Luft Ultraschall

Luftultraschall

Die Luft hat eine stark zunehmende Dämpfung mit der Frequenz für Ultraschall. Bei Flüssigkeiten hingegen breitet sich der Ultraschall mit geringer Dämpfung aus. Prüflinge, Ultraschallecho, Fäulnis, Konstruktion, Luftultraschall. Sonst wird die Ultraschall-Echo-Technologie sowohl mit Längswellen als auch berührungslos eingesetzt. Was in Weiß dargestellt wird, ist entweder Luft, Knochen oder anderer Kalk.

mw-headline" id="Applications_in_medicine">Anwendungen in_medicine[Bearbeitung | < Quellcode bearbeiten]

In diesem Beitrag wird der Gebrauch von Ultraschall in der Human- und Tiermedizin erläutert; für den Gebrauch in der Materialwissenschaft wird auf die Ultraschalltests verwiesen. Die Sonographie (Sonographie), auch Echographie oder umgangssprachlicher Ultraschall oder umgangssprachlicher Ultraschall oder auch Sonographie oder Sonographie bezeichnet, ist der Gebrauch von Ultraschall als bildgebende Methode zur Untersuchung organischer Gewebestrukturen in den Bereichen Naturheilkunde und Tiermedizin und Technik. Die Ultraschallbilder werden auch als Sonogramme bezeichnet.

Die Sonographie hat gegenüber den auch in der Medizintechnik weit verbreiteten Röntgenstrahlen den großen Vorzug, dass die verwendeten Klangwellen harmlos sind. Selbst empfindliches Gewebematerial wie das von Neugeborenen wird nicht geschädigt, und die Prüfung ist schmerzfrei. Sonographie ist das bedeutendste Untersuchungsverfahren bei der Differentialdiagnostik von akutem Bauch, Gallengängen oder bei der Bewertung von Blutgefäßen und deren Permeabilität, insbesondere an den Schenkeln.

Es wird auch zur Abklärung der Niere, der Schilddrüse, des Herzmuskels - damals noch Echokardiographie oder Ultraschallkardiographie (UKG) -, der Niere, der Harntrakt und der Blase eingesetzt. Das Ultraschallgerät eignet sich für die Erstuntersuchung und Nachuntersuchung, vor allem für die medizinische oder strahlentherapeutische Behandlung von malignen Krankheiten. Ultraschall kann verwendet werden, um krebserregende Krankheitsschwerpunkte zu identifizieren und erste Anhaltspunkte für ihre Malignität zu geben.

Zusätzlich können ultraschallgeführte Bioopsien und Zellbiologien (Probenahme von Gewebeschnitten oder freiem Fluid) durchgeführt werden. Durch die Erfassung von Ultraschallbildfolgen, vor allem in Kombination mit Kontraktmedien, kann die Durchblutung von verschiedenen Organen wie Leber oder Hirn beurteilt werden, indem der Verlauf des Kontrastmittelspiegels im Blutstrom sichtbar gemacht wird. Vor allem bei Knochenbrüchen im Kleinkindalter ist eine Ultraschallbildgebung von Knochenbrüchen in einigen Bereichen mit einer Präzision möglich, die Röntgenstrahlen unnötig machen kann.

Sämtliche wässrigen, blutigen Organen können gut mit Ultraschall untersucht werden. Alle gasführenden oder mit knochenbedeckten Organen, wie z.B. der Blähgedarm, die Lungen, das Hirn und das Beinmark, sind schlecht untersucht. Bestimmte Orgeln sind im normalen Befinden schwer, aber in einem pathologisch erweiterten Befund sind sie leicht zu erkennen (Blinddarm, Harnleiter, Nebennieren). Besondere Sondenarten wie die Endoskop-Sonde, die in den Organismus eingesetzt werden, ermöglichen eine Überprüfung der inneren Organe, die so genannte Endosonographie.

