Ultraschalldiagnostik · The Last Codex

Die Ultraschalldiagnostik zeichnet aus Echos ein Bild vom Inneren des Körpers. Ein auf die Haut gedrückter Schallkopf sendet kurze Schallstöße weit oberhalb des Hörbereichs und lauscht auf die schwachen Echos, die von den Grenzen zwischen Organen und Geweben zurückkommen. Die Laufzeit eines Echos ergibt seine Tiefe, seine Stärke seine Helligkeit. 1948 begann George Ludwig am Naval Medical Research Institute der US-Marine, Gallensteine in tierischem Gewebe an ihren Ultraschallechos zu erkennen; zweidimensionale Bilder folgten 1952, und heute reicht die Anwendung von der Schwangerschaftsvorsorge bis zum Herzen.

Was es ist

Die Ultraschalldiagnostik, auch Sonografie genannt, zeigt Organe, Gefäße und ein heranwachsendes Kind im Mutterleib auf einem Bildschirm, während der Patient still und wach liegt. Ein Schallkopf in der Hand gleitet auf einem Gelfilm über die Haut, und das Bild ändert sich, während er sich bewegt. Ärzte untersuchen damit Bauch, Brust, Auge, Herz und Blutfluss, begleiten eine Schwangerschaft und führen bei einer Biopsie die Nadel.

Das Verfahren nutzt Schall statt Röntgenstrahlen. Da es keine ionisierende Strahlung durch den Körper schickt, ist es in der Schwangerschaft die übliche Wahl.

Wie es funktioniert

Schnitt durch die Spitze eines gewölbten Ultraschallkopfs, schräg von vorn gesehen: eine Reihe dünner Keramikplättchen hinter einer gummiartigen Linse, die auf einer Gelschicht auf der Haut aufliegt, mit gebogenen Wellenfronten, die sich ins Gewebe darunter ausbreiten Die Keramikelemente des Schallkopfs senden den Schall und hören auch seine Echos.

Der Schallkopf enthält eine Reihe kleiner Plättchen aus Piezokeramik. Ein kurzer elektrischer Impuls bringt jedes Plättchen zum Schwingen, und es sendet einen Schallstoß aus, weit oberhalb des Hörbereichs. Das Gel füllt den Spalt zwischen Schallkopf und Haut, damit der Schall in den Körper gelangt. Jedes Mal, wenn der Schall auf eine Grenze zwischen zwei Geweben trifft, wird ein Teil zurückgeworfen. Dieselben Plättchen nehmen diese Echos auf und wandeln sie wieder in elektrische Signale um.

Schall läuft durch Weichgewebe mit etwa 1540 m/s. Das Gerät misst die Laufzeit jedes Echos: Ein Echo, das doppelt so spät zurückkommt, stammt aus doppelter Tiefe. Seine Stärke bestimmt die Helligkeit eines Punktes auf dem Bildschirm, stärkere Echos erscheinen heller. Indem das Gerät Zeile um Zeile entlang der Plättchenreihe abfeuert, baut es einen Schnitt durch den Körper auf, den grauen Fächer des B-Bilds. Viele Male pro Sekunde wiederholt, ergeben die Schnitte ein bewegtes Bild eines schlagenden Herzens oder eines strampelnden Kindes. Ein Doppler-Modus misst die kleine Tonhöhenänderung der Echos von fließendem Blut und zeigt so den Blutfluss. Höhere Frequenzen ergeben einen schmaleren Strahl und feinere Details, dringen aber weniger tief ein, weil das Gewebe sie stärker absorbiert.

So geht’s

Ein kleiner Entfernungsmesser mit zwei silbernen Zylindern, aufrecht auf einer in Grad eingeteilten Pappscheibe montiert und mit einer Mikrocontroller-Platine verbunden, davor drei Schachteln auf dem Tisch und daneben ein Blatt Polarkoordinatenpapier mit drei Bögen eingetragener Punkte Schritt für Schritt gedreht, zeichnet ein Ultraschall-Entfernungsmesser den Umriss der Gegenstände vor ihm.

Ein billiger Ultraschall-Entfernungsmesser zeigt das Echoprinzip in Luft. Das Modul HC-SR04 zum Beispiel läuft an der 5-Volt-Versorgung einer Mikrocontroller-Platine wie eines Arduino Uno, der über USB gespeist wird.

