Puls-Echo-Verfahren zur Ultraschall-Bildgebung

Bei der Ultraschall-Diagnostik werden hochfrequente Schallwellen über eine Sonde in den Körper gestrahlt und an den verschiedenen Gewebeschichten reflektiert, man nennt dies das "Puls-Echo-Verfahren". Über die Reflexionssignale und ihre Laufzeiten können Ultraschallbilder des Körperinneren erzeugt werden. Wie tief man hineinschauen kann, ist dabei von der verwendeten Frequenz und den einzelnen Schichten und Strukturen abhängig. Beispielsweise reflektiert bzw. transmittiert ein Knochen das Signal anders als Fettgewebe.

In diesem Workshop lernen die Schülerinnen und Schüler die physikalischen Grundlagen der Ultraschallbildgebung kennen und erfahren, wie solche Bilder erzeugt werden. In unserem Labor können sie Experimente dazu durchführen und schließlich auch selbst 2D- und 3D-Aufnahmen von vorhandenem Probenmaterial oder Modellkörpern erstellen (s. Bilder unten). Es wird z.B. auch die Frage geklärt, warum für jede Ultraschalluntersuchung ein Gel zwischen Sonde und Körperoberfläche aufgetragen werden muss oder wieso es hilfreich sein kann, vor einer Behandlung besonders viel zu trinken.

Neben dem Bezug zur Medizin soll aber natürlich vor allem die Physik hinter der Ultraschall-Bildgebungsmethode im Vordergrund stehen. Denn die Interpretation der Bilder ist nicht immer ganz leicht. Sogenannte Artefakte sind Bildfehler, die beispielsweise durch Mehrfachreflexionen an den einzelnen Grenzflächen auftreten und so mehr Grenzflächen im Bild erscheinen lassen, als eigentlich vorhanden sind. Andere Probleme können durch schräge Schichten entstehen, sodass das Signal in andere Richtungen wegreflektiert wird und nicht mehr von der Sonde empfangen werden kann. In dem Fall wäre die Grenzfläche für den Beobachter unsichtbar. Es ist daher besonders wichtig, alle physikalischen Effekte im Blick zu behalten um die Aufnahmen richtig interpretieren zu können.

Anwendungen in der Medizin
Auf Grund der völlig unbedenklichen Ultraschallwellen im Vergleich zur nur sehr dosiert einsetzbaren Röntgenstrahlung ist das sogenannte "Schallen" in der Medizin mittlerweile weit verbreitet. Das klassischste Beispiel ist die gynäkologische Ultraschalluntersuchung eines Fötus. Aber auch das Herz (Echokardiografie) und die Bauchorgane (Abdomensonografie) können auf diese Weise untersucht werden. Neben der Behandlung von außen können allerdings auch winzige Sonden in den Körper eingeführt werden (Endosonografie) um beispielsweise die Speiseröhre noch genauer zu untersuchen.
Portable Ultraschallgeräte werden auch in der Notfallmedizin verwendet, sodass einige Rettungswagen damit ausgestattet sind.

Interessante Informationen zur Geschichte der Ultraschalldiagnostik findet man übrigens auf den Webseiten des Ultraschallmuseums.