Wie funktioniert Ultraschall? Einfach erklärt

Wie funktioniert Ultraschall? Bei einer Ultraschalluntersuchung sendet ein Schallkopf für Menschen nicht hörbare Schallwellen in den Körper. Organe und Gewebe werfen einen Teil dieser Wellen als Echos zurück. Aus diesen Signalen berechnet das Ultraschallgerät Bilder.

Das Prinzip klingt zunächst abstrakt, lässt sich aber gut nachvollziehen. Entscheidend sind drei Dinge: Schallwellen breiten sich im Körper aus, werden an unterschiedlichen Geweben verschieden stark reflektiert und kehren zum Schallkopf zurück. Dieser Beitrag erklärt Schritt für Schritt, wie daraus das typische Ultraschallbild entsteht.

Kurz gesagt: Wie funktioniert Ultraschall?

Der Schallkopf ist gleichzeitig Sender und Empfänger. Er sendet kurze Ultraschallimpulse aus und registriert die zurückkehrenden Echos. Aus der Laufzeit und Stärke dieser Echos berechnet das Gerät, wo sich eine Struktur befindet und wie sie im Bild dargestellt wird.

Da dieser Vorgang viele Male pro Sekunde wiederholt wird, entstehen bewegte Bilder praktisch in Echtzeit.

Was ist Ultraschall?

Schall besteht aus mechanischen Wellen, die sich beispielsweise durch Flüssigkeiten und Körpergewebe ausbreiten können. Die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde bezeichnet man als Frequenz (Anzahl der Schwingungen pro Sekunde). Sie wird in Hertz angegeben.

Ultraschall liegt oberhalb des Frequenzbereichs, den Menschen hören können. Medizinische Ultraschallgeräte arbeiten mit deutlich höheren Frequenzen im Megahertzbereich. Ein Megahertz entspricht einer Million Schwingungen pro Sekunde.

Ultraschall wird auch Sonografie (medizinische Bildgebung mit hochfrequenten Schallwellen) genannt. Er eignet sich besonders zur Untersuchung vieler Organe und Weichteile, beispielsweise von Leber, Gallenblase, Nieren, Schilddrüse, Gefässen, Muskeln und Sehnen. Auch Bewegungen können unmittelbar beobachtet werden.

Einen allgemeinen Überblick über Einsatzgebiete, Ablauf und Möglichkeiten bietet der Beitrag „Ultraschall einfach erklärt“.

Wie erzeugt der Schallkopf Ultraschallwellen?

Der Schallkopf, auch Schallwandler oder Transducer genannt, enthält spezielle Wandlerelemente. Sie können elektrische Energie in mechanische Schwingungen umwandeln. Dabei entsteht Ultraschall.

Grundlage ist der sogenannte piezoelektrische Effekt (physikalisches Prinzip, bei dem bestimmte Materialien elektrische Energie in mechanische Schwingungen und umgekehrt umwandeln können). Wird eine elektrische Spannung an die Wandlerelemente angelegt, verändern sie geringfügig ihre Form. Durch sehr schnelle elektrische Impulse entstehen so Ultraschallwellen.

Der Effekt funktioniert auch in umgekehrter Richtung: Treffen zurückkehrende Schallwellen auf die Wandlerelemente, werden daraus elektrische Signale erzeugt. Deshalb kann derselbe Schallkopf Ultraschallwellen aussenden und die Echos wieder empfangen.

Warum entstehen im Körper Echos?

Eine Ultraschallwelle läuft nicht einfach unverändert durch den Körper. Sie trifft auf verschiedene Gewebe und Grenzflächen. Ein Teil der Schallenergie wird dort zurückgeworfen. Diese zurückkehrenden Schallwellen bezeichnet man als Echos.

Wie stark eine Welle reflektiert wird, hängt unter anderem von den akustischen Eigenschaften der beteiligten Gewebe ab. Eine wichtige physikalische Grösse ist dabei die akustische Impedanz (Widerstand eines Gewebes gegenüber der Ausbreitung von Schallwellen).

Für das grundsätzliche Verständnis genügt: Je stärker sich die akustischen Eigenschaften zweier benachbarter Gewebe unterscheiden, desto mehr Schall kann an ihrer Grenze reflektiert werden.

Ein Teil der Schallenergie wird reflektiert, ein anderer Teil breitet sich weiter in die Tiefe aus. Dadurch können auch tiefer gelegene Strukturen Echos erzeugen.

Wie weiss das Ultraschallgerät, wo sich eine Struktur befindet?

Das Gerät misst, wie viel Zeit zwischen dem Aussenden eines Schallimpulses und der Rückkehr seines Echos vergeht. Diese Zeit wird als Laufzeit (Zeitspanne zwischen Aussenden eines Schallimpulses und Empfang seines Echos) bezeichnet.

Kommt ein Echo sehr schnell zurück, stammt es von einer oberflächlich gelegenen Struktur. Benötigt es länger, liegt die reflektierende Struktur tiefer im Körper.

