Kursbuch Echokardiografie E-Book

Frank Arnold Flachskampf

• Herausgeber: Thieme
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 508

Veröffentlichungsjahr: 2021

Beschreibung

Ob Anfänger oder Fortgeschrittener – dieses Kursbuch begleitet Sie auf Ihrem Weg zum Echokardiografie-Profi nach aktuellen Leitlinien. Der Autor, ein international anerkannter Experte, zeigt Ihnen, worauf es beim Ultraschall des Herzens ankommt.

Das gesamte Spektrum der Echokardiografie in drei Kurseinheiten:

• kompakte Übersicht „Physikalische und technische Grundlagen“
  
• Indikationen und klinischer Stellenwert der Echokardiografie
  
• Untersuchungstechniken, Geräteeinstellungen, Schnittebenen
  
• alle kardialen Strukturen: Herzhöhlen, Klappen, große Gefäße
  
• diagnostische Kriterien bei wichtigen pathologischen Befunden
  
• exakte Anleitungen für klinisch relevante Messungen
  
• spezielle Untersuchungen; Klappenprothesen, Stressecho, Gewebedoppler
• spezielle Methoden: TEE, Kontrast-Echokardiografie, 3D-Echo
• echokardiografische Diagnostik in kardiologischen Notfällen
  
• online: instruktive Videos und anatomisches 3D-Schnittbild

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Leseprobe

Kursbuch Echokardiografie

Unter Berücksichtigung nationaler und internationaler Leitlinien

Frank Arnold Flachskampf

7., unveränderte Auflage

501 Abbildungen

Vorwort der 6. Auflage

Dies ist bei Weitem die umfangreichste Überarbeitung des Buches seit der ersten Auflage. Der Text wurde gründlich revidiert und die transösophageale Echokardiografie, die zuvor nur in einem eigenen Kapitel abgehandelt war, nun zusätzlich bei jeder einzelnen Herzstruktur mit ihren typischen Einsatzgebieten und Anwendungen aufgeführt. Neue Abschnitte behandeln verschiedene Kardiomyopathien, etwa Non-Compaction- und arrythmogene Kardiomyopathie, Katheterinterventionen an Klappen u.a. Daneben wurde in großem Umfang Bild- und Movie-Material verbessert und erweitert.

Die erste Auflage, die 2000 erschien, spiegelte den Stand der Echokardiografie und mittelbar der Kardiologie der späten neunziger Jahre. Viele Entwicklungen, die sich damals erst abzeichneten (oder nicht einmal das), sind jetzt in der klinischen Praxis angekommen, so die Verformungsbildgebung („strain imaging“), echokardiografische Aspekte der katheterinterventionellen Aortenklappenimplantation („TAVI“) und Mitralrekonstruktion („MitraClip“), Anwendungen der 3D-Echokardiografie und Einiges mehr. Rückblickend auf die erste Auflage stellt man auch fest, dass einige Techniken, die im Entstehungszeitraum des Buches neu und erklärungsbedürftig waren, etwa die Harmonische Bildgebung, die digitale Speicherung, die multiplane transösophageale Echokardiografie, mittlerweile fest zum Standard gehören – die neueste Generation der damit Befassten hat wahrscheinlich kaum je eine SVHS-Kassette gesehen.

Andererseits zeigt sich, dass die Kernfragen an bildgebende Verfahren in der Kardiologie, etwa die nach links- und rechtsventrikulärer Funktion, Klappenfehlern, Emboliequellen usw., sich nur marginal verändert haben. Zwar sind mittlerweile andere bildgebende Techniken hinzugekommen, aber eine Verdrängung des Echos ist – von speziellen Ausnahmen abgesehen – nicht zu bemerken – eher werden diese Untersuchungen jetzt zusätzlich durchgeführt. Allerdings ist das Problem einer hinlänglichen Ausbildung in der Echokardiografie noch gravierender als zuvor geworden, zum einen durch die Differenzierung der Echokardiografie selbst, zum anderen infolge grundfalscher ökonomischer Steuerungsanreize, besonders im deutschen Gesundheitswesen. Umso mehr hoffe ich, mit der Neuauflage des Buches zur Vermittlung der nach wie vor wichtigsten bildgebenden Technik in der Kardiologie beizutragen.

Wie zuvor gilt mein Dank allen Kollegen und Mitarbeitern, die über viele Jahre zu diesem Buch beigetragen haben, zuletzt Christian Rost, Erlangen, Ruxandra Beyer, Cluj-Napoca und Eva-Maria Hedin, Uppsala, dazu der bewährten hocherfreulichen Zusammenarbeit mit dem Thieme Verlag. Schließlich danke ich der Leserschaft für das stete und ungebrochene Interesse, viele sachdienliche Hinweise und den Willen, sich mit einer nicht immer einfachen Sache vertraut zu machen.

Uppsala, im Januar 2017

Frank A. Flachskampf

Lernziele

Dieses Buch ist in Anlehnung an die nach der Ultraschallvereinbarung übliche Kursstruktur in einen Grund-, Aufbau- und Abschlusskurs eingeteilt. Die Kurse sind in der Ultraschallvereinbarung (1) hinsichtlich einiger formaler Kriterien wie Stundenzahl, Größe der Unterrichtsgruppen, Qualifikation der Unterrichtenden u. a. festgelegt (Kap. 1). Der Inhalt ist dagegen nur pauschal vorgegeben: so umfasst der Grundkurs die Vermittlung von Kenntnissen über „Indikationsbereich und physikalisch-technische Grundlagen, Basiskenntnisse unter Einschluss praktischer Übungen“. Der Aufbaukurs dient zur „Korrektur und Verbesserung der Untersuchungstechnik unter Einschluss praktischer Übungen“, während sich der Abschlusskurs der „Vervollständigung der Kenntnisse und Fähigkeiten“ sowie speziellen klinischen Fragestellungen widmet. Dementsprechend wird im vorliegenden Buch der Wissensstoff in drei größeren Komplexen vermittelt.

Grundkurs

Als Grundkurs behandelt dieses Buch folgende Themenbereiche:

die physikalischen und technischen Grundlagen der Echokardiografie (einschließlich der Dopplerverfahren), ihre verschiedenen Modalitäten, Basiswissen zur Speicherung echokardiografischer Daten sowie hydrodynamische Grundbegriffe zum Verständnis der Dopplerechokardiografie,

die Indikationen zur Echokardiografie einschließlich der Differenzialindikationen zur transösophagealen Echokardiografie,

die grundlegende Untersuchungstechnik im M-Mode-, 2-D- und Dopplerverfahren einschließlich der Geräteeinstellung, der Nomenklatur, der Untersuchungsdokumentation und der wichtigsten Fehlermöglichkeiten.

Aufbaukurs

Der Aufbaukurs behandelt:

die spezielle Ultraschalldiagnostik der einzelnen kardialen Strukturen, etwa der Ventrikel, der Herzklappen usw. In diesem Rahmen wird die Untersuchungstechnik hinsichtlich der jeweils betreffenden Struktur rekapituliert und die Vorgehensweise bei pathologischen Befunden erörtert sowie

die wichtigsten pathologischen Befunde und ihre Abgrenzung vom Normalen.

Abschlusskurs

Der Abschlusskurs wendet sich speziellen Themen und Methoden zu, die zwar im Rahmen dieses Buches nicht erschöpfend diskutiert werden können, deren Grundlagen, Problematik und Möglichkeiten jedoch jeder, der echokardiografiert, kennen sollte. Dies sind:

die Untersuchung von Klappenprothesen,

die transösophageale Echokardiografie,

die Stressechokardiografie,

die Kontrastechokardiografie,

die echokardiografische Diagnostik in typischen internistischen und kardiologischen Notfallsituationen.

(S. Vereinbarung von Qualitätsmaßnahmen nach § 135 Abs. 2 SGBV zur Ultraschalldiagnostik (Ultraschall-Vereinbarung), zuletzt in der Fassung vom 18.12.2012.)