Wohlgeprüfte Organe: Eingeschränkte Erreichbarkeit oder Zugang durch Endoskop-Sonde, evtl. auch durch die ganze Blase: Schlecht zu untersuchen: Im Kindesalter können viel mehr Orgeln als im Erwachsenenalter betrachtet werden, da die Ossifikation noch nicht vollendet ist oder erst bei Säuglingen anfängt (z.B. ist die Fontäne noch offen): Das Spätgeborene kann im Gebärmutterhals beinahe vollständig erforscht werden, da es keine Gas-Overlays gibt und die Knochenkonstellation erst am Beginn steht: einschließlich der Lungen - des Magens - des Magens - des Gliedknochens usw. Heute wird die Ultraschall-Diagnostik in beinahe allen Medizindisziplinen durchgeführt.

Die Ursachen dafür sind die risikoarme, nicht-invasive, schmerz- und strahlungsfreie Applikation, die hohe Erreichbarkeit und die schnelle Ausführung. Dabei sind die Anschaffungs- und Arbeitskosten im Verhältnis zu anderen Bildgebungsverfahren wie Computertomographie (CT) oder Magnetresonanztomographie (MRI) niedriger. Die räumliche Auflösung des Verfahrens in tiefen Gewebe ist niedriger als bei CT und MRT.

Magen und Bein behindern die Verbreitung von Ultraschallfunk. Im Gegensatz zu anderen Bildgebungstechniken gibt es kein standardisiertes Training. Die Grundidee, Bauwerke durch Klang sichtbar zu machen, geht auf die militärischen Anwendungsbereiche des seit 1880 bekannten Effektes zur Generierung von piezoelektrischen Klangwellen zurück. Im Ersten Weltkrieg leitete der Engländer Paul Langevin die von Quarzen erzeugten Ultraschallwelle ins Meer und entwarf so ein Messverfahren (Echolot) zur Lokalisierung von U-Booten.

Für medizinische Zwecke war das Messverfahren nicht geeignet, da die Schallintensität der Wellen so hoch war, dass die von ihnen getroffenen Tiere platzten. Mit der Weiterentwicklung von AIDS und Sonarsystemen durch Amerikaner und Engländer im Zweiten Weltkrieg wurde diese Anwendungsform beibehalten. J. Sokoloff und der US-amerikanische Floyd A. Firestone Ultraschall-basierte Methoden zur Erkennung von Werkstofffehlern in Materialien.

Einer ersten medizinischen Applikation folgte 1942 der Neurologe Karl Dussik (1908-1968), der mittels A-Modus-Messung (Amplitudendarstellung) eine Seitenherzkammer des Cerebrums verkörperte. Das nennt er sein Vorgehen Überfunk. Dabei wurde das Verbundverfahren verwendet, bei dem die Testperson in einem mit Wasser gefüllten Lauf sitzt und der Ultraschallsensor auf einer kreisförmigen Bahn um ihn herum fährt.

Das Doppler-Prinzip (Bewegungserkennung durch den Dopplereffekt) wurde 1959 erstmals von dem Juden Shigeo Satomura (1919-1960) angewendet, der sich rasch in der Angewandten Wissenschaft und Kartologie einen Namen machte. Der Ultraschall ist ein Schall mit einer Häufigkeit oberhalb der Grenzen des Gehörs, von 20kHz bis 1g. Eine Ultraschallvorrichtung beinhaltet eine elektronische Vorrichtung zur Klangerzeugung, Signalaufbereitung und -anzeige sowie Interfaces für Bildschirm und Printer sowie für Speichermedien oder Kameras.

An eine austauschbare Ultraschallprüfsonde, auch Wandler oder Wandler oder Wandler oder Wandler bezeichnet, ist sie über ein Seil verbunden. Der piezoelektrische Effect mit in der Messsonde befindlichen Quarzen generiert und erfasst die Ultraschallwelle. Der Klang wird an der Schnittstelle von zwei Materialien mit einem großen Impedanzsprung sehr stark widergespiegelt. Diese Differenz ist besonders deutlich zwischen Luft und z.B. Leitungswasser (siehe weiter unten im Abschnitt Physische Grundlagen), daher muss die Ultraschallprüfsonde über ein Gel mit hohem Wassergehalt gekoppelt werden, damit der Klang nicht durch Lufteinschlüsse zwischen dem Prüfkopf und der Außenhaut widergespiegelt wird.