Zusätzlich registriert das Gerät die Echostärke (Intensität des zurückkehrenden Ultraschallsignals). Vereinfacht gilt deshalb:

Laufzeit des Echos: liefert Informationen über die Tiefe einer Struktur.
Stärke des Echos: beeinflusst ihre Helligkeit im Ultraschallbild.

Wie wird aus den Echos ein Ultraschallbild?

Der Schallkopf sendet innerhalb kürzester Zeit zahlreiche Ultraschallimpulse in das Gewebe. Das Gerät verarbeitet die zurückkehrenden Signale und ordnet sie ihrer jeweiligen Position zu. Viele einzelne Informationen werden so zu einem zweidimensionalen Schnittbild zusammengesetzt.

Dieser Vorgang wird fortlaufend wiederholt. Deshalb können auf dem Monitor nicht nur Organe, sondern auch Bewegungen beobachtet werden – beispielsweise die Bewegung des Herzens, die Atmung oder die Verschieblichkeit von Geweben.

Die Ärztin, der Arzt oder eine entsprechend qualifizierte Fachperson kann gleichzeitig den Schallkopf bewegen und die untersuchte Struktur aus verschiedenen Richtungen betrachten. Ultraschall ist deshalb eine besonders dynamische Form der medizinischen Bildgebung.

Warum sind manche Bereiche im Ultraschall hell und andere dunkel?

Ein Ultraschallbild besteht aus unterschiedlichen Graustufen. Sie entstehen vor allem dadurch, dass Gewebe die Schallwellen unterschiedlich stark zurückwerfen.

Einfache Flüssigkeit erzeugt in ihrem Inneren normalerweise kaum Echos und erscheint deshalb meist dunkel bis schwarz. Das sieht man beispielsweise bei einer einfachen flüssigkeitsgefüllten Zyste (mit Flüssigkeit gefüllter Hohlraum).

Organe und andere Weichteile erzeugen unterschiedliche Echomuster und erscheinen in verschiedenen Grautönen. Stark reflektierende Strukturen können dagegen sehr hell erscheinen.

Hinter einer stark reflektierenden oder stark abschwächenden Struktur kann ein dunkler Bereich entstehen. Dieser wird als Schallschatten (dunkler Bildbereich hinter einer Struktur, die Ultraschallwellen stark reflektiert oder abschwächt) bezeichnet. Ein typisches Beispiel ist der Schatten hinter bestimmten Verkalkungen oder Steinen.

Welche Strukturen und Veränderungen sich unter diesen physikalischen Bedingungen tatsächlich darstellen lassen, erläutern wir im Beitrag „Was erkennt man im Ultraschall?“.

Warum braucht man Ultraschallgel?

Zwischen Schallkopf und Haut darf möglichst keine Luft bleiben. Luft behindert die Übertragung der Ultraschallwellen in den Körper erheblich.

Das wasserhaltige Ultraschallgel verdrängt die Luft zwischen Haut und Schallkopf und stellt einen guten akustischen Kontakt her. Dadurch können die Schallwellen in den Körper gelangen und die zurückkehrenden Echos wieder vom Schallkopf empfangen werden.

Das Gel ist kein Kontrastmittel. Es dient bei der üblichen Ultraschalluntersuchung als Kontaktmedium für die zuverlässige Übertragung der Schallwellen.

Warum gibt es verschiedene Ultraschallköpfe?

Nicht jede Körperregion lässt sich mit demselben Schallkopf optimal untersuchen. Form und verwendete Frequenz werden deshalb an die jeweilige Fragestellung angepasst.

Höhere Frequenzen ermöglichen eine besonders detailreiche Darstellung, dringen aber weniger tief in den Körper ein. Sie eignen sich beispielsweise für oberflächlich gelegene Gefässe, die Schilddrüse sowie Muskeln und Sehnen.

Niedrigere Frequenzen erreichen grössere Tiefen, allerdings auf Kosten der Detailauflösung. Sie werden deshalb unter anderem für tiefer gelegene Bauchorgane eingesetzt.

Für eine Ultraschalluntersuchung des Bauches wird häufig ein Convex-Schallkopf (Ultraschallsonde mit gebogener Kontaktfläche und fächerförmigem Bildfeld) verwendet. Damit lässt sich ein relativ grosser Bereich des Bauches auch in grösserer Tiefe untersuchen.

Was erlebt man bei einer Ultraschalluntersuchung?

Bei vielen Untersuchungen liegt die Patientin oder der Patient auf einer Untersuchungsliege. Auf die entsprechende Körperregion wird Gel aufgetragen. Anschliessend bewegt die untersuchende Person den Schallkopf über die Haut und betrachtet gleichzeitig die Bilder auf dem Monitor.

Manchmal wird der Schallkopf etwas fester aufgedrückt oder Sie werden gebeten, die Position zu verändern oder kurz die Luft anzuhalten. Dadurch können bestimmte Strukturen besser dargestellt werden.