Inhaltsverzeichnis

Titelei

Vorwort der 6. Auflage

Lernziele

Grundkurs

Aufbaukurs

Abschlusskurs

Abkürzungen

Teil I Grundkurs

1 Rolle der Echokardiografie in der Kardiologie und Indikationen zur echokardiografischen Untersuchung

1.1 Zum Einstieg

1.2 Rolle der Echokardiografie in der Inneren Medizin und Kardiologie

1.3 Indikationsstellung

1.3.1 Häufigste Indikationen

1.3.2 Klinische Situationen ohne Routine-Indikation zur Echokardiografie

1.3.3 Indikation zur transösophagealen Echokardiografie

1.3.4 Systematische oder „gezielte“ Echokardiografie?

1.3.5 Tragbare Echokardiografiegeräte

1.4 Stellenwert echokardiografischer Befunde in der kardiovaskulären Diagnostik

2 Physikalische und technische Grundlagen

2.1 Zum Einstieg

2.2 Ultraschall

2.2.1 Eigenschaften des Schalls

2.2.2 Akustische Impedanz

2.3 Echokardiografiegerät

2.3.1 Prinzip der Echokardiografie

2.3.2 Erzeugung von Ultraschall durch das Echokardiografiegerät

2.3.3 Gepulster Ultraschall

2.3.4 Empfang und Darstellung von Ultraschallsignalen durch das Echokardiografiegerät

2.4 Echokardiografische Verfahren

2.4.1 M-Mode

2.4.2 2-D-Verfahren

2.4.3 3-D-Echokardiografie

2.4.4 Dopplerverfahren

2.4.5 Speckle Tracking

2.5 Speicherung echokardiografischer Daten

2.5.1 Speicherplatz

2.5.2 DICOM

2.6 Artefakte

2.6.1 Suboptimale Fokussierung und endliche Schnittebenenschichtdicke („beam width artifacts“) bzw. durch Nebenkeulen

2.6.2 Schallschatten

2.6.3 Reverberationsartefakte

2.6.4 Nahfeldartefakt

2.6.5 Klicks

2.7 Wirkungen von diagnostischem Ultraschall auf Gewebe

2.7.1 Erwärmung

2.7.2 Kavitationen

2.8 Einige hydrodynamische Grundbegriffe

2.8.1 Erhaltung der Masse

2.8.2 Erhaltung der Energie

2.8.3 Kontinuitätsprinzip

2.8.4 Berechnung von Gradienten aus Strömungsgeschwindigkeiten: die Bernoulli-Gleichung

2.8.5 Laminare und turbulente Strömung

3 Untersuchungstechnik

3.1 Zum Einstieg

3.2 Voraussetzungen

3.2.1 Untersuchungsraum

3.2.2 Patientenlagerung

3.2.3 Geräteeinstellung

3.2.4 Untersuchungsdokumentation

3.2.5 Befundung

3.3 Ablauf der echokardiografischen Untersuchung

3.3.1 Schallfenster

3.3.2 Integration von M-Mode und Doppler in den Untersuchungsgang

3.3.3 Nomenklatur der Schnittebenen

3.3.4 Parasternaler Langachsenschnitt

3.3.5 Parasternaler Langachsenschnitt des rechtsventrikulären Einflusstrakts

3.3.6 Parasternale Kurzachsenschnitte

3.3.7 Apikale Schnittebenen

3.3.8 Subkostale Schnittebenen

3.3.9 Suprasternales Schallfenster

3.3.10 Rechtsparasternales Fenster

Teil II Aufbaukurs

4 Linker Ventrikel und Kardiomyopathien

4.1 Zum Einstieg

4.2 Linker Ventrikel: globale und regionale Veränderungen

4.2.1 Funktionelle Anatomie

4.2.2 Echokardiografische Morphologie und Funktionsbeurteilung

4.2.3 Eingeschränkte linksventrikuläre Funktion

4.2.4 Andere umschriebene pathologische Veränderungen und Zusatzstrukturen

4.2.5 Häufige echokardiografische Fehler

4.2.6 Echokardiografische Befunde bei Herztransplantation

4.2.7 Anhang

4.3 Kardiomyopathien

4.3.1 Einteilungen

4.3.2 Dilatative Kardiomyopathie

4.3.3 Hypertrophe Kardiomyopathie

4.3.4 Restriktive Kardiomyopathien

4.3.5 Non-Compaction-Kardiomyopathie

4.3.6 Takotsubo-Kardiomyopathie (Stress-Kardiomyopathie)

5 Mitralklappe

5.1 Zum Einstieg

5.2 Funktionelle Anatomie

5.2.1 Klappenapparat

5.2.2 Mitralring

5.2.3 Segel

5.2.4 Chordafäden und Papillarmuskeln

5.3 Echokardiografische Beurteilung der Mitralklappe

5.3.1 Morphologische Beurteilung

5.3.2 Funktionsbeurteilung

5.4 Erkrankungen der Mitralklappe

5.4.1 Degenerative Veränderungen der Mitralklappe

5.4.2 Mitralprolaps

5.4.3 Infektiöse Endokarditis

5.4.4 Abakterielle Endokarditiden

5.4.5 Mitralstenose

5.4.6 Mitralinsuffizienz

5.4.7 Angeborene Erkrankungen

5.5 Transmitrales Flussgeschwindigkeitsprofil und diastolische Funktion des linken Ventrikels

5.6 Häufige Untersuchungsfehler

6 Aortenklappe

6.1 Zum Einstieg

6.2 Funktionelle Anatomie

6.2.1 Klappenapparat

6.2.2 Bikuspide Aortenklappe

6.3 Echokardiografische Beurteilung der Aortenklappe

6.3.1 Morphologische Beurteilung

6.3.2 Funktionsbeurteilung (Doppler)

6.4 Erkrankungen der Aortenklappe

6.4.1 Degenerative Veränderungen der Aortenklappe

6.4.2 Aortenstenose

6.4.3 Aorteninsuffizienz

6.4.4 Infektiöse Endokarditis der Aortenklappe

7 Linker Vorhof

7.1 Zum Einstieg

7.2 Funktionelle Anatomie

7.2.1 Strukturen

7.2.2 Funktionen

7.2.3 Füllung und Entleerung

7.3 Echokardiografische Morphologie

7.4 Vorhofseptum

7.4.1 Lungenvenen und pulmonalvenöses Flussprofil

7.4.2 Linkes Herzohr

7.4.3 Transösophageale Untersuchung des linken Vorhofs und vorhofnaher Strukturen

7.5 Pathologische Befunde

7.5.1 Vergrößerung des linken Vorhofs

7.5.2 Thromben und Spontankontrast

7.5.3 Persistierende linke obere Hohlvene

7.5.4 Tumoren

7.5.5 Cor triatriatum

8 Rechter Ventrikel, Pulmonalklappe und Pulmonalarterie

8.1 Zum Einstieg

8.2 Funktionelle Anatomie

8.2.1 Rechter Ventrikel

8.2.2 Pulmonalklappe

8.2.3 Pulmonalarterie

8.3 Echokardiografische Morphologie

8.3.1 Rechter Ventrikel

8.3.2 Pulmonalklappe und Pulmonalarterie

8.4 Erkrankungen des rechten Ventrikels

8.4.1 Dilatation des rechten Ventrikels

8.4.2 Hypertrophie des rechten Ventrikels

8.4.3 Eingeschränkte systolische Funktion des rechten Ventrikels

8.4.4 Koronare Herzkrankheit

8.4.5 Pulmonale Hypertonie

8.4.6 Kardiomyopathien

8.4.7 Zusatzstrukturen im rechten Ventrikel

8.4.8 Ventrikelseptumdefekte

8.5 Erkrankungen der Pulmonalklappe

8.5.1 Pulmonalstenose

8.5.2 Pulmonalinsuffizienz

8.6 Weitere kongenitale Shunt-Erkrankungen

8.6.1 Offener Ductus Botalli

8.6.2 Fallot-Tetralogie

8.6.3 Komplette Transposition der großen Gefäße

9 Rechter Vorhof, Vorhofseptum und Trikuspidalklappe

9.1 Zum Einstieg

9.2 Funktionelle Anatomie

9.2.1 Rechter Vorhof

9.2.2 Vorhofseptum

9.2.3 Trikuspidalklappe

9.3 Echokardiografische Morphologie

9.3.1 Schnittebenen

9.3.2 Transösophageale Untersuchung des rechten Vorhofs, des Vorhofseptums und der Trikuspidalklappe

9.4 Erkrankungen der Trikuspidalklappe

9.4.1 Trikuspidalstenose

9.4.2 Trikuspidalinsuffizienz

9.4.3 Trikuspidalendokarditis

9.4.4 Morbus Ebstein

9.5 Shuntverbindungen: offenes Foramen ovale und Vorhofseptumdefekte

9.5.1 Offenes Foramen ovale

9.5.2 Vorhofseptumdefekte

9.5.3 Vorhofseptumaneurysma

9.6 Pathologische Befunde im rechten Vorhof und der unteren Hohlvene

9.6.1 Zusatzstrukturen im rechten Vorhof: Thromben, Tumoren und Fremdkörper

9.6.2 Fehlender inspiratorischer Kollaps der unteren Hohlvene

10 Aorta

10.1 Zum Einstieg

10.2 Funktionelle Anatomie

10.3 Echokardiografische Morphologie

10.3.1 Aortenwurzel und Aorta ascendens

10.3.2 Aortenbogen und Aorta descendens

10.3.3 Wichtigste Befunde

10.3.4 Transösophageale Darstellung der Aorta

10.4 Erkrankungen der Aorta

10.4.1 Dilatation und Aneurysma

10.4.2 Atherosklerose

10.4.3 Aortendissektion

10.4.4 Marfan-Syndrom

10.4.5 Traumen

10.4.6 Aortenisthmusstenose

10.4.7 Aortitis

11 Perikard

11.1 Zum Einstieg

11.2 Funktionelle Anatomie

11.3 Echokardiografische Morphologie

11.4 Erkrankungen des Perikards

11.4.1 Perikarderguss

11.4.2 Perikardtamponade

11.4.3 Pericarditis constrictiva

11.4.4 Andere Erkrankungen

Teil III Abschlusskurs

12 Echokardiografische Notfalldiagnostik

12.1 Zum Einstieg

12.2 Notfallindikationen

12.2.1 Leitsymptome

12.2.2 Methodische Besonderheiten

12.3 Echokardiografische Differenzialdiagnose nach Leitsymptomen

12.4 Dringliche Indikationen

12.4.1 Kardiale Emboliequellensuche

13 Herzklappenprothesen

13.1 Zum Einstieg

13.2 Besonderheiten der Echokardiografie von Herzklappenprothesen

13.2.1 Artefakte

13.2.2 Strömungsphysikalische Eigenheiten

13.2.3 Grunderkrankung

13.2.4 Transösophageale Echokardiografie

13.3 Prothesentypen

13.3.1 Mechanische und biologische Klappen

13.3.2 Komplikationen bei Klappenprothesen

13.3.3 Untersuchungsgang und wichtige Fragestellungen

13.3.4 Besteht eine Protheseninsuffizienz?

13.3.5 Besteht eine Obstruktion der Prothese?

13.3.6 Liegen Anzeichen für eine infektiöse Endokarditis vor?

13.3.7 Liegt eine Prothesenthrombose oder Pannusbildung vor?

13.4 Besonderheiten der verschiedenen Klappenpositionen

13.4.1 Mitralprothesen

13.4.2 Aortenprothesen

13.4.3 Trikuspidalprothesen

14 Transösophageale Echokardiografie

14.1 Zum Einstieg

14.2 Grundlagen

14.2.1 Prinzip der transösophagealen Untersuchung; Schallkopf und Schnittebenen

14.2.2 Ausbildung des Untersuchers

14.2.3 Indikationen, Kontraindikationen und Kautelen

14.2.4 Risiken und Komplikationen

14.2.5 Vollständigkeit der Untersuchung

14.2.6 Reinigung und Kontrolle der Sonde

14.3 Durchführung der transösophagealen Untersuchung

14.3.1 Vorbereitung und Einführen des Geräts

14.3.2 Typischer Ablauf der transösophagealen Echokardiografie

15 Stressechokardiografie

15.1 Zum Einstieg

15.2 Grundlagen

15.2.1 Diagnose der koronaren Herzkrankheit in der Ruheechokardiografie

15.2.2 Prinzip der Stressechokardiografie

15.2.3 Normale Veränderung der systolischen Funktion des linken Ventrikels unter Belastung

15.2.4 Indikationen, Kontraindikationen und Kautelen

15.3 Durchführung der Belastung

15.3.1 Bildgewinnung und -interpretation

15.3.2 Hilfsmaßnahmen bei schlechter Bildqualität

15.3.3 Belastungsformen

15.3.4 Vitalitätsdiagnostik

15.4 Stärken und Schwächen der Stressechokardiografie

16 Kontrastechokardiografie

16.1 Zum Einstieg

16.2 Technische Grundlagen

16.2.1 Kontrastmittel der Rechtsherzkontrastechokardiografie

16.3 Untersuchungen mit Rechtsherzkontrastmittel

16.3.1 Shuntdiagnostik

16.3.2 Persistierende linksseitige V. cava superior

16.3.3 Echokontrast bei Perikardpunktion

16.3.4 Unerwünschte Wirkungen der Kontrastgabe

16.4 Untersuchungen mit Linksherzkontrastmittel

16.4.1 Linksherzkontrastmittel

16.4.2 Indikationen und Kontraindikationen

16.4.3 Endokardabgrenzung

16.4.4 Doppler

16.4.5 Myokardiale Durchblutung

Teil IV Anhang

17 Häufig benutzte Formeln in der Echokardiografie

17.1 Ventrikelfunktion

17.1.1 Ejektionsfraktion

17.1.2 Zirkumferenzielle Verkürzungsfraktion

17.1.3 Schlagvolumen

17.1.4 Schlagvolumenindex

17.1.5 Rechtsventrikuläre Flächenverkürzungsfraktion

17.2 Masse/Geometrie des linken Ventrikels

17.2.1 Relative Wanddicke

17.2.2 Linksventrikuläre Masse

17.2.3 Klappenfehler

17.2.4 Aortenklappenöffnungsfläche nach Kontinuitätsgleichung

17.2.5 Mitralstenose: Öffnungsfläche nach Dopplerhalbwertzeit

17.2.6 Proximale Konvergenzzone/PISA-Formel

17.2.7 Regurgitationsvolumen

17.2.8 Regurgitationsfraktion

18 Normwerte

19 Literatur

Anschriften

Sachverzeichnis

Impressum/Access Code

Teil I Grundkurs

1 Rolle der Echokardiografie in der Kardiologie und Indikationen zur echokardiografischen Untersuchung

2 Physikalische und technische Grundlagen

3 Untersuchungstechnik

1 Rolle der Echokardiografie in der Kardiologie und Indikationen zur echokardiografischen Untersuchung

1.1 Zum Einstieg

Der Stellenwert der Methode im klinischen Kontext der Inneren Medizin und der Kardiologie sowie die Indikationsstellung zur Echokardiografie einschließlich der transösophagealen Echokardiografie werden diskutiert.

1.2 Rolle der Echokardiografie in der Inneren Medizin und Kardiologie

Die Echokardiografie ist das wichtigste nicht invasive bildgebende Verfahren der Kardiologie und gehört zum täglichen Handwerkszeug des kardiologisch tätigen Arztes. Infolge ihrer Preisgünstigkeit und Mobilität sowie der fehlenden Patientenbelastung durch Röntgen- oder andere energiereiche Strahlung ist sie universell, auch bettseitig, einsetzbar, wiederholbar und nicht an großtechnische Anlagen gebunden. Dies zeichnet sie v.a. im Vergleich zur Magnetresonanztomografie aus, die ihr in der Aussagekraft am nächsten steht.

