Kann Schwarz-Weiß-Farbultraschall noch als Farbultraschall bezeichnet werden?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Zeng Qiuyuchen (Ultraschalllabor)

Hersteller: China Science Expo

Stellen Sie sich folgende Szene vor: Sie gehen zu einer körperlichen Untersuchung ins Krankenhaus, betreten den Farbultraschallraum und der Arzt fummelt lange mit einem mysteriösen Instrument an Ihrem Bauch herum und stellt dann einen Diagnosebericht aus. Sie halten den Bericht in der Hand und sehen deutlich das folgende Bild im Bildbereich des Berichts aufgedruckt:

Bildquelle: Dokument 1

Sie schauen sich den Bericht verwundert an und fragen den Arzt: Warum wurde bei mir ein „Farbultraschall“ gemacht, das Bild im Bericht ist aber schwarz-weiß?

Der Arzt warf einen Blick auf den Bericht und sagte: „Ja, dies ist der Farbultraschallbericht“, und ging dann zum nächsten Patienten, um ihn aufzurufen.

Sie sind voller Zweifel und fragen sich, was in aller Welt Farbultraschall ist und warum ein „Farb“-Ultraschall nicht farbig sein kann? Also versuchen Sie nach Ihrer Rückkehr nach Hause online nach „Was ist Farbdoppler-Ultraschall“ zu suchen und erhalten diese Antwort:

Color Doppler Flow Imaging (CDFI) ist die Abkürzung für Farbultraschall. Der Farbdoppler-Ultraschall verarbeitet die erhaltenen Doppler-Informationen, verwendet eine Farb-Graustufencodierung, um die Richtung und Geschwindigkeit des Blutflusses mit unterschiedlichen Farben und Helligkeiten zu identifizieren und überlagert sie auf das Ultraschallbild vom Typ B.

Angesichts dieser Reihe von Beschreibungen, bei denen Sie scheinbar jedes Wort verstehen, aber keine Ahnung haben, was sie zusammen bedeuten, scheinen Sie noch mehr darüber verwirrt zu sein, warum der Farbultraschallbericht schwarz-weiß ist.

Um intuitiv zu verstehen, was Farbultraschall ist, warum wir Farbultraschall durchführen müssen und die Frage „Warum Farbultraschall schwarzweiß sein kann“, müssen wir mit der Geschichte der medizinischen Ultraschalluntersuchung beginnen.

Die früheste Form des Ultraschalls - A-Ultraschall

Wenn eine Person auf einem Berggipfel steht und in Richtung der gegenüberliegenden Klippe schreit, werden die Schallwellen von der gegenüberliegenden Klippe reflektiert und erzeugen ein Echo. Wenn Sie sich ein wenig mit Physik auskennen, können Sie die Entfernung zwischen Ihnen und der gegenüberliegenden Klippe auch berechnen, indem Sie die Zeitdifferenz zwischen dem Rufen und dem Hören des Echos messen.

Bildquelle: askitians

Nach einem ähnlichen Prinzip funktioniert auch die medizinische Ultraschalluntersuchung. Als Ultraschall erstmals in der medizinischen Untersuchung zum Einsatz kam, verwendeten die Ärzte nicht die langen und flachen Ultraschallsonden, die wir heute üblicherweise sehen, sondern Sonden, die eher wie Zylinder aussahen. Diese Sonde erzeugt einen langen, dünnen Ultraschallstrahl.

Bildquelle: Fotografiert vom Autor

Wenn sich ein dünner Ultraschallstrahl im menschlichen Körper ausbreitet und auf verschiedene Gewebe oder die Grenzen zwischen Geweben und Organen trifft, wird aufgrund geringfügiger Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften verschiedener Gewebe im menschlichen Körper ein Teil der Ultraschallwelle reflektiert.

Bildquelle: Vom Autor erstellt

Mit einer Sonde zeichnen wir diese reflektierten Echos auf und stellen sie in Form einer Zeitamplitude auf einem Oszilloskop dar.

Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschall im menschlichen Körper etwa 1540 m/s beträgt, können wir die von der Ultraschallsonde aufgezeichnete Echozeit problemlos dem Abstand zwischen der Grenze des menschlichen Gewebes und der Sonde zuordnen.

Dies ist die älteste Form der medizinischen Ultraschalluntersuchung: die Amplituden-Ultraschalluntersuchung, auch A-Ultraschall genannt.

Bildquelle: Vom Autor erstellt

Die Funktion der A-Ultraschalluntersuchung entspricht dem Öffnen eines kleinen virtuellen „Fensters“ im menschlichen Körper mithilfe einer Ultraschallsonde, ohne den menschlichen Körper zu schädigen. Mithilfe dieses Fensters können Ärzte erkennen, in welcher Tiefe sich das menschliche Gewebe in einem bestimmten Teil des menschlichen Körpers verändert hat, beispielsweise im Herzen im Bild oben. Auf der Grundlage vorhandener medizinischer Erkenntnisse können sie so Diagnosen stellen.

Ultraschall hat gegenüber anderen medizinischen Untersuchungsmethoden viele Vorteile. Es ist nicht-invasiv, strahlungsfrei und das Untersuchungsgerät ist klein, tragbar und einfach zu bedienen.

Der Aufbau menschlichen Gewebes ist jedoch sehr komplex. Das Ableiten von Veränderungen in der Gewebestruktur durch die Betrachtung von Oszilloskopwellenformen ist eine sehr unintuitive und fehleranfällige Art der Körperuntersuchung.

Auf dem Weg zum B-Ultraschall

Um die oben genannten Probleme zu lösen, haben Wissenschaftler eine Reihe von Verbesserungen an der Ultraschalluntersuchung auf Basis von A-Ultraschall vorgenommen.

Zunächst haben die Wissenschaftler die Ultraschallsonde so geschickt verbessert, dass sie durch mechanische Drehung oder elektronische Fokussierung (Beamforming) Ultraschallstrahlen in mehrere Richtungen und Ziele aussenden kann. Bei den gängigsten Ultraschallsystemen werden diese Strahlen je nach Bedarf zu einer virtuellen fächerförmigen oder rechteckigen Ebene kombiniert.

Bildquelle: Dokument 2

Bildquelle: Dokument 3

Zweitens verbesserten Wissenschaftler die Anzeige von Ultraschallechos auf Grundlage der Erfahrungen mit Radar. Im von einem einzelnen Strahl erzeugten Echo wird die Echohöhe, die der Anwesenheit oder Abwesenheit von Zielen in unterschiedlichen Tiefen entspricht, in Helligkeitsinformationen in unterschiedlichen Tiefen auf einer Scanlinie umgewandelt.

Bildquelle: Vom Autor erstellt

In Kombination mit der oben erwähnten Strahlformungstechnologie können viele Scanlinien in mehreren Richtungen und Positionen innerhalb des menschlichen Körpers erhalten werden. Wenn diese Scanlinien zusammengefügt werden, entsteht ein Ultraschallbild, das die Querschnittsstruktur einer bestimmten Stelle im menschlichen Körper widerspiegelt.

Bildquelle: Vom Autor erstellt

Da bei dieser Ultraschalluntersuchungstechnik die Strukturinformationen des menschlichen Körpers durch helle Punkte unterschiedlicher Helligkeit an unterschiedlichen Positionen angezeigt werden, spricht man von einer Helligkeits-Ultraschalluntersuchung oder B-Ultraschall.

Endlich ist der Farbdoppler-Ultraschall da!

Was also ist Farbultraschall? Einfach ausgedrückt haben Wissenschaftler entdeckt, dass sich mit dem Fortschritt der Technologie aus Ultraschallechos nicht nur Informationen zur Strukturposition des menschlichen Körpers gewinnen lassen, sondern auch Informationen zur Doppler-Bewegung.

