Die strahlungsfreie Option: Anwendungen von Ultraschall in der modernen Medizin

Der Ultraschall ist eine Bildgebungstechnologie, die noch älter ist als die herkömmliche Röntgenbildgebung. Es wurde jedoch viel später für den Einsatz im medizinischen Bereich angepasst. Seine erste aufgezeichnete Verwendung findet in den 1950er Jahren in der Geburtshilfe statt. Seitdem hat sich der Einsatz von Ultraschall auf andere Bereiche der Medizin ausgeweitet, und die medizinische Ultraschallbildgebungstechnologie hat im Laufe der Jahre mehrere Fortschritte erzielt. Dieser Artikel beschreibt den Fortschritt des Ultraschalls im Laufe der Zeit und wie er heute im Gesundheitswesen eingesetzt wird.

Wie funktioniert das Ultraschallbildgebungsgerät?

Wie der Name schon sagt, funktioniert es mit Schallwellen. Ultraschallbildgebungsgeräte erzeugen hochfrequente Schallwellen, normalerweise zwischen 1 und 5 MHz. Diese Schallwellen werden mit einer Handsonde in den Körper übertragen. Die Schallwellen bewegen sich ununterbrochen im Körper, bis sie auf die Grenzfläche zwischen zwei Geweben treffen (z. B. zwischen Muskel und Knochen oder zwischen Flüssigkeit und Weichgewebe). Je nach Art des vorhandenen Gewebes können die Schallwellen entweder zurückreflektiert werden oder sich weiter bewegen. Die zurückreflektierten Wellen (Echos genannt) werden an das Ultraschallbildgebungsgerät zurückgeleitet. Basierend auf dem Zeitpunkt der Rückkehr jedes Echos und der Schallgeschwindigkeit im Gewebe berechnet das medizinische Ultraschallbildgebungsgerät den Abstand zwischen der Sonde und jeder Struktur. Die Entfernung und Intensität aller Echos wird in ein zweidimensionales Bild umgewandelt, das auf dem Bildschirm der Ultraschallbildgebung erscheint.

Wie ist Ultraschall im Vergleich zu anderen medizinischen Bildgebungsmodalitäten?

Der größte Vorteil von Ultraschall besteht darin, dass er im Gegensatz zu den meisten anderen bildgebenden Verfahren keine ionisierende Strahlung verwendet. Es ist daher sicher für Patientengruppen, die anfällig für Strahlenexposition sind, wie schwangere Frauen und Kinder. Es erfasst Weichgewebe viel besser als Röntgen- und CT-Scans und eignet sich ideal für die Betrachtung innerer Organe. Während derselben Sitzung können mehrere Bildgebungsebenen erhalten werden, ohne die Position des Patienten zu ändern. Es reicht aus, nur die Handsonde zu bewegen. Neben der Tatsache, dass keine Strahlung verwendet wird, sind die geringen Kosten ein weiterer wichtiger Vorteil der Verwendung von Ultraschall in medizinischen Einrichtungen. Es ist weitaus günstiger als CT-Scans und MRT-Bildgebung.

Andererseits kann herkömmlicher Ultraschall nicht die detaillierte Bildgebungsgenauigkeit bieten, die mit fortschrittlichen Techniken wie dem CT-Scan verfügbar ist. Es kann Knochen und Hartgewebe nicht ausreichend sichtbar machen. Die Ultraschallbildgebung dauert länger als bei anderen Bildgebungsmodalitäten. Während ein CT-Scan in 30 Sekunden durchgeführt werden kann, würde ein Ultraschall 15 bis 30 Minuten dauern.

Wie wird Ultraschall in der medizinischen Bildgebung eingesetzt?

Ein medizinisches Ultraschallbildgebungssystem kann verwendet werden, um die Struktur aller inneren Organe des Körpers in Echtzeit zu visualisieren. Durch Anwendung des Doppler-Effekts (der eine Änderung der Schallfrequenz darstellt, wenn sich das Objekt zur Quelle hin oder von ihr weg bewegt) kann auch der Blutfluss durch Gefäße verfolgt werden. Einige Anwendungen der medizinischen Ultraschallbildgebung sind unten aufgeführt:

• Geburtshilfe/Gynäkologie: Ultraschall kann zur Beurteilung des weiblichen Fortpflanzungssystems sowie des sich entwickelnden Fötus im Mutterleib eingesetzt werden. Dies ist sehr nützlich, um mögliche fetale Anomalien vor der Geburt zu erkennen.

