Warum Ultraschalluntersuchungen in der Schwangerschaft ungefährlich und sinnvoll sind

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Verschiedene Fachgesellschaften haben Richtlinien und Empfehlungen für die sichere Anwendung von diagnostischen Ultraschalluntersuchungen publiziert.

Die Bildgebung mittels Ultraschalluntersuchungen (Ultraschall B-Bild, 2D-Sonografie) basiert auf dem sogenannten Impuls- Echo-Prinzip (Echolot). Ein sogenannter Ultraschallwandler (Transducer, Schallkopf) wandelt dabei kurze elektrische Impulse in gerichtete Ultraschallimpulse, die sich im Körper ausbreiten und dabei an Gewebestrukturen reflektiert und gestreut werden. Diese Ultraschallsignale – die Echos – gelangen wieder zurück zum Wandler und werden wiederum in elektrische Signale umgewandelt.

Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen im Gewebe bekannt ist, kann aus der Zeitspanne zwischen Senden und Empfangen der Ultraschallimpulse der Abstand der reflektierenden Struktur zum Wandler bestimmt werden. Damit ist eine Bildkoordinate bekannt. Die zweite erforderliche Koordinate wird durch Schwenken oder seitliche Verschiebung der Richtung der ausgesendeten Ultraschallimpulse festgelegt. Zur Erzeugung eines Schnittbildes (B-Bildes) werden abschließend für jeden Bildpunkt die Amplituden der Echos mit den zugehörigen Koordinaten in einen Helligkeitswert umgewandelt und auf dem Bildschirm dargestellt. Dabei entsprechen sehr helle (weiße) Bildpunkte starken Echos und dunkle (schwarze) Bildpunkte sehr schwachen oder keinen Echos. Mittlere Echostärken werden mit den entsprechenden Abstufungen als Grautöne dargestellt.

Um ein Bild zu erhalten, muss der Schallkopf also hintereinander Ultraschallimpulse in verschiedene Richtungen abgeben. Das heißt, ein bestimmter Punkt im Gewebe (beziehungsweise im Fötus) wird nicht ständig, sondern nur mit einer bestimmten Frequenz kurzzeitig beschallt. Für ein B-Bild mit einer Darstellungstiefe von zwölf Zentimetern, das sich aus 128 Linien zusammensetzt, sendet ein 3,5 Megahertz- Schallkopf alle 0,156 Millisekunden (das entspricht einer Pulsfolgefrequenz von 6,4 Kilohertz) einen circa eine Mikrosekunde langen Ultraschallimpuls aus. Damit werden innerhalb von 0,02 Sekunden alle für das Bild erforderlichen Echos erfasst und auf dem Bildschirm dargestellt. Danach beginnt der gesamte Vorgang wieder von vorn. Die Bildfrequenz beträgt in diesem Fall also 50 Hertz.

Für eine bessere Vorstellung der oben genannten Zeiträume kann man sich den oben beschriebenen Prozess extrem verlangsamt – quasi in Zeitlupe – vorstellen: Wenn für eine Minute Schall in eine Richtung abgegeben werden würde, dann wäre eine Pause von rund drei Stunden erforderlich, in der die Echos empfangen werden. Dann würde wieder für eine Minute Schall in eine andere, seitlich verschobene Richtung abgegeben und wieder drei Stunden empfangen. Das ginge so lange, bis alle Echos aus den 128 unterschiedlichen Richtungen erfasst sind. Dieselbe Stelle im Fötus würde somit erst wieder nach 384 Stunden, also nach 16 Tagen, wiederholt eine Minute lang beschallt.

Da für die Bildgebung generell die Untersuchungsregion „abgescannt“ werden muss, ist der mittlere Eintrag von Schallenergie punktuell in das Gewebe sehr gering. Das trifft sowohl für das konventionelle Schnittbild (2D) als auch für die 3D- und 4D-Sonografie zu. Bei Letzterem wird nicht nur eine Ebene abgescannt, sondern ein Volumen.

 

Ultraschalluntersuchungen mit anderen Ultraschallsequenzen

Bei der Ableitung von Dopplerspektren mit dem PW-Doppler (Puls-Doppler) zur Beurteilung des Blutflusses in Gefäßen werden andere Ultraschallsequenzen eingesetzt. Hier gibt der Ultraschallwandler kurze Wellenzüge unverändert in dieselbe Schallrichtung mit einer Pulsfolgefrequenz im Kilohertz-Bereich ab. Das heißt, hier ist der mittlere Eintrag von Schallenergie in das Gewebe lokal deutlich höher.