Jeder hat diese Szene bestimmt schon einmal persönlich oder vor der Kamera gesehen: Ein Rennwagen kommt mit schrillem Gebrüll auf Sie zu, und nachdem er Sie passiert hat, wird der Ton leiser. Dies ist der Doppler-Effekt, der 1842 vom österreichischen Physiker Doppler entdeckt wurde.

Wenn sich ein bewegtes Objekt auf einen Beobachter zubewegt, werden die von ihm ausgesendeten Schallwellen aufgrund der Relativbewegung zwischen den beiden komprimiert, wodurch die Frequenz zunimmt und der Klang schärfer wird. Umgekehrt gilt: Wenn sich ein Objekt vom Beobachter wegbewegt, werden die Schallwellen gestreckt, die Frequenz nimmt ab und sie klingen tiefer.

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Wissenschaftler haben erkannt, dass sie anhand des oben erwähnten B-Ultraschalls außerdem feststellen können, ob sich in dem Bereich menschliches Gewebe bewegt, beispielsweise ob Blut fließt, indem sie beurteilen, ob das einer bestimmten Position entsprechende Echo komprimiert, gedehnt oder unverändert bleibt.

Bildquelle: Fotografiert vom Autor

Wenn ein Arzt beispielsweise den Hals eines Patienten in einer Haltung wie der oben gezeigten untersucht, kann er ein klares Querschnittsbild des Halsgewebes sehen.

Bildquelle: Fotografiert vom Autor

Auf dieser Grundlage können Sie beim Einschalten der Farbultraschallfunktion sehen, dass der Bereich der Halsschlagader im Bild rot erscheint, da das Blut in der Halsschlagader vom Herzen zum Gehirn fließt, also in Richtung der Ultraschallsonde, was darauf hinweist, dass die Bewegungsrichtung positiv ist. Das Blut in der Drosselvene fließt mit negativer Bewegungsrichtung von der Ultraschallsonde weg und erscheint blau.

Andere Gewebe wie Blutgefäße und Muskeln bewegen sich nicht relativ zur Sonde, sodass keine Doppler-Frequenzverschiebung auftritt und sie nicht auf dem Bildschirm angezeigt werden.

Aus der obigen Erklärung können wir erkennen, dass die Farbe in Farbultraschallbildern lediglich eine künstliche Regelung ist, um die Informationen zur Gewebebewegung deutlicher von den Informationen zur Gewebestruktur zu unterscheiden. Es besteht kein wesentlicher Unterschied zwischen Farbultraschall und gewöhnlichem B-Ultraschall.

Ausgehend von den Prinzipien und Zwecken der Farbultraschallbildgebung ist es nicht schwer, sich vorzustellen, dass wir für viele Anwendungsszenarien von Farbultraschall, wie etwa die Überprüfung, ob der Blutfluss in einem bestimmten Bereich gleichmäßig ist, nur wissen müssen, ob eine Gewebebewegung stattfindet, und keine Informationen über die Richtung der Gewebebewegung benötigen.

In diesem Fall können Schwarzweißbilder verwendet werden, um die vom Ultraschallsystem erfassten Bewegungsinformationen anzuzeigen.

Die weißen Flecken und die Bewegungsgeschwindigkeit im Bildbereich in der Abbildung entsprechen den Doppler-Bewegungsinformationen des Blutflusses, die vom Ultraschallsystem erfasst werden. Bildquelle: Referenz 1

Mit anderen Worten: Der Unterschied zwischen Farbultraschall und gewöhnlichem B-Ultraschall besteht nicht darin, ob die Anzeigefarbe verstärkt wird oder nicht, sondern ob aus dem Bild Bewegungsinformationen über menschliches Gewebe gewonnen werden können, was der Inhalt des obigen Bildes ist.

Damit ist der Fall hier geklärt. Farbultraschall kann zwar unterschiedliche Farben darstellen, jedoch muss nicht jedes Bild farbig sein.

Herausgeber: Wang Tingting

Verweise

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