Sie emittiert kurzwellige, richtungsabhängige Schallimpulse, die an Gewebeschnittstellen und in inhomogenem Gewebe in unterschiedlichem Maße reflektiert mitgestreut werden, die so genannte Echogenizität. Anhand der Transitzeit der reflektierten Strukturelemente kann die Dicke der Reflexionsstruktur bestimmt werden. Der Grad der Reflektion wird von der Ultraschallvorrichtung als grauer Wert auf einem Bildschirm angezeigt.

Gebeine, Gasen und anderen schallharten, reflektierenden Materialoberflächen weisen eine ausgeprägte Ächogenität auf. Hier wird jedoch anstelle von Ton das Medium des Lichts eingesetzt, so dass die Eindringtiefe entsprechend niedrig ist. Das Abbilden mit einem Ultraschall-Gerät wird nach dem so genannten Puls-Echo-Verfahren durchgeführt. Bei den flächigen Vorgängen ( "B-Modus") wird der nachfolgende Schallimpuls durch automatische mechanische oder elektronische Schwenkung der Schallsonde in eine etwas andere Ausrichtung abgegeben.

Die Übertragung des nächsten Impulses kann erst erfolgen, wenn alle Reflexionen des vorhergehenden Ultraschallimpulses nachgelassen haben. Je grösser die Frequenzen, um so geringer ist die Penetrationstiefe des Klangs. Allerdings gilt: Je größer die Häufigkeit, je härter die Ortsauflösung, d.h. die Möglichkeit, Gegenstände dicht beieinander zu halten. Daher muss immer die größtmögliche Häufigkeit ausgewählt werden, die nur eine Prüfung in der erforderlichen Intensität erlaubt, um die bestmögliche Lösung zu erzielen. mit c={\displaystyle c=} Klanggeschwindigkeit in Fett / Wasser / Gehirn / Muskeln.

Je nach Bedarf kann eine Ultraschallprüfung mit mehreren Ultraschallköpfen und einer anderen Bewertung und Präsentation der Messresultate, dem so genannten Modus, durchlaufen werden. In der akustischen Rastermikroskopie (SAM) werden aufgrund der Strahlfokussierung leicht unterschiedliche Begriffe verwendet, die sich vor allem auf die unterschiedliche Dimension beziehen (A-, B-, C-Scan-Modus).

Mit zunehmender Durchbiegung der Meßkurve ist das Material umso ächogener in der vorgegebenen Dicke. Die Bezeichnung des Modes basiert auf der zeitlich abhängigen Amplifikation (bis zu 120 dB) der Ströme durch die Auswerteelektronik in der Ultraschallvorrichtung (Zeitgewinn-Kompensation), da ein größerer Abstand der Ströme von tiefen Lagen zu einer geringeren Amplitude des Signals durch die Absorbierung führen.

Beim 2D-Echtzeitmodus, der zurzeit gängigsten Ultraschallanwendung, wird durch automatisches Kippen des Messbündels und Synchronisieren der B-Modus-Darstellung in Realzeit ein flächiges Querschnittsbild des zu untersuchenden Materials erstellt. Die 2D-Echtzeitmessung kann mit anderen Methoden wie dem M-Modus oder der Dopplersonographie kombiniert werden. Ein weiterer möglicher Anwendungsfall ist die zweidimensionale Ausrichtung von Ultraschall-Wandlern in einem so genannten Phased-Array (siehe Ultraschall-Sonde), bei dem der Strahl nicht maschinell, sondern elektrisch geschwenkt wird.

Je höher die Übertragungsfrequenz f{\displaystyle f} bei einer gegebenen Drehzahl, um so höher ist die Frequenzabweichung. Nachteilig an diesem Vorgehen ist, dass die Gewebetiefe, aus der das Dopplerecho kommt, nicht bestimmt werden kann. Kurzzeitige Ultraschallsignale werden von einem Schallwandler ausgesendet, der sowohl als Sende- als auch als Empfangsgerät fungiert. Mit zunehmender axialer räumlicher Auflösung muss die Breite des übertragenen Signals höher sein.

