung der Ultraschallwellen nimmt jedoch mit zunehmender Frequenz ab. Dies bedeutet, dass hochfrequente Wellen eine geringere Eindringtiefe haben. Die Visualisierung tieferer Objekte erfordert daher Wellen mit niedrigerer Frequenz.

Ultraschallwellen mit niedriger Frequenz haben eine lange Wellenlänge, was eine niedrigere Auflösung, dafür aber eine höhere Eindringtiefe bedeutet. Die Bildqualität für distal gelegene Objekte kann somit durch Verwendung einer geringeren Frequenz verbessert werden. Die Erhöhung der Eindringtiefe überwiegt hier in der Regel den Verlust der Auflösung.

Die maximale Auflösung beträgt etwa die Hälfte der Wellenlänge, z.B. ergibt eine Frequenz von 2,5 MHz eine Auflösung von 0,3 mm. Objekte kleiner als 0,3 mm sind bei einer Wellenfrequenz von 2,5 MHz nicht unterscheidbar.

Axiale und laterale Auflösung

Die axiale Auflösung beschreibt die Fähigkeit, zwei parallel zur Ultraschallwelle gelegene Objekte unterscheiden zu können. Diese Auflösung ist entlang der Ultraschallwelle konstant. Die axiale Auflösung hängt grundsätzlich von der Frequenz der Schallwellen ab. Je höher die Frequenz, desto größer ist die axiale Auflösung.

Die laterale Auflösung beschreibt die Fähigkeit, zwei Objekte zu unterscheiden, die senkrecht zu den Ultraschallwellen stehen. Diese Auflösung nimmt mit der Entfernung zum Schallkopf ab, da die Ultraschallwellen mit zunehmender Entfernung divergieren.

Abbildung 5. Axiale und laterale Auflösung des Ultraschallbildes.
Abbildung 5. Axiale und laterale Auflösung des Ultraschallbildes.

Zeitliche Auflösung

Die zeitliche Auflösung (siehe auch Bildrate unten) ist die Fähigkeit, die Bewegung von Objekten im Zeitverlauf zu beschreiben. Die Ultraschallbildgebung im Allgemeinen und insbesondere die Echokardiographie erfordern eine kontinuierliche Analyse der reflektierten Ultraschallwellen, um einen 2D- oder 3D-Film zu erzeugen. Der Film wird basierend auf einzelnen Ultraschallbildern erstellt, die nacheinander erscheinen. Um einen Film mit hoher zeitlicher Auflösung zu erzeugen, ist es wichtig, einzelne Bilder schnell zu produzieren. Die Zeit, die benötigt wird, um ein Bild zu erstellen, bestimmt die zeitliche Auflösung. Je mehr Bilder pro Zeiteinheit produziert und präsentiert werden können, desto höher ist die zeitliche Auflösung.

Fundamental imaging und harmonic imaging

Fundamental imaging und harmonic imaging

Der Ultraschallkopf erzeugt Schallwellen mit einer bestimmten Frequenz. Diese Frequenz wird als Eigenfrequenz oder Fundamentalfrequenz bezeichnet. Wenn die Schallwellen durch das Gewebe strömen, werden die Schallwellen deformiert, wodurch Oberschwingungen entstehen.

Schallwellen werden also deformiert, wenn sie durch Gewebe gehen. Wenn der Hochdruckanteil der Schallwelle (der höchste Punkt der Sinuskurve, siehe Physik des Ultraschalls) auf Gewebe mit höherer Dichte trifft, wird das Gewebe komprimiert und die Geschwindigkeit der Schallwelle wird erhöht. Wenn der Niederdruckteil der Schallwelle (der niedrigste Punkt der Sinuskurve) das Gewebe durchläuft, wird das Gegenteil der Fall sein: Das Gewebe dehnt sich aus, die Gewebedichte nimmt ab und die Geschwindigkeit der Schallwelle nimmt ebenfalls ab.

Daher wird die Schallwelle beim Durchgang durch Gewebe verzerrt. Diese Verzerrung führt zum Auftreten von Schallwellen, deren Frequenz ein Vielfaches der Eigenfrequenz beträgt. Diese Schallwellen werden als Oberschwingungen oder harmonische Schwingungen (kurz: Harmonische) bezeichnet. Auf diese Weise sendet der Ultraschallkopf Wellen mit einer Frequenz von 3 MHz aus und es entstehen Schallwellen mit einer Frequenz von 6 MHz (zweite Harmonische), 9 MHz (dritte Harmonische), 12 MHz (vierte Harmonische) usw. Diese Oberschwingungen werden auch an den Schallsender zurückreflektiert. Tatsächlich ist es möglich, ein Ultraschallbild nur mit reflektierten Oberschwingungen zu erzeugen. Dies führt zu Bildern mit verbesserter Auflösung. Moderne Ultraschallgeräte sind daher so programmiert, dass sie hauptsächlich reflektierte Oberschwingungen (meistens die erste Harmonische) analysieren.

Das Ultraschallbild wird erzeugt, indem man eine Harmonische empfängt und alle anderen Frequenzen (sowohl die Eigenfrequenz als auch alle anderen Harmonischen) herausfiltert. Diese bildgebende Methode wird als harmonic imaging bzw. tissue harmonic imaging (harmonische Bildgebung) bezeichnet.

Harmonic imaging ist der Standard in der Ultraschalldiagnostik und Echokardiographie. Diese Methode ermöglicht es, niederfrequente Schallwellen auszusenden (was ein tieferes Eindringen in das Gewebe ermöglicht), aber Schallwellen mit hoher Frequenz zu empfangen (was eine höhere Auflösung bedeutet). Die harmonische Bildgebung reduziert auch Artefakte im Ultraschallbild. Der Nachteil der harmonischen Bildgebung besteht darin, dass etwas Echotextur verloren geht. Dies ist kein signifikantes Problem, kann jedoch dazu führen, dass Herzklappen dicker erscheinen als sie wirklich sind.

Das Gegenteil von harmonic imaging ist fundamental imaging (auch konventionelle oder fundamentale Bildgebung). Hier empfängt das Ultraschallgerät Schallwellen mit der gleichen Frequenz, mit der sie ausgesendet wurden. Wenn der Schallkopf beispielsweise Schallwellen mit einer Frequenz von 3 MHz aussendet, emfängt er nur reflektierte Schallwellen mit 3 MHz. Dies ergibt eine niedrigere Auflösung und eine geringere Eindringtiefe. Es gibt jedoch Situationen, in denen fundamental imaging nützlich ist.


Deprecated: Die Funktion lesson_hasassignments ist seit Version 3.4.0 veraltet! Verwende stattdessen learndash_lesson_hasassignments. in /www/ecgonde_268/public/wp-includes/functions.php on line 5379
error: Contact us for permission to use contents. Permission will be granted for non-profit sites.

Weiterlesen mit EKGECHO.DE

Die Anzahl an frei nutzbaren EKGECHO-Kapiteln ist ausgeschöpft.