Vorbereitung und Ablauf hängen von der untersuchten Körperregion ab. Was Sie vor und während der Untersuchung erwartet, erklären wir im Beitrag „Ultraschall-Untersuchung: Ablauf und Vorbereitung“.

Warum kann Ultraschall nicht überall gleich gut eingesetzt werden?

Ultraschallwellen breiten sich nicht durch alle Materialien gleich gut aus. Besonders Luft beziehungsweise Gas und Knochen können die Untersuchung begrenzen.

Darmgas kann beispielsweise verhindern, dass dahinterliegende Strukturen ausreichend dargestellt werden. Knochen reflektiert einen grossen Teil der Schallenergie bereits an seiner Oberfläche. Das Innere eines erwachsenen Knochens lässt sich deshalb mit konventionellem Ultraschall nicht direkt beurteilen.

Auch eine grosse Untersuchungstiefe kann die Bildqualität beeinträchtigen, weil die Schallwellen auf ihrem Weg durch das Gewebe zunehmend abgeschwächt werden.

Diese physikalischen Grenzen erklären, warum Ultraschall für manche Fragestellungen hervorragend geeignet ist, während bei anderen Röntgen, CT oder MRI notwendig sein können. Eine ausführliche Erklärung dazu finden Sie im Beitrag „Warum reicht Ultraschall manchmal nicht aus?“.

Häufige Missverständnisse über Ultraschall

„Ultraschall verwendet Röntgenstrahlen.“

Nein. Ultraschall arbeitet mit mechanischen Schallwellen und verwendet keine ionisierende Strahlung (energiereiche Strahlung, die beispielsweise bei Röntgen und CT eingesetzt wird).

„Ein dunkler Bereich im Ultraschall bedeutet eine krankhafte Veränderung.“

Nicht automatisch. Flüssigkeiten erscheinen beispielsweise häufig dunkel. Ob eine dunkle oder helle Struktur normal oder krankhaft ist, lässt sich nur im Zusammenhang mit ihrer Lage, Form, inneren Struktur und der medizinischen Fragestellung beurteilen.

„Ultraschall kann jedes Organ vollständig darstellen.“

Nein. Luft, Knochen, grosse Untersuchungstiefen und andere Faktoren können die Sicht einschränken. Ein unauffälliger Ultraschall beantwortet deshalb nicht automatisch jede medizinische Fragestellung.

„Das Bild auf dem Monitor ist wie ein Foto aus dem Körper.“

Nein. Das Ultraschallbild wird aus den empfangenen Schallsignalen berechnet. Seine Darstellung hängt unter anderem von der Richtung des Schallkopfs, der Frequenz, der Untersuchungstiefe und verschiedenen Geräteeinstellungen ab.

Ist diagnostischer Ultraschall sicher?

Bei einer Ultraschalluntersuchung wird keine ionisierende Strahlung eingesetzt. Diagnostischer Ultraschall besitzt bei sachgerechter medizinischer Anwendung ein sehr gutes Sicherheitsprofil.

Ultraschall überträgt jedoch Energie in das Gewebe. Dabei sind unter bestimmten Bedingungen thermische und mechanische Effekte möglich. Deshalb werden Schallleistung und Untersuchungsdauer auf das für die medizinische Fragestellung erforderliche Mass begrenzt.

Besondere Aufmerksamkeit gilt unter anderem der Anwendung in der Schwangerschaft. Medizinisch sinnvoll eingesetzter diagnostischer Ultraschall ist ein etabliertes Verfahren; unnötige oder unnötig lange Untersuchungen ohne medizinische Indikation sollten vermieden werden.

Fazit

Ultraschall macht Strukturen im Körper mithilfe hochfrequenter Schallwellen sichtbar. Der Schallkopf sendet kurze Impulse aus und empfängt deren Echos. Aus Laufzeit und Stärke dieser Signale berechnet das Gerät die Bilder, die während der Untersuchung unmittelbar auf dem Monitor erscheinen.

Das Verständnis dieses Prinzips erklärt zugleich die besonderen Stärken und Grenzen der Sonografie: Sie ermöglicht eine dynamische Bildgebung ohne ionisierende Strahlung, ist aber darauf angewiesen, dass die Schallwellen die untersuchte Region ausreichend erreichen und wieder zum Schallkopf zurückkehren können.

Weiterführende Beiträge

Literatur und weiterführende Informationen

U.S. Food and Drug Administration (FDA): Ultrasound Imaging – Informationen zu Funktionsweise, Anwendung und Sicherheit des diagnostischen Ultraschalls.
American College of Radiology (ACR) / Radiological Society of North America (RSNA): General Ultrasound – Patienteninformation zur Sonografie.
European Federation of Societies for Ultrasound in Medicine and Biology (EFSUMB) / European Committee of Medical Ultrasound Safety (ECMUS): Clinical Safety Statement for Diagnostic Ultrasound.
European Federation of Societies for Ultrasound in Medicine and Biology (EFSUMB): Safety Statements and Guidelines.