• Bauch- und Beckensonogramm: Feste Organe wie die Leber und die Bauchspeicheldrüse im Bauchraum oder die Blase und die Gebärmutter im Becken können sichtbar gemacht werden. Es ist schwierig, den Darm zu betrachten, da Bauchgas häufig Schallwellen behindert.

• Neurosonographie: Sie hilft dabei, das Gehirn sichtbar zu machen und Anomalien im Blutfluss zum Gehirn zu erkennen.

• Gefäßultraschall: Dies wird verwendet, um die Menge und Geschwindigkeit des Blutflusses in Gefäßen zu bestimmen und das Vorhandensein von Verengungen oder Stenosen festzustellen.

• Echokardiographie: Dieser Ultraschall ist speziell für das Herz und seine wichtigsten Blutgefäße, einschließlich der Aorta und der Lungenarterie, bestimmt.

• Therapeutische Anwendungen: Durch die Verwendung von Ultraschall, um Bilder von Organen in Echtzeit zu erhalten, können geführte Interventionen durchgeführt werden. Bei der ultraschallgesteuerten Feinnadelaspiration wird beispielsweise Ultraschall verwendet, um die Nadel in einen tiefen Abszess oder eine tiefe Zyste zu führen, um deren Inhalt abzusaugen. Der Doppler-Ultraschall kann auch verwendet werden, um Venen vor der Venenpunktion zu erkennen oder um Blutgefäße zu erkennen, bevor ein chirurgischer Lappen zur Rekonstruktion angehoben wird.

Was sind die jüngsten Fortschritte in der medizinischen Ultraschallbildgebung?

Hersteller von Ultraschallbildgeräten waren stets bestrebt, die Einschränkungen des herkömmlichen Ultraschalls zu überwinden. Dies hat zu mehreren Innovationen geführt. Das Ultraschallbildgebungssystem selbst wurde verbessert, einschließlich besserer Hardware- und Wandlersysteme. Hersteller von Ultraschallbildgebungssystemen haben hart daran gearbeitet, Verbesserungen bei der Erfassung, Speicherung und Interpretation von Ultraschall/Bildern zu erzielen. Einige der bemerkenswerten Fortschritte in der Ultraschallbildgebung, die zu erheblichen Fortschritten im Gesundheitswesen geführt haben, werden im Folgenden erörtert:

• Digitalisierung: Genau wie Röntgenbilder hat sich die Ultraschallerfassung in das digitale Zeitalter bewegt. Im Vergleich zu herkömmlichem analogem Ultraschall ist das digitale Ultraschall-Diagnostik-Bildgebungssystem zuverlässiger und erzeugt tendenziell bessere Bilder. Dies liegt daran, dass der digitale Ultraschall über bessere Funktionen verfügt, darunter die folgenden:

• Digitale Strahlproduktion: Hersteller von Ultraschall-Bildgebungssystemen haben Geräte eingeführt, bei denen der Schallwellenstrahl digital gesteuert werden kann. Die Steuerung des Bildstrahls kann die räumliche Auflösung verbessern und Artefakte reduzieren. Dies verbessert den Bildkontrast.

• Verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis und Signalerfassung: Diese ermöglichen ein besseres Senden und Empfangen der Schallwelle. Dies führt zu einer besseren Bildanzeige.

• Bessere Aufbewahrung und Archivierung: Digitale/Bilder werden automatisch im Ultraschallbildgebungssystem gespeichert. Das Archivieren von /images wird auch erleichtert, da es elektronisch erfolgen kann. Dies bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit verringert ist, dass Patientenakten verlegt werden.