Während der Ausbreitung im Gewebe wandelt sich aufgrund von Absorption ein Teil der Schallenergie in Wärme um, die dann einen Anstieg der Gewebetemperatur bewirkt. Wie viel Schallenergie in Wärme umgewandelt wird, hängt vom Gewebetyp (eher gering im Weichgewebe, mehr in knöchernen Strukturen) und der Ultraschallfrequenz ab – je höher die Frequenz, desto wärmer. Der tatsächliche Temperaturanstieg hängt dann noch zusätzlich vom Grad der Durchblutung ab (wirkt hier als Kühlung).

Durch den auf das Gewebe einwirkenden Schallwechseldruck kann es auch zu mechanischen Wirkungen auf Zell- und Gefäßwände kommen. Der maßgebliche Effekt ist hier die sogenannte transiente Kavitation, deren Auftreten insbesondere vom maximalen Unterdruck und der Ultraschallfrequenz abhängt. Bei diagnostischen Ultraschallpegeln und bei Abwesenheit von Mikroblasen als Kavitationskeimen ist das Auftreten dieses Effektes im Gewebe sehr unwahrscheinlich.

 

Thermischer und mechanischer Index

Obwohl weder bei der Anwendung der konventionellen 2D-Sonografie noch bei Einsatz der modernen 3D- und 4D-Abtastverfahren eine Erwärmung der untersuchten Strukturen um mehr als 0,1 bis 0,2 Grad Celsius zu erwarten ist, verfügen alle in Deutschland zugelassenen Geräte über einen Algorithmus zur weiteren Minimierung eines etwaigen Überwärmungsrisikos. Dabei bleibt dieses geringe Restrisiko aber auf den Gebrauch des ohnehin nur selten und nur unter strenger Indikationsstellung eingesetzten Pulsdopplers beschränkt, da nur dieser Modus infolge einer höheren Pulsfolge zu einer langsam ansteigenden Erwärmung der erfassten Region führen kann.

Um den Untersucher vor einer unerwünschten Temperaturzunahme zu warnen, überwacht ein Programm kontinuierlich alle von der Geräteeinstellung abhängigen, emissionsrelevanten Parameter und errechnet auf Basis dieser variablen Daten, ob oder in welchem Maße eine Erwärmung des Gewebes auftreten könnte. Insbesondere die dem Schallkopf zugeführte und in großem Bereich veränderbare elektrische Leistung, die gewählte Ultraschallfrequenz, die Querschnittsfläche der Schallzeilen und die Abtastrate sind die für einen eventuellen Temperaturanstieg entscheidenden Größen. Angezeigt wird aber nicht der erwartete Temperaturanstieg direkt, vielmehr errechnen die heutigen Systeme einem internationalen Standard (DIN EN 62359) folgend den thermischen Index (englisch Thermal Index, TI).

Dieser TI entspricht dem Verhältnis der aktuell abgegebenen Schallleistung zu der Leistung, die einen Temperaturanstieg von ein Grad Celsius herbeiführen würde:

Thermal Index = Aktuell emittierte Schallleistung : Leistungsbedarf für 1 Grad Temperatursanstieg

Ein TI von beispielsweise 0,1 würde bedeuten, dass nur ein Zehntel der für eine Erwärmung um ein Grad Celsius notwendigen Schallleistung abgegeben wird. Ein TI von 0,5 zeigt dem Untersucher, dass das Gerät mit der Hälfte der für einen Temperaturanstieg um ein Grad Celsius erforderlichen Leistung arbeitet. Da in die Berechnung auch der Mineralisierungsgrad knöcherner fetaler Strukturen eingeht, sollte der Untersucher vorab die Konsistenz der zu untersuchenden Strukturen (nur Weichteile [TIS] oder Weichteile und Knochen [TIB]) eingeben.

Obwohl Leistung und Temperatur in keinem wirklich linearen Verhältnis zueinander stehen und der Kühlungseffekt der Gewebedurchblutung schwer abschätzbar ist, lässt sich zumindest näherungsweise vom TI direkt auf die Temperaturzunahme in Grad Celsius schließen. Bei einem TI von beispielsweise 1,5 kann demzufolge auch von einer Erwärmung um maximal rund 1,5 Grad Celsius ausgegangen werden. Insbesondere bei Abwesenheit knöcherner Strukturen, also insbesondere in der Frühschwangerschaft, scheint die tatsächliche Erwärmung in situ hinter dem angezeigten TI zurückzubleiben.

