Medizinische Physik: Der Ultraschall

Ich habe vom Februar fast nichts mitbekommen. Das lag zum einen daran, dass ich zwei seiner Wochen damit verbracht habe, auf einem Niveau Chinesisch zu lernen, das mich in China zu einem multilingualen König macht.
Also, in gewissen Teilen Chinas.
Also, eigentlich im Restaurant.
In Deutschland.
Aber bestellen klappt!
Der andere Grund für das geschwinde Verstreichen des Februars, war ein Blockseminar in medizinischer Physik.

Die medizinische Physik ist ein überraschend weites Feld, das sich zu einem sehr großen Teil mit der Anwendung ionisierender Strahlung im Körper beschäftigt. Diagnostische Zwecke dieser Strahlung wären z.B. das Durchleuchten des Körpers mit Röntgenstrahlung, um Brüche, Gewebeveränderungen oder Tumore zu identifizieren. Die therapeutischen Zwecke beschäftigen sich dann unter anderem damit, diese Tumore zu beseitigen, bzw. das betroffene Gewebe postoperativ zu bestrahlen, um das Auftreten neuer Tumore an dieser Stelle zu verhindern. Die medizinische Physik ist aber auch dafür verantwortlich, die Strahlendosis anzupassen, um dem Tumor zu schaden und das umliegende Gewebe möglichst unberührt zu lassen.

Medizinische Physik ist aber auch mehr als „nur“ Strahlung. Ein weiteres Gerät, dessen Funktionsweise wir kennenlernen durften, war das Ultraschallsystem. Das Ding besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen. Den Sonden, die den Ultraschall produzieren und auffangen, sowie dem Monitor, auf dem die Schallwellen dann sichtbar gemacht werden.

Gemeinfrei
Gemeinfrei

Auch wenn unser Ultraschallgerät nicht ganz so sexy ausgesehen hat, ist der Aufbau doch quasi gleich. Der Medizinprofi wird hier natürlich sofort den Monitor erkennen, der die sichtbargemachten Ultraschallwellen anzeigt. Noch wichtiger als der Monitor ist allerdings das Gerät, das die Schallwellen ausgibt.

By Kalumet (fotografiert am 4.3.2004) [GFDL  or CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons
By Kalumet (fotografiert am 4.3.2004) [GFDL  or CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons
By Kalumet (erstellt von Kalumet am 4.3.2004) [GFDL or CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons
By Kalumet (erstellt von Kalumet am 4.3.2004) [GFDL or CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons
Die Sonden erzeugen die Ultraschallwellen und messen die Wellen, die vom Gewebe reflektiert werden. Dabei machen sie sich den sogenannten „piezoelektrischen Effekt“ zunutze. Dieser Effekt tritt nur in ganz speziellen Feststoffen auf, die gewisse Voraussetzungen haben. Das beste Beispiel hierfür wäre Quarz. Quarzkristalle bestehen aus Waben mit 6 Ecken. In jeder Ecke sitzen abwechselnd unterschiedliche Ladungen. Wirkt jetzt eine Kraft auf den Quarzkristall, die ihn verformt (egal wie klein die Verformung ist), so bewegen sich die Ladungen aufeinander zu und es entsteht eine elektrische Spannung.
Diesen Effekt kann man auch umkehren. Legt man eine Wechselspannung an den Quarzkristall an, so kann man ihn dadurch zum Schwingen bringen (man spricht dann von einem „Schwingquarz“) und wenn die Frequenz dieser Schwingung hoch genug ist, erzeugt man auf diese Art den Ultraschall. Und genau das ist es, was in der Ultraschallsonde passiert. Der Ultraschall dringt dadurch in das Gewebe ein und wird von unterschiedlich dichten Gewebeschichten unterschiedlich stark reflektiert. Zu beachten ist dabei, dass Knochen quasi keinen Ultraschall reflektieren. Deshalb ist der Ultraschall zur Betrachtung von Knochen bzw. von Gewebe, das Unterhalb von Knochen liegt nur eingeschränkt nützlich. Auch gasgefüllte Räume (wie zum Beispiel die Lunge) können nicht bzw. kaum betrachtet werden. Am Übergang zwischen festem Gewebe und den Lungenflügeln würden die Schallwellen komplett reflektiert werden (Stichwort: Totalreflexion), was eine Bildgebung praktisch unmöglich macht.
Um solche Übergänge zu vermeiden, wird jedem Patienten vor der Ultraschalluntersuchung ein spezielles Gel auf der zu untersuchenden Körperstelle verteilt. Die Aufgabe des Gels ist es, die Luft zwischen Sonde und Gewebe zu verdrängen und so für einen sanften Übergang zu sorgen.

