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Patient beim Utraschall, Foto: kreativwerden - Fotolia.com © Krebsinformationsdienst, Deutsches Krebsforschungszentrum

Ultraschall: Technik, Forschung, Fachinformationen

Die Ultraschalldiagnostik gehört zu den bildgebenden Untersuchungsverfahren. Was genau ist Ultraschall und wie macht man ihn sich in der Medizin zunutze? Welche Ultraschall-Anwendungen gibt es in der Krebsmedizin und welche neuen Methoden werden erforscht? Der folgende Text gibt einen Überblick über die Funktionsweise und klinische Anwendung dieser Untersuchungsmethode.

 Häufig gestellte Fragen zur Durchführung der Untersuchung sowie zu praktischen Aspekten beantwortet der Krebsinformationsdienst in einem eigenen Text: "Häufig gestellte Fragen zum Ultraschall in der Krebsmedizin". Dem "therapeutischen Ultraschall" ist ein weiteres Kapitel gewidmet.

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Quellen und Links

Für den folgenden Text hat der Krebsinformationsdienst aktuelle Lehrbücher der bildgebenden Diagnostik und der Krebsmedizin als Quelle genutzt. Weitere Quellen und ergänzende Informationen sind am Ende dieser Seite aufgeführt.

 

Physikalische Grundlagen: Was ist Ultraschall?

Als Ultraschall (von lat.: ultra = "jenseits") bezeichnen Physiker Schallwellen jenseits der menschlichen Hörschwelle. Ob wir Schall hören können oder nicht, hängt nicht nur von der Lautstärke ab, der Amplitude, sondern auch von der Frequenz der Schallwellen. Menschen können Schallwellen mit einer Frequenz von 16 Hertz (Hz) bis 20 Kilohertz (kHz) hören, also mit 16 bis 20.000 Schwingungen pro Sekunde. Schall unterhalb von 16 Hz bezeichnet man als Infraschall, Schall oberhalb von 20 kHz als Ultraschall.

Auch wenn Menschen kein Sinnesorgan für Ultraschall haben: In der Natur gibt es viele Vorgänge, bei denen Ultraschall eine Rolle spielt. Ein Beispiel sind die Ortungslaute von Fledermäusen.

Technik: Wie funktioniert ein Ultraschallgerät?

Ultraschallgerät © Jürgen Fälchle/Fotolia
Ein Ultraschallgerät besteht aus einem Rechner mit Monitor und verschiedenen Schallköpfen für die Untersuchung. © Jürgen Fälchle/Fotolia

In der Fachsprache werden Ultraschalluntersuchungen Sonographie genannt (von lat.: sonus = "Schall", "Klang" und gr.: grapheín = "schreiben"): Dabei werden Bilder mithilfe von Schallwellen erzeugt.

Wie funktioniert das genau? Ein diagnostisches Ultraschallgerät besteht zum einen aus einer Ultraschallsonde, dem sogenannten Schallkopf, zum anderen aus einem angeschlossenen Computer, der die Signale verarbeitet und die Bilder erzeugt. Der Schallkopf dient als Sender und Empfänger der Ultraschallwellen.

Die vom Schallkopf ausgehenden Schallwellen dringen in den Körper ein, bis sie auf ein Hindernis stoßen, von dem sie aufgenommen (absorbiert) oder zurückgeworfen (reflektiert) werden. Hierin unterscheidet sich Ultraschall nicht von hörbarem Schall: Manche Materialien dämpfen den Schall, indem sie ihn aufnehmen, zum Beispiel ein weicher Teppich. Andere reflektieren den Schall und erzeugen ein Echo, zum Beispiel eine harte und kahle Steinwand. Wie gut ein menschliches Gewebe den Schall durchlässt oder aufnimmt, ist nicht nur von der Frequenz der Schallwellen, sondern auch von seiner Dichte und Elastizität abhängig. 