Hierauf weisen einige Tier- und Laborversuche hin. Die angezeigten Ergebnisse sind also eher konservativ und damit auf der „sicheren Seite“. Trifft der ausgesendete Schall auf ausgereifte knöcherne Strukturen – also am Ende der Schwangerschaft beziehungsweise danach –, wird die Kalkulation der Erwärmung schwieriger und der angezeigte TI ungenauer.

 

Zusammenfassung

  • Bei Einsatz der konventionellen 2D- und 3D/4D-Sonografie zeigt das TI-Display überwiegend einen Wert von weniger als 0,1 bis etwa 0,3 und selten bis etwa 0,5, sodass kein biologisch wirksamer Temperaturanstieg zu erwarten ist.
  • Bei Aktivierung des farbkodierten Dopplers muss ein TI zwischen etwa 0,5 und 1,5 erwartet werden.
  • Bei Aktivierung des Pulsed-wave-Dopplers wird ein räumlich eng begrenztes Areal mit hoher Pulsrate abgetastet und der TI könnte theoretisch auf vergleichsweise hohe Werte bis etwa 4 ansteigen, wobei aber insbesondere in der pränatalen Diagnostik, bei den aufgrund der anatomischen Lagebeziehungen und der vergleichsweise niedrigen Blutströmungsgeschwindigkeit genutzten Geräteeinstellungen, kaum Werte über 1,5 bis 2 erreicht werden.

Versuche haben gezeigt, dass die maximalen Temperaturen nach rund zwei Minuten erreicht werden.

Der mechanische Index (MI) liefert dem Untersucher eine Information über die mit dem abgesandten Schall einhergehenden und pulsartig auftretenden Druck- und Unterdruckwellen im Gewebe. Es ist durch Versuche an Kleinsttieren bekannt, dass sehr starke Druck-/Unterdruckamplituden Verletzungen an bestimmten Gefäßwänden luftgefüllter Räume (Lungenbläschen, Darm) auslösen können. Da aber die Lunge des Feten noch nicht entfaltet ist und auch der Darm kein Gas enthält, werden druck- oder unterdruckinduzierte Schädigungen des fetalen Gewebes als höchst unwahrscheinlich angesehen.

Die Anzeige des MI ist deshalb in der pränatalen Diagnostik von untergeordneter Bedeutung; die von den verschiedenen Fachgesellschaften empfohlenen Grenzwerte sind deshalb primär postnatal, also insbesondere bei der Darmuntersuchung Neugeborener, zu beachten.

 

Empfehlungen der Fachgesellschaften

Die nationalen und internationalen Fachgesellschaften haben eine Reihe von Richtlinien und Empfehlungen für die sichere Anwendung von diagnostischen Ultraschalluntersuchungen herausgegeben. Dazu gehören unter anderem die World Federation for Ultrasound in Medicine and Biology (WFUMB), die European Federation of Societies for Ultrasound in Medicine and Biology (EFSUMB), die International Society of Ultrasound in Obstetrics and Gynecology (ISUOG) sowie die amerikanische (AIUM) und die britische (BMUS) Ultraschallgesellschaft. Für die DEGUM sind als Mitglied der EFSUMB die entsprechenden Statements des European Committee for Medical Ultrasound Safety (ECMUS), des Safety Committee der EFSUMB, maßgeblich.

Die entsprechenden Dokumente sind unter http://www.efsumb.org/blog/archives/885 abrufbar.

Quelle:

Statement » Debatte um neue Strahlenschutzverordnung: Wird in der Schwangerschaft zu viel „geschallt“? Warum Ultraschalluntersuchungen ungefährlich und sinnvoll sind. « Heiko Dudwiesus, Leiter des DEGUM-Arbeitskreises Ultraschallsysteme. Prof. Dr. rer. nat. Klaus-Vitold Jenderka, Stellvertretender Leiter der DEGUM-Sektion Naturwissenschaft und Technik, Co-Chairmain und Secretary des EFSUMB Safety Committee (ECMUS). Professur für Physik, Sensor- und Ultraschalltechnologie an der Hochschule Merseburg. Deutsche Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin (DEGUM).

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