Um die Schallwellen die vom Gewebe reflektiert werden, auf dem Bildschirm sichtbar zu machen, nutzt man den oben beschriebenen piezoelektrischen Effekt. Man wechselt also das Aussenden von Schallimpulsen und die Messung besagter Impulse ab, um so ein Bild zu erzeugen. Die Tiefe des Gewebes ermittelt man einfach über die Zeit die es braucht, bis der Ultraschall wieder am Schwingkristall ankommt. Je nachdem, wie viel Schall reflektiert wurde, werden für die Darstellung auf dem Bildschirm unterschiedliche Graustufen angezeigt. Ein fertiges Bild sieht dabei dann so aus:

Quelle: Privat
Quelle: Privat

Die Kunst besteht jetzt darin, herauszufinden, welches Organ betrachtet wurde. Möchte jemand raten?
Achtung, Spoiler:

Das Gewebe, das von unten wie eine Zunge in das Bild hineinragt, ist die Trachea, also die Luftröhre. darüber ist die sie umgebende Schilddrüse zu sehen.

Möchtet ihr euch nochmal an einem Bild versuchen? Hier wäre eines meiner Körperteile:

Quelle: Privat
Quelle: Privat

Und die Antwort gibt’s hier:

Das sind die mittleren drei Fingerglieder meiner linken Hand

Aber mit der bloßen Abbildung von festem Gewebe ist es noch nicht getan. Auch kann man den Blutfluss und den Puls mittels Ultraschall bestimmen und sogar hörbar machen. Dafür macht man sich den Doppler-Effekt zunutze. Ich gehe mal davon aus, dass jeder schon von diesem Effekt gehört hat und ich mir die Erklärung dazu sparen kann. Möchte man jetzt z.B. hören, ob ein Gefäß anständig durchblutet wird, besteht die große Kunst zuerst darin, besagtes Gefäß überhaupt zu finden. Ist dies gelungen, kommt folgende Formel zum Einsatz:

Δf=2f*(v/c)*cosθ

Hierbei steht f für die Frequenz, mit der der Ultraschall (v) ausgesendet wird. ∆f (gesprochen: Delta f) steht für die Frequenzverschiebung die durch den Doppler-Effekt auftritt und c ist die Schallgeschwindigkeit. Die Besonderheit ist hierbei der Cosinus vom Winkel Theta. Dieser Winkel beschreibt den Winkel, in dem der Schall auf das fließende Blut trifft. Man kann nicht einfach von oben (also im 90°-Winkel) direkt auf das Gefäß schallen.

Gemeinfrei
Gemeinfrei

Der Cosinus von 90° ist 0, damit wäre die ganze Formel ebenfalls 0 und kein Effekt messbar. Ich muss also dafür sorgen, dass der Ultraschall schräg auf das Blutgefäß trifft, damit ∆f eine Zahl  ungleich 0 wird. Das Problem dabei ist aber, dass die Messwerte für den Puls ungenauer werden, je größer der Winkel ist. Es ist also wichtig, einen möglichst kleinen Winkel für die Untersuchung zu finden. Da aber auch die Blutgefäße nicht in einer geraden Linie verlaufen, sondern sich durch den Körper „schlängeln“, ist eine verlässliche Aussage über den Puls nur mit viel Erfahrung zu treffen.