• Portabilität: Die Fähigkeit, große Informationsmengen auf kleine Mikrochips zu packen, hat dazu geführt, dass die einst sperrigen Ultraschallgeräte in ihrer Größe schrumpfen. Dies ermöglicht es dem Hersteller von Ultraschallbildgeräten, dem medizinischen Fachpersonal einen wichtigen Vorteil zu bieten - die Portabilität. Neue Ultraschallgeräte sind handgehalten und können vom Arzt problemlos in verschiedene Untersuchungsräume und in den Operationssaal getragen werden. Handgeräte enthalten häufig ein Mehrzweck-Ultraschallbildgebungssystem, das für jeden Zweck verwendet werden kann. Beispielsweise können mit demselben Gerät ein Screening auf Flüssigkeitsansammlung im Bauchraum, die Analyse des Blutflusses und die Erkennung fetaler Herzschläge durchgeführt werden.

• 3D- und 4D-Ultraschall: Die Haupteinschränkung des herkömmlichen Ultraschalls ist seine zweidimensionale Natur. Der Arzt muss die strukturellen und räumlichen Beziehungen zwischen verschiedenen anatomischen Strukturen verstehen und versuchen, die /images in seinem Kopf zusammenzusetzen, um sich richtig orientieren zu können. Heutzutage können 3D-Ultraschall/Bilder jedoch erhalten werden, indem eine Reihe von zweidimensionalen Bildern rekonstruiert wird. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie volumetrische Messungen unterstützen kann. Mit der 3D-Echokardiographie kann beispielsweise die Quantifizierung des atrialen und ventrikulären Volumens durchgeführt werden. Eine dreidimensionale Visualisierung der Anatomie kann auch bei der Diagnose von Erkrankungen wie Herzklappenerkrankungen helfen.
  
  4D-Ultraschall wurde auch als Teil des medizinischen Ultraschallbildgebungssystems entwickelt. Bei der 4D-Bildgebung kann der Arzt die rekonstruierten Bilder auf die gleiche Weise wie in 3D-Ultraschall/Bildern visualisieren, aber er kann auch die Funktion in Echtzeit bewerten. Durch die Verwendung von 4D-Ultraschall in der Geburtshilfe ist es beispielsweise möglich, mit der 4D-Bildgebung zu visualisieren, wie der Fötus seine Augen öffnet oder an einem Daumen saugt.

• Methoden zur Bewertung der physikalischen Eigenschaften von Geweben: Herkömmlicherweise ermöglichen Ultraschall und andere diagnostische Bildgebungstechniken für Gewebe eine Inspektion und nicht eine Palpation. Während wir also das untersuchte Gewebe oder Organ „sehen“ können, können wir es nicht „fühlen“. Fortschritte bei den medizinischen Bildgebungsverfahren mit Ultraschall haben dies jedoch ermöglicht:

• Elastographie: Bestimmte Krankheiten können zu einer Veränderung der Gewebeelastizität führen. Der Elastizitätsgrad oder die Steifheit von Geweben kann über den Elastizitätsmodul (Elastizitätsmodul) gemessen werden. Dies geschieht, indem das Gewebe durch den Schallkopf komprimiert wird und der Grad der Verformung des Gewebes unter dieser Druckkraft gemessen wird. Dies kann für verschiedene Bedingungen angewendet werden. Beispielsweise kann es verwendet werden, um eine Fibrose der Leber zu erkennen, die Ursache vergrößerter Lymphknoten zu analysieren und Schilddrüsenknoten zu identifizieren. Es kann auch zum Screening auf Malignität des Gewebes verwendet werden.

• Vibro-Akustographie: Bei dieser Technik werden zwei Ultraschallstrahlen verwendet, um die Region von Interesse zu fokussieren. Beide Strahlen haben unterschiedliche Frequenzen und neigen dazu, sich gegenseitig zu stören. Dies führt dazu, dass das Objekt von Interesse bei einer niedrigen Frequenz vibriert. Die Vibration wird von einem Mikrofon aufgenommen und in ein Bild umgewandelt. Dies ist nützlich, um härtere Massen in Weichgewebe zu erkennen, wie z. B. verkalkte Massen. Mit dieser Technik können beispielsweise Speichelsteine oder Mikroverkalkungen der Brust nachgewiesen werden.

