Bildeinstellung mit der 5 Schritte-Methode (B-Mode)
Einleitung
In der Sonographie ist die konsequente Bildeinstellung und Bildoptimierung erforderlich, um eine möglichst hohe Qualität und Aussagekraft der Ultraschallbilder zu erreichen. Technisch gute Sonogramme erleichtern die Interpretation der Sonoanatomie, die Übersetzung der Ultraschallphysik in die menschliche Anatomie und sind daher von großer Bedeutung.
Was ist der Unterschied zwischen Bildeinstellung und Bildoptimierung?
- Die Bildeinstellung bezieht sich auf grundlegende Anpassungen, um überhaupt ein verwertbares Bild zu erhalten. Dazu gehört zunächst die Auswahl der geeigneten Ultraschallsonde, die wesentlich von Größe und Lage des des Zielobjektes bestimmt wird.Weitere Schritte sind die Anpassung von Parametern wie Frequenz, (Bild-)Tiefeneinstellung, Anzahl und Position der Fokuszone(n) und Verstärkung (Gain).
- Die Bildoptimierung geht über die Bildeinstellung hinaus und zielt auf die bestmögliche Bildqualität (Detailtreue) ab. Zu diesen Feineinstellungen gehören Kontrastanpassungen (Dynamic Range), spezielle Filtertechniken (z.B. Speckle Reduction), die Nutzung zusätzlicher Frequenzen (Harmonic Imaging) oder Spatial Compound Imaging.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Bildeinstellung der erste Schritt ist, um ein grundsätzlich verwertbares Bild zu erzeugen, während die Bildoptimierung auf die bestmögliche Darstellung abzielt.
Inhaltsverzeichnis
Warum ist neben der Bildeinstellung auch die Bildoptimierung wichtig?
Du kannst erkennen, wie stark die Bildeinstellung und –optimierung die Darstellung beeinflussen, indem du ein Rohsignal mit einem gering prozessierten Bild vergleichst.
In Sonogramm B wurden folgende Techniken eingesetzt: Harmonic-Imaging, Compound-Imaging und Speckle Reduction. Es ist sinnvoll, sich mit Bildoptimierungstechniken vertraut zu machen, da sie in jedem modernen Ultraschallsystem verwendet werden und oft bereits beim Laden eines Presets (siehe unten) automatisch aktiviert sind.
Vorab wird aber die Bildeinstellung vorgenommen.
Bildeinstellung
Ich stelle immer wieder fest, dass das ursprüngliche B-Bild als gottgegeben hingenommen wird und selbst der erste Schritt zum perfekten Bild nicht voll ausgeschöpft wird. Dabei ist die Bildeinstellung keine Raketenwissenschaft. Mit etwas Übung und der folgenden Kurzanleitung gelingen Dir bessere Bilder. Versprochen!.
Als Friese würde ich sagen: „Mok dat Bild heel moi, nu mutt de Dorsch an’t Deck!“
Kurzanleitung zur Bildeinstellung
Die ersten 4 Schritte sind rudimentäre Bildeinstellungen, Schritt 5 umfasst zusätzliche Bildoptimierungstechniken. In diesem Blogbeitrag liegt der Schwerpunkt auf der Bildeinstellung („First things first“ – weiterführende Hinweise und Erläuterungen finden sich weiter unten).
- Sonde und Frequenz auswählen
- Bildschirmtiefe einstellen
- Verstärkung anpassen (Gesamtverstärkung und laufzeitabhängige Verstärkung-TGC)
- Fokus adaptieren (Anzahl der Zonen und/oder der Position)
- gf. Bildoptimierungstechniken (iT: Imaging Technologies) einsetzen (HI: Harmonic Imaging, SCI: Spatial Compound Imaging)
Technische Erklärungen und Hinweise zu den 5 Schritten
Sondenauswahl
Das Untersuchungsziel bestimmt, welche Ultraschallsonde du verwenden solltest. In der Anästhesie typische sonografische Untersuchungen betreffen die Organdiagnostik in Akutsituationen, sowie Interventionen an Nerven (Regionalanästhesie, Schmerzmedizin) und Gefäßen. Die am häufigsten verwendeten Ultraschallsonden hierfür sind:
Abdomen (FAST) Sonografie (convex array):
Der durch die gekrümmt angeordneten Schallelementebedingte, kaffeefilterartige Bildschirmausschnitt bietet eine gute Übersicht. Durch die üblicherweise verwendeten niedrigeren Frequenzen bietet diese Sonde eine ausreichende Eindringtiefe, um Niere, Blase, Leber oder das Retroperitoneum untersuchen zu können.
