Der Ultraschall in der Medizin

Bildgebender Ultraschall in der 

Gynäkologie 

Gyn kologie 

Dr. techn. Christian Kollmann 

Institut für Biomedizinische Technik & Physik 

Universität Wien 

Technisches Ultraschall-Labor im AKH Wien 

Ebene 4L, Währinger Gürtel 18 – 20 

A - 1090 Wien 

Tel : (+43.1) 40400 - 3983 

Fax: (+43.1) 40400 - 3988 

E-mail : christian.kollmann@akh-wien.ac.at 

Internet : www.bmtp.akh-wien.ac.at/people/kollch1/ 

© Oktober 2002, Dr. Christian Kollmann

Historische Entwicklung und Etablierung in der 

Medizin 

Der Österreicher Dussik war 1942 einer der ersten Mediziner, der den Ultraschall 

auch für medizinische-diagnostische Zwecke einsetzte 


Was ist Ultraschall ? 

Unter Ultraschall versteht man in der Akustik 

die Schallfrequenzen, die jenseits unseres 

Hörbereichs (0 - 16 KHz) liegen. 

Frequenzbereich 

des Ultraschalls 

d.h. 16 kHz – 1,6 GHz 

© Oktober 2002, Dr. Christian Kollmann 

Ultraschall 

Hörschall


Unter Ultraschall versteht man in der Akustik 

die Schallfrequenzen, die jenseits unseres 

Hörbereichs (0 - 16 KHz) liegen. 

Frequenzbereich, 

der medizinisch genutzt wird 

(Bildgebung, Therapie) 

50 kHz – 150 MHz -> 1,6 GHz (Mikroskop) 

Dieses entspricht Wellenlängen im Bereich 

zwischen 

30,8 mm - 0,01 mm. 


Medizinischer 

Ultraschallbereich 

Hörschall


Ultraschall ist eine 

mechanische Druckwelle, 

die durch ein Medium 

periodisch wandert. 

Die Ausbreitung des 

Ultraschalls ist an ein 

Medium gebunden, d.h., es 

gibt keine Ausbreitung im 

Weltraum 

(wie z.B. bei Radiowellen) 

λ = 

c 

= 

f 

cT 

Einheit : [ m ] 

c : Schallgeschw. f : Frequenz 


Wellenausbreitung 

Beispiel einer Longitudinalwelle

Waves characteristics (general) 

wave propagation 

can be as 

transversal wave or 

shear wave 

(low velocity & high damping) 

longitudinal wave 

(cyclic compression & expansion) 

and its velocity c is 

media-specific 


particle 

particle 

displacement 

Wave movement 

displacement 

Wave movement

Waves characteristics (sinusoidal wave) 

© Dr. Christian Kollmann 

A 

ϕ ( t 

) 

phase of wave 

A 

amplitude 

Wave period 

T 

A 

= A sin( ω t + 

0 

ϕ 

) 

time (t)

Waves characteristics (sinusoidal wave) 

determination of the wave period T 

and frequency f 


T 

time (t) 

f 

= 

1 

T 

unit : [ Hz ] 

T : wave period [s]

Wie wird Ultraschall erzeugt ? 

Effekt entdeckt von Curie ca. 1880 

Durch Nutzung des inversen piezoelektrischen Effektes können in bestimmten 

Kristallen und Keramiken bei Anlegung einer elektrischen Wechselspannung 

Ultraschallwellen erzeugt werden : 

Mögliche Materialien : Rochellesalz, Quarz, Keramiken (BaTiO 3 ) 


Wie wird Ultraschall erzeugt ? 

In der bildgebenden Ultraschalldiagnostik wird dazu ein Schallkopf verwendet. 

Dieser besteht aus bis zu 192 elektrisch einzeln angesprochenen Piezoelementen 

und erlaubt, die Ultraschallwelle gepulst oder kontinuierlich in den Körper mit 

einer entsprechenden Emissionsfrequenz einzubringen. 

Kontinuierliche Welle (cw) 

gepulste Welle (pw) 


Generation of Ultrasound (emitted beam) 3-D beam ! 