Grundlegende Kenntnisse der Echokardiografie sind daher im klinischen Alltag nicht nur der Kardiologie, sondern auch der Inneren Medizin notwendig. Viele primär nicht kardiologische Krankheitsbilder, etwa das akute Nierenversagen, das Karzinoidsyndrom oder die Amyloidose haben klassische, echokardiografisch diagnostizierbare kardiale Auswirkungen (bei den genannten Beispielen Perikarderguss, rechtsseitige Klappenfibrose sowie restriktive Kardiomyopathie). Bei einem Großteil der Patienten in einer internistischen Notfallaufnahme werden kardiovaskuläre Verdachtsdiagnosen gestellt, von der akuten Herzinsuffizienz über die Lungenembolie bis zum Myokardinfarkt. In all diesen Fällen kann die Echokardiografie diagnostisch wegweisend sein.

Auch auf nicht primär kardiologisch orientierten Intensivstationen fallen täglich Probleme an, die eine rasche echokardiografische Diagnostik notwendig machen – oft eine physisch ermüdende Erfahrung für den zuständigen Echokardiografeur.

Die echokardiografische Diagnostik hat sich dementsprechend über das eigentliche Echolabor hinaus verbreitet; neben dem Einsatz auf den Intensivstationen und in der Notaufnahme begleitet sie intraoperativ kardiochirurgische und bisweilen auch allgemeinchirurgische Eingriffe. Damit wird die Frage nach der Ausbildung und Qualifikation der Untersucher bzw. Befunder immer wichtiger, da die Echokardiografie, anders als etwa das EKG und wohl auch in höherem Maß als z.B. die invasive Diagnostik sehr stark untersucherabhängig ist und eine lange Lernkurve aufweist.

Im deutschsprachigen Raum ist nicht nur die Befundung, sondern auch die Anfertigung des Echokardiogramms in der Regel ärztliche Tätigkeit. Durchgehend gilt dies für die transösophageale Echokardiografie. Auch die Stressechokardiografie bedingt zwingend die Anwesenheit eines Arztes. Dagegen kann die (transthorakale) echokardiografische Bildgewinnung, aber nicht die klinische Wertung der Befunde, unter ärztlicher Aufsicht und ständiger Verfügbarkeit von eingearbeitetem Assistenzpersonal übernommen werden, wobei es jedoch im deutschsprachigen Raum kein Curriculum für die Ausbildung nichtärztlichen Personals gibt.

Für die ärztliche Ausbildung in der Echokardiografie gibt es nationale Empfehlungen, so in den Empfehlungen der Deutschen Gesellschaft für Kardiologie zur Weiterbildung zum Kardiologen ▶ [33] und in den Empfehlungen der Europäischen Gesellschaft für Kardiologie bzw. der European Association of Cardiovascular Imaging.

1.3 Indikationsstellung

Da es sich bei der Echokardiografie um eine nicht belastende diagnostische Methode mit hoher Aussagekraft handelt, ist eine breite Indikationsstellung bei kardiovaskulären Erkrankungen gerechtfertigt.

Bei praktisch allen kardiovaskulären Erkrankungen können wichtige, oft auch nicht erwartete Befunde erhoben werden. Infolge des beträchtlichen Zeitaufwands für Untersuchung und Befundung, der erforderlichen Übung und Erfahrung des Untersuchers sowie wegen der Kosten müssen die Indikationen aber auf ein vernünftiges Maß beschränkt werden.

Kontraindikationen bestehen nicht.

1.3.1 Häufigste Indikationen

Die in der Übersicht zusammengefassten klinischen Situationen und Fragen stellen die häufigsten Indikationen zur Echokardiografie dar.

Übersicht

Indikationen zur Echokardiografie

Verdacht auf Herzinsuffizienz (unklare Dyspnoe)

Frage nach systolischer und diastolischer linksventrikulärer Funktion

unklares Herzgeräusch/V.a. Vitium

Verdacht auf abgelaufenen Infarkt

Verdacht auf Endokarditis

Verdacht auf kardiogene Embolie

Verlaufsbeobachtung bei Vitium oder Klappenprothese

Verdacht auf Perikarderguss

1.3.2 Klinische Situationen ohne Routine-Indikation zur Echokardiografie

Die Echokardiografie eignet sich nicht als allgemeine Vorsorgeuntersuchung („Check-up) einer unselektierten Normalbevölkerung oder primär nicht kardiovaskulär erkrankter Patienten. Hierzu einige Beispiele.

Die (Ruhe-)Echokardiografie ist kein Suchtest für eine koronare Herzkrankheit bei geringer Vortestwahrscheinlichkeit, da die Koronargefäße nicht direkt beurteilt werden können, sondern nur Wandbewegungsstörungen in Ruhe als Ausdruck von Infarktnarben erfasst werden. Auch bei schwerer Dreigefäßerkrankung kann daher das Echo in Ruhe völlig normal sein, soweit keine Infarktnarben bestehen. Darüber hinaus ist bei diskreten Wandbewegungsstörungen mit einer hohen Rate falsch-positiver und falsch-negativer Befunde zu rechnen.

Liegt dagegen eine Angina pectoris vor, so besteht durchaus eine Indikation zur Echokardiografie, da verschiedene Erkrankungen, die pektanginöse Beschwerden hervorrufen, typische echokardiografische Befunde zeigen (z.B. Aortenstenose oder hypertrophe Kardiomyopathie).

Bei begründetem Verdacht auf eine koronare Herzkrankheit weist die Stressechokardiografie (Kap. ▶ 15) eine hohe diagnostische Aussagekraft auf hinsichtlich:

Diagnose einer induzierbaren Ischämie bei koronarer Herzkrankheit

Prognoseabschätzung nach Infarkt

funktionelle Beurteilung bekannter Koronarstenosen

Bei der Wiederholungsuntersuchung im Rahmen der Langzeitbehandlung kardiovaskulärer Erkrankungen, z.B. der Hypertonie, sollte die Frage der Therapierelevanz mitbedacht werden.

Die Diagnose einer Hypertrophie kann bei fraglicher Hypertonie wegweisend sein; dagegen eignet sich die Massenbestimmung des linken Ventrikels aufgrund mäßiger Reproduzierbarkeit der Messungen nicht zur Therapiekontrolle.

Ebenso ist die automatische Indikation zur Echokardiografie nach jedem neurologischen Insult unter der Frage nach einer kardialen Emboliequelle nicht effektiv. Nur bei wahrscheinlich embolischem Insult ist eine echokardiografische Diagnostik sinnvoll, insbesondere dann, wenn die Diagnostik der hirnversorgenden Arterien ohne wegweisenden Befund ist.

1.3.3 Indikation zur transösophagealen Echokardiografie

Bei nicht ausreichender transthorakaler Bildqualität und klinisch wichtiger Fragestellung ist prinzipiell die Indikation zur transösophagealen Echokardiografie (TEE) gegeben (Kap. ▶ 14). Der Grund dafür ist die erheblich höhere Sensitivität dieser Technik zur Diagnose pathologischer Veränderungen v.a. an Klappen, Prothesen, in den Vorhöfen sowie in der thorakalen Aorta. Bei transthorakal schlecht schallbaren Patienten (z.B. Emphysem oder Beatmung) können auch echokardiografische Routinefragen, etwa die Frage nach Wandbewegungsstörungen, die transösophageale Untersuchung notwendig machen.

In einigen Situationen kann die transösophageale Echokardiografie primär auch ohne vorherige transthorakale Echokardiografie eingesetzt werden, da die zu erwartende diagnostische Ausbeute weit größer ist und auch bei positivem transthorakalem Befund eine transösophageale Untersuchung fast immer zur Klärung von Details notwendig ist:

bei Verdacht auf Aortendissektion oder Aortentrauma

bei Verdacht auf Endokarditis, Dysfunktion oder Thrombose einer Herzklappenprothese

zum Ausschluss linksatrialer Thromben vor Kardioversion

1.3.4 Systematische oder „gezielte“ Echokardiografie?

Für die echokardiografische Untersuchung besteht ein standardisiertes, umfassendes Untersuchungsprogramm (Kap. ▶ 3). Seine Einhaltung stellt sicher, dass (fast) sämtliche zugänglichen Strukturen systematisch und vollständig untersucht werden.

Dies kostet Zeit und Mühe:

Eine komplette echokardiografische Untersuchung lässt sich selbst unter optimalen Verhältnissen selten in weniger als 15 min durchführen. Bei schwierigen Verhältnissen kann sie leicht wesentlich länger dauern. Daher wird insbesondere bei kurzfristigen Wiederholungsuntersuchungen (z.B. Verlauf bei Perikarderguss) oft nur eine bestimmte Struktur in wenigen Schnitten untersucht.

Unter Zeitdruck wird auch in anderen Fällen häufig „gezielt“ untersucht. Es sollte jedoch bedacht werden, dass damit die Chance schwindet, unvermutete wichtige Befunde zu erheben, da viele pathologische Veränderungen nicht unmittelbar ins Auge springen. Ein ischämischer Ventrikelseptumdefekt bei Myokardinfarkt kann z.B. der flüchtigen Beurteilung der Ventrikelfunktion entgehen, wenn nicht entsprechende Regionen des rechten Ventrikels im Farbdoppler dargestellt worden sind; das Gleiche gilt für Vorhofseptumdefekte oder subaortale Membranen.

Für akute Notfalluntersuchungen wie etwa extreme Luftnot, Schock, Herzstillstand u.a. gibt es Kurzprotokolle, die helfen sollen, wesentliche Differenzialdiagnosen (z.B. Perikardtamponade, Linksherzinsuffizienz, Rechtsherzvergrößerung etc.) schnell „abzuarbeiten“. Dieses Protokoll wendet sich allerdings hauptsächlich an Anwender, die keine eingehenden Vorkenntnisse in der Echokardiografie besitzen.

1.3.5 Tragbare Echokardiografiegeräte

In den letzten Jahren haben mehrere Hersteller tragbare Echogeräte entwickelt, die für den vielseitigen Einsatz außerhalb des klassischen Echolabors konzipiert sind (unter z. T. phantasievollen Epitheta wie „hand-carried“, „point-of-care“, „ultrasound stethoscope“, „personal imager“). Die kleinsten und preiswertesten Geräte, die in eine Kitteltasche passen, haben nur eingeschränkte Doppler-Fähigkeiten und Dokumentationsmöglichkeiten, während die größeren tragbaren Geräte bis hin zur Anschließbarkeit einer TEE-Sonde und der Konfigurierbarkeit für Stressecho-Untersuchungen praktisch alle Optionen eines großen Geräts besitzen. Die 2-D-Bildqualität bzw. die Doppler-Datenqualität erreicht zwar nicht die von „großen“ Spitzengeräten, ist aber klinisch brauchbar.

Die tragbaren Geräte erlauben also, v.a. bei erfahrenem Untersucher, durchaus valide echokardiografische Untersuchungen, obwohl sie bei komplexer Fragestellung oder Pathologie ein „großes“ Gerät nicht ersetzen.

Die hohe Mobilität erlaubt eine kurzfristigere und breitere Anwendung der Methode, etwa bei der körperlichen Untersuchung des Patienten, bei der Visite, auf nicht kardiologischen Intensivstationen, in der Notaufnahme, im Notarztwagen usw.

Das Hauptproblem des Einsatzes liegt eher in der Ausweitung des Personenkreises der Anwender als in der gerätetechnisch bedingten Datenqualität.

Der Ausbildungsstand des Anwenders und die Fragestellung entscheiden weit mehr als die Art des Geräts darüber, ob eine Untersuchung nochmals mit einem klassischen Gerät wiederholt bzw. validiert werden muss und welchen klinischen Stellenwert Befunde haben, die mit einem tragbaren Gerät erhoben wurden.

