Die Ultraschalldiagnostik (Sonographie) ist das am weitesten verbreitete bildgebende Untersuchungs-verfahren in der Medizin. Seit ihrer Einführung hat sich die Sonographie in fast allen medizinischen Fachbereichen durchgesetzt. Haupteinsatzgebiete sind u.a. die Gynäkologie einschließlich der Schwangerenvorsorge, die Gastroenterologie und die Kardiologie. Aber auch in der Pädiatrie, Orthopädie, Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde sowie in der Angiologie und Gefäßchirurgie ist sie zu einem unentbehrlichen diagnostischen Instrument geworden.

Vorteile

Vorteile gegenüber anderen diagnostischen Methoden sind insbesondere die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten, die Wirtschaftlichkeit sowie die geringe Belastung für den Patienten. Für den Arzt ist die Ultraschall-Diagnostik somit hervorragend geeignet, über die körperliche Untersuchung hinaus "in den Patienten" hineinzuschauen. Zunehmend werden radiologische Untersuchungsverfahren durch sonographische ersetzt, da hier, im Gegensatz zu den Verfahren mit ionisierender Strahlung, unterhalb bestimmter Expositionsschwellenwerte biologische Schädigungen ausgeschlossen werden können.

Verfahren

Neben dem üblicherweise verwendeten zweidimensionalen Schnittbildverfahren, dem sog. B-Mode-Verfahren (B = brightness = Helligkeit), gibt es spezielle Verfahren zur Erfassung der Blutflussgeschwindigkeit in Gefäßen, die sog. Doppler-Verfahren. Das B-Bild ermöglicht einen Blick auf die anatomischen Verhältnisse sowie ggf. auf pathologische Veränderungen in den Organen und Geweben. Demgegenüber ermöglicht die Doppler-Sonographie auch Aussagen über die Funktion, insbesondere in Hinblick auf den Blutfluss in großen und kleinen Gefäßen. Die Farbdoppler-Technik gibt diese Informationen farbkodiert wieder. Mit der Duplex-Sonographie, bei der gleichzeitig die Information eines B-Bildes und einer Doppler-Messung gewonnen wird, können anatomische und funktionelle Informationen auf einem Schnittbild dargestellt werden.

Mögliche Nebenwirkungen

Für die Abschätzung des Gefahrenpotentials sind die Schallfeldparameter Schalldruck bzw. mittlere Schallintensität von großer Bedeutung. Überschreiten diese Parameter Grenzwerte, können Organe bzw. Gewebe mechanisch durch die Kavitation oder thermisch durch eine Temperaturerhöhung aufgrund von Schallabsorption geschädigt werden. 
In der Literatur bestehen allerdings große Spannbreiten bei der Festlegung dieser Grenzwerte. Als weiterhin mögliche schädliche Wirkungen werden diskutiert: die Auslösung von Mutationen oder angeborene Fehlbildungen. 

Kavitation

Schallwellen sind an Materie gebundene Wellen, die sich in eine Richtung ausbreiten. Betrachtet man einen Punkt eines beschallten Volumens, so wechseln dort in zeitlicher Folge Druckmaxima und -minima einander ab. In diesem Wechselfeld können sich im Gewebe Hohlräume bilden, die zu Schwingungen angeregt werden. Diesen Vorgang nennt man Kavitation. Sie tritt erst ab einem bestimmten Unterdruck auf, und gilt deshalb als Schwellenphänomen. 
Bei Überschreitung des Schwellenwerts können große Scher- und Torsionskräfte auftreten, die biologische Membranen belasten oder zerstören können. 

Extremfall 

Im Extremfall kann es zu einer explosionsartigen Vergrößerung der Hohlräume mit anschließendem Kollaps kommen. Dabei können räumlich eng begrenzt hohe Drücke und Temperaturen auftreten. Durch solche Ereignisse können im beschallten Gewebe Nekrosen und Gewebeeinblutungen hervorgerufen werden. Wichtig für die klinische Anwendung ist dabei, dass die Kavitationsschwelle reduziert ist, wenn in dem beschallten Gewebe bereits Luft oder Gas enthalten ist. Natürlicherweise ist dies in Organen wie der Lunge oder dem Darm der Fall. In diesem Zusammenhang sind aber insbesondere auch die in letzter Zeit zunehmend häufig eingesetzten Ultraschall-Kontrastmittel zu nennen, bei denen der kontrastverstärkende Effekt durch gasgefüllte "Bubbles" erzielt wird. Die Beurteilung der Patientensicherheit im Zusammenhang mit derartigen Kontrastmitteln ist noch nicht abschließend geklärt. 