Circular 

vibrating 

plate 

x 

≤ 

2 

D 

[ m 

2λ 

] 

: 


Near field or 

Fresnel zone 

x = 

x 

> 

2 

D 

[ m 

2λ 

2 

D 

[m] : focal distance 

4λ 

] 

: 

Far field or 

Fraunhofer zone

Ultrasound beam characteristics (resolution) 

wave propagation 

in wave propagation : normal to wave propagation : 

c 

z0c 

δ ax = : axialresolution 

lat : lateral resolution 

∆f 

Df 

≈ δ 

D : aperture width c : sound velocity 

z o : distance aperture - object ∆f : band width 

f o : mean frequency 


0

Ultrasound beam characteristics (practical : 3-D beam) 

focal 

zone 

∆z : axial beam width ∆x : slice thickness 

∆y : lateral beam width 


Example : 

linear-array 

transducer

Ausbreitung von Ultraschall 

Wechselwirkungen erfolgen an den 

Gewebegrenzen durch unterschiedliche 

Schallgeschwindigkeiten und Gewebedichten 

(akustische Impedanz-Sprünge !) 

So läuft eine Ultraschallwelle z.B. 

•in Weichgeweben mit ca. 1450 - 1580 m/s, 

•in Knochen aber mit ca. 3000 - 4000 m/s 

(im Vergleich : Lichtgeschwindigkeit : 300.000.000 m/s) 

Prozesse der Wechselwirkung 

mit der Ultraschallwelle sind : 

-Reflexion 

- Streuung 

- Brechung 

- Absorption 

© März 2002, Dr. Christian Kollmann 

Gewebe : inhomogener Körper

Propagation of ultrasound in tissue 

(reflection) 

incident beam reflected beam 

Z 1 

Z 2 

transmitted & 

refracted 

beam 


Process of wave interaction : Reflection 

in general acoustic impedance Z 

of medium responsible for 

reflection 

-2 −1 

Z = ρ c [Kg m s 

ρ : density [ kg m -3 ] 

c : velocity [m s -1 ] 

]


(reflection) 


Medium 1 (Z 1 ) 



R 

Process of wave interaction : Reflection 

Reflection coefficient (normal incidence) : 

R 

R 

= 

= 

⎡ 

⎢ 

⎣ 

Z 

Z 

1 

1 

− 

+ 

Z 

Z 

2 

2 

⎤ 

⎥ 

⎦ 

2 

reflected intensity 

incident intensity


(transmission) 




transmitted 

beam 


T 

Process of wave interaction : Transmission 

Transmission coefficient (normal incidence) : 

T 

transmitted 

intensity 

= 

incident intensity 

T + R = 1


(scattering) 

d 


Process of wave interaction : Scattering 

d > λ : reflection 

d : particle diameter λ : wave length


(refraction) 

incident beam 

c 1 

c 2 

refracted 

beam 

α 

β 


Process of wave interaction : Refraction 

Snell´s law : 

sinα 

= 

sin β 

c 

c 

1 

2 

α,β : angle of incident, refraction 

c x : sound speed [m s -1 ]


(refraction) 

true location of 

object 


displayed location 

of object 

Process of wave interaction : 

Refraction


(absorption) 

I o 

Intensity 

(normalized) 


absorption 

depth x [cm] 


Absorption 

I 

= 

I 

I o : initial intensity 

o e 

− µ x 

µ : intensity absorption coefficient 

[cm -1 ] 

x : depth [cm] 

µ = α f 

α : attenuation constant 

f : frequency 

n : tissue specific constant (1 < n < 1.5) 

n


(attenuation) 

penetration depth [cm] 

Wave attenuated 

with α 

in tissue 


Frequency [MHz] 

Wave length [mm] 


Attenuation 

attenuation 

I 

[dB] = 10log 

I 

0 

x 

A 

= 20log 

A 

I 0,x : intensity A 0,x : amplitude 

specific coefficient in tissue : 

attenuation coefficient 

0.3 < α < 6 [dB MHz -1 cm -1 ] 

0 

x

Sound wave velocity in materials (general) 

longitudinal wave in solid 

bodies : 

Incident 

wave 

moving body 

(compressed /expanded) 


in fluids : 

c = 

E 

ρ 

E : modul of elasticity [ Pa ] 

ρ 

c 

: density of material [ Kg m -3 ] 

= 

ρ 

K 

= 

1 

χρ 

K : modul of compressibility [ Pa ] 

χ 

: compressibility [ m 2 N -1 = Pa -1 ]

Sound wave velocity in materials (general) 

Medium Sound velocity [m/s] 

Air (20°C-37°C) 344 - 353 

Water (20°C-37°C) 1483 - 1523 

Blood 1562 - 1584 

Fat 1462 - 1473 

Liver 1538 - 1580 

Kidney 1564 

Spleen 1556 - 1577 

Brain 1517 - 1562 

Bone 2650 - 4040 

Muscle 1529 - 1580 

The propagation of ultrasound is material-specific : 

an ultrasound wave is travelling 

•in tissues and liquids with ca. 1450 - 1580 m/s, 

•butin bones with ca. 3000 - 4000 m/s 

(in comparison : light speed : 300.000.000 m/s) 

© Dr. Christian Kollmann

Wie entsteht ein Ultraschallbild ? 

