Ultraschallsonden (Linear, Konvex, Sektor, TEE, Matrix uvw.)

Ultraschallsonden

Der Ultraschallgerät Aufbau setzt sich aus einem Ultraschallgerät, der dazugehörigen Ultraschallsonde, dem im Ultraschallkopf verbauten Ultraschallwandler und dem Monitor zusammen. Der Ultraschallwandler wird von dem System gesteuert und dient dem Senden und Empfangen von Ultraschallwellen, sodass aus diesem Wandler-Datensatz ein Ultraschallbild dargestellt werden kann.

Je nach Ultraschallsonde bzw. -wandler kann ein zwei- oder dreidimensionales Ultraschallbild erzeugt werden. Zwar hat die Sonographie auch vom Fortschritt der Computertechnologie profitiert, den größten Anteil daran trug jedoch die stetige Entwicklung der Schallköpfe.

Es gibt verschiedene Ultraschallsonden-Typen, welche in verschiedenen Fachbereichen (Bsp.: Kardiologie, Frauenheilkunde, Urologie usw.) eingesetzt werden, wobei einige Ultraschallköpfe auch interdisziplinär genutzt werden können. Weiter wird zwischen intrakorporalen und extrakorporalen Schallköpfen unterschieden: Bei einem vaginalen Ultraschall mit einem Gynäkologie-Ultraschallgerät wird die Stabsonde in die Scheide eingeführt, sodass sie möglichst nah am Zielobjekt positioniert werden kann und dadurch die Bildqualität verbessert wird. Bei der Abdomensonographie über die Bauchdecke erfolgt dementsprechend kein Zugang in den Körper.

Hinweis: Verwenden Sie ein Ultraschallgerät für die Veterinärmedizin, dann dürfen Sie die dazugehörige, mind. einmal benutzte Ultraschallsonde nicht mehr für humanmedizinische Zwecke verwenden.

Ultraschallwandler

Der Ultraschallwandler (Ultraschallkopf, Transducer) ist in der Ultraschallsonde verbaut und kann Schallenergie in elektrische Energie und umgekehrt umwandeln (piezoelektrischer Effekt). Er besteht aus einem aktiven Piezoelement (meist piezokeramisch), einem Gehäuse und elektrischen Anschlüssen. Der Wandler kann, wie z. B. bei einem 1D-Array (linear), mehrere zehn oder Hunderte von aktiven Arrays (elektronische Multi-Element-Systeme, Einzelschwinger) besitzen. Das Array dient dem Empfangen und Senden von Ultraschallwellen.

Umrahmt ist der Ultraschallwandler von einer akustischen Linse, welche ihn vor äußeren Beschädigungen schützt. Zudem fokussiert die Linse den Ultraschallstrahl auf einen konkreten Punkt (Snelliussches Brechungsgesetz). Präferiert werden sollten Materialien mit niedrigen Dämpfungskonstanten, um den Verlust an Ultraschallenergie innerhalb der Linse zu verringern.

Grundlegend lassen sich drei verschiedene Ultraschallwandler-Typen klassifizieren:

• 1D-Arrays
  • die am weitesten verbreitete Bauform
  • Ultraschall-Bildgebung erfolgt zweidimensional in der senkrecht auf die Oberfläche des 1D-Arrays stehenden Ebene
• motorisierte 1D-Arrays (3D-Wandler)
  • 1D-Arrays werden in der dritten Dimension mechanisch geschwenkt
• 2D-Arrays (Matrix-Arrays)
  • rein elektronische Abtastung des gesamten abzubildenden Objektvolumens
  • Erzeugung eines pyramidenförmiges Strahlmuster mit sofortiger Volumenbild-Aufnahme
  • hohe Kosten

Die Qualität des Ultraschallbildes ist abhängig von den Leistungsparametern des Ultraschallwallwandlers. Dazu gehören vor allem die axiale und laterale Auflösung sowie die Empfindlichkeit.

Weiter kann man den Ultraschallkopf hinsichtlich der Anordnung der Piezo-Kristalle, der Bauform, dem Hertz-Bereich und dem Schallfeld unterteilen. Dadurch ergibt sich auch die Bezeichnung der Ultraschallsonde, wobei Linear-, Konvex- und Sektorsonden am gängigsten sind.

Ultraschallsonden-Typen und Unterschiede

Es gibt verschiedene Ultraschallsonden-Typen, wobei jeder Typ für eine bestimmte Untersuchung besser geeignet ist, als die andere. Am häufigsten im Einsatz sind vor allem Linear-, Konvex- und Sektorsonden.