Beispielsweise werden typische Notfall-Differenzialdiagnosen bei akuter Dyspnoe, wie myokardiale Linksinsuffizienz, schwere Lungenembolie, Perikarderguss, bei kompetentem Untersucher auch mit einem kleinen Gerät zusammen mit dem klinischen Erscheinungsbild meist zu stellen sein. Dagegen erfordert die Frage nach Zeichen einer infektiösen Endokarditis oder kardialen Emboliequellen die bestmögliche Bildqualität und sollte daher nicht (nur) mit einem tragbaren Gerät beantwortet werden.

1.4 Stellenwert echokardiografischer Befunde in der kardiovaskulären Diagnostik

Der Rang echokardiografischer Befunde in der kardiologischen Diagnostik hat kontinuierlich über die Jahre zugenommen und einige Methoden verdrängt (z.B. Apexkardiografie, Phonokardiografie, Farbstoffverdünnung, Radionuklidventrikulografie), auch ist die Echokardiografie zur ernsthaften Konkurrenz anderer Methoden geworden (z.B. Perfusionsszintigrafie).

Inzwischen ist die Beurteilung der systolischen linksventrikulären Funktion und der Herzklappen mit dem Echo bei entsprechender Sorgfalt in der Regel sicher genug, dass auf die invasive diagnostische Bestätigung verzichtet werden kann.

Durch den technischen Fortschritt auch in den anderen kardiologischen Bildgebungstechniken, v.a. der Magnetresonanztomografie und der kardialen Computertomografie wird es zunehmend wichtiger, die Stärken und Schwächen dieser Methoden im gegenseitigen Vergleich zu verstehen und in klinische Indikationen umzusetzen. Dabei geht es in der Regel nicht darum, solche Untersuchungen statt, sondern zusätzlich zur Echokardiografie durchzuführen und eventuelle Diskrepanzen zu deuten. Typische Beispiele sind

Erkrankungen des Perikards oder der Aorta

angeborene Vitien u.a. sowie

die derzeit konkurrenzlose Fähigkeit der kardialen Computertomografie zum Ausschluss einer koronaren Herzkrankheit bei niedriger oder mittlerer Vortestwahrscheinlichkeit.

In den Einzelkapiteln wird daher kurz auf die Differenzialindikation zu anderen Bildgebungsverfahren hingewiesen.

2 Physikalische und technische Grundlagen

2.1 Zum Einstieg

Die physikalischen Eigenschaften von Schall und Ultraschall, speziell der Wellencharakter und die Interaktion von Schall mit Grenzflächen werden besprochen. Daran schließen die physikalisch-technischen Grundlagen der Bildgebung mit Ultraschall und der Doppler-Messung von Geschwindigkeiten an. Gepulster und kontinuierlicher Betriebsmodus, M-Mode, 2-D-Verfahren, harmonische Bildgebung, 3-D-Echokardiografie, die Dopplermodalitäten, die Messung von Geschwindigkeiten durch digitale Bildverarbeitung („speckle tracking“) sowie wesentliche Begriffe und Parameter werden kurz erklärt und auf ultraschalltypische Artefaktmöglichkeiten hingewiesen.

Es folgen die wichtigsten Verarbeitungsschritte im Echogerät, Speichermöglichkeiten und Hinweise auf biologische Wirkungen von Ultraschall.

Den Abschluss bilden einige hydrodynamische Konzepte, die für das Verständnis der Echokardiografie, insbesondere der Dopplerverfahren wesentlich sind, so zur Rolle der Bernoulli-Gleichung, der Massen- und Energieerhaltungssätze, zur Berechnung von Volumenfluss und Druckgradienten sowie zur Quantifizierung von Regurgitationen.

2.2 Ultraschall

2.2.1 Eigenschaften des Schalls

Die Echokardiografie ist ein Sammelbegriff für diagnostische kardiologische Methoden auf der Grundlage reflektierten Ultraschalls. Ultraschall ist definiert als Schall mit einer Grundfrequenz oberhalb von 20 kHz (20.000 Schwingungen/s), der somit oberhalb des hörbaren Frequenzbereichs liegt. Typische in der Echokardiografie verwendete Ultraschallfrequenzen liegen zwischen 2 und 7 MHz ( ▶ Tab. 2.1 ); im intravaskulären Ultraschall werden Frequenzen bis etwa 45 MHz benutzt.

Tab. 2.1 

Schallfrequenzbereiche.

Frequenzbereich

Kennzeichen

bis 20 kHz (2 × 104 Hz)

hörbarer Schall

2,5 MHz (2,5 × 106 Hz)

übliche Grundfrequenz der 2-D-Echokardiografie

5 MHz (5 × 106 Hz)

übliche Grundfrequenz der transösophagealen Echokardiografie

20–45 MHz (2–4,5 × 107 Hz)

üblicher Frequenzbereich der intravaskulären Ultraschallbildgebung

100–1000 MHz (108–109 Hz)

akustische Mikroskopie

Schall, einschließlich des Ultraschalls, ist eine Druckwelle, die sich in gasförmigen, flüssigen und festen Medien fortpflanzen kann ( ▶ Abb. 2.1). Anders als elektromagnetische Wellen, z.B. Licht, kann Schall sich dagegen nicht im Vakuum ausbreiten. Wie alle Wellen können Schallwellen durch ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit c (in m/s), ihre Wellenlänge λ (in mm) und ihre Frequenz f (Hz=1/s) beschrieben werden:

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c der Schallwelle hängt vom Medium ab und ist in festen Medien schneller als in gasförmigen. In Gewebe beträgt sie etwa 1540 m/s. Betrachtet man einen ortsfesten Punkt innerhalb einer Schallwelle, so wechseln sich dort Überdruck- und Unterdruckphasen zeitlich ab. Die einzelnen Materieteilchen des Mediums (z.B. Gas- oder Flüssigkeitsmoleküle) bewegen sich dabei räumlich nur geringfügig und kehren nach Ablauf einer Schwingungsperiode an ihren Ausgangsort zurück (ähnlich der periodischen, reversiblen Auslenkung von Wassermolekülen in einer Wasserwelle).

Die sich ausbreitende Schallwelle transportiert also keine Materie, sondern Energie ( ▶ Tab. 2.1 , ▶ Abb. 2.1).

Schema einer Ultraschallwelle.

Abb. 2.1 Oben ist die Verdichtung und Rarefaktion der beteiligten Partikel (z.B. Gasmoleküle) dargestellt. Zonen von Verdichtung (hoher Druck) und Rarefaktion (niedriger Druck) wechseln einander im Abstand einer Wellenlänge (γ) ab. Unten ist der entlang der Ausbreitung der Welle (x) aufgezeichnete Druck (p) dargestellt. Zwischen den Druckmaxima und -minima liegt jeweils eine Wellenlänge. Eine solche Sinuskurve könnte auch durch Registrierung des Drucks an einem festen Ort, der einer Schallwelle ausgesetzt ist, über die Zeit aufgezeichnet werden; der Abstand zweier Wellengipfel betrüge dann 1/f, die Schwingungsdauer ▶ [34].

2.2.2 Akustische Impedanz

Das Produkt von mediumspezifischer Schallgeschwindigkeit und Dichte des Mediums wird als akustische Impedanz (Schallleitfähigkeit) bezeichnet.

Beim Auftreffen von Schallwellen auf eine Grenzfläche von Medien unterschiedlicher Schallleitfähigkeit können drei verschiedene Phänomene entstehen ( ▶ Abb. 2.2):

Reflexion eines Teils der Schallwellenenergie, wobei der Anteil der reflektierten Energie umso höher ist, je mehr sich die Impedanzen unterscheiden. Einfall- und Ausfallwinkel sind gleich. Trifft die Schallwelle senkrecht auf die Grenzfläche (Einfallwinkel=Ausfallwinkel=0°), so wird Schallenergie zur Schallquelle zurückgeworfen. Dies ist die Grundlage des Echoeffekts beim hörbaren Schall. Reflexion entsteht an Objekten, die deutlich größer als die Wellenlänge des Schalls sind, typischerweise an glatten Flächen.

Brechung, wobei das Verhältnis von Einfall- und Ausfallwinkel vom Verhältnis der akustischen Impedanzen abhängt. Bei der Brechung durchquert die Schallwelle die Grenzfläche und breitet sich im neuen Medium mit einer Richtungsänderung aus. Sie wird also nicht wie bei der Reflexion zurückgeworfen.

Streuung, wenn die Größe des getroffenen Objekts im Bereich oder unterhalb der Wellenlänge der Schallwelle liegt. Typischerweise geschieht dies an „rauen“ Flächen. Streuung erfolgt in alle räumlichen Richtungen und ist daher weniger als die Reflexion vom Einfallwinkel der Schallwelle abhängig. Die zum Schallkopf zurückkehrende Schallenergie ist weit geringer als bei einer Reflexion.

Reflexion, Brechung, Streuung.

Abb. 2.2

Abb. 2.2a Trifft eine Schallwelle auf eine Grenzfläche zweier Medien unterschiedlicher akustischer Impedanz, so kommt es zur Reflexion. Die zurückgeworfene Energie ist umso höher, je unterschiedlicher die Impedanzen sind. Ein- und Ausfallwinkel sind gleich. Bei senkrechtem Auftreffen wird ein Teil der Energie des Schallstrahls zurück zur Schallquelle geworfen. Ein weiterer Teil der Schallstrahlenergie wird nicht reflektiert, sondern gebrochen, d.h. pflanzt sich unter Richtungsänderung (die vom Impedanzverhältnis abhängt) fort.

Abb. 2.2b Wenn die Reflektoren kleiner als die Wellenlänge des Ultraschalls sind oder die Schallwelle auf eine „raue“ Oberfläche auftrifft (links), tritt eine Streuung von Energie in alle Richtungen auf, d.h. auch zurück zum Schallkopf (allerdings wesentlich weniger als bei Reflexion an einer zur Schallstrahlrichtung senkrechten, großen Grenzfläche). Vgl. dazu die Situation rechts, wo von einer glatten, schräg getroffenen Oberfläche keine Energie zum Schallkopf zurückkehrt.

2.3 Echokardiografiegerät

2.3.1 Prinzip der Echokardiografie

2.3.1.1 Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall

Bei der Echokardiografie, wie auch der Sonografie, wird zur Bildgebung Ultraschall verwendet, der zu seiner Quelle, dem Schallkopf, aufgrund von Streuung oder Reflexion zurückkehrt. Die Laufzeit zwischen dem Aussenden eines Ultraschallsignals und seinem Empfang wird als Maß des zurückgelegten Wegs (bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit) benutzt und gestattet es somit den Abstand der reflektierenden Struktur von der Schallquelle zu bestimmen ( ▶ Abb. 2.3).

Ultraschallpuls.

Abb. 2.3 Erst der „gepulste“ Betrieb des Schallkopfs erlaubt die Zuordnung der empfangenen Schallwellen zu einer Reflexion in einer bestimmten Tiefe, die durch die Laufzeit berechnet werden kann. Der Puls, d.h. ein Wellenpaket, das durch kurzfristige Aktivierung des Schallkopfs erzeugt wird, kehrt nach einer Zeit T als Echo zum Schallkopf zurück. Daraus errechnet sich bei bekannter Schallgeschwindigkeit c ein Abstand des Reflektors (hier der rechten Wand des Flüssigkeitsbehälters) von c × T/2 ▶ [34].

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall ist in Wasser, Blut und Gewebe bei Körpertemperatur etwa 1540 m/s oder mm/ms (1,54 mm/µs). Auf diese Geschwindigkeit sind Echogeräte geeicht. Hieraus ergibt sich, dass bei Vorhandensein von Materialien, die wesentlich andere Schallausbreitungsgeschwindigkeiten als Wasser haben (z.B. Metall, Kunststoffe), die Eichung des Echogeräts zu Fehlern führt.