Daher wird dieses Sondendesign häufig als „Abdomensonde“ bezeichnet, wobei es selbstverständlich auch in anderen Regionen Anwendung findet, bei denen gute Übersicht und hohe Eindringtiefe erforderlich sind, z. B. bei parasakralen Nervenblockaden, Psoas–Kompartment–Blockaden oder der Wirbelsäulensonografie. Die laterale Auflösung nimmt aber technisch bedingt mit zunehmender Tiefe analog zur TTE-Sonde ab.
Transthorakale Echokardiografie (TTE, phased array):
Der sonografische Zugang zum Herzen erfordert eine Sonde mit kleinem Footprint, um durch den schmalen Zwischenrippenraum Schallauslöschungen durch die Rippen zu vermeiden. Eine niedrige Frequenz ist notwendig, um das gesamte Herz intrathorakal darstellen zu können.
Das Sondendesign erklärt sich durch die Kombination aus sektorförmigem Bildschirmausschnitt, einer kleinen Auflagefläche, bedingt durch den Zwischenrippenraum und einer niedrigen Frequenz mit hoher Eindringtiefe. Der Nachteil der niedrigen Frequenz – die verringerte räumliche Auflösung – bleibt bestehen, kann jedoch durch Harmonic Imaging (siehe unten) teilweise kompensiert werden.
Periphere Nerven, small parts, Gefäßzugänge (linear array):
Da diese Strukturen meist oberflächlich unter der Haut oder nur wenige Zentimeter tief liegen, können höhere Frequenzen verwendet werden. Diese haben zwar eine geringere Eindringtiefe ermöglichen aber aufgrund der kürzeren Wellenlänge eine bessere axiale Auflösung.
Für solche Anwendungen wird häufig eine Standard–Linearsonde mit einer Breite (Auflagefläche) von etwa vier Zentimetern verwendet. Für kleinste oberflächliche Strukturen, wie Hautnerven, eignet sich eine Linearsonde mit noch kleinerer Auflagefläche und höheren Frequenzen. Bei gleichen Frequenzen bietet die kleinere Auflagefläche automatisch eine Vergrößerung des Bildausschnitts und damit des Untersuchungszieles. Dies entspricht der sogenannten Small-Parts-Sonografie in der Anästhesie (Beitrag smallparts-Sonografie auf Radiomegahertz).
Die obige Abbildung zeigt die unterschiedlichen Bildschirmausschnitte von drei regelmäßig in der Anästhesie verwendeten Ultraschallsonden. Der Bildschirmausschnitt wird im Englischen als Field of View (FOV) bezeichnet.
Die Bildschirmtiefe kann direkt am Gerät eingestellt werden, während die Bildschirmbreite festgelegt ist. Das bedeutet, dass ein großes Organ wie das Herz bezogen auf die Bildschirmbreite verkleinert, ein kleines Blutgefäß oder Nerv hingegen auf derselben Bildschirmbreite grösser dargestellt wird. Bei Zunahme der Bildschirmtiefe nimmt die Bildschirmbreite ab.
Die drei oben genannten Sonden unterscheiden sich technisch in mehreren Punkten
- Form (gerade (linear) konvex (gebogen) oder stabförmig (rund)
- Anzahl der Elemente (mehrere oder single-christal)
- Anordnung der Elemente (einreihig, mehrreihig/flächig – sogenannte Matrix-Sonden)
- Größe der Auflagefläche (footprint)
- Frequenzbereich
- akustische Linse
- Leistung
- Möglichkeiten der elektronischen Weiterverarbeitung
Merke:
Die Sondenauswahl mit ihrem spezifischen Frequenzbereich und Bildschirmausschnitt ist der erste und vermutlich wichtigste Schritt. Die Auswahl richtet sich nach dem Untersuchungsziel.
Presets für die Sonden
Die Ultraschallgerätehersteller bieten Voreinstellungen (Presets) an, die Anwender*innen die organspezifische Untersuchung erleichtern sollen, um ohne Verzögerung mit der Untersuchung beginnen zu können.