Je größer der Dichteunterschied zwischen den Geweben ist, desto mehr Schall wird beim Übergang vom einen ins andere Gewebe zurückgeworfen. Dieser "Widerhall" lässt sich im Computer in Bildinformationen umrechnen. Flüssigkeiten stellen für Ultraschall kein Hindernis dar, er geht einfach hindurch und wird nicht reflektiert: Blutgefüllte Adern und Lymphe in Lymphbahnen, eine volle Harnblase, aber auch Zysten mit Gewebsflüssigkeiten heben sich deutlich von anderen, nicht so flüssigkeitsreichen Strukturen ab. Weil kein Echo erzeugt wird, bleibt das Bild schwarz. Wo Gewebe an Luft grenzt, zum Beispiel in der Lunge oder im Darm, oder an Knochen, wird der Schall aufgehalten und reflektiert. Ein Teil der Schallwellen wird dabei gestreut und erzeugt kein messbares Echo. Die Schallwellen jedoch, die senkrecht auf das Hindernis treffen, werden auch wieder senkrecht auf den Schallkopf zurückgeworfen und können zur Bildgewinnung genutzt werden: Ein starkes Echo wird auf dem Bildschirm hell dargestellt. 

Strukturen, die hinter Knochen oder einem luftgefüllten Raum liegen, befinden sich im sogenannten Schallschatten. Sie können nicht abgebildet werden, weil Knochen den Schall vollständig reflektiert und Luft die Schallwellen "schluckt".

Technik: Wie funktioniert die Doppler-Sonographie?

Bei der sogenannten Doppler-Sonographie macht man sich den nach dem österreichischen Physiker Christian Doppler benannten Effekt zunutze. Der Effekt beschreibt die Ausdehnung oder Verkürzung von Schallwellen, die von bewegten Objekten ausgehen.

Als Schall bezeichnet man die Ausbreitung von Druckunterschieden in einem Gas oder einer Flüssigkeit, zum Beispiel in Luft oder Wasser. Schall breitet sich wellenförmig mit einer gleich bleibenden Geschwindigkeit aus. Da die Schallgeschwindigkeit sich nicht ändert, spielt für den Zuhörer die Entfernung zur Schallquelle eine Rolle: Verändert sich diese Entfernung rasch, weil sich die Schallquelle auf einen zu oder von einem weg bewegt, treffen die Schallwellen in immer kürzeren oder längeren Abständen auf das Ohr. Mit der veränderten Frequenz steigt oder fällt die Tonhöhe.

Diesen Effekt kennt man aus dem Alltag: Hört man einen Rettungswagen mit Martinshorn, scheint sich die Tonhöhe mit jedem Meter zu verändern, den der Wagen näher kommt – sie wird höher, da sich der Abstand verkürzt, mit dem die Schallwellen auf das Ohr treffen. Entfernt sich der Rettungswagen wieder, klingt das Martinshorn wieder zunehmend tiefer, da die Schallwellen in immer längeren Abständen das Ohr erreichen.

Diesen Doppler-Effekt nutzt man beispielsweise dazu, um zu messen, ob und wie schnell das Blut in den Gefäßen fließt. Die Schallwellen, die das Ultraschallgerät aussendet, werden von den roten Blutkörperchen zurückgeworfen, die auf den Schallkopf zufließen oder sich von ihm weg bewegen. Je nach Geschwindigkeit der Blutkörperchen empfängt die Sonde unterschiedliche Signale. Die Ultraschallsignale können von einem angeschlossenen Computer in hörbare Töne oder in modernen Geräten auch in Bilder umgewandelt werden. Bei Verengungen der Blutgefäße, zum Beispiel durch einen Tumor oder ein Blutgerinnsel, eine sogenannte Thrombose, ist die Fließgeschwindigkeit verändert: Die Tonhöhe ändert sich.

Bei der sogenannten Duplexsonographie wird eine normale Ultraschalluntersuchung mit einer Doppler-Sonographie kombiniert. So können einerseits Adern und die sie umgebenden Gewebe sichtbar gemacht werden, gleichzeitig lassen sich die Strömungsverhältnisse des Blutes in ihnen messen. Die mit einem leistungsfähigen Computer kombinierten Bilder können sogar die Strömungsrichtung des Blutes in verschiedenen Farben anzeigen ("Farbdoppler").

Forschung: Weiterentwicklungen und experimentelle Methoden

Neben den zur Tumordiagnostik bereits routinemäßig angewandten Ultraschalluntersuchungen gibt es weitere Untersuchungsmethoden, die sich den Ultraschall zunutze machen, aber noch keine Standarduntersuchungen sind. Einige werden bereits in einigen Zentren angewendet, andere sind noch Gegenstand der Forschung und kommen allenfalls in klinischen Studien zum Einsatz.