• Kontrast-Ultraschall: Kontrastmittel wurden erfolgreich in anderen bildgebenden Verfahren wie CT-Scans und MRT-Bildgebung eingesetzt. Kontrastmittel sind typischerweise radioaktive Farbstoffe, die in die Blutgefäße injiziert werden, um das Muster des Blutflusses durch sie zu überwachen. Kontrastmittel für Ultraschall wurden erst kürzlich eingeführt. Dies sind keine radioaktiven Farbstoffe, sondern Mikrobläschen aus hochmolekularen Gasen, die in einer elastischen Hülle eingeschlossen sind. Bei einem normalen Ultraschall können Blutgefäße nicht leicht vom umgebenden normalen Gewebe unterschieden werden. Wenn Mikrobläschen jedoch in den Kreislauf eingeführt werden, oszillieren die Gasblasen als Reaktion auf die Schallwellen. Daher kann das von den Blutgefäßen empfangene Echo vom umgebenden Gewebe unterschieden werden. Heute sind Mikrobläschen mit einem Durchmesser von nur 10 µm erhältlich. Aufgrund ihrer mikroskopischen Größe können sie sogar Kapillarbetten überqueren, was Ärzten eine detaillierte Ansicht des vaskulären Netzwerks ermöglicht. Diese Technik ist besonders nützlich in der Echokardiographie und kann zur Beurteilung der linksventrikulären Funktion und des Blutflusses durch die großen Gefäße verwendet werden.

• Endoluminaler Ultraschall: Die Entwicklung kleinerer Ultraschallwandler hat ihre Aufnahme in endoskopische Geräte ermöglicht. Daher ist es möglich, mit Endoskopen bessere Bilder von inneren Organen zu erhalten. Endoluminaler Ultraschall wurde für geführte Biopsien von Läsionen in Bereichen wie dem Tracheobronchialbaum, dem Urogenitaltrakt oder der Gallenwege verwendet. Es wurde auch in der intravaskulären Region zur Steuerung von Eingriffen wie der Angioplastie eingesetzt.

Wie sieht die Zukunft aus? „Ultraschall auf einem Chip“

Die herkömmliche Wandlersonde (die piezoelektrische Kristalle verwendet) befindet sich möglicherweise auf dem Weg nach draußen. Forscher und Unternehmer haben einen Weg gefunden, künstliche Intelligenz in einen Mikrochip zu integrieren, der die neue Wandlersonde bildet. Diese schlanke, handliche Sonde kann einfach an das Smartphone des Benutzers angeschlossen werden und /Bilder können auf dem Gerät angezeigt werden. Der „Ultraschall auf einem Chip“ senkt die Hardwarekosten und kann auch zur Überwachung von Patienten zu Hause verwendet werden.

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Mit dem heutigen modernen digitalen Ultraschall-Bildgebungssystem benötigen Ärzte auch eine hochwertige Bildbetrachtungssoftware, damit der Ultraschall/die Bilder mit hoher Auflösung und Klarheit betrachtet werden können. Mit dem Aufkommen des DICOM-Standards werden alle erfassten digitalen Ultraschall/Bilder im DICOM-Format gespeichert. Die Software muss also in der Lage sein, /images in diesem Format zu lesen und zu bearbeiten. Eine ideale Software würde es Ärzten auch ermöglichen, Informationen aus den /images durch verschiedene Techniken wie Volumenrendern und Rekonstruktion zu erhalten. Die Software würde die Bildfusion ermöglichen. Dies bedeutet, dass das Ultraschallbild einer anderen Bildgebungsmodalität, wie dem CT-Scan, überlagert werden kann. Dies ermöglicht es medizinischen Experten, sich gleichzeitig anatomisch zu orientieren und gleichzeitig eine funktionelle Beurteilung zu erhalten.

Es ist auch wichtig, dass die Bildbetrachtungssoftware mit einem ebenso effizienten Speichersystem kombiniert wird. Dies liegt daran, dass digitale Ultraschallbilder ausreichend Speicherplatz benötigen und Sie einen Server benötigen, auf dem Sie mehrere Bildgebungsdateien von Patienten aufnehmen können. Mit einem solchen Speichersystem können Sie diese Dateien bei Bedarf aus dem Archiv abrufen.

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