Die Pulsdauer ist kürzer, je mehr unbestimmt die Häufigkeit und je höher die Breite. Weil aufgrund des im Rauschen des Signals kleine Dopplerverschiebungen auf einem einzelnen Wellpaket nicht mehr zu sehen sind, wird die Dopplerfrequenz mit einem Messverfahren aus mehreren verschiedenen aufeinanderfolgenden Sendeimpulsen ermittelt. In der farbcodierten Dopplersonographie wird die lokale Dopplerfrequenz (= durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit) und ihr Variationsbereich für einen großen Teil eines herkömmlichen Ultraschall-Bildes (Farbfenster) ermittelt.

Durch die statistische Bewegung der streuenden Partikel ist der Schwankungsbereich der Strömungsgeschwindigkeit jedoch immer höher als die Wirbel. Mit den Fortschritten in der Verarbeitung digitaler Signale mit erhöhter Rechnerleistung wurden neue Anwendungsmöglichkeiten für Ultraschallgeräte erschlossen. Methoden, die auf vergleichbaren Wirkungen wie die 3D-Sonographie basieren, ermöglichen die Erzeugung von Panorama-Bildern. Die Verwendung von sonographischen Kontraktmedien (kontrastverstärkter Ultraschall) oder die Repräsentation von Blutströmen im B-Modus verfeinert die Einsatzmöglichkeiten der Gefässdiagnostik.

Diese Vorgehensweise ist bei den heute üblichen Ultraschall-Systemen Standard. Gb: Galle; LS: seitliche Abschattung; SA: distale Schallausblendung hinter der hochreflektierenden Membran; Bei der Bildgenerierung mittels Ultraschall können Artefakte (Bildfehler) auftreten, die nicht immer als Störfaktoren erachtet werden. Sie können aber auch weitere Gewebe- oder Sachinformationen bereitstellen. Eine sehr charakteristische Eigenschaft ist das Specklärm, das durch die Störung der Schallwelle verursacht wird.

Sie ist die Grundursache für die auffälligen Licht- und Schattenflecken in der Ultraschallbildgebung, die sich über kurze Strecken abwechseln. Häufig ist ein gemeinsames Element die Schattierung (distale Schallunterdrückung) hinter hochreflektierenden Gegenständen mit einer vom Rest des Gewebes deutlich abweichenden Eingangsimpedanz, wie z. B. Bein, Luft oder Konkremente (Ablagerungen). Ein distaler Schallverstärker ist ein zu helles Gespinst hinter einer (distal) wenig dämpfenden Konstruktion.

So ist beispielsweise in einer Lebergalle in der Lebere das Lebergwebe wesentlich aufgehellter als das übrige Lebergwebe, da die Gallenflüssigkeit weniger feucht ist als das Lebergwebe, aber das Gewebesystem hinter der Leberblase wird mit dem selben verstärkenden Faktor wie das umgebende Gewebsgewebe erhellt. Mit hochreflektierenden Interfaces können multiple Reflexionen (Comet Tail Artefakte, auch Ring-Down-Phänomene genannt) oder Spiegelartefakte in Gestalt von Virtuellem Bild von vor der Schnittstelle liegenden Gegenständen auftreten.

An der Kante von flüssigkeitsgefüllten Organen generiert ein kleiner konzentrierter Stoß niederfeste und verschwommene Reflexionen, wenn er auf eine schräge Begrenzungsfläche trifft. Der Einsatz von Ultraschall ist eine ungefährliche Möglichkeit der Bildverarbeitung. Hohlraumbildung (lat.: cavis, -is = der Hohlraum) ist der Umstand, dass in der Negativdruckphase einer Schallwellenhohlräume oder Gasblasen im Körpergewebe gebildet werden, die in der Kompressionsphase zusammenbrechen und Gewebeschäden hervorrufen können.

Dies ist derselbe Vorgang, der auch in einem Ultraschallreiniger verwendet wird. Mit zunehmender Ultraschall-Frequenz steigen die Spitzenwerte, die das Tissue (oder Flüssigkeiten) vertragen. Allerdings befinden sich im Gewebes selbst so genannte "Kavitationskeime", die die Entstehung von Hohlräumen fördern, so dass auch bei wesentlich niedrigeren unteren Schallspannungen Hohlräume im Gewebesystem entstehen können.