Dies ist einer der Gründe für Artefakte bei Klappenprothesen.

Bei der echokardiografisch am häufigsten benutzten Frequenz von 2,5 MHz beträgt die Wellenlänge 0,6 mm, bei 5 MHz 0,3 mm.

2.3.1.2 Harmonische Schwingungen

Weiterhin erfährt die Ultraschallwelle im Gewebe durch die wechselnde Verdichtung und Verdünnung des Mediums mit entsprechenden minimalen Variationen der Ausbreitungsgeschwindigkeit eine Formveränderung, die man als Hinzutreten von Obertönen oder harmonischen Schwingungen auffassen kann ( ▶ Abb. 2.4). Diese harmonischen oder Oberschwingungen, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz betragen, entstehen erst während der Fortpflanzung des Ultraschalls im Gewebe und sind wesentlich schwächer als die Grundschwingung. Sie werden bei der harmonischen Bildgebung zur Verbesserung der Bildqualität genutzt. Dabei kann der störende Einfluss der Brustwand verringert werden, da die harmonischen Frequenzen nicht im Schallkopf, sondern erst während der Gewebepassage des Ultraschallsignals entstehen ( ▶ Abb. 3.2).

Harmonische Schwingungen.

Abb. 2.4

Abb. 2.4a Schema der Grundschwingung (gelb, oben) und der (ersten) harmonischen Oberschwingung (blau, unten) als Sinusfunktionen des Drucks über die Zeit (z.B. Aufzeichnung des Drucks an einem festen Ort, der beiden Wellen ausgesetzt ist). Die harmonische Oberschwingung hat exakt die doppelte Frequenz und halbe Wellenlänge der Grundschwingung.

Abb. 2.4b Schema der Veränderung der Grundschwingung durch Passage von Gewebe. Aus der anfänglichen reinen Sinusschwingung wird durch Beimischung von höheren Frequenzen eine deformierte Welle mit spitzen Wellenkämmen und -tälern. Ursache ist die geringfügig höhere Schallgeschwindigkeit in der Kompressionsphase bzw. geringfügig niedrigere Geschwindigkeit in der Rarefaktionsphase ▶ [22].

Abb. 2.4c Eine vereinfachte schematische Frequenzanalyse der Schallwelle nach Gewebepassage zeigt neben dem Frequenzspektrum der Grundschwingung um die Zentralfrequenz fo eine schwächere erste harmonische Oberschwingung mit der Zentralfrequenz 2fo.

Abb. 2.4d Der Vergleich der Amplituden von Grund- und Oberschwingung in Abhängigkeit vom Abstand vom Zentralstrahl zeigt, dass die harmonische Oberschwingung erheblich schwächer, aber durch die Reduktion von Nebenkeulen auch erheblich rauschärmer ist.

2.3.1.3 Bestimmung von Abständen

Diagnostischer Ultraschall in der heute verwendeten Form eignet sich hervorragend dafür, den Abstand von Grenzflächen unterschiedlicher akustischer Impedanz vom Schallkopf zu bestimmen. Dies geschieht bei der Echokardiografie, indem ganz überwiegend die Lokalisation und zeitliche Veränderung der Blut-Gewebe-Grenze kardialer Strukturen (Kammerwände, Klappen etc.) bestimmt werden.

Ultraschall ist dagegen weit weniger geeignet, die Beschaffenheit von Geweben zu charakterisieren. Obwohl der Kollagengehalt lose mit der Echodichte (Stärke des Reflexes, Helligkeit auf dem 2-D-Bildschirm) korreliert, lassen sich nur sehr grobe Aussagen zu geweblichen Veränderungen machen. So erzeugen dichte Verkalkungen durch Totalreflexion der Ultraschallenergie einen Schallschatten (s.u. Schallschatten) distal der betreffenden Struktur. Häufig werden in der Echokardiografie schalldichte (sehr helle) Bezirke an Herzklappen auch ohne Schallschatten als „Verkalkungen“ angesprochen; man sollte sich bewusst machen, dass letztlich fibröse und verkalkte Läsionen rein echokardiografisch nicht sicher differenziert werden können.

2.3.2 Erzeugung von Ultraschall durch das Echokardiografiegerät

Die Ultraschallwellen werden vom Schallkopf (auch Transducer oder Schallwandler) erzeugt, indem piezoelektrische Kristalle von elektromagnetischen Wellen einer bestimmten Frequenz zu mechanischen Schwingungen derselben Frequenz angeregt werden. Diese Schwingungen werden bei Aufsetzen auf die Körperoberfläche und unterstützt durch ein schallleitendes Gel als Ultraschall in den Körper fortgeleitet.

Der Schallkopf ist keine punktförmige Quelle einer sich kugelförmig ausbreitenden Schallwelle, sondern erzeugt, z.B. im M-Mode-Verfahren, einen annähernd linearen dünnen Strahl. Diese Bündelung oder Fokussierung des Schallfelds ist allerdings nur relativ, d.h. den energiereichsten Teil der Ultraschallwelle betreffend; außerdem ist die Fokussierung nur bis zu einer gewissen Tiefe wirksam, danach divergiert das Schallfeld ( ▶ Abb. 2.5).

Schallwellen.

Abb. 2.5 Durch Schallwellen, die an den Rändern des Schallkopfs entstehen, kommt es zu (destruktiven und konstruktiven) Interferenzen im Schallfeld. Die Folge ist die Entstehung von Bereichen hoher Schallenergie nicht nur um den schraffierten Zentralbereich (die zentrale „Schallkeule“), sondern auch von konzentrischen Schalen um ihn herum, sogenannten Nebenkeulen. Unten ist die Schallintensität in einem bestimmten Abstand vom Schallkopf in Abhängigkeit vom Winkel zur Schallkopfoberfläche angegeben ▶ [34].

2.3.3 Gepulster Ultraschall

Um die Bestimmung der Laufzeit zu ermöglichen, muss der Ultraschall in einzelnen Wellenpaketen zu definierten Zeitpunkten ausgestrahlt werden; eine kontinuierliche Ausstrahlung erlaubt keine Entfernungsmessung. Daher arbeiten der bildgebende Ultraschall sowie der gepulste und der Farb-Doppler stets mit kurzen Wellenpaketen, sogenannten Pulsen, zwischen denen „Stille“ herrscht ( ▶ Abb. 2.3). Beim kontinuierlichen Doppler hingegen wird ununterbrochen ausgestrahlt, weswegen dieser auch keine räumliche Zuordnung erlaubt und kein „bildgebendes“ Verfahren ist.

2.3.3.1 Pulsrepetitionsfrequenz

Der Schallkopf erzeugt im bildgebenden gepulsten Betrieb z.B. 3–5 Wellenlängen und schaltet dann den Sendebetrieb ab, um auf die zurückkommenden reflektierten Schallwellen zu „horchen“, bevor er das nächste Wellenpaket losschickt.

Je tiefer die gewählte Eindringtiefe ist, desto länger ist die Pause, während der auf zurückkehrende Schallwellen gewartet werden muss.

Beispielsweise braucht eine Ultraschallwelle etwa 65 µs, um 10 cm tief in den Körper einzudringen. Zwischen Aussendung und Empfang der Reflexionen aus 10 cm Tiefe liegen also mindestens 130 µs. Diese Zeitspanne muss mindestens zwischen 2 aufeinander folgenden Ultraschallpulsen liegen, damit eine räumliche Zuordnung der zurückkehrenden Signale möglich ist.

Dementsprechend bedingt die Eindringtiefe die maximale „Pulsrepetitionsfrequenz“, die im gewählten Beispiel von 10 cm (1 s/130 µs=8000) 8 kHz beträgt. Die Pulsrepetitionsfrequenz determiniert somit die Obergrenze für das zeitliche Auflösungsvermögen des gepulsten Ultraschalls. Zur Detektion eines Reflektors in 10 cm Tiefe kann Ultraschall also nicht mehr als rund 8000-mal pro Sekunde ausgesandt und empfangen werden. In der Praxis ist die Pulsrepetitionsfrequenz deutlich niedriger, da das ausgesandte Wellenpaket (der „Puls“) selbst eine endliche zeitliche Dauer hat.

2.3.3.2 Länge der Pulse

Weiterhin bestimmt die räumliche Länge der Pulse – neben der Wellenlänge, die sich aus der verwendeten Grundfrequenz ergibt – das maximale räumliche Auflösungsvermögen in Richtung des Schallstrahls („axial“), d.h. den minimalen Abstand, den zwei vom Schallkopf aus gesehen hintereinander liegende Reflektoren haben müssen, um trennbare Reflexionen zu erzeugen (Auflösung, s.u.).

2.3.4 Empfang und Darstellung von Ultraschallsignalen durch das Echokardiografiegerät

Der Schallkopf arbeitet sowohl als Sender als auch als Empfänger für die zurückkehrenden Schallwellen. Diese werden von ihm in elektromagnetische Schwingungen, das Roh- oder Radiofrequenzsignal, umgewandelt. Dieses Signal hat eine „dynamische Breite“ („dynamic range“) von etwa 120 dB, d.h. die Amplitude oder Signalintensität der schwächsten Signale verhält sich zur Amplitude der stärksten wie 1:1.000.000. Die Bildpunkthelligkeit auf dem Bildschirm variiert aber nur um 256 Stufen und das menschliche Auge kann nur rund 30 Grauwerte auseinanderhalten.

Daher kann das Verhältnis von schwächsten zu stärksten Amplituden nicht linear proportional auf dem Bildschirm durch die Bildpunkthelligkeit wiedergegeben werden. Die enorme dynamische Breite des Rohsignals wird deshalb auf dem Bildschirm komprimiert („dynamic range compression“), um ein visuell gefälliges Bild zu erhalten, freilich um den Preis eines großen Informationsverlusts ( ▶ Abb. 2.6).

Dynamischer Bereich („dynamic range“) des Echobilds.

Abb. 2.6 Das elektromagnetische Rohsignal, das der Schallkopf an das Echogerät leitet, enthält einen Intensitätsbereich von rund 120 dB (1:106). Dieser wird durch logarithmische Kompression auf einen Bereich von etwa 30 dB (1:32) komprimiert, da nur etwa so viele Graustufen optisch differenziert werden können ▶ [10].

2.3.4.1 Auflösung

Die axiale Auflösung (Auflösung in Ausbreitungsrichtung des Ultraschallstrahls) ist abhängig von der Länge des Ultraschallpulses und damit auch von der Wellenlänge des Ultraschalls. Zwei Punkte müssen zumindest eine Pulslänge auseinander sein, damit sie unterschieden werden können ( ▶ Abb. 2.7). Bei einer Wellenlänge von 2,5 MHz liegt die axiale Auflösung in der Praxis bei etwa einem Millimeter.

Die laterale Auflösung von 2-D-Bildern ist deutlich schlechter und hängt primär von der Dichte der Ultraschallstrahlen im Sektor („scanlines“, ▶ Abb. 2.10) ab; sie ist rund 3- bis 5-mal niedriger als die axiale Auflösung.

Daher sollten Strukturen grundsätzlich in mindestens zwei senkrecht aufeinander stehenden Ebenen untersucht werden, damit alle Feinheiten wenigstens in einer Schnittebene in annähernd axialer Schallrichtung aufgezeichnet werden.

Grundsätzlich ist es wegen der höheren axialen Auflösung vorteilhaft, Längenmessungen auf dem 2-D-Bildschirm „von oben nach unten“ statt „von links nach rechts“ zu machen. Deshalb ist die Bestimmung des Ventrikeldurchmessers oder des Durchmessers des linksventrikulären Ausflusstrakts aus den parasternalen Schnittebenen der Bestimmung aus den apikalen Schnittebenen vorzuziehen.