Grenzwerte 

Die Strahlenschutzkommission gibt als Grenzwert für die absolute Schalldruckamplitude einen Wert von 5 MPa an, bei lufthaltigem Gewebe 1 MPa (Lunge) bzw. 2 MPa (Darm). Unterhalb dieser Grenzwerte können kavitationsbedingte Schädigungen in Organen und Geweben ausgeschlossen werden. 
Eine Gewebeschädigung durch Kavitation mit Geräten der medizinischen Ultraschalluntersuchung gilt als ausgeschlossen. Dies gilt auch - bei sachgemäßer Handhabung, d. h. optimierter Einstellung - für die Doppler- Sonographie (pulse wave Doppler), die den höchsten Druck aller sonographischer Verfahren erreicht. 

Anwendung 

Eine klinische Anwendung, bei der die Kavitation einen gewollten Effekt darstellt, ist die Zerstörung von Nierensteinen mit hochenergetischen Ultraschallimpulsen (Schockwellen). Dieses Verfahren arbeitet mit negativen Spitzendruckwerten über 10 MPa. Bei positiven Druckmaxima von 10 MPa wurden an der Niere keine Schäden gesetzt. 

Thermische Effekte

Die Absorption von Ultraschallenergie führt zu einer Erwärmung des beschallten Gewebes. Die Temperaturerhöhung ist umso höher, je höher die Schallintensität am Untersuchungsort, die Ultraschallfrequenz und der Absorptionskoeffizient des Gewebes ist. 
Thermische Schäden können bei Patienten ohne Fieber oberhalb einer lokalen
Temperaturerhöhung von 2°C über der normalen Körpertemperatur von 37°C nicht ausgeschlossen werden. Für das embryonale oder fetale Gewebe empfiehlt die SSK einen niedrigeren Wert. Beim Erwachsenen sind kurzfristige Überwärmungen oftmals harmlos. Beim Embryo dagegen können sie zu Fehlbildungen wie einem zu kleinem Gehirn, Herzfehlern oder Lippenkiefergaumenspalten führen. 

Verfahren der Ultraschall-Diagnostik 

Fast alle in der medizinischen Diagnostik eingesetzten Ultraschallverfahren basieren auf der Impuls-Echo-Technik. Es werden kurze Ultraschallimpulse in den Körper gesendet und die an internen Grenzflächen reflektierten bzw. gestreuten Signale ("Echos") empfangen. Aus der Laufzeit zwischen dem Beginn des Sendeimpulses und dem Eintreffen des Echos kann bei bekannter Schallgeschwindigkeit die Entfernung eines Organs bestimmt werden. 

Abhängig von der Fragestellung werden Ultraschallfrequenzen im Bereich von 2 - 50 MHz und verschiedene Scanverfahren (linear-scan, convex-scan, sector-scan) eingesetzt. Je höher die Frequenz, desto besser die Auflösung senkrecht zum Schallstrahl, aber auch desto geringer die Eindringtiefe ins Körpergewebe. Deshalb können tief liegende Organe nur mit niedriger Frequenz und niedrigerem Auflösungsvermögen dargestellt werden. 

Das Signal/Rausch Verhältnis des empfangenen Signals bestimmt den Bildkontrast. Es kann durch Erhöhung der akustischen Ausgangsleistung verbessert werden. Der eingestellte Wert der Ausgangsleistung sollte niedrig genug sein, um die Patientensicherheit zu gewährleisten, aber doch so hoch, dass der Anwender einen möglichst hohen Informationsgehalt für die Diagnostik erhält. 

B-Mode-Verfahren 

Ein wichtiger und häufiger Einsatzbereich dieses Verfahrens ist die Schwangerschaftsvorsorge. 
Das B-Mode-Verfahren liefert zweidimensionale Schnittbilder. Dazu muss der darzustellende Körperquerschnitt mit dem Ultraschallstrahl abgescannt werden. Die Temperaturerhöhung im Gewebe ist dabei minimal. Da eine Patientengefährdung durch Kavitation, wie oben erwähnt, ebenfalls nicht gegeben ist, sind B-Mode-Verfahren im Hinblick auf eine Patientenschädigung als sicher zu betrachten. 

M-Mode- oder Time-Motion-Verfahren

Das M-Mode-Verfahren findet besonders in der Kardiologie Anwendung. Dabei wird die Bewegung der Herzklappen und -wände qualitativ und quantitativ erfasst. Es stellt den Abstand der reflektierenden Strukturen vom Schallkopf im Zeitverlauf dar. M- und B-Mode-Verfahren sind bezüglich der im Gewebe absorbierten Schallenergie und damit bezüglich des Risikopotentials ähnlich zu bewerten. 