Unterschiede zwischen den Ultraschallsonden-Typen ergeben sich bspw. bei der Größe des Sichtfeldes, der Eindringtiefe der Ultraschallwellen und in welcher Form die Wellen ausgesendet werden.

In Abhängigkeit zum Ultraschallwandler lassen sich folgende Unterscheidungsmerkmale zwischen den einzelnen Ultraschallsonden-Typen identifizieren:

• Anordnung der piezoelektrischen Kristalle (dienen dem Senden und Empfangen
• Frequenz (Einheit: Hertz): Je höher die Frequenz, desto detaillierter fallen die erzeugten Bilder aus. Dafür können diese nicht so tief eindringen und bieten somit weniger Bildtiefe. Es muss also die richtige Frequenz für die jeweilige Untersuchung gewählt werden, um gute Ergebnisse zu erzielen.
• Footprint (Schallkopf-Auflagefläche, Größe): Dies ist der Teil des Schallkopfs, der mit dem Patienten in Kontakt kommt. Ein großer Footprint kann beim Versuch in einen kleinen Bereich vorzudringen ein Problem sein. Für den intrakorporalen Ultraschall (Rektum, Vagina) werden spezielle Schallköpfe benötigt. Kleinere Ultraschallsonden besitzen meist einen geraden und schmalen Footprint. Größere extrakorporale Sonden eher einen gebogenen oder geraden mit breitem Footprint.

Damit Sie alle Ultraschallsonden-Typen auf einen Blick vergleichen können, haben wir für Sie folgende Tabellen-Übersicht zusammengestellt:

Quelle: Current Directions in Biomedical Engineering, Band 4, Heft 1

Möchten Sie eine Ultraschall-Elastographie durchführen, dann muss der Schallkopf für dieses Bildgebungsverfahren auch ausgelegt sein.

Linear-Sonden

Die Kristalle einer Linearsonde (Linearscanner) sind nebeneinander angeordnet und sorgen dafür, dass die erzeugten Schallwellen in gerader Linie erzeugt werden. Je nach Sondengröße können bis zu 400 piezoelektronische Elemente verbaut sein. Mehrere dieser Kristalle, die für den Aufbau einer Bildzeile verantwortlich sind, werden gruppiert und “Linear-Array” genannt. Angetrieben durch einen elektrischen Impuls, sendet jeder Kristall eine Schallwelle aus, wodurch sich in Summe mit den anderen Arrays eine Art “Ultraschallwellenfront” aufbaut. Das Steuern der Kristalle kann das Strahlprofil entlang der Azimutrichtung ändern. Das Ultraschallbild erhält dadurch seine rechteckige Form. Die Ansteuerung der Elemente wiederholt sich so oft in Laufrichtung, bis ein vollständiges Ultraschallbild erzeugt wird. Nur wenn diese Prozesse innerhalb von 1/20 Sekunden ablaufen, kann eine Realtime-Darstellung mit 20 Bildern pro Sekunde (20 Hz) generiert werden (Vgl. Kramme, Medizintechnik, 2017).

Linearsonden besitzen eine gute Nahfeld-Auflösung, eine hohe Betriebsfrequenz und können bis zu einer Scantiefe von ca. 4 - 5 cm eindringen. Sie können sowohl für die 2D- als auch für die 3D-Ultraschallbildgebung genutzt werden:

• 2D-Bildgebung (Großer Footprint, 2,5 Mhz - 12 Mhz)
  • Mammasonographie
  • Dickenmessung von Körperfett und Muskeln
  • Vaskuläre Untersuchungen
  • Intraoperativ, Laparoskopie
  • Photoakustische Bildgebung
  • Schilddrüsenuntersuchungen
  • Sehnen, arthrogen
  • Venenpunktion, Visualisierung von Blutgefäßen
• 3D-Bildgebung (großer Footprint, 7,5 MHz - 11 MHz)
  • Arteria carotis der vaskulären Anwendung
  • Mammasonographie
  • Schilddrüse

Konvex-Schallkopf (Curved-Array-Sonden)

Zulasten der Auflösung können Konvex-Schallköpfe (Curved-Array-Sonden) ein breiteres und tieferes Ultraschallbild erfassen. Hier sind die Piezo-Ultraschallwandler konvex in gekrümmter Linie entlang der Azimutrichtung angeordnet. Das Funktionsprinzip ist dasselbe wie bei den Linearsonden, allerdings ist das Sichtfeld deutlich größer und das Ultraschallbild hat eine Fächerform. Je nach gewünschter Untersuchung stehen unterschiedliche Krümmungsradien zur Verfügung. Der Konvex-Schallkopf kann bis zu einer Scantiefe von über 20 cm.