Auch bei der Verwendung von Ultraschallkontrastmitteln kann die Cavitation bevorzugt werden, so dass bei Verwendung solcher Kondensationsmittel auch unter 4 Megapascal auftritt. Selbst ein langfristiger Temperaturanstieg von 1,5 C ist für das gesunde Körpergewebe harmlos. Das sind die Einzelverfahren im Detail: Für Ultraschall-Geräte gibt es eine internationale Norm (IEC 60601-2-37), die jedoch keine Grenzwerte vorgibt und die Angabe von bestimmten akustischen Parametern eines Geräts nur verlangt, wenn eines der nachfolgenden Merkmale erfuellt ist: Unterdruck über 1 MPa, räumliche, zeitgemittelte Maximalintensität über 100 mW/cm², flächenbezogene Intensitätsangabe des Wandlers über 20 mW/cm².

Für sein Produkt muss der Produzent eine Begrenzung der Sicherheitsrelevanz (mechanischer MI und thermischer TI) festlegen und für die Applikation begründen. Die Sonographie als abbildendes Untersuchungsverfahren in der Medizin basiert auf der Tatsache, dass sich Ultraschallwellen in verschiedenen Materialien mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fortpflanzen. Reflexierte und zerstreute Klangwellen werden von der Ultraschall-Sonde als Echo erfasst, und durch die Bewertung ihrer Stärke und Laufzeit ist es möglich, das zu bestrahlende Objekt zu erfassen.

Für das Quotient aus Schallintensität gilt: Je höher der Unterschied in der Impedanz, um so stärker die Reflektion. Die Luft verursacht eine schlechte Schallübertragung in den Raum (siehe Tab. 1: Die Ergebnisse sind R?,9%{\displaystyle R\approx 99{,}9\,\,\%}), daher wird ein wasserbasiertes Gleitgel als Übergabemedium eingesetzt.

Ebenso sind Luft gefüllte Orgeln wie die Lungen und der Magen-Darm-Trakt oder von Gebeinen eingeschlossene Bereiche für die Ultraschalluntersuchung schlecht oder gar nicht zugänglich: Von aussen in den Organismus eingebrachte Schallwellen werden an den Schnittstellen dieser Orgeln wiedergegeben. Im Falle von rauhen Begrenzungsflächen, die nicht rechtwinklig zum Ultraschallbündel stehen, kann dennoch ein Reflexionsergebnis erfasst werden, da ein Streustrahlkegel zurück gestreut wird.

In der " Geometrie " (für wwww. www. a\gg. a\lambda }, bei ?{\displaystyle \lambda }: Schallwellenlänge) ist die Verteilung groß, z.B. in Gefässen. Die Absorptionskoeffizienten ?{\displaystyle \mu } sind gewebs- und frequenzbedingt. Weil sie etwa frequenzproportional ist, kann eine bestimmte Dämpfungsgröße in dB/(cm - MHz) vorgegeben werden. Für Weichgewebe ist es 1 dB/(cm - MHz).

Deshalb muss eine an die erforderliche Einstechtiefe ( "Eindringtiefe") angepasste Häufigkeit ausgewählt werden (siehe Tab. 2 gemäß[6]), um ein gewisses Messobjekt mit der technologisch möglichsten Vergrößerung betrachten zu können. Weil die Lösung bei hohen Tönen besser ist, wird immer die höchstmögliche Trittfrequenz ausgewählt. Das Erzeugen von Ultraschall und auch das Erfassen von rücklaufenden Widerständen erfolgt in der Regel elektromagnetisch in einem Schallwandler, der Teil der Messsonde ist, und beruht auf dem Piezoeffekt: In einem Piezomaterial wird durch den mechanischen Strom eine elektromagnetische Polarisierung, eine Ladung der Fläche und damit eine elek -tische Anstrengung generiert.