Axiale und laterale Auflösung.

Abb. 2.7

Abb. 2.7a Axiale Auflösung. Zwei hintereinander positionierte Reflektoren werden im Wasserbad einmal mit einem 7-MHz- und einmal mit einem 2-MHz-Schallkopf angelotet. Beide erzeugen jeweils einen Puls von vier Zyklen; durch die höhere Frequenz ist die Pulslänge des 7-MHz-Schallkopfs aber kleiner (um den Faktor 2/7) als die des 2-MHz-Schallkopfs. Der Abstand der Reflektoren ist zu klein, um vom 2-MHz-Schallkopf noch aufgelöst zu werden. Daher erscheinen die beiden Reflektoren für diesen Schallkopf als einheitliches Echo, während der hochfrequente Schallkopf sie diskriminieren kann.

Abb. 2.7b Laterale Auflösung. Der minimale diskriminierbare seitliche Abstand von Reflektoren hängt von der Breite des Schallstrahls ab und ist höher als der minimale diskriminierbare axiale Abstand. Die zwei Reflektoren R1 und R2 im oberen Bild werden als einheitlicher Reflektor vom Schallkopf wahrgenommen, obwohl ihr Abstand derselbe ist wie im unteren Bild, wo sie durch die axiale Anordnung diskriminiert werden können ▶ [34].

2.3.4.2 Eindringtiefe

Je höher die Frequenz ist, desto höher ist die Schallabschwächung durch Umwandlung in für die Bildgebung nutzlose Wärme. Daher wird bei höherer Frequenz eine höhere Schallleistung benötigt, um dieselbe praktisch nutzbare Eindringtiefe wie bei niedrigerer Trägerfrequenz zu erreichen. Wenn nur eine geringe Eindringtiefe benötigt wird (z.B. apikale Strukturen von transthorakal, basale Strukturen von transösophageal), kann daher mit höheren Frequenzen (5–7,5 MHz) gearbeitet werden, um in den Genuss der höheren Auflösung zu kommen.

2.3.4.3 Fokus

Die Dicke des echokardiografischen Strahls (im M-Mode) oder der Schnittebene (im 2-D-Verfahren) hängt von der Fokussierung ab ( ▶ Abb. 2.8). Dies bedingt, dass

sie nicht unendlich dünn ist,

sie im Fokusbereich am dünnsten und davor und danach dicker ist,

benachbarte starke Reflektoren mitabgebildet werden können. Diese werden dann vom Echogerät bei der Bildwiedergabe räumlich falsch zugeordnet, nämlich als aus dem Bereich des Zentralstrahls kommend (Artefakte, s. Kap. ▶ 2.6).

Die Dicke einer 2-D-Schnittebene beträgt etwa 0,5–1 cm im Fokusbereich, d.h. Reflektoren aus einer ca. 0,5–1 cm dicken „Scheibe“ werden im Bild wiedergegeben.

Fokus.

Abb. 2.8 Schema des Schallfelds eines Schallkopfs. Im Nahfeld sind die Nebenkeulen im Intensitätsprofil erkennbar. Die optimale Bildgewinnung wird in der Fokuszone erreicht ▶ [10].

2.4 Echokardiografische Verfahren

2.4.1 M-Mode

Das älteste noch gebräuchliche echokardiografische Verfahren ist das M-Mode (M für „motion“). Dabei erzeugt der Schallkopf einen einzigen Schallstrahl, der mit hoher Pulsrepetitionsfrequenz (1000–5000/s) und daher sehr hoher zeitlicher Auflösung (≤1 ms) arbeitet. Reflektierende Strukturen im Verlauf dieses „eindimensionalen“ Strahls werden auf dem Bildschirm entlang der vertikalen Achse registriert; die horizontale Achse stellt die Zeitachse dar ( ▶ Abb. 2.9).

Das klassische Verfahren ist weitgehend durch das 2-D-Verfahren ersetzt, wird aber noch zur Messung der Verschiebung der Atrioventrikularebene (MAPSE, TAPSE) und zur Analyse sehr schneller Bewegungen verwendet (Kap. ▶ 3).

Prinzip der M-Mode-Echokardiografie.

Abb. 2.9

Abb. 2.9a Trägt man die Intensität der Reflektoren in Abhängigkeit von der Tiefe (d.h. der Laufzeit) auf, erhält man ein sogenanntes A-Mode (A für „Amplitude“).

Abb. 2.9b Charakterisiert man die Intensität durch die Helligkeit oder Schwärze der Bildpunkte und registriert auf der y-Achse über die Zeit, so entsteht ein M-Mode.

2.4.2 2-D-Verfahren

2.4.2.1 Bildgewinnung

Beim 2-D-Verfahren (2-D: zweidimensionalen), auch Schnittbildverfahren oder B-Mode (B für „brightness“), wird statt eines einzigen Strahls eine Vielzahl von Einzelstrahlen ausgesandt und zur Erzeugung eines zweidimensionalen Schnittbilds verwendet. Im Prinzip kann dies als rasche Folge paralleler, sektorförmig angeordneter M-Mode-Strahlen aufgefasst werden („scanlines“, ▶ Abb. 2.10). Dies wird heutzutage elektronisch mit einem Phased-Array-Schallkopf bewerkstelligt, indem 128–256 Einzelkristalle in zeitlich und räumlich geeignet gestaffelter Weise nacheinander aktiviert werden. Durch ihren Aufbau und verschiedene Formen der Fokussierung erzeugen solche Schallköpfe typischerweise ein Schallfeld in Form eines etwa 1 cm dicken Kreissektors mit einem Öffnungswinkel von 90°.

Weitere Verarbeitungsschritte umfassen Filter, die Umformung („scan conversion“) von Polarkoordinaten in die X-Y-Koordinaten des Bildschirmformats – da die Bildinformation zunächst in Polarkoordinaten als Angabe der Helligkeit eines Punkts auf einer bestimmten Scanlinie in einer bestimmten Tiefe vorliegt – und diverse Nachbearbeitungsschritte, die geräteabhängig sind. Zuletzt erscheint das so konstruierte Bild auf dem Bildschirm und kann entweder auf Videoband oder digital gespeichert werden. So entsteht in Echtzeit ein Schnittbild des Herzens, das eine ausgezeichnete zweidimensionale Orientierung erlaubt.

Prinzip der 2-D-Echokardiografie.

Abb. 2.10

Abb. 2.10a Durch schnelle Erzeugung und Schwenkung von Ultraschallstrahlen („scanlines“) wird ein Schnittbild des Herzens innerhalb eines kegelförmigen Bildsektors erzeugt ▶ [10].

Abb. 2.10b Die Schwenkung der Wellenfronten wird in den überwiegend üblichen elektronischen Schallköpfen durch zeitlich versetzte Aktivierung von Einzelkristallen erzeugt. Schematisch ist die zeitlich versetzte Aktivierung von 4 Kristallen gezeigt, die je nach Reihenfolge (rot oder blau) zur roten oder blauen Wellenfront führen.

2.4.2.2 Darstellung einer Schnittebene

Es ist wichtig, den Unterschied zwischen einer so erzeugten Schnittebene (oder tomografischen Ebene) und den Summationsbildern zu verstehen, die radiologisch, z.B. beim Thoraxbild oder der Angiografie, erzeugt werden. Diese beruhen nicht auf reflektierten Strahlen, sondern auf Transmission und Aufzeichnung von Röntgenstrahlen auf der gegenüber liegenden Seite der Strahlungsquelle. Die aufgezeichnete Intensität des Strahls ist daher von der Gesamtheit des durchquerten Materials abhängig; deshalb der Begriff „Summationsbild“. Diese Bilder entsprechen daher auch bei ähnlichem Strahlengang nie dem tomografischen Bild der Echokardiografie.

Übersicht

Weitere tomografische bildgebende Verfahren

Andere tomografische bildgebende Verfahren in der Kardiologie sind:

die Magnetresonanztomografie (MRT)

die tomografische Perfusionsszintigrafie (SPECT)

die Positronenemissionstomografie (PET) und

die Computertomografie (CT) einschließlich der Elektronenstrahltomografie.

2.4.3 3-D-Echokardiografie

Bei der 3-D-Echokardiografie ( ▶ Abb. 2.11) wird analog der konventionellen 2-D-Schnittebene ein kegelförmiges „Volumen“ in Echtzeit oder durch nachträgliche Zusammensetzung nacheinander akquirierter Teilvolumina dargestellt ( ▶ Abb. 2.12). Technisch wird dies mit einem Matrix-Array-Schallkopf gelöst, der statt einer linearen Anordnung von Einzelelementen (wie im 2-D-Verfahren) ein zweidimensionales Feld von Elementen besitzt.

3-D-Echokardiografie.

Abb. 2.11

Abb. 2.11a 3-D-echokardiografisches Bild der geschlossenen Mitralklappe aus der Perspektive des linken Vorhofs („surgeon’s view“). Oben im Bild erkennt man kuppelförmig einen Prolaps des P2-Segments des hinteren Mitralsegels (P2), gegenüber das vordere Mitralsegel (AML). Unten im Bild die Region der Aortenklappe (AK).

Abb. 2.11b Quantifizierung der linksventrikulären Volumina aus dem dreidimensionalen Datensatz. Aus dem von apikal aus akquirierten Echtzeit-3-D-Datensatz sind drei apikale Schnitte extrahiert (entsprechend oben links dem apikalen Vierkammer-, oben rechts dem Zweikammer- und unten links dem Langachsenschnitt). Im Anschluss werden manuell bestimmte Stützpunkte systolisch und diastolisch markiert (hier jeweils die Ansätze der Mitralsegel an der Basis des linken Ventrikels). Ein Bildverarbeitungsprogramm zeichnet dann automatisch, aber von Hand korrigierbar, die Endokardkontur im gesamten 3-D-Datensatz während eines Herzzyklus nach und berechnet daraus endsystolisches und enddiastolisches Volumen sowie Ejektionsfraktion. Unten rechts ist der so errechnete Ventrikel als Modell zu sehen, dessen Kontraktion visualisiert werden kann.

Prinzip der Echtzeit-3-D-Echokardiografie.

Abb. 2.12 Ein elektronischer Schallkopf erzeugt statt einer Schnittebene 20- bis 30-mal pro Sekunde ein pyramidenförmiges „Beschallungsvolumen“. Die vollständige Akquisition der echokardiografischen Daten eines Herzzyklus, die anschließend beliebig in Schnittebenen zerlegt werden können, kann daher, zumindest für kleinere Beschallungsvolumina und geräteabhängig, in Echtzeit erfolgen, einschließlich der 3-D-Farbdopplerdarstellung; der Preis dafür ist eine gegenüber dem 2-D-Verfahren deutlich herabgesetzte Bildrate. Völlig neue Schnittebenen, wie die eingezeichnete C-Ebene, die parallel (statt – wie im 2-D-Echo üblich – senkrecht) zur Schallkopfoberfläche liegt, sind sofort darstellbar. Das Gerät arbeitet mit über 4000 Einzelstrahlen, die 18- bis 40-mal (je nach Pyramidengröße) pro Sekunde empfangen werden ▶ [28].

Die 3-D-Echokardiografie erlaubt exakte Volumen- und Massenbestimmungen von kardialen Strukturen. Bestimmte Messungen, z.B. die endsystolischen und enddiastolischen Volumina des linken Ventrikels und die daraus resultierende Ejektionsfraktion, lassen sich bereits jetzt oft schneller und genauer mit 3-D-Schallköpfen als mit der 2-D-Echokardiografie vornehmen.

Für den allgemeinen Einsatz in der Routine ist die zeitliche und räumliche Auflösung jedoch bei weitem der 2-D-Echokardiografie unterlegen.