Ein Preset umfasst Voreinstellungen mehrerer Parameter, die direkt zu Beginn der Untersuchung geladen werden. Diese können vom Untersucher dann angepasst werden. Dazu gehören beispielsweise:
- Bildschirmtiefe
- Frequenzbereich
- Position der Fokuszone
- Graustufen
- Dynamic Range
- Bildoptimierungstechniken
- Auswahlmöglichkeiten für Messungen auf der Bedienoberfläche
- und vieles mehr
Die Hersteller benennen die Presets häufig nach dem Untersuchungstyp (z. B. Echokardiografie Erwachsene) oder dem zu untersuchenden Organ (z. B. Schilddrüse, oberflächliche Venen). Ein Preset ist jedoch lediglich eine Empfehlung des Geräteherstellers. Gleichlautende Presets verschiedener Hersteller können sich erheblich unterscheiden und sind nicht zwangsläufig die beste Wahl für die individuelle Untersuchung.
So kann beispielsweise für die Darstellung des Plexus brachialis am Hals auch ein Schilddrüsen– oder „Small Parts“-Preset verwendet werden. Nur durch Ausprobieren lassen sich die Unterschiede erkennen. Es lohnt sich, verschiedene Presets zu vergleichen. Sobald du ein für dich geeignetes Preset gefunden und angepasst hast, kannst du es unter einem eigenen Namen speichern. Weitere Feineinstellungen kannst du jederzeit vornehmen, das Preset auch überschreiben oder unter anderem Namen erneut speichern.
Tiefe
Die Einstellung der Bildschirmtiefe darf nicht mit der Eindringtiefe der Ultraschallwellen verwechselt werden. Die Bildschirmtiefe kann nahezu beliebig angepasst werden, unabhängig davon, ob die Ultraschallwellen diese Tiefe physikalisch überhaupt erreichen können.
Warum wird empfohlen, die Bildschirmtiefe immer anzupassen?
- Um das Untersuchungsziel möglichst groß darzustellen.
- Um bei ausreichender Übersicht relevante umliegende Strukturen zu erkennen.
Merke:
„So tief wie nötig, so gering wie möglich!“
Ein zusätzlicher Vorteil: Je geringer die Bildschirmtiefe, desto höher ist die Bildwiederholrate (Framerate).
Ein Beispiel am N. saphenus (siehe Abbildung):
- Bei einer Bildschirmtiefe von 6 cm beträgt die Framerate 31 Hz.
- Bei einer Bildschirmtiefe von 3,5 cm steigt die Framerate auf 53 Hz.
Außerdem wird bei einer geringeren Bildschirmtiefe die Breite des Bildschirms besser ausgenutzt, und der N. saphenus erscheint größer und deutlicher.
Frequenz
Merke:
Wähle die Frequenz, die (a) dein Untersuchungsziel erreichen kann und (b) die bestmögliche Auflösung bietet.
Jede moderne Sonde sendet einen Frequenzbereich aus. Am Ultraschallsystem kann das Spektrum innerhalb des sondenspezifischen Bereichs eingegrenzt werden. Dabei ist zu beachten, dass Ultraschallwellen einer spezifischen Frequenz innerhalb des Spektrums unterschiedliche Energien besitzen.
Bei einer Sonde mit einem Frequenzspektrum von 4–14 MHz haben beispielsweise die Frequenzen am unteren (4 MHz) und oberen Ende (14 MHz) des Bereichs die geringste Energie. Die sogenannte Mittenfrequenz besitzt in der Regel die höchste Energie, liegt aber nicht zwangsläufig in der rechnerischen Mitte des Frequenzbandes Daher kann es sich lohnen, z.B. Linearsonden mit auf den ersten Blick ähnlichen Freqenzspektren zu vergleichen.
Wenn beispielsweise für ein tief liegendes Ziel die Energie der oben genannten Linearsonde (4–14 MHz) zu niedrig ist – selbst bei Einstellung der niedrigsten Frequenz und der daraus resultierenden höheren Eindringtiefe – können keine ausreichend starken Signale empfangen werden.
In einem solchen Fall könnte der Einsatz einer Konvexsonde mit einem Frequenzbereich von 2–6 MHz hilfreich sein, da die Energie in diesem Bereich ausreichend hoch wäre. Allerdings könnten durch die konvexe Form der Sonde Ankopplungsartefakte auf einer geraden Körperoberfläche entstehen und die räumliche Auflösung nimmt ab.