Die folgende alphabetische Auflistung gibt keine Auskunft über den aktuellen Stellenwert der Untersuchungsverfahren und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Welche Bedeutung die Methoden im Rahmen der Krebsfrüherkennung oder Krebsdiagnostik haben, wird für Ärzte und andere Fachleute zum Beispiel in den medizinischen Leitlinien zu den einzelnen Krebsarten dargestellt. Weitere Fachinformationen zum Thema sind unten im Abschnitt "Zum Weiterlesen: Linktipps, Quellen, Fachinformationen" verlinkt.

  • 3D-Ultraschall und 4D-Ultraschall: Neben dem klassischen zweidimensionalen Ultraschalbild gibt es Geräte, die ein dreidimensionales Bild erstellen können oder dieses sogar in Echtzeit erzeugen, als sogenannter 4D-Ultraschall oder Live-3D-Ultraschall. In der Krebsdiagnostik wird beispielsweise erforscht, ob mehrdimensionaler Ultraschall bei der Beurteilung von Veränderungen im Brustgewebe helfen kann.
  • Computergestützter Ultraschall (Beispiele: HistoScanning™, C-TRUS-ANNA): Der computergestützte Ultraschall wird zur Beurteilung von Prostatakrebs herangezogen. Dabei werden Schallköpfe verwendet, die mithilfe einer Sonde ins Rektum eingeführt werden. Die Ultraschall-Daten werden von einem Computersystem ausgewertet und zeitverzögert als 3D-Bilder wiedergegeben. Möglicherweise tumorverdächtige Geweberegionen werden automatisch markiert und sollen es den untersuchenden Ärzten erleichtern, passende Stellen für eine Gewebeentnahme (Biopsie) aufzufinden. Es handelt sich noch um ein experimentelles Verfahren. 
  • Hochfrequente Sonographie der Haut: Die hochfrequente Ultraschalldiagnostik wird insbesondere vor Operationen eingesetzt, um die Ausdehnung von Hauttumoren zu beurteilen. Je tiefer ein zu untersuchendes Organ im Körper liegt, desto niedriger muss die Frequenz des zu wählenden Schallkopfs sein. Die hochfrequenten Schallwellen haben eine Eindringtiefe von weniger als einem Zentimeter. Sie eignen sich daher nicht für die Untersuchung innerer Organe, zur Beurteilung oberflächlicher Tumoren der Haut sind sie hingegen besonders geeignet.
  • Kontrastmittelverstärkter Ultraschall (contrast enhanced ultrasound, CEUS): Der kontrastmittelverstärkte Ultraschall macht sich zunutze, dass Tumoren oft besser durchblutet sind als das umliegende Gewebe. Er wird beispielsweise bei der Diagnostik des Prostatakarzinoms angewendet, gehört jedoch nicht zu den  Routineuntersuchungen. Als Patient erhält man ein Kontrastmittel aus gasgefüllten Mikrobläschen in eine Vene gespritzt. Das Kontrastmittel reflektiert die Ultraschallwellen sehr stark und ist deshalb im Ultraschallbild sichtbar. So kann die Gefäßversorgung eines Tumors dargestellt werden.
  • Ultraschall-Elastographie (Sono-Elastographie): Das Gewebe, das man untersuchen möchte, wird durch von außen einwirkende, regelmäßige Druckwellen in Schwingung versetzt oder der untersuchende Arzt übt Druck mit der Ultraschallsonde aus. Nun können Bildaufnahmen mithilfe von Ultraschall oder der Magnetresonanztomographie gemacht werden. Ein Computerprogramm wertet Unterschiede zwischen den Bildern aus: Bei weichem, elastischen Gewebe gibt es größere Verschiebungen als bei festem. Tumoren sind oft härter und weniger komprimierbar als das umliegende gesunde Gewebe. Auch die Unterscheidung von gut- und bösartigen Tumoren kann möglich sein: Oft sind gutartige Tumoren weicher und komprimierbarer.

Therapeutischer Ultraschall

Ultraschall eignet sich nicht nur, um Krebs im Körper zu entdecken, er wird auch benutzt, um Krebs gezielt zu bekämpfen. Dem sogenannten therapeutischen Ultraschall ist ein eigenes Kapitel gewidmet.

 

Zum Weiterlesen: Linktipps, Quellen, Fachinformationen (Stand: 12/2014)