Reflexion der 

emittierten Schallwelle 

an Gewebegrenzen 

Im Gerät : 

Bewertung der 

Echohöhe & -tiefe aus 

der Echo-Amplitude 

und Echo-Laufzeit 

© März 2002, Dr. Christian Kollmann

Wie entsteht ein Ultraschallbild ? 

A-Bild (A-Mode) oder 

Amplitudenhöhendarstellung 

Kodierung der 

Amplitudenhöhe in 

einen Grauwert bei der 

entsprechenden Tiefe Tiefenposition 

B-Bild (B-Mode) oder 

Grauwertverfahren 


Oberfläche 2 cm 4 cm 6 cm 8 cm

Weitere Ultraschall Bildgebungstechniken 

3D / 4D - Ultraschall 

Diese Technik wird angewendet, um : 

- Volumen, Winkel, Distanzen 

zu messen & darzustellen 

- willkürliche Schallebene darzustellen 

(die nicht mit 2D möglich wären !) 

- Organe oder Oberflächen abzubilden 

(Render Mode) 


Clinical imaging techniques (3D / 4D-Mode with a special transducer) 


- internal stepper motor changes the scan 

plane inside the transducer (KretzTechnik, A) 

- the scanned volume has a pyramidal 

form that can be visualized in arbitrary 

angles 

- a special “niche” mode can be displayed 

that allows the observer to cut arbitrary 

planes within this volume and that are 

perpendicular to each other (90°)

Clinical imaging techniques (3D-Mode “ free-hand procedure “) 


- a positioning device is attached 

on a normal 2D-US probe/ transducer 

- the probe is moved “freehand” 

along the observed patient´s 

region 

- the 2D-US images and the trakking 

information is used to 

calculate a volume image


Doppler - Ultraschall 

Schallquelle kommt 

herbei 

für Hörschall : Detektion einer 

höheren Schallfrequenz f 

bzw. kleineren Wellenlänge λ 


Schallquelle entfernt 

sich 

tieferen Schallfrequenz f 

bzw. grösseren Wellenlänge λ 

- rel. Bewegung von 

Schallquelle & Empfänger 

(Christian Doppler 1843)


Doppler – Ultraschall (Darstellung dynamischer Prozesse) 

Blutgefäss 

θ 

f R 

f m 

v 

f R : empfangene Frequenz [ Hz ] 

f m : transmittierte Frequenz [ Hz ] 

v : Blutgeschwindigkeit [ cm s -1 ] 

c : Schallgeschwindigkeit [cm s -1 ] 

θ : Winkel zw. transmittierter Welle & Blutgefäss (“Dopplerwinkel”) 


- rel. Bewegung der roten Blutzellen 

(oder Kontrastmittel) zum Schallkopf 

resultiert in einer detektierten 

Doppler Shift Frequenz ∆f : 

∆ 

v 

f = f R − fm 

= 2 fm 

cos( θ ) 

c 

aus welcher die am Messort 

gemittelte Blutflussgeschwindigkeit v 

berechnet werden kann : 

v = 

∆f 

c 

2 f cos( θ ) 

m

Informationsgehalt des Dopplerspektrums I 



- V max : maximaler Geschwindigkeitsverlauf 

- V mode : zeitl. Verlauf der am häufigsten 

vertretenen Geschwindigkeit 

- V min : maximaler Geschwindigkeitsverlauf

Informationsgehalt des Dopplerspektrums II 



- V mean : zeitl. gemittelter Geschwindigkeitsverlauf, 

auch TAV mean 

(time averaged) genannt

Informationsgehalt des Dopplerspektrums III 


- V mean : zeitl. gemittelter Geschwindigkeitsverlauf, auch TAV mean 

(time averaged) genannt 

- TAV max : zeitl. gemittelter max. Geschwindigkeitsverlauf 


Informationsgehalt des Dopplerspektrums IV 

Doppler – Ultraschall (Indices) 

RI 


= 

v 

sys 

( + peak) 

− v 

v 

dia 

dia 

( − peak) 

( − peak)

Informationsgehalt des Dopplerspektrums V 


PI 


= 

v 

sys 

( + peak) 

− v 

TAV 

max 

dia 

( end)

Informationsgehalt des Dopplerspektrums VI 


RATIO 


= 

v 

sys 

v 

( + peak) 

oder 

( end ) 

dia 

v 

v 

sys 

( end ) 

( + peak) 

dia

Informationsgehalt des Dopplerspektrums VII 


PPI 


= 

v 

sys 

( + peak) 

− v 

TAV 

dia 

max 

( − peak)

Klinische Anwendungen des Ultraschalls (Bildgebung) 


kommerzieller 

Gerätepool

Modern Equipment technology : Portable & wire-less US equipment II 

Examples : 

Micros Q.V. 