Qualitätsmanagement 

Wichtiges Element des Qualitätsmanagements der deutschlandweit mehr als 40.000 installierten Ultraschallgeräte in der medizinischen Diagnostik ist die Kontrolle der Leistungsmerkmale während der Lebensdauer eines Geräts, nicht nur, um eine Gefährdung der Patienten auszuschließen, sondern auch um die Zuverlässigkeit der Diagnose zu gewährleisten. 

Bei der Ausbildung der Ärzte ist es u. a. wichtig zu vermitteln, dass bei der Abschätzung des Gefährdungspotentials die Höhe des Schallpegels entscheidend ist und sie nicht durch eine kürzere Anwendungsdauer kompensiert werden kann. 

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Ultraschalluntersuchung: Schallwellen zur Krebsdiagnose 

Die Ultraschalldiagnostik gehört zu den bildgebenden Untersuchungsmethoden. Mithilfe von Schallwellen werden Bilder aus dem Körperinnern erzeugt. Der Arzt kann diese direkt auf einem angeschlossenen Monitor betrachten und so Veränderungen an den Organen feststellen, zum Beispiel auch Tumoren oder Metastasen. Für den Patienten entsteht keine Strahlenbelastung. 

Eine Ultraschalluntersuchung wird auch als Sonographie oder Echographie bezeichnet. Sie lässt sich fast überall schnell und günstig durchführen. Die Untersuchung kommt deshalb bei vielen Krebserkrankungen ergänzend zu anderen Methoden zum Einsatz. Zur Tumordiagnose reicht sie als alleinige Untersuchung jedoch meist nicht aus. 

Einführung: Was bieten die folgenden Texte? 

Die folgenden Texte geben einen Überblick darüber, wie Ultraschalluntersuchungen funktionieren und wann sie in der Krebsmedizin für diagnostische Zwecke angewendet werden. Diese Informationen richten sich an Patienten und Angehörige sowie Interessierte, die sich über diese Untersuchungsmethode informieren möchten. Sie sollen helfen, sich auf eine Ultraschall-untersuchung oder ein Gespräch mit einem Arzt vorzubereiten. Eine ärztliche Beratung lässt sich durch Informationen aus dem Internet jedoch nicht ersetzen. In einem weiteren Text informiert der Krebsinformationsdienst über Ultraschall als relativ neue Therapieform in der Krebsmedizin. 

Als Quellen hat der Krebsinformationsdienst aktuelle Leitlinien zur Tumordiagnostik und Tumornachsorge herangezogen, wie sie von Fachgesellschaften als Rahmen für das ärztliche Handeln herausgegeben werden (mehr unter www.leitlinien.net oder www.leitlinienprogramm-onkologie.de). Weiter genutzt wurden aktuelle Lehrbücher zur Krebsmedizin. 

Indikation: Wann macht man in der Krebsmedizin eine Ultraschallaufnahme?

Da Ultraschallgeräte schnell, kostengünstig und ohne größere Nebenwirkungen arbeiten, sind sie weit verbreitet. Ultraschalluntersuchungen können in jedem Krankenhaus und in sehr vielen Arztpraxen gemacht werden. In der Krebsmedizin werden sie zur Diagnose oder Nachsorge von Krebserkrankungen eingesetzt. Oft dient der Ultraschall einer ersten schnellen Orientierung, muss dann aber durch andere Untersuchungsmethoden ergänzt werden. Mit Ultraschall lassen sich viele Gewebe und Organe untersuchen. Dabei unterscheidet man 

• die perkutane Sonographie: alle Ultraschalluntersuchungen, die von außen durch die Haut des 
   Patienten gemacht werden (perkutan = durch die Haut), Beispiele: Untersuchung der Leber, der 
   Schilddrüse oder der weiblichen Brust, 
• von der Endosonographie: Der Schallkopf wird durch Körperöffnungen in den Körper 
   eingebracht, die Untersuchung erfolgt von innen (endo- = innen), Beispiele: 
   transvaginale Untersuchung der Gebärmutter und der Eierstöcke (durch die Scheide),
   transrektaler Ultraschall der Prostata (durch den Enddarm). 
Auch die Entnahme einer Gewebeprobe (Biopsie) überwachen Ärzte häufig durch eine gleichzeitige Ultraschalluntersuchung: Im Ultraschallbild werden die Punktionsnadel und die punktierte Gewebestruktur sichtbar. 