Auch Konvex-Sonden können für die 2D- und 3D-Ultraschallbildgebung verwendet werden:

• 2D-Bildgebung (großer Footprint, 2,5 MHz - 7,5 MHz)
  • Abdominale Untersuchungen
  • Transvaginale und transrektale Untersuchungen
  • Organdiagnosen
• 3D-Bildgebung (großer Footprint, 3,5 MHz - 6,5 MHz)
  • Abdomensonographie

Mikro-Konvex-Sonden werden üblicherweise bei Neugeborenen und in der Pädiatrie eingesetzt.

Sektorsonden - Phased-Array-Sonden

Verbirgt sich ein zu schallendes Objekt/Organ hinter einem anderen, dann empfiehlt sich eine Sektorsonde (Phased Array-Sonde). Die Lunge oder das Herz, welche sich hinter den Rippen befinden, ist hier exemplarisch anzuführen. Die Anzahl der phasengesteuerten Arrays ist deutlich kleiner als bei einer Linear- oder Konvexsonde. Die Ansteuerung der Piezo-Ultraschallwandler erfolgt zeitversetzt bzw. phasenversetzt, wobei der Strahlpunkt zunächst klein ist, sich in Abhängigkeit von der Frequenz jedoch weiter ausdehnt. Die Nahfeldauflösung ist eher schlecht, die Strahlform ist fast dreieckig und die Scantiefe reicht bis zu 30 cm.

Aufgrund der geringen Auflagefläche, bringt die Sektorsonde den Vorteil des fehlenden Rippenschattens mit sich. Durch die versetzte Ansteuerung leidet jedoch die laterale Auflösung, da die Divergenz der Strahlen mit zunehmender Tiefe deutlich schlechter wird. Technisch lässt sich diese Problematik durch Interpolationen ein Stück weit ausgleichen.

Die Frequenz von Phased-Array-Sonden liegt bei etwa 1 - 12 MHz und eignet sich für folgende Untersuchungen:

• kardialer Herzultraschall
• Gehirn-Sonographie
• Lungensonographie

Matrix Array Sonden

Die Matrix-Array-Sonde kann bis zu 1000 zweidimensional, individuell ansteuerbaren Kristallen enthalten. Die elektronische Fokussierung ist damit nicht nur in der lateralen, sondern auch in der Elevations-Ebene (senkrecht) möglich. Mit einer gleichförmigen Schichtdicke von bis zu 25 cm Tiefe hat der Matrix-Array-Ultraschallkopf den Vorteil, dass Schichtdicken-Artefakte weitestgehend verhindert und kleinste Strukturen mit hoher Auflösung artefaktfrei dargestellt werden können. Zudem führt die verringerte Strahldivergenz und die erhöhte Energiedichte der Matrix-Sonde dazu, dass bei gleicher Penetrationstiefe höhere Ultraschallfrequenzen ausgesendet werden können, sodass die axiale Auflösung verbessert wird.

Info: Der Fokusbereich, auch als fokale Einschnürung bezeichnet, gibt Auskunft über die Auflösung einer Ultraschallsonde. Die laterale Auflösung ist umso höher, je schmaler das Schallfeld im Fokusbereich ist. Die von den Ultraschallsonden-Herstellern bereitgestellten Informationen über die Auflösung beziehen sich in der Regel auf die fokale Einschnürung. Wichtig hierbei ist jedoch auch die Position des Fokus, welcher sich im Optimalfall genau am zu schallenden Zielobjekt/Organ befindet sollte. Im Gegensatz zu mechanischen, können elektronische Ultraschallsonden die Fokusposition elektronisch verschieben. Unterschieden wird zwischen dynamischer Fokussierung und Schichtdickenfokussierung.

CW-Stift-Sonden

Stiftsonden, die auch als CW-Doppler-Sonden bezeichnet werden, haben eine kleine Öffnung und eine niedrige Frequenz (für gewöhnlich 2 MHz - 8 MHz). Typische Anwendungsbereiche sind:

• Blutdurchflussmessung
• Messung der Schallgeschwindigkeit im Blut

Endokavitär-Sonden

Endokavitär-Sonden haben den Vorteil, dass sie näher am Zielorgan positioniert werden können, da Sie in eine Körperöffnung hineingeführt werden. Eingeführt werden können Endo-Sonden in den oberen Gastrointestinal-Trakt, in die Vagina oder das Rektum. Kommt dabei ein flexibles Endoskop zum Einsatz, so spricht man von “Endosonographie”.