(Carolina Medical, USA) 


Terason 2000 

(TeraTech Corp., USA)

Modern Equipment technology : Portable & wire-less US equipment III 

Examples : 

Sonosite 180 

(Sonosite/ATL, USA) 

Mysono 201 

(Medison, Korea) 


Klinische Anwendungen des Ultraschalls (Bildgebung) 

Je nach medizinischer Anwendung gibt es unterschiedliche Schallkopfformen : 

vaginaler 

Schallkopf 


Transösophagealer 

Schallkopf 

rektaler 

Schallkopf 

3D-Abdomen 

Schallkopf

Klinische Anwendungen des Ultraschalls 

• Fehlbildungen 

• raumfordernde Prozesse 

• Hirnblutungen und Tumoren 

• Durchblutungen 


Kopf / Gehirn / Augen 

5 cm 

fötaler Kopf 

5 cm


Herz 


• Funktionsdiagnostik 

• Tumoren, Bypass 

• Rhythmusstörungen 

• interventionelle Techniken 

Wandbewegung (“Stress-Echo „) 



Herz 


• Funktionsdiagnostik 

• Tumoren, Bypass 

• Rhythmusstörungen 

• interventionelle Techniken 


Mitrale Insuffizienz


Gynäkologie & Geburtshilfe 

• Frühe Schwangerschaftsdiagnostik 

• Tumoren, raumfordernde Prozesse 


• Organanatomie & Pathologie 

• Flussuntersuchungen 


Fluss im Uterus









Tumor im Uterus









Fötale 

Vaskularisation 

Nabelschnur

Clinical applications of Power Dopper (Angio mode &Velocity) 

Zoomed image of fetal head 

The high sensitivity of Directional Color Angio 

allows visualization of the entire pericallosum 

artery with branches 

(Toshiba) 


Directional Color Angio combined with 

conventional PW-spectral Doppler 

(Toshiba)

Clinical applications of Harmonic Imaging 


normal Tissue Harmonic Imaging 

(Siemens)

Clinical applications of Harmonic Imaging II 


Tissue Harmonic Imaging (right, Toshiba) 

4-chamber view

Clinical applications of Harmonic Imaging III (with UCA) 

Tissue Doppler (Harmonic) Imaging TDI combined with M-mode 

heart systolic / diastolic(left /right) (Toshiba) 


Clinical applications of Harmonic Imaging IV (Intermittent / Flash echo) 


Normal perfusion of the myocardium 

using Levovist as contrast Agent 

(Toshiba)








1. SSW (Ei und Yolk-Sack) Fötus 9. SSW Zwillingsschwangerschaft 










Geschlecht 

Lippen-Gaumenspalte 

Vergleich Ultraschall / Foto

Clinical imaging applications (3D-Mode) 

- fetal skeleton 


frighting fetus - 

kind of pregnancy & sex 

- twins (16. week) 

triplets (12. week) 

fetal gender - 

maldeformation & disorders 

- fetal fingers 

Comparison - 

3D-US / newborn (lip cleft)








Fötales Skelett 


Fötale Hand mit Fingern 

Fötale Ohren

Clinical imaging applications (4D-Mode, Kretz; 3-Scape, Siemens) 

- real-time (16 fps) display of 3Drendered 

fetal shape 

(Kretz Technik) 


Sicherheit und Risiken der Ultraschallanwendung 

Der Ultraschall ist eine sichere Bildgebungsmethode und bislang sind keine 

negativen Effekte an Patienten für die diagnostischen Verfahren festgestellt 

worden. 

Folgendes sollte jedoch bei der Applikation beachtet werden : 

B-Mode : nicht kontraindiziert, keine Einschränkungen 

3D/4D 

Doppler : geringst mögliche Leistung & Einsatzzeit verwenden, 

sofern die diagnostische Information nicht beeinträchtigt 

wird (prudent use). 

Minimierung der Schallexposition an einem Gewebepunkt. 

Therapie : potentiell gefährlich durch hohe Energieeinträge 

(für hohe Leistungen) (Erwärmung & mechanische Effekte). 


Gewebezerstörung !

“ Heard melodies are sweet, but those unheard 

are even sweeter “ 


Ode on a Grecian Urn 

John Keats 1819

Der Ultraschall in der Medizin

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