Perkutane Sonographie: Ultraschall durch die Haut 

Die Ultraschalldiagnostik durch die Haut ("perkutan") ist die einfachste und gebräuchlichste Umsetzung. Sie eignet sich vor allem für die Untersuchung der Organe des Bauchraums, zum Beispiel der Leber. Auch die leicht zugängliche Schilddrüse lässt sich mit einer Sonographie des Halses untersuchen. Die Mammasonographie kann eine Röntgenuntersuchung der Brust, die Mammographie, ergänzen, sie aber nicht ersetzen. Eine perkutane Ultraschalluntersuchung kommt außerdem immer dann infrage, wenn eine Veränderung oder Schwellung unter der Haut sichtbar oder tastbar ist - dies bedeutet meist auch, dass sie sich im Ultraschallbild darstellen lässt. Besonders gut können Ärzte so Ansammlungen von Gewebsflüssigkeit oder Blut, etwa in Zysten, von anderen Veränderungen unterscheiden. 

Endosonographie: Ultraschall durch Körperöffnungen

Die Endosonographie kommt überall dort zum Einsatz, wo Organe von außen weniger gut einzusehen sind, zum Beispiel, weil sie durch andere Strukturen überlagert werden oder wenn man durch die Körperöffnungen näher an das zu untersuchende Organ herankommt. 

Mit dem transösophagealen Ultraschall lassen sich einige Organe und Gewebe im Brustraum untersuchen. Dabei führt der Arzt den Schallkopf in die Speiseröhre ein, den Ösophagus. Außer der Speiseröhre selbst sind Veränderungen des Mediastinums erkennbar, dem Bereich zwischen den Lungen. Im Mediastinum (Mittelfell) befinden sich das Herz und wichtige Blutgefäße, Lymphbahnen und Lymphknoten sowie Nerven. Hier können Lymphome auftreten, aber auch Tumorabsiedelungen anderer Krebsarten in die Lymphbahnen. 

Beim transvaginalen Ultraschall wird der Schallkopf in die Scheide eingeführt. So lassen sich die Gebärmutter und die Eierstöcke untersuchen. Diese Methode kommt bei Patientinnen mit Unterleibsbeschwerden in Betracht, bei denen ein Tumor der entsprechenden Organe ausgeschlossen werden soll, also beispielsweise Gebärmutterkörperkrebs oder ein Ovarialkarzinom. 
Beim transrektalen Ultraschall (TRUS) wird der Schallkopf in den Enddarm (Rektum) eingeführt. Auf diese Weise kann nicht nur die Darmwand selbst beurteilt werden. Auch benachbarte Organe wie die Prostata lassen sich darstellen. 

Doppler-Sonographie: Blutgefäße untersuchen

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Sonographie liegt in der Untersuchung der Blutgefäße und des Blutflusses. Mit dieser lassen sich Fragen beantworten wie zum Beispiel: Wie gut ist ein Tumor durchblutet? Ist ein Tumor in ein Blutgefäß eingewachsen? Behindert ein Tumor die Durchblutung eines Organs? 

Physikalische Grundlagen: Was ist Ultraschall? 

Als Ultraschall (von lat.: ultra = "jenseits") bezeichnen Physiker Schallwellen jenseits der menschlichen Hörschwelle. Ob wir Schall hören können oder nicht, hängt nicht nur von der Lautstärke (Amplitude), sondern auch von der Frequenz der Schallwellen ab. Menschen können Schallwellen mit einer Frequenz von 16 Hertz (Hz) bis 20 Kilohertz (kHz) hören, also mit 16 bis 20.000 Schwingungen pro Sekunde. Schall unterhalb von 16 Hz bezeichnet man als Infraschall, Schall oberhalb von 20 kHz als Ultraschall. Auch wenn Menschen kein Sinnesorgan für Ultraschall haben: In der Natur gibt es viele Vorgänge, bei denen Ultraschall eine Rolle spielt. Ein Beispiel sind die Ortungslaute von Fledermäusen. 

Technik: Wie funktioniert ein Ultraschallgerät? 

In der Fachsprache werden Ultraschalluntersuchungen Sonographie genannt (von lat.: sonus = "Schall", "Klang" und gr.: grapheín = "schreiben"): Dabei werden Bilder mithilfe von Schallwellen erzeugt.  Wie funktioniert das genau? Ein diagnostisches Ultraschallgerät besteht zum einen aus einer Ultraschallsonde, dem sogenannten Schallkopf, zum anderen aus einem angeschlossenen Computer, der die Signale verarbeitet und die Bilder erzeugt. Der Schallkopf dient als Sender und Empfänger der Ultraschallwellen. 