Vaginalsonden werden vor der Untersuchung mit einer Schutzhülle umschlossen, um vor Keimen und Erregern zu schützen und ca. 8 cm in den weiblichen Intimbereich eingeführt. Rektalsonden werden für Untersuchungen des Afters genutzt und ebenfalls vor der Untersuchung mit einer Schutzhülle überzogen. Diese länglichen Sonden verfügen ebenfalls über einen Handgriff, welcher eine einfache und direkte Handhabung der Sonde gewährleistet. In der Regel haben sie kleine Öffnungen und eine Frequenz im Bereich von 3,5 Mhz - 11,5 Mhz. Typische Anwendungsbereiche sind:

• Rektale Untersuchung
• Vaginale Untersuchung
• Bewertung von Tumoren, Bauchspeicheldrüse sowie Gallen- und Bauchspeicheldrüsengängen
• Biopsie

TEE-Sonden

Für ein transösophageales Echokardiogramm (TEE) wird eine spezielle TEE-Sonde (Echoskop) benötigt. Diese wird über die Speiseröhre in den Patienten eingeführt und schallt das Herz von innen. Dadurch können Informationen über Aufbau, Größe und Funktionsfähigkeit der Herzklappen und Herzkammern gewonnen werden.TEE-Sonden haben eine kleine Öffnung und eine Frequenz im Bereich von 3 MHz - 10 MHz.

Handheld-System: Kabellose Ultraschallsonde mit Handy

Für größtmögliche Flexibilität ohne störende Kabel empfehlen sich kabellose Ultraschallsonden. Die Datenübertragung solcher Systeme funktioniert per Bluetooth oder WiFi, wobei das Endgerät meist ein Handy bzw. Smartphone ist. Solch ein Ultraschallscanner wird hauptsächlich in der Notfall- und Veterinärmedizin eingesetzt.

Eine kabellose Ultraschallsonde können Sie bspw. mit folgenden Geräten betreiben:

• Clarius Ultraschall-Geräte
• Youkey D8
• Sonon 300L

Preise

Der Preis einer Ultraschallsonde liegt im Durchschnitt bei etwa 1.000 - 25.000 €. Die große Preisspanne lässt sich u.a. durch die verbaute Technologie erklären: ein moderner 4D-Schallkopf ist wesentlich teurer, als eine gewöhnliche 2D-Linearsonde. Wie teuer ein Ultraschallkopf, segmentiert nach Sondentyp, ungefähr ist, können Sie der nachfolgenden Übersicht entnehmen:

Moderne Sonden werden aus Kristallen hergestellt, die für gewöhnlich mehr als 10 Jahre halten können. Sonden verlieren an Qualität, wenn Elemente und Kristalle beschädigt wurden. Sie sind mit Gummi / einer Linse bedeckt, die bei übereifrigen Sterilisationsverfahren abgenutzt werden kann und ersetzt oder repariert werden muss. Mechanische Sonden haben eine sehr viel kürzere Lebenserwartung und können je nach Häufigkeit der Nutzung in der Regel 3 bis 5 Jahre halten, bevor sie ersetzt werden müssen.

Tipp: Je nach Schwere des Schadens können Sie Ihre Ultraschallsonde ggf. bei einem Reparatur-Service reparieren lassen.

Reinigung und Desinfektion

Um Infektionen zu vermeiden, ist bei der Aufbereitung von Ultraschallsonden besondere Vorsicht geboten. Dies gilt für allem für Schallköpfe, die intrakorporal, also in eine Körperöffnung hineingeführt werden, eingesetzt werden, da jene Bereiche besonders empfindlich ggü. Krankheitserregern sind.

Wie bei der Instrumentenaufbereitung, werden Ultraschallsonden in “unkritisch”, “semikritisch” oder “kritisch” eingestuft. Die Ansprüche bei der Aufbereitung einer kritischen Ultraschallsonde, welche bspw. intraoperativ eingesetzt wird, sind höher, als bei einer unkritischen, die lediglich mit intakter Haut in Berührung kommt.

Es wird unterschieden zwischen Reinigung und Desinfektion. Während bei der Reinigung lediglich Wert auf eine “visuelle Sauberkeit” gelegt wird, ist die Desinfektion, je nach Risikoklasse der Ultraschallsonde, reglementiert. Die Reinigung der derzeit am Markt verfügbaren Ultraschallsonden kann (noch) nicht maschinell mit einem Thermodesinfektor durchgeführt werden, so die DGSV. Bei der Desinfektion werden üblicherweise Wischdesinfektionstücher benutzt. Sie können die Ultraschallsonden Desinfektion allerdings auch automatisieren, wie z. B. mit dem Trophon 2, der mit Hilfe von Wasserstoffperoxid maschinell desinfiziert.