Du müsstest dich also zwischen zwei Einschränkungen entscheiden oder auf eine Linearsonde mit einem niedrigeren Frequenzspektrum zurückgreifen.
Grafische Darstellung des Verhältnisses von Frequenz (Wellenlänge) und Eindringtiefe von Ultraschallwellen. Je niedriger die Frequenz, desto höher die Eindringtiefe – und umgekehrt. Allerdings müssen niedrige Frequenzen auch die erforderliche Energie besitzen, um bei einer Reflexion ein ausreichend starkes Signal generieren zu können.
Darstellung des N. ischiadicus für eine von anterior geplante Blockade. Links im Bild wird eine Convex-Sonde im mittleren Frequenzbereich verwendet, rechts im Bild eine Breitband Linear-Sonde mit einem Frequenzbereich von 2-14MHz mit der niedrigsten einstellbaren Frequenz.
Beide Sonden emittieren die erforderliche niedrige Frequenz, ab nur die Convex-Sonde kann aufgrund der höher energetischen Ultraschallwellen den N. ischiadicus darstellen. Das ist auch am mechanischen Index (MI) zu erkennen.
Foto von vier Linear-Arrays, die äusserlich ähnlich erscheinen, sich aber innerlich hinsichtlich der technischen Eigenschaften signifikant unterscheiden.
Und somit ist auch zu erklären, warum man sich zu Weihnachten die vierte Linearsonde wünscht.
Verstärkung (Gain)
Die Verstärkung, Gain, erhöht das von den Kristallen generierte niedrige elektrische Signal für die Weiterverarbeitung. Der Gain eine Empfangsverstärkung der rückkehrenden Echos, keine Sendeverstärkung.
Wird ein Signal verstärkt, erscheint es im B-Mode heller. Der Gain ist somit davon abhängig, dass reflektierte Ultraschallwellen überhaupt ein Signal erzeugen können. Er erhöht nicht die Leistung, die Energie der ausgesendeten Ultraschallwellen.
Anders formuliert: Ist das Bild schwarz, kannst du daraus grau machen, aber mehr Details wirst du nicht erkennen.
Du müsstest die Frequenz verringern und / oder die Energie erhöhen, damit die Ultraschallwellen das tief gelegene Ziel erreichen und reflektiert werden können. Klassischerweise dient der B-mode-Knopf als Drehregler für die Gesamtverstärkung, Systeme mit Touch-Displays besitzen einen Schieberegler.
Konfluieren benachbarte echogene Bereiche zu einer weißen Fläche, ist das ein eindeutiger Indikator für eine zu hohe Verstärkung: Das Sonogramm ist overgained. Gebiete mit hohem Impedanzunterschied, zum Beispiel Pleura und Lunge, sind besonders anfällig für Overgain. Makroskopisch ist die Pleura dünn, sonografisch kann sie jedoch durch eine zu hohe Verstärkung verdickt erscheinen oder sogar als „pathologisch verdickt“ interpretiert werden. Zusätzlich werden bei einem Overgain auch die Artefakte verstärkt, was beispielsweise dorsal der Rippen erkennbar ist.
Werden Abstandsmessungen durchgeführt, zum Beispiel zur Bestimmung der Tunica-Media-Dicke der A. carotis communis oder des Durchmessers des linksventrikulären Ausflusstrakts der Aorta, ist eine korrekte Gain-Einstellung besonders wichtig. Eine zu hohe Verstärkung kann dazu führen, dass nicht der tatsächliche, sondern ein künstlich verringert erscheinender Abstand der Gefäßwände gemessen wird. Dies könnte den Befund verfälschen und sich auf die klinische Beurteilung und die Therapie auswirken.
Laufzeitabhängie Verstärkung (TGC)
Während der Gain (Gesamtverstärkung) die Verstärkung für das gesamte Bild gleichmäßig anpasst, wirkt die Time-Gain-Compensation (TGC) selektiv und optimiert die Verstärkung in definierten Tiefenbereichen.
Ultraschallwellen verlieren mit zunehmender Eindringtiefe aufgrund der Dämpfung (Attenuation) im Medium stark an Energie. Wellen, die eine größere Transmissionsstrecke zurücklegen, habe deutlich mehr Energie verloren, als solche, die an oberflächlicheren Strukturen reflektiert werden.