Quelle: Privat
Quelle: Privat

In diesem Ultraschallbild sieht man die Halsschlagader. Darunter findet sich ein Diagramm der Pulsfrequenz und in der linken, unteren Ecke sieht man den Herzschlag. Und bevor jemand fragt: Ja, ich hab‘ gemessen, nein wir haben ihn für die Untersuchung nicht sediert (er hat auch fast gar nicht geblutet) und ja, der hat wirklich so ‚nen Ruhepuls. Sportler halt.

Viel Erfahrung ist auch notwendig, um nur aus dem Hören eines Pulsschlages auf eventuelle Gefäßkrankheiten schließen zu können. Ich habe mir sagen lassen, dass erfahrene Ärzte in der Lage sind, ausschließlich über das Hören des Pulsschlages herauszufinden, ob in einem Gefäß ein unnatürlicher Blutfluss (z.B. aufgrund einer Gefäßverengung) vorliegt. Nach einigen Übungsstunden bin ich auch in der Lage, so eine Verengung zu finden. Wenn man mir vorher sagt, wo das Gefäß ist. Und wenn man es dann mit Gewalt zusammendrückt, um das Blut zu stauen. Aber immerhin!

Es klang im Text vielleicht bereits ganz zart an, aber ich möchte nochmal rausarbeiten, dass Ultraschalluntersuchungen wohl mit die harmlosesten medizinischen Anwendungen sind, die man als Patient erwarten kann. Trotzdem wollte ich wissen, ob es nicht doch irgendwelche Risiken gibt und habe etwas getan, das man als denkender, zurechnungsfähiger Mensch auf keinen Fall tun sollte. Ich war auf Zentrum-der-Gesundheit.de. Und heilige Mutter Gottes haben die einen Haufen Scheiße zu dem Thema verfasst. Ich würde diesen Dreck am liebsten nicht mal verlinken, will aber ein Beispiel für den Text angeben, der von einer Hebamme geschrieben wurde (noch so ein Grund dafür, den Beruf entweder auf ein wissenschaftliches Podest zu heben oder ihn ganz abzuschaffen):

„Ist denn die Natur in den Augen der modernen Geburtshelfer so dumm, dass sie zwar aus einer Eizelle und einer Samenzelle einen vollkommenen kindlichen Körper erschafft, dann aber vergisst, die notwendigen Vorkehrungen für seine sichere und natürliche Geburt zu treffen?“

Mit einem Wort? Scheiße, Ja!

Aber natürlich geht’s noch schlimmer. Im Verlauf des Textes werden einige gefährliche Mythen über die Untersuchung verbreitet. Und die meisten richten sich an werdende Mütter und die angeblichen potenziellen Gefahren, die sich bei einer Ultraschalluntersuchung für das Kind im Bauch ergeben sollen. Es wird behauptet, dass der Ultraschall vom Gewebe der Mutter absorbiert wird und dadurch sogenannte „Sekundärschwingungen“ in der Gebärmutter auslösen soll, die bis zu 100 Dezibel laut sein sollen (also in etwa die Lautstärke einer einfahrenden U-Bahn haben). Besagte Studie hab‘ ich nicht gefunden, es scheint sie aber zu geben. Denn nach einer kurzen Suche fand ich ein Editorial, das mit diesen Mythen aufräumt.
Besagter Text ist sehr lesenswert, ich möchte ihn aber in einem Satz zusammenfassen: Die Studie, die vom Zentrum der Gesundheit angeführt wird, konnte nicht reproduziert werden, es gibt keinerlei Beweise dafür, dass der Fötus die Ultraschallwellen direkt (oder auch indirekt) hört, geschweige denn geschädigt wird oder überhaupt messbar darauf reagiert – diese Punkte wurden in diversen Studien sogar widerlegt und finden sich in den Fußnoten des Editorials.