2.4.4 Dopplerverfahren

2.4.4.1 Dopplereffekt

Der Dopplereffekt (nach dem österreichischen Physiker Christian Johann Doppler, 1803–1853) beschreibt die Wirkung der relativen Bewegung des Senders einer Welle auf die von einem Empfänger wahrgenommene Frequenz der Welle ( ▶ Abb. 2.13). Bekannt ist z.B. die Frequenzerhöhung (Höherwerden des Tons) beim Herannahen einer Schallquelle (Polizeisirene, Flugzeug etc.), die bei der Entfernung der Schallquelle in eine Frequenzerniedrigung (Tieferwerden des Tons) übergeht. Die Frequenzverschiebung ist dabei der Geschwindigkeit des Senders proportional. Dies wird durch die Dopplergleichung beschrieben:

wobei v die Geschwindigkeit(-skomponente) der Schallquelle in Richtung des Schallstrahls ist, c die Schallgeschwindigkeit im entsprechenden Medium, fD die Frequenzverschiebung und f0 die von der Schallquelle erzeugte Grundfrequenz.

Dopplereffekt.

Abb. 2.13 Auswirkung einer Bewegung der Schallquelle auf einen ortsfesten Empfänger. Bei Annäherung der Quelle wird die empfangene Frequenz höher, bei Entfernung tiefer ▶ [18].

2.4.4.2 Bewegungsgeschwindigkeiten

Echogeräte können die durch den Dopplereffekt erzeugte Frequenzverschiebung zwischen ausgesandtem und empfangenem Ultraschall detektieren (sogenannte Demodulation), durch mathematische Analysetechniken (Fourier-Transformation für spektralen Doppler, Autokorrelation für Farbdoppler) das Frequenzspektrum errechnen und nach der obigen Gleichung die Bewegungsgeschwindigkeiten kardialer Strukturen messen. Mit dem Dopplerverfahren wird die Geschwindigkeit des Bluts (kontinuierlicher, gepulster und Farbdoppler) oder fester Herzstrukturen, z.B. des Myokards, gemessen (Gewebedoppler).

Die Darstellung des kontinuierlichen und gepulsten Dopplersignals erfolgt als „spektraler Doppler“, d.h. als Geschwindigkeits-Zeit-Kurve, während der Farbdoppler dem 2-D-Bild in Echtzeit superponiert wird ( ▶ Abb. 2.14).

Dopplermodalitäten.

Abb. 2.14

Abb. 2.14a Kontinuierlicher Doppler der Aortenklappe von apikal bei leichter Aortenstenose. Im Spektrum nach unten, d.h. vom Schallkopf weg, sind systolische transaortale Flussgeschwindigkeiten bis 2,6 m/s (AO) aufgezeichnet. In Gegenrichtung sind andeutungsweise diastolische transmitrale Einstromgeschwindigkeiten (MI) registriert, die ebenfalls im Schallstrahl erfasst werden. Eingezeichnet ist auch die Umfahrung des Zeit-Geschwindigkeits-Integrals (0,4 m). Die maximale Geschwindigkeit beträgt 2,6 m/s, der maximale Gradient 27 mmHg und der mittlere Gradient 15 mmHg. Man beachte, dass das transaortale Profil komplett grauweiß „ausgefüllt“ ist.

Abb. 2.14b Farbdoppler (links) und gepulster Doppler (rechts) der Mitralklappe im apikalen Vierkammerblick. Das systolische Bild links zeigt einen großen, turbulenten Mitralinsuffizienzjet (Pfeile) im linken Vorhof. Der gepulste Doppler zeigt den diastolischen Einstrom durch die Mitralklappe mit früher (E) und später (A) Einstromwelle. Man beachte, dass diese Wellen nicht wie beim kontinuierlichen Doppler „ausgefüllt“ sind, sondern eine relativ scharf begrenzte Umrisslinie haben, die durch die einheitliche laminare Strömung im Bereich der Messzelle bedingt ist. Die E-Welle ist durch die mitralinsuffizienzbedingte Druckerhöhung im linken Vorhof deutlich höher als die A-Welle. Dagegen wird das systolische turbulente Mitralinsuffizienzsignal (Pfeile) als senkrechtes, grauweiß ausgefülltes Band registriert. Die hohen Geschwindigkeiten im Mitralinsuffizienzjet (um 5 m/s) können mit dem gepulsten Doppler nicht adäquat registriert werden („Aliasing“).

(A=späte Einstromwelle, E=frühe Einstromwelle, LA=linker Vorhof, LV=linker Ventrikel, RA=rechter Vorhof, RV=rechter Ventrikel.)

2.4.4.3 Vektorkomponente

Alle Dopplerverfahren messen lediglich die Geschwindigkeitskomponenten in Richtung auf den Schallkopf oder von ihm weg. Andere Geschwindigkeiten werden entsprechend der Vektorkomponente in Schallstrahlrichtung gemessen, d.h. stets niedriger als die wahre Geschwindigkeit ( ▶ Abb. 2.15). Der Zusammenhang zwischen wahrer Geschwindigkeit v, Winkelabweichung (α) des Geschwindigkeitssektors zur Ausbreitungsrichtung des Schalls und gemessener Geschwindigkeit lautet:

Dopplerwinkelabweichung.

Abb. 2.15 Bilden Dopplerstrahl und Strömungsrichtung des Bluts einen Winkel, so wird vom Echogerät nur der Teilvektor in Richtung des Dopplerstrahls gemessen, d.h. die wahre Strömungsgeschwindigkeit wird um den Faktor unterschätzt, der dem Kosinus des Winkels entspricht.

Ein sich streng senkrecht zum Schallstrahl bewegender Reflektor würde daher vom Doppler theoretisch nicht erfasst:

Bei einem sich genau auf den Schallkopf zu oder von ihm weg bewegenden Reflektor wird die Geschwindigkeit korrekt wiedergegeben:

In der Praxis treten jedoch, insbesondere bei schnellen Strömungen, Wirbel auf, sodass auch überwiegend senkrecht zur Schallwellenausbreitung verlaufende Strömungen Dopplersignale erzeugen (z.B. im Farbdoppler einer von parasternal untersuchten Aortenstenose oder Mitralinsuffizienz); eine Messung der Geschwindigkeit ist jedoch aus dieser Position nicht sinnvoll.

2.4.4.4 Hörbare Frequenzverschiebung

Die Dopplerfrequenzverschiebung, die durch Blutflussgeschwindigkeiten im Herzen erzeugt wird, liegt im hörbaren Bereich. Beispielsweise ist bei einer Grundfrequenz von 2 MHz und einer maximalen Blutflussgeschwindigkeit durch eine schwer stenosierte Aortenklappe von 5 m/s nach der Dopplergleichung (s.o.) eine Frequenzverschiebung zu erwarten von

oder in diesem Falle

Dieser Wert liegt im hörbaren Schallbereich.

Die Suche nach der höchsten Geschwindigkeit mit dem Dopplerverfahren orientiert sich daher sowohl visuell an der spektralen Wiedergabe als auch an der Höhe des akustischen Signals (je höher die Tonfrequenzen, desto höher die detektierte Blutflussgeschwindigkeit).

2.4.4.5 Kontinuierlicher Doppler

Das einfachste Dopplerverfahren ist der „kontinuierliche Doppler“ („Continuous Wave“, CW). Dabei wird ein linearer Ultraschallstrahl, typischerweise mit einer Frequenz von 1,8–2 MHz, durch das Herz gelegt. Die Orientierung des Strahls kann ins 2-D-Bild eingeblendet werden, sodass auf diese Weise die Position des Strahls gesteuert werden kann. Aus der Frequenzdifferenz zwischen ausgesandtem und reflektiertem Signal lässt sich die Geschwindigkeit der roten Blutkörperchen, die den Ultraschall reflektieren, berechnen.

Da der Strahl kontinuierlich abgegeben und empfangen wird, sind Aussagen zur Lokalisation der gemessenen Flussgeschwindigkeiten nicht möglich. Alle im Verlauf des Schallstrahls gemessenen Geschwindigkeiten werden registriert. Daher erscheint das Signal, im Gegensatz zum gepulsten Signal, stets „ausgefüllt“, d.h. es werden sämtliche Zwischengeschwindigkeiten zwischen 0 und der jeweiligen Maximalgeschwindigkeit mitregistriert ( ▶ Abb. 2.14a). Das Verfahren ist sehr sensitiv und geeignet z.B. die hohen Flussgeschwindigkeiten in Klappenstenosen zu erfassen.

2.4.4.6 Gepulster Doppler („Pulsed Wave“, PW)

Nyquist-Geschwindigkeit

Durch die gepulste Betriebsart, d.h. das Aussenden des Ultraschalls in „Wellenpaketen“, wird bei dieser Dopplermodalität eine räumliche Zuordnung der gemessenen Geschwindigkeiten ermöglicht. Die Messung erfolgt nur in einem bestimmten Bereich, der im 2-D-Bild als Messzelle („sample volume“) eingeblendet ist. Die gepulste Betriebsart bedingt eine begrenzte Auflösung für Geschwindigkeiten: oberhalb einer Grenzgeschwindigkeit (Nyquist-Geschwindigkeit oder Aliasing-Geschwindigkeit) können Geschwindigkeiten nicht zuverlässig gemessen werden ( ▶ Abb. 2.14b, ▶ Abb. 2.16).

Da die Grenzgeschwindigkeit von der Pulsrepetitionsfrequenz abhängt und diese wiederum von der Eindringtiefe mitbestimmt wird („gepulster Ultraschall“, ▶ Abb. 2.3), nimmt die eindeutig messbare Geschwindigkeit mit zunehmender Tiefe der Messvolumenposition ab.

So lassen sich bereits aus physikalischen Gründen z.B. ab 8 cm Eindringtiefe bei einer Grundfrequenz von 2 MHz Geschwindigkeiten >2 m/s nicht mehr eindeutig identifizieren.

Die höchste eindeutig identifizierbare Geschwindigkeit wird als Nyquist-Geschwindigkeit bezeichnet.

Bei Überschreiten der Nyquist-Geschwindigkeit treten die Signale in der spektralen Darstellung am falschen Ende der Geschwindigkeitsskala auf ( ▶ Abb. 2.16).

Gepulster Doppler.

Abb. 2.16

Abb. 2.16a Der gepulste Doppler hat im Gegensatz zum kontinuierlichen Doppler durch die begrenzte mögliche Pulsrepetitionsfrequenz ein begrenztes Auflösungsvermögen, d.h. er kann Geschwindigkeit oberhalb der Nyquist- oder Aliasing-Geschwindigkeit nicht eindeutig zuordnen. Dieses schematische Beispiel zeigt, dass die zwei Wellen unterschiedlicher Frequenz nicht unterschieden werden können, wenn nur die markierten Punkte detektiert werden. Für eine eindeutige Identifizierung der Frequenz bräuchte man eine wesentlich dichtere Verteilung von Registrierungspunkten, d.h. eine höhere Pulsrepetitionsfrequenz.

Abb. 2.16b Komplette Darstellung eines Flusssignals durch Verschiebung der Nulllinie („base line shift“) beim gepulsten Doppler des transaortalen Flusses von apikal. Bei der Lage der Nulllinie in b sind nach oben (in Richtung auf den Ausflusstrakt des linken Ventrikels) maximal Geschwindigkeiten von 50 cm/s, nach unten (in Richtung auf die Aorta ascendens) maximal von 30 cm/s korrekt registrierbar. Systolisch übersteigt die gemessene Flussgeschwindigkeit nach unten die Nyquist-Geschwindigkeit. Die Spitze des annähernd dreieckigen oder kegelförmigen Signals kehrt „falsch“ in der oberen Hälfte des Spektrums wieder (Pfeil).

