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Geschichte und Entwicklung der Ultraschalldiagnostik in:

Christoph F. Dietrich (Ed.)

Ultraschall-Kurs, page 1 - 4

Organbezogene Darstellung von Grund- und Aufbaukurs sowie weiterführender Module (Postgraduierten-Kurse). Nach den Richtlinien von KBV, DEGUM, ÖGUM und SGUM; eBook-Ausgabe mit OnlinePlus

7. Edition 2020, ISBN print: 978-3-7691-0615-2, ISBN online: 978-3-7691-3715-6, https://doi.org/10.47420/9783769137156-1

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1 Geschichte und Entwicklung der Ultraschalldiagnostik Hagen Weiss Das Phänomen Schon immer haben sich die Menschen Gedanken über die rätselhafte Orientierungsfähigkeit von Fledermäusen in der Dunkelheit gemacht. Das experimentierfreudige Zeitalter der Aufklärung in der 2. Hälfte des 18. Jahrhunderts spürte dem geheimnisvollen Phänomen nach und entwickelte Versuchsanordnungen zu seiner Klärung. Der Geistliche, Ordinarius der Naturgeschichte der Universität Pavia, Leiter des dortigen naturhistorischen Museums und vielseitige naturwissenschaftliche Experimentator Lazzaro Spallanzani (1729–1799) beschäftigte sich erstmals experimentell mit dem Flug der Fledermäuse und ihrer Fähigkeit, selbst in der Dunkelheit kleinsten Hindernissen auszuweichen. Seine in Briefform (Lettere, 1793/94) an Brief- und Experimentierpartner gerichteten Untersuchungsergebnisse halten fest, dass sich Fledermäuse auch dann in der Dunkelheit zurechtfinden und Hindernissen ausweichen, wenn sie geblendet und gleichzeitig ihres Tastsinns, ihres Geschmacks und ihres Geruchs beraubt sind [Spallanzani 1825/1826]. Das gleichzeitige Verstopfen der Gehörgänge geblendeter Tiere führte in 10 von 11 Fällen nicht zu einer Einschränkung der Orientierungsfähigkeit. Spallanzani nahm deshalb an, dass sich die Tiere mit einem sechsten, für Menschen nicht fassbaren Sinn orientieren müssten, der seinen Sitz im Bereich des Kopfes haben müsse, denn Tiere, deren Kopf mit einem Tuch vollständig bedeckt wurde, waren nicht mehr in der Lage, sich zu orientieren. Der Genfer Arzt und Naturwissenschaftler Louis Jurine (1751–1819) hatte von diesen Versuchen gehört und wiederholte sie [Peschier 1798]. Übereinstimmend mit Spallanzani stellte er fest, dass die Augen zur Orientierung der Fledermäuse nicht notwendig sind. Im Unterschied zu Spallanzani fand er jedoch, dass alle 6 geblendeten und durch Verbinden der Ohren oder Perforation des Trommelfells um das Gehör gebrachten Tiere sich nicht mehr orientieren konnten, während geblendete Tiere mit intakten Ohren den Hindernissen auszuweichen in der Lage waren. Er schloss daraus, dass die Ohren der Fledermäuse die Augen bei der Orientierung im Flug ersetzen können. Obwohl Spallanzani die Ergebnisse Jurines nachträglich bestätigte und die Spallanzanischen Ergebnisse schnell in der damaligen gebildeten Welt bekannt wurden [Gren 1794; Reil 1796], konnte sich die Theorie des sechsten Sinns oder gar die Hörtheorie im 19. Jahrhundert nicht durchsetzen. Die von Cuvier [Claus 1885] aufgestellte Tastsinntheorie hielt sich in der enzyklopädischen Literatur bis in das 20. Jahrhundert [Brehm 1927]. Der Grund dafür, dass sich die Hörtheorie nicht durchsetzen konnte, war wohl einfach die Tatsache, dass eine für den Menschen nicht hörbare Tonqualität nicht vorstellbar war [Galambos 1942/43]. Nach Bekanntwerden der Existenz von Ultraschallwellen konnte Hartridge [1920] allein aufgrund der Betrachtung des Fluges der Fledermäuse bei Tag und in der Nacht die Hypothese aufstellen, dass Fledermäuse im Flug hochfrequente, das heißt kurzwellige Schreie ausstoßen, die oberhalb der menschlichen Hörgrenze liegen, und aus der Art der Reflektion dieser Schreie (sog. Sound ranging) im Wege liegende Hindernisse erkennen und umfliegen können. Die Richtigkeit dieser Hypothese wurde durch die sorgfältigen Untersuchungen von Griffin und Galambos in den Jahren 1939–1942 bestätigt, die mit Mikrofonen und Verstärkersystemen die Schreie der Fledermäuse aufnehmen konnten [Griffin u. Galambos 1941; Galambos u. Griffin 1942]: Fledermäuse stoßen zur Orientierung Schreie mit einer Frequenz zwischen 30000 und 70000 Hz mit einer Impulsdauer von 0,01–0,02 s aus. Die Impulsfrequenz ist umso höher, je schneller das Tier fliegt und je näher und schwieriger zu differenzieren das Hindernis ist (5–60 Schreie pro Sekunde). Für andere Tiere sind inzwischen ähnliche Beobachtungen gemacht worden [Timm u. Schaller 1949]. Das in der Natur benutzte Ortungssystem kann als Modell für die Ultraschalldiagnostik verwendet werden. Die Erzeugung von Ultraschallwellen 1880 entdeckten die Brüder Jacques und Pierre Curie, dass bestimmte Kristalle bei Kompression eine polarisierte Elektrizität entwickeln – ein Phänomen, das später Piezo-Elektrizität genannt wurde [Curie u. Curie 1880]. Unter Verwendung des reziprok-piezoelektrischen Prinzips konnten die ersten Ultraschallgeneratoren zur