Die vom Schallkopf ausgehenden Schallwellen dringen in den Körper ein, bis sie auf ein Hindernis stoßen, von dem sie aufgenommen (absorbiert) oder zurückgeworfen (reflektiert) werden. Hierin unterscheidet sich Ultraschall nicht von hörbarem Schall: Manche Materialien dämpfen den Schall, indem sie ihn aufnehmen, zum Beispiel ein weicher Teppich. Andere reflektieren den Schall und erzeugen ein Echo, zum Beispiel eine harte und kahle Steinwand. Wie gut ein menschliches Gewebe den Schall durchlässt oder aufnimmt, ist nicht nur von der Frequenz der Schallwellen, sondern auch von seiner Dichte und Elastizität abhängig. 

Je größer der Dichteunterschied zwischen den Geweben ist, desto mehr Schall wird beim Übergang vom einen ins andere Gewebe zurückgeworfen. Dieser "Widerhall" lässt sich im Computer in Bildinformationen umrechnen. Flüssigkeiten stellen für Ultraschall kein Hindernis dar, er geht einfach hindurch und wird nicht reflektiert: Blutgefüllte Adern und Lymphe in Lymphbahnen, eine volle Harnblase, aber auch Zysten mit Gewebsflüssigkeiten heben sich deutlich von anderen, nicht so flüssigkeitsreichen Strukturen ab. Weil kein Echo erzeugt wird, bleibt das Bild schwarz. Wo Gewebe an Luft grenzt, zum Beispiel in der Lunge oder im Darm, oder an Knochen, wird der Schall aufgehalten und reflektiert. Ein Teil der Schallwellen wird dabei gestreut und erzeugt kein messbares Echo. Die Schallwellen jedoch, die senkrecht auf das Hindernis treffen, werden auch wieder senkrecht auf den Schallkopf zurückgeworfen und können zur Bildgewinnung genutzt werden: Ein starkes Echo wird auf dem Bildschirm hell dargestellt. 

Strukturen, die hinter Knochen oder einem luftgefüllten Raum liegen, befinden sich im sogenannten Schallschatten. Sie können nicht abgebildet werden, weil Knochen den Schall vollständig reflektiert und Luft die Schallwellen "schluckt". 

Wozu wird Gel verwendet? 

Vor einer Untersuchung trägt der Arzt ein Gel auf den Schallkopf oder direkt auf die Haut des Patienten auf. Das wasserhaltige Gel verhindert, dass Luft zwischen dem Schallkopf und der Haut bleibt und die Schallwellen von der Haut zurückgeworfen werden. Durch das Gel gelangen die Schallwellen ungehindert in den Körper und werden dort erst von den zu untersuchenden Geweben reflektiert. 

Technik: Wie funktioniert die Doppler-Sonographie?

Bei der sogenannten Doppler-Sonographie macht man sich den nach dem österreichischen Physiker Christian Doppler benannten Effekt zunutze. Diesen Effekt kennt man aus dem Alltag: Hört man einen Rettungswagen mit Martinshorn, scheint sich die Tonhöhe mit jedem Meter zu verändern, den der Wagen näher kommt – sie wird höher. Entfernt sich der Rettungswagen wieder, klingt das Martinshorn tiefer. Der Effekt erklärt sich so: Die Schallwellen erreichen zunächst in immer kürzeren Abständen das Ohr des Zuhörers, nach dem Vorbeifahren werden die Abstände wieder länger. 

Diesen Doppler-Effekt nutzt man beispielsweise dazu, um zu messen, ob und wie schnell das Blut in den Gefäßen fließt. Bei Verengungen der Blutgefäße, zum Beispiel durch einen Tumor oder ein Blutgerinnsel (Thrombose) ist die Fließgeschwindigkeit verändert. Die Schallwellen, die das Gerät aussendet, werden von den roten Blutkörperchen zurückgeworfen, die auf den Schallkopf zufließen oder sich von ihm weg bewegen. Je nach Geschwindigkeit der Blutkörperchen empfängt die Sonde unterschiedliche Signale. Die Ultraschallsignale können von einem angeschlossenen Computer in hörbare Töne oder in modernen Geräten auch in Bilder umgewandelt werden. 

Bei der sogenannten Duplexsonographie wird eine normale Ultraschalluntersuchung mit einer Doppler-Sonographie kombiniert. So können einerseits Adern und die sie umgebenden Gewebe sichtbar gemacht werden, gleichzeitig lassen sich die Strömungsverhältnisse des Blutes in ihnen messen. Die mit einem leistungsfähigen Computer kombinierten Bilder können sogar die Strömungsrichtung des Blutes in verschiedenen Farben anzeigen („Farbdoppler“).