Die TGC gleicht diese Effekte aus: Tiefere Signale, die stärker gedämpft, weniger energiereich und eine längere Laufzeit besitzen, können mehr verstärkt werden als oberflächlichere Signale mit kürzeren Laufzeiten, geringerer Dämpfung und mehr Energie. Dies ermöglicht eine gleichmäßigere Helligkeit in unterschiedlichen Tiefen.
Alternative Bezeichnungen:
- Depth-Gain-Compensation
- Laufzeitabhängige Verstärkung
- Tiefenabhängige Verstärkung
Bedienung und Merkhilfe:
Für die tiefenabhängige Einstellung der Verstärkung stehen Schieberegler (Sliders) zur Verfügung. Diese befinden sich entweder mechanisch auf dem Keyboard oder elektronisch auf einem Touch-Display. Jeder Regler steuert die Verstärkung für einen bestimmten Tiefenbereich:
- Oberste Regler: Nahbereich (kurze Laufzeit, nahe der Sonde).
- Unterste Regler: Tiefenbereich (lange Laufzeit, weiter von der Sonde entfernt).
Während der Anpassung siehst du die Auswirkungen unmittelbar im Bild:
- Dunkle Bereiche werden aufgehellt.
- Überbelichtete Bereiche werden abgedunkelt.
Feinjustierung:
Die TGC-Anpassung sollte iterativ erfolgen. Es kann notwendig sein, die Verstärkung während der Untersuchung mehrmals zu korrigieren, um eine optimale Darstellung der relevanten Strukturen zu gewährleisten. Für weitere Informationen und Anwendungsbeispiele sieh dir das folgende Video an: Time-Gain-Compensation – Radiomegahertz.
Bildschirmausschnitt (FOV, field of view)
Zur Bildeinstellung, nicht Bildoptimierung, gehört auch die gezielte Anpassung des Bildschirmausschnittes. In dem 5-Schritte-Diagramm wurde die FOV aus Übersichtsgründen nicht explizit aufgeführt. Ausserdem: Sonografierende, die die FOV bewusst verändern, sind mit der Bildeinstellung bereits vertraut.
Je breiter der Bildschirmausschnitt ist, desto höher ist die benötigte Rechenleistung des Ultraschallsystems. Die Folge ist eine geringere Bildwiederholrate (framerate). Soll zum Beispiel möglichst jede Bewegung der Mitral– und Aortenklappe dargestellt werden, ist eine hohe Bildwiederholrate hilfreich. Das kann durch Verkleinerung des Bildschirmausschnittes (Sektors) erzielt werden (siehe nächste Abbildung).
Die Field of View (FOV) kann aber auch vergrößert werden. Im Abschnitt über Compound Imaging weiter unten im Text wird erläutert, wie dies elektronisch umgesetzt wird. Dies kann zur anatomischen Orientierung hilfreich sein, da mehr von der umgebenden Sonoanatomie dargestellt wird. Die nächste Abbildung zeigt den Nervus tibialis auf Höhe des Malleolus medialis für eine geplante schmerztherapeutische Intervention.
- Links ist der rechtwinklige Standard–Bildschirmausschnitt einer Linear-Sonde mit kleinem Footprint abgebildet.
- Rechts ist die korrespondierend virtuell konvexe Ansicht dargestellt.
In der konvexoiden Ansicht wird deutlicher, dass sich eine in-plane-Punktion von dorsal aufgrund der Verletzungsgefahr der Achillessehne nicht anbietet. Zwar könnte die Intervention in beiden Sonogrammen durchgeführt werden, doch ist in der erweiterten Ansicht die sonoanatomische Orientierung deutlich besser.
Im Gegensatz zur Abbildung mit der schmalen FOV in der langen parasternalen Achse, bei der die Framerate hochgehalten wird, dient die konvexoide Ansicht des N. tibialis – teilweise auch als pseudokonvex bezeichnet – der erweiterten Übersicht und einem besseren anatomischen Verständnis, ohne primären Fokus auf die Framerate.
Fokuszone
Die Auflösung im Ultraschall beschreibt die Fähigkeit zwei eng beinander liegende Reflektoren diskriminieren zu können. Je höher die Auflösung, desto mehr Details.