Den Pin VCC des Moduls mit 5 V verbinden, GND mit Masse, Trig mit einem digitalen Pin und Echo mit einem anderen. Im Programm einen kurzen Impuls der im Datenblatt angegebenen Länge an Trig senden: Das Modul sendet dann einen Ultraschallstoß aus und hält Echo auf High, bis das Echo zurückkommt. Diese Zeit messen, halbieren, weil der Schall hin und zurück lief, und mit der Schallgeschwindigkeit in Luft multiplizieren, um die Entfernung zu erhalten. Zwischen zwei Messungen eine Pause lassen, damit das letzte Echo abgeklungen ist.

Das Modul aufrecht auf eine Pappscheibe kleben, die alle 10 Grad markiert ist, und ein paar Schachteln innerhalb des im Datenblatt angegebenen Messbereichs davor auf den Tisch stellen. Die Scheibe Schritt für Schritt von 0 bis 180 Grad drehen, bei jedem Winkel die Entfernung notieren und die Punkte auf Polarkoordinatenpapier eintragen. Die Punkte zeichnen die Vorderseiten der Schachteln nach. Der Strahl weitet sich hinter dem Modul auf, deshalb werden Kanten unscharf.

Geschichte und Entwicklung

Ein Versuch der 1940er-Jahre, schräg von vorn gezeichnet: ein sitzender Patient, der den oberen Teil des Kopfes in ein Wasserbad senkt, zwei zylindrische Schallgeber, die sich unter Wasser zu beiden Seiten des Kopfes gegenüberstehen, und Kabel zu einem Schrank mit Röhrenelektronik Karl und Friedrich Dussik schickten Schall von einem Schallgeber zum anderen durch den Kopf, Kopf und Schallgeber unter Wasser.

Pierre Curie beschrieb 1880 den piezoelektrischen Effekt. 1915 baute Paul Langevin ein Ultraschall-Hydrofon, um U-Boote aufzuspüren, und 1928 schlug Sergei Sokolow vor, mit Ultraschall Fehler in Metall zu finden. Im Januar 1940 regten H. Gohr und Th. Wedekind aus Köln in der Klinischen Wochenschrift an, Tumoren, Ergüsse oder Abszesse wie bei der Werkstoffprüfung über Echos zu erkennen, konnten aber keine überzeugenden Ergebnisse veröffentlichen. Karl Dussik, Neurologe in Wien, begann um 1937, Ultraschall für die Diagnose zu untersuchen. Sein Aufsatz von 1942 über hochfrequente mechanische Schwingungen als diagnostisches Hilfsmittel behandelte die Unterscheidung von Geweben durch hindurchgeschickten Schall und berichtete über erste Versuche. Mit seinem Bruder Friedrich baute er ein Gerät, das einen Schallstrahl von einem Schallgeber zum anderen durch den Kopf schickte, wobei der obere Teil des Kopfes und beide Schallgeber in einem Wasserbad lagen, und das Ergebnis als Lichtflecke auf wärmeempfindlichem Papier festhielt. 1947 erhielten sie, was sie für Bilder der Hirnventrikel hielten, doch 1952 zeigten W. Güttner und Kollegen bei Siemens, dass diese Muster Artefakte waren.

Echos lieferten verlässlichere Ergebnisse. 1948 begann George Ludwig, ein junger Marineoffizier am Naval Medical Research Institute in Bethesda, Maryland, Versuche an tierischem Gewebe mit einem Schallkopf, der für die Fehlersuche in Metall gebaut war, und wies Gallensteine an ihren Echos nach. Im Juni 1949 berichtete er über die Arbeit; später arbeitete er mit dem Bioakustiklabor des MIT zusammen. 1952 veröffentlichten John Wild und sein Ingenieur John Reid zweidimensionale Echobilder, und Douglass Howry in Denver veröffentlichte eigene, für die der untersuchte Körperteil in entgastes Wasser getaucht wurde. In Glasgow ersetzten Ian Donald, John MacVicar und Tom Brown den Wassertank durch einen Schallkopf, der auf der Haut aufliegt; ihr Aufsatz im Lancet von 1958 markiert den Beginn des Ultraschalls in der Geburtshilfe, und ihre Arbeit führte zum Gerät Diasonograph.

Das Vidoson, von Richard Soldner bei Siemens Mitte der 1960er-Jahre entwickelt, zeigte bewegte Bilder in Echtzeit. George Kossoffs Scan-Konverter brachte Ende der 1960er-Jahre die Graustufen, das zweite ADR-Gerät mit Linear-Array, das Modell 2130, folgte 1975 und Sam Maslaks Acuson 128 im Jahr 1983.