Abb. 2.16c Durch Verschiebung der Nulllinie nach oben kann das gesamte Signal dargestellt werden. Nach unten sind jetzt Geschwindigkeiten bis 70 cm/s registrierbar. Man beachte, dass jetzt nur noch sehr geringe Geschwindigkeiten (bis 20 cm/s) nach oben korrekt wiedergegeben werden könnten. Selbst bei maximaler Verschiebung der Nulllinie an den oberen Rand des Spektrums können jedoch nur Geschwindigkeiten bis 90 cm/s weg vom Schallkopf adäquat wiedergegeben werden.

Wegen dieses Phänomens kann beispielsweise die hohe transvalvuläre Blutgeschwindigkeit bei einer Aortenstenose nicht mit dem gepulsten, wohl aber mit dem kontinuierlichen Doppler gemessen werden. Andererseits erlaubt der gepulste Doppler z.B. die Messung der Blutgeschwindigkeit im Ausflusstrakt des linken Ventrikels, auch wenn eine Aortenstenose vorliegt, während im kontinuierlichen Doppler die niedrigeren Geschwindigkeiten im Ausflusstrakt von den höheren in der Klappenstenose überlagert werden. Die beim Gesunden auftretenden transvalvulären Flussgeschwindigkeiten am Herzen überschreiten in Ruhe ca. 1,5 m/s nicht.

Gute gepulste Dopplersignale sind, im Gegensatz zum kontinuierlichen Dopplersignal, nicht komplett „ausgefüllt“, wenn im Bereich der Messzelle eine einheitliche Geschwindigkeit registriert wird (E-Welle in ▶ Abb. 2.14b).

Die Integration der Geschwindigkeiten über die Zeit, z.B. die Integration der transaortalen Geschwindigkeiten über eine Systole, liefert das Zeit-Geschwindigkeits-Integral, das die Dimension einer Länge (cm oder m) hat und multipliziert mit dem Strömungsquerschnitt die Berechnung des Schlagvolumens, in diesem Fall der Aortenklappe, erlaubt („Berechnung des Schlagvolumens über einer Klappe“, s.u.).

HPRF-Doppler

Weiterhin besteht die Möglichkeit, hohe Geschwindigkeiten mit dem sogenannten „high pulse repetition frequency“-Doppler (HPRF-Doppler) zu messen; dieser ist eine Art Hybridvariante zwischen kontinuierlichem und gepulstem Doppler, der zwar höhere Blutflussgeschwindigkeiten als der konventionelle gepulste Doppler messen kann, andererseits aber nicht mehr eindeutig angibt, wo sie gemessen wurden, d.h. zwei oder mehr Messzellen entlang des Messstrahls besitzt.

2.4.4.7 Farbdoppler

Der Farbdoppler ist im Prinzip ein gepulstes Dopplerverfahren, das simultan zahlreiche kleine Messzellen über das 2-D-Schnittbild legt und so die räumliche Verteilung von Geschwindigkeiten in Echtzeit wiedergibt.

Aufgrund der Notwendigkeit, Signale aus vielen Messzellen gleichzeitig zu analysieren, beruht die Berechnung der Geschwindigkeiten auf einem anderen Analyseverfahren (Autokorrelation) als beim gepulsten und kontinuierlichen Doppler und liefert stärker gemittelte Daten als der spektrale gepulste Doppler. Die Geschwindigkeiten werden dabei der Übersichtlichkeit halber nicht numerisch, sondern in Farbtönen wiedergegeben. Dabei wird den Flussgeschwindigkeiten auf den Schallkopf zu meist ein rot-gelber, denen vom Schallkopf weg ein blauer Farbton zugeordnet ( ▶ Abb. 2.17).

Beispiele für Geschwindigkeitskodierung im Farbdoppler.

Abb. 2.17

Abb. 2.17a Diastolischer transmitraler Einstrom in den linken Ventrikel. Die Flussgeschwindigkeiten sind in rot und gelb (d.h. auf den Schallkopf zu, vgl. Farbbalken) gekennzeichnet. Die höchsten Geschwindigkeiten treten in Höhe der Mitralsegelspitzen auf. Die Kennzeichnung des Farbbalkens besagt, dass bis zu 64 cm/s die Flussgeschwindigkeit auf den Schallkopf zu in rot und gelb wiedergegeben wird. Darüber hinaus würde es zu einem Farbumschlag nach blau kommen.

Abb. 2.17b Systolischer transaortaler Ausstrom aus dem linken Ventrikel mit weitgehend blau (vom Schallkopf weg) gekennzeichneten Flussgeschwindigkeiten. Im Bereich des Septums kommt es zu einem Farbumschlag, d.h. dort übersteigen die Geschwindigkeiten 64 cm/s vom Schallkopf weg. Das Beispiel zeigt auch, dass im Ausflusstrakt keine einheitliche Strömungsgeschwindigkeit, d.h. kein „flaches“ Strömungsprofil herrscht.

Der Farbdoppler kann, ebenso wie der gepulste Doppler, hohe Geschwindigkeiten wegen des Aliasing-Phänomens nicht eindeutig zuordnen. Außerdem sind solche schnellen Strömungen oft turbulent, d.h. die Flüssigkeitselemente bewegen sich nicht einheitlich in Flussrichtung, sondern sind „verwirbelt“ und können sich kurzfristig in alle Richtungen mit stark unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen. Hohe Geschwindigkeit mit entsprechendem Aliasing sowie Turbulenz führen in der Farbdopplerdarstellung zum „Mosaikmuster“ solcher Strömungen; darüber hinaus kann die starke örtliche und zeitliche Schwankung der gemessenen Geschwindigkeiten mit einer eigenen Farbe, z.B. Türkis, als „Varianzkodierung“ kenntlich gemacht werden. Solche hohen Flussgeschwindigkeiten treten bei Klappeninsuffizienzen, Stenosen oder z.B. an Ventrikelseptumdefekten auf.

Typischerweise liegen die Maximalgeschwindigkeiten bei einer Mitralinsuffizienz, ebenso wie bei einer schweren Aortenstenose, bei etwa 5 m/s und damit um ein Mehrfaches über der Aliasing-Geschwindigkeit des gepulsten und des Farbdopplers.

Die Bildrate des Farbdopplers liegt niedriger als die des 2-D-Bildes. Sie ist umgekehrt proportional zur Breite des Farbsektors, der Eindringtiefe und der Genauigkeit und Auflösung der Geschwindigkeitsmessung. Erhöhung eines dieser Faktoren (z.B. Breite des Farbsektors) führt zur Erniedrigung der Bildrate oder eines der anderen Faktoren.

2.4.4.8 Gewebedoppler

Diese Technik misst die regionalen Geschwindigkeiten fester Strukturen des Herzens (in Richtung des Ultraschallstrahls und bezogen auf den Schallkopf als Fixpunkt). Von besonderem Interesse ist dabei die Bewegungsgeschwindigkeit des linksventrikulären Myokards. Technisch wird dies durch den Einsatz von Filtern ermöglicht, die die relativ intensiven Signale mit niedriger Frequenzverschiebung, die von festen Herzstrukturen reflektiert werden – entsprechend etwa Geschwindigkeiten zwischen 0 und 15 cm/s – von den Signalen des Bluts trennen, welches schwache Amplituden mit deutlich höherer Frequenzverschiebung (entsprechend normalen maximalen Blutflussgeschwindigkeiten bis zu ca. 1,5 m/s im Klappenbereich) hervorbringt.

Die Daten des Gewebedopplers können in Form einer Farbdoppler-Wiedergabe oder als gepulster spektraler Doppler wiedergegeben werden ( ▶ Abb. 2.18). Die Messung der Gewebegeschwindigkeit in basalen Abschnitten der Ventrikel erlaubt Aussagen zur systolischen und diastolischen Ventrikelfunktion.

Gewebedoppler.

Abb. 2.18 Links Positionierung der Messzelle im basalen Septum (apikaler Vierkammerblick). Rechts spektrale Registrierung der relativen Bewegungsgeschwindigkeit des Myokards in der Messzelle in Bezug zum Schallkopf. Man erkennt eine nach oben, d.h. apikal gerichtete systolische Welle (S) sowie eine nach basal gerichtete frühdiastolische E'- und eine spätdiastolische A'-Welle, die der diastolischen Füllung durch die transmitrale E- und A-Welle entsprechen.

2.4.4.9 Verformungsbildgebung

Aus den Daten des Gewebedopplers lassen sich Informationen zur Verformung („strain“), z.B. prozentuale Elongation und Verkürzung des Myokards in longitudinaler Richtung, herleiten, wenn die Gewebegeschwindigkeiten zwischen 2 Punkten auf einem Schallstrahl bestimmt werden (s.u.).

2.4.5 Speckle Tracking

Eine vom Gewebedoppler verschiedene Bildverarbeitungstechnik, die räumliche Verfolgung von Myokardreflexionsmustern von Standbild zu Standbild („speckle tracking“, „2D strain“), kann die lokale Bewegungsgeschwindigkeit des Myokards (und theoretisch auch die des Blutes) analysieren, ohne dabei vom Anlotwinkel abhängig zu sein, da es sich nicht um ein Dopplerverfahren handelt ( ▶ Abb. 2.19, ▶ Abb. 2.20, ▶ Abb. 2.21 und ▶ Video 2.1, ▶ Video 2.2).

Prinzip des „Speckle Tracking“.

Abb. 2.19 Myokard weist im echokardiografischen Bild – gleich ob M-mode, 2-D-, oder 3-D-Verfahren – örtliche Fleckmuster („speckles“) auf, die sowohl durch lokale Reflexion als auch durch Schallwelleninterferenz entstehen. Dieses lokale Muster ist hier beispielhaft durch die Anordnung der 5 blauen Punkte im basalen Septum wiedergegeben. Von Bild 1 zu Bild 2 verschiebt sich die Lage der 5 Punkte nach oben im Bild, z.B. durch Längsverkürzung des Septums. Durch elektronische Bildverarbeitung können solche Muster in aufeinanderfolgenden Bildern identifiziert werden und die Ortsverschiebung (roter Pfeil) bestimmt werden. Die Verschiebung, geteilt durch den zeitlichen Abstand von Bild 1 nach Bild 2, ergibt die Gewebegeschwindigkeit in diesem Bereich. Hierbei ist die Richtung, anders als bei der Geschwindigkeitsbestimmung mittels Doppler, gleichgültig. ▶ [29]

Speckle-Tracking-basierte Verformungsmessung („2-D strain“) des linken Ventrikels in drei Richtungen:

Abb. 2.20 longitudinal (links, im apikalen Vierkammerblick), radial bzw. transversal (Mitte) und zirkumferenziell (rechts) im parasternalen Kurzachsenschnitt. Die rosafarbene, dem Myokard überlagerte Region stellt die „region of interest“ des Speckle-Tracking-Algorithmus dar und besteht aus vielen Einzelpunkten. Die Pfeile geben die jeweilige Richtung an, in der die Verformung gemessen wird. Man kann sich dies als die Verkürzung oder Verlängerung einer Mittellinie vorstellen, die parallel zum Endokard in der Mitte der jeweiligen Wand (Septum und Lateralwand des linken Ventrikels im Vierkammerblick, die 6 mittleren linksventrikulären Segmente im Kurzachsenschnitt) verläuft. Die Kurven in der unteren Zeile geben typische Strain-Kurven wieder (Verkürzung bzw. Verdickung in % auf der y-Achse, Zeit auf der x-Achse.

Speckle-Tracking-basierte, longitudinale Strain-Untersuchung.

Abb. 2.21 Vgl. hierzu auch ▶ Video 2.1 und ▶ Video 2.2.

Abb. 2.21a Speckle-Tracking-basierte, longitudinale Strain-Untersuchung im apikalen Zweikammerblick. Links oben Überlagerung der 2-D-Bildschleife mit dem farbigen Analysebereich („region of interest“) für die Berechnung des longitudinalen Strains (dies ist im bewegten Bild in ▶ Video 2.2