Die Fokuszone ist der innerhalb eines bestimmtes Bereiches der Ort der höchsten lateralen Auflösung. Sie ist der Ort, wo eng benachbarte Reflektoren, die quer zur Schallwellenausbreitung liegen, unterschieden werden können. Die laterale Auflösung ist immer geringer als die axiale und ist somit ein „Auflösungs-Nadelöhr“. Sie ist um den Faktor 2-4 geringer als die axiale Auflösung, die der Unterscheidbarkeit von Reflektoren im Schallwellenverlauf entspricht. Mehr über die drei räumlichen und der zeitlichen Auflösung findest du in einem Videobeitrag auf Radiomegahertz.
Es gibt zwei Formen wie Ultraschallwellen fokussiert werden können:
- mechanisch oder
- elektronisch.
Während eine mechanische Fokussierung durch eine Linse (bzw. deren Krümmung) oder mit mehreren Linsen erfolgt, werden bei der elektronischen Fokussierung die Kristalle einzeln zeitversetzt angesteuert, um in ihrer Gesamtheit eine Bündelung erreichen zu können (siehe nächste Abbildung und auch den Absatz über Compound Imaging).
Bildoptimierung
Ziel(e) der Bildoptimierung
Nach der korrekten Einstellung der Zielstruktur – den Bildeinstellungen – stehen dir weitere technische Möglichkeiten zur Verfügung, um das Bild zu perfektionieren.
Zur Bildoptimierung gehört es, Artefakte zu minimieren, Grenzen hervorzuheben und Feinstrukturen zu erkennen. Allerdings können Optimierungsverfahren bei falscher Anwendung auch nachteilig sein (z. B. bei der Lungensonografie).
Im Gegensatz zu den Parametern der Bildeinstellung, die auf jedem System verfügbar sind, bieten nicht alle Ultraschallgeräte Technologien zur Bildoptimierung. Diese Technologien stellen höhere Anforderungen an die Rechenleistung und die Ultraschallsonden.
Häufig angewendete Techniken sind:
- Compound Imaging
- Harmonic Imaging
- Speckle Reduction
COMPOUND Imaging
Spatial Compound Imaging ist eine Technologie, die mehrere Ultraschallbilder zu einem einzigen fusioniert, wobei jedes einzelne Bild aus unterschiedlichen Winkeln insoniert wird. Das ursprüngliche Ziel der Entwicklung von Compound Imaging war es, Artefakte wie laterale oder dorsale Schattenbildung zu reduzieren und gekrümmte Oberflächen schärfer und deutlicher darzustellen.
Technisch basiert die Technologie auf einer elektronischen Schallwellenlenkung, die durch das zeitversetzte Ansteuern der einzelnen Kristalle ermöglicht wird. Die anschließende Signalverarbeitung und Bildfusion erfolgt im Rechner des Systems.
Compound Imaging gilt als Game Changer in der Sonografie, jedoch gibt es Untersuchungen, bei denen du Compound Imaging bewusst deaktivieren solltest: in der Lungen-Sonografie, bei der Artefakte gezielt zur Diagnose oder zum Ausschluss eines Pneumothorax genutzt werden, ist Compound Imaging weniger hilfreich, da es diese Artefakte reduziert.
Räumliches (Spatial) Compound Imaging ist der technisch korrekte Terminus. Die Gerätehersteller verwenden jedoch häufig eigene Bezeichnungen. Wie stark sich Compound Imaging auf das B-Bild auswirken soll, kann in der Regel am System graduiert eingestellt werden.
Da ein Compound-Bild aus mindestens drei Einzelbildern besteht – mit Schallstrahlen, die senkrecht, von links und von rechts ausgerichtet sind – wird mehr Zeit für die Verarbeitung benötigt. Dies führt dazu, dass weniger Bilder pro Sekunde dargestellt werden können (Frames per Second, Framerate in Hz). Die Bildwiederholrate sinkt, da ein neues Bild erst generiert werden kann, wenn das vorherige vollständig prozessiert wurde. Techniker bezeichnen dies auch als eine Verringerung der zeitlichen Auflösung.
Eine hohe Framerate ist jedoch besonders bei ultraschallgestützten Interventionen von Bedeutung: Je höher die Framerate, desto flüssiger erscheint das Bild, und desto schneller und präziser können der Kanülenvorschub oder eine Injektion beobachtet werden.