Ausgehend von der Hypothese des Huygen-Prinzips, dass jeder einzelne Abschnitt der Schallwandleroberfläche eine kugelförmige Welle ausstrahlt, kann die durch die Diffraktion begrenzte Fortpflanzung und Intensität der emittierten Schallwelle in guter Annäherung abgeleitet werden. Die Fokussierung des Ultraschalls kann durch die Wölbung der Schallwandleroberfläche, durch den Einsatz einer Akustiklinse oder - bei entsprechend gestalteten Mehrkanalschallköpfen - durch eine entsprechende verzögerte Steuerung der Einzelelemente erfolgen.

Im Beispiel ist das durch Simulationsberechnungen desselben Schallwandlers bestimmte Klangfeld wie im vorhergehenden Kapitel dargestellt. Sende-/Empfangsfeld des nicht fokussierten Ultraschall-Wandlers (4 MHz, N = 67 mm) im Brennpunkt bei N = 67 mm. Bei N = 67 km. Bei der Quadratur der Schalldruckpegel wird beachtet, dass die Richtcharakteristik des Schallwandlers sowohl beim Übertragen als auch beim Empfangen wirkt.

Im Beispiel ist ein x/y-Abschnitt des vorher beschrieben Ultraschall-Wandlers (4 MHz, Wandlerdurchmesser 10 mm, Nahefeldlänge N = 67 mm) im Brennpunkt bei z = 67 mm dargestellt. Beim Einsatz des Einfach-Echo-Verfahrens erhöht sich die Auflösung mit zunehmender Häufigkeit und nimmt mit der Dauer des Anregungssignals ab. Breitbandigen Ultraschallwandlern werden üblicherweise eingesetzt und mit einem schnellen Rechteckimpuls angeregt.

Durch den Doppelschallweg im Puls-Echo-Verfahren (hin und her) ist für ein Übertragungssignal mit einer Dauer von 3 Oszillationen ein minimaler Abstand der Lagen von 1,5 Ultraschallwellenlängen erforderlich. Für ein Nutzsignal mit einer Taktfrequenz von z. B. 5 Mhz ergibt sich daraus eine Wellenlängen von ?=0,3mm{\displaystyle \lambda =0{,}3\, \mathrm {mm} } und eine Achsauflösung von etwa 0,45mm.

Je nach Ausrüstung (z.B. Sondenanzahl und Zusatzsoftware) und Güte der neuen Ultraschall-Geräte liegen die Anschaffungskosten zwischen EUR 2.000 und EUR 2.000.000 (Stand: Jänner 2009). Der Gesamtumsatz "im Ultraschall" beläuft sich auf rund vier Mrd. USD im Jahr 2004 und steigt pro Jahr um etwa drei bis vier Prozentpunkte.

Darüber hinaus verzeichnet der Bereich der Handheld-Geräte ein starkes Wachstum mit der Marktführerschaft von Sons. Kornelius Borck: Ultraschalldiagnostik. Ölaf Dössel: Bildverarbeitende Eingriffe in der Gesundheit. Vom Technologiebereich bis zur Medizintechnik. Stephan opff, Darmstadt 1992, ISBN 3-7985-0919-0. T. Grau (Hrsg.): Ultraschall in der Narkose und Intensive Care Medicine.

Fachbuch der Ultraschall-Diagnostik. Deutsches Ärzte-Verlagshaus, Köln 2004, ISBN 3-7691-1188-5 Günter Schmidt (Hrsg.): Kursbuch Ultraschall. Thiéme Verlagsanstalt, Stuttgart und andere 2004, ISBN 3-13-119104-X. Springer, Berlin und andere 2004, ISBN 3-540-02236-8 Klaus Vetter: Doppelsonographie in der Mutter. Doppel-Ultraschall - Physik, Instrumentelle und Klinische Anwendungen. de/fileadmin/Datenpool/einrichtungen/klinik_und_poliklinik_fuer_strahlentherapie_und_Radioonkologie_id30/dateien/ultraschall_einfuhrung. pdf S. 18. Elfgard Kühnicke: Elastic Waves in stratifizierten festen Systemen - Modellierung mit integralen Transformationsmethoden - Simulationsberechnungen für Ultraschallexperimente.

DIMUG e. V., ISBN 3-934244-01-7. ? J. Krautkrämer, H. Krautkrämer: Materialprüfung mit Ultraschall.

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