Trotzdem kann eine Untersuchung mittels Ultraschall Nebenwirkungen mit sich bringen. Schallwellen können absorbiert werden. Schall ist schließlich nichts anderes als eine Schwingung und diese wird – wenn sie auf Moleküle (wie z.B. unsere Haut) trifft – durch Reibung in Wärme umgewandelt. Auf unserer Haut ist das kein nennenswertes Problem, da wird zu wenig Schall absorbiert, selbst nach Minuten merken wir, abgesehen von (HÖCHSTENS!) einem warmen Gefühl, nicht viel. Anders sieht es bei den festen Strukturen in unserem Körper aus. Benutzt man den Ultraschall zur Untersuchung von Knochen sollte man vorsichtig sein. Knochen resorbieren den Schall viel besser und werden so auch schneller warm, unter Umständen sogar heiß. Um also Verletzungen am Knochen vorzubeugen, sollte bei Ultraschallbehandlungen des Knochens darauf verzichtet werden, das Gewebe dauerhaft zu beschallen, die Anwendung von kurzen Schallimpulsen wäre da vorzuziehen.

Auch soll es wohl vorkommen, dass durch eine, vom Ultraschall ausgelöste Kavitation, lokale Gewebeschädigungen verursacht werden. Eine Kavitation ist – kurzgesagt – nichts anderes, als ein kleines Bläschen, das mit Gas gefüllt ist und sich durch den Ultraschall schlagartig auflöst.
Ich halte diesen Absatz hier mit Absicht kurz und bitte darum, diesen mit Vorsicht zu genießen. Denn trotz intensiver Bemühungen von Google und Pubmed konnte ich keine frei zugänglichen Studien finden, die mir irgendwas zu dem Risiko so einer Kavitation sagen, oder überhaupt darstellen, wie häufig eine Kavitation stattfinden könnte. Wenn jemand ein paar handfeste Infos hat (die nicht von Abnehmseiten stammen, die behaupten, man könnte Mittels Kavitation und Ultraschallwellen Bauchfett schmelzen), immer her damit.
In der Zwischenzeit muss dieser Artikel aus dem Ärzteblatt herhalten, der sagt, dass bei derzeitigen sonographischen Verfahren keine Kavitationen beobachtet werden konnten.

Abschließend lässt sich sagen, dass eine Ultraschalluntersuchung quasi vollkommen harmlos ist. Sie ist in keinster Weise gefährlich für Menschen oder ungeborene Babys, quasi frei von Nebenwirkungen und ein wertvolles Instrument, um Veränderungen im Körper zu betrachten. Zwar ist der Informationsgehalt bei einer Ultraschalluntersuchung nicht ganz so hoch wie bei den Methoden, die wir in den nächsten Texten kennen lernen, aber mit einem erfahrenen Arzt an der Seite, lässt sich auch aus der Ultraschalluntersuchung eine Menge rausholen.
Zum Abschluss habe ich noch eine nette Anekdote gehört, die man als „typisch deutsch“ bezeichnen könnte. Unser Ultraschallgerät beinhaltete einen Schwarzweißdrucker. Es hätte auch ein Farbdrucker sein können, wenn dieser nicht ein paar tausend Euro gekostet hätte. Auf meine Frage, warum man da nicht einfach einen Farbdrucker aus jedem Elektronikfachhandel für weniger als 100 Euro anschließt, bekam ich als Antwort, dass das Gerät dann keine Zulassung als medizinisches Gerät bekommen würde.
Ich hab‘ mal ein Jahr in der IT-Abteilung eines Krankenhauses gearbeitet, ich habe also eine grobe Vorstellung davon, welche Geräte vielleicht wirklich nicht aus dem Elektronikmarkt um die Ecke gekauft werden sollten. Aber bei einem Farbdrucker für ein Ultraschallsystem könnte man wirklich mal halblang machen.
Anders sieht es da zum Beispiel mit den Grafikkarten aus, die in Computer eingebaut werden, mit denen man später Röntgenbilder auswerten soll. Aber wie das genau funktioniert, erkläre ich im nächsten Text.

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