1.2.2 Kenngrößen einer Schallwelle

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A 1 Physikalische und technische Grundlagen
A-1.3
A-1.3
Skizze einer Transversal- und einer Longitudinalwelle
Transversalwelle
Bei Transversalwellen (z. B.
Meereswellen) schwingen
die Teilchen senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung, bei
Longitudinalwellen (z. B.
Ultraschallwellen) parallel
zur Ausbreitungsrichtung.
Teilchenschwingung
transversal
Longitudinalwelle
(z. B. Ultraschall)
Teilchenschwingung longitudinal
1.2.2 Kenngrößen einer Schallwelle
1.2.2 Kenngrößen einer Schallwelle
Dies sind:
Die Amplitude (A, „Höhe der Welle“).
Die Frequenz (f, Anzahl der Schwingungen pro Sekunde).
Die Kenngrößen einer Schallwelle sind:
Die Amplitude (A), d. h. der maximale Druck („Höhe der Welle“).
Die Frequenz (f), d. h. die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde, mit der
Einheit Hertz (Hz). Für die diagnostische Ultraschallanwendung kommen
in der Medizin Frequenzen zwischen 1 und 50 Megahertz (1 MHz = 106 Hz)
zum Einsatz, am häufigsten 2,5–15 MHz.
Die Wellenlänge (l), d. h. der Abstand zweier benachbarter Wellenberge
(genauer: der minimale Abstand der Punkte gleicher Phase).
Die Ausbreitungs-, d. h. die Schallgeschwindigkeit (c). Sie hängt vom Medium
ab, in dem sich die Schallwelle ausbreitet (Tab. A-1.1), nicht von der Frequenz. Einen starken Einfluss haben zusätzlich Druck und Temperatur. Im
physiologischen Körpertemperaturbereich kann dieser Effekt jedoch in der
Regel vernachlässigt werden. Als eine einfache Merkhilfe für den täglichen
Gebrauch kann dienen, dass die Schallgeschwindigkeit mit der „Festigkeit“
eines Mediums ansteigt.
Die Wellenlänge (l, Abstand zweier
benachbarter Wellenberge).
Die Schallgeschwindigkeit (c), die
abhängig vom Medium ist (Tab. A-1.1).
n Merke
A-1.1
n Merke: Die Schallgeschwindigkeit in Weichteilgewebe liegt bei ca.
1500 m/s und steigt mit der „Festigkeit“ des Gewebes an.
A-1.1
Gewebe
c (m/s)
Schallgeschwindigkeiten in verschiedenen Geweben
Luft
331
Wasser
1496
Muskel
1568
Fett
1476
Leber
1570
Niere
1560
Milz
1565
Gas
Flüssigkeit
Festkörper
Luft
Weichteilgewebe
Knochen
Delorme/Debus, Duale Reihe: Sonographie (ISBN 3-13-136952-3), c 2005 Georg Thieme Verlag
Knochen
3360
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A 1.3 Wie wird Ultraschall erzeugt?
A-1.2
Sonographisch relevante Frequenzen und die zugehörigen
Wellenlängen
Frequenz (MHz)
1
2
3,5
5
7
Wellenlänge (mm)
1,5
0,75
0,43
0,3
0,21
10
0,15
A-1.2
20
0,075
Die drei Größen Frequenz f, Wellenlänge l und Schallgeschwindigkeit c stehen
in einem einfachen physikalischen Zusammenhang:
Frequenz q Wellenlänge = Schallgeschwindigkeit
fql=c
Diese Formel ist von zentraler Bedeutung für die medizinische Sonographie.
Mit ihrer Hilfe lässt sich die Wellenlänge l der Ultraschallwelle ausrechnen,
die der Abschätzung der minimalen Größe gerade noch darstellbarer Strukturen dient. Strukturen, die kleiner sind als die verwendete Wellenlänge, sind
nicht mehr darstellbar.
n Merke: Die Wellenlänge ist ein grobes Maß für die Detailerkennbarkeit. Je
höher die Frequenz, desto kleiner die Wellenlänge, desto geringer die Größe
gerade noch differenzierbarer Strukturen.
Die Detailerkennbarkeit nimmt mit steigender Frequenz der Schallwellen zu.
Gleichzeitig nimmt mit steigender Frequenz auch die Schwächung der Schallwellen durch das Gewebe (s. S. 11 zu, so dass die erreichbare Untersuchungstiefe mit steigender Frequenz abnimmt.
n Merke: Die Wellenlänge für die Sonographie liegt in der Größenordnung
von 0,1 mm bis 1 mm (Tab. A-1.2). Kleinere Strukturen können nicht einzeln
dargestellt werden.
Der physikalische Zusammenhang zwischen Frequenz f, Wellenlänge l und
Schallgeschwindigkeit c lautet
fql=c
Diese Formel ist sehr wichtig für die
medizinische Sonographie, denn mit ihrer
Hilfe lässt sich die Wellenlänge bestimmen.
m Merke
Mit steigender Frequenz nimmt die
Schwächung der Schallwellen durch das
Gewebe zu und die erreichbare Untersuchungstiefe ab.
m Merke
1.3 Wie wird Ultraschall erzeugt?
1.3
1.3.1 Piezoelektrischer Effekt
1.3.1 Piezoelektrischer Effekt
Zur Erzeugung von Ultraschall für die medizinische Diagnostik wird in der
Regel der piezoelektrische Effekt genutzt: Piezoelektrische Kristalle und Keramiken verformen sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung (Abb. A-1.4).
Bei Anlegen von Wechselspannung verformen sie sich periodisch, so dass
mechanische Schwingungen, also Schallwellen entstehen. Der piezoelektrische
Effekt ist umkehrbar: Schallwellen verformen die piezoelektrische Substanz,
wodurch eine messbare elektrische Spannung entsteht. Piezoelektrische Substanzen dienen also sowohl als Ultraschallsender als auch als -empfänger.
Eine Ultraschallwelle entsteht, indem sich eine mechanische Schwingung in
einem angekoppelten Medium ausbreitet. „Angekoppelt“ bedeutet, dass zwischen dem Ultraschallsender und dem Medium, in dem sich der Ultraschall
ausbreitet, eine sehr gute Schallleitung besteht. Hierzu verwendet man meist
handelsübliches Ultraschall-Gel.
Eine speziell gefertigte Schicht auf dem Ultraschallsender (Anpassungsschicht)
erleichtert den Übergang der Schallwellen vom Sender ins Gewebe zusätzlich.
Piezoelektrische Kristalle und Keramiken
verformen sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung (Abb. A-1.4). Bei Anlegen von Wechselspannung entstehen
Schallwellen. Durch Umkehr des Effektes
wird also die piezoelektrische Substanz
zum Schallempfänger.
n Praktischer Tipp: Seien Sie beim Reinigen der Schallköpfe (= des Ultraschallsenders) vorsichtig! Die Anpassungsschicht geht bei den meisten
Schallköpfen kaputt, wenn diese aus „Hygienegründen“ des Öfteren mit
alkoholischen Desinfektionsmitteln besprüht werden. Befolgen Sie deshalb
die Reinigungsempfehlungen des Herstellers.
Wie wird Ultraschall erzeugt?
Eine Ultraschallwelle ist eine mechanische
Schwingung, die sich in einem angekoppelten Medium ausbreitet.
Die Anpassungsschicht erleichtert den
Übertritt des Schalls in das Medium.
m Praktischer Tipp
Delorme/Debus, Duale Reihe: Sonographie (ISBN 3-13-136952-3), c 2005 Georg Thieme Verlag