HARMONIC Imaging
Harmonic Imaging (harmonische Bildgebung) nutzt die harmonischen Frequenzen (Obertöne) einer Schallwelle, um die Bildqualität zu verbessern. Zusätzlich zur ausgesendeten Grundfrequenz werden harmonische Frequenzen analysiert, die durch die Interaktion der Schallwellen mit dem Gewebe entstehen.
Was ist der technische Hintergrund von Harmonic Imaging?
Ultraschallwellen werden mit einer bestimmten Grundfrequenz (f₀) gesendet. Beim Durchgang durch das Gewebe erzeugen nichtlineare Wechselwirkungen zwischen Schallwellen und Gewebe Oberwellen. Die Oberwellen werden als Harmonische bezeichnet und sind ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz.
- Grundfrequenz (f₀)
- Doppelte Frequenz (2f₀)
- Dreifache Frequenz (3f₀) usw.
Für Harmonic Imaging wird meist die zweite Harmonische (2f₀) genutzt.
Signalempfang und Verarbeitung:
Die Sonde sendet Ultraschallwellen mit der Grundfrequenz aus, ist jedoch so eingestellt, dass sie die Signale der zweiten Harmonischen empfängt und verarbeitet. Die empfangenen harmonischen Signale werden verwendet, um ein Bild zu erstellen. Diese Signale haben spezielle Eigenschaften, die Artefakte reduzieren und die Bildqualität verbessern.
Welche Vorteile bietet Harmonic Imaging?
- Reduktion von Rauschen und Artefakten:
Grundfrequenz–Streuungen (z. B. durch Geweberauschen, Nebenkeulen-Artefakte) werden minimiert, da sie überwiegend in der Grundfrequenz auftreten und in den harmonischen Frequenzen weniger ausgeprägt sind. - Bessere Fokussierung:
Harmonic Imaging verstärkt Signale, die von tieferen Gewebeschichten stammen, wodurch das Bild fokussierter und klarer erscheint. - Höhere Auflösung:
Die harmonischen Frequenzen haben kürzere Wellenlängen, was die Auflösung des Bildes verbessert, insbesondere bei der Darstellung kleiner Strukturen. - Reduktion von Oberflächenartefakten:
Oberflächliche Gewebestrukturen und Luft-Artefakte, die in der Grundfrequenz stark reflektieren, beeinflussen harmonische Signale weniger stark.
Technische Umsetzung
- Anpassung der Sonde: Die Sonde ist so konstruiert, dass sie harmonische Frequenzen optimal empfängt, während sie unerwünschte Grundfrequenzen unterdrückt.
- Bandpassfilter: In der Signalverarbeitung werden die harmonischen Frequenzen mittels eines Bandpassfilters herausgefiltert, während die Grundfrequenz und andere Frequenzen unterdrückt werden.
- Bildgebung: Die empfangenen harmonischen Signale werden zur Erzeugung des Bildes verwendet, wobei die Fokusbereiche und Bilddetails optimiert werden.
Einschränkungen von Harmonic Imaging
- Die Intensität der harmonischen Signale ist abhängig von der Gewebebeschaffenheit und nimmt in tiefen Gewebeschichten ab, da harmonische Frequenzen stärker gedämpft werden.
- Aufgrund der höheren Frequenz (z. B. 2f₀) werden harmonische Signale schneller abgeschwächt, was die Effektivität bei der Untersuchung tiefer Strukturen einschränken kann.
- Geräte, die Harmonic Imaging unterstützen, sind technisch aufwendiger und teurer, da sie präzise Filter und Verstärker benötigen.
Zusammengefaßt nutzt Harmonic Imaging die zweite harmonische Frequenz, die durch nichtlineare Wechselwirkungen von Ultraschallwellen und Gewebe entsteht. Diese Technik verbessert die Bildqualität durch die Reduktion von Artefakten und Rauschen sowie eine bessere Auflösung.
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Referenzen und Links
Zander, D.; Hüske, S.; Hoffmann, B.; Cui, X.-W.; Dong, Y.; Lim, A.; Jenssen, C.; Löwe, A.; Koch, J.B.H.; Dietrich, C.F. Ultrasound Image Optimization (”Knobology”): B-Mode. Ultrasound Int Open 2020, 6, E14–E24. doi:10.1055/a-1223-1134
Desser, T.S.; Jeffrey, R.B. Tissue harmonic imaging techniques: physical principles and clinical applications. Semin Ultrasound CT MR 2001, 22, 1–10. doi:10.1016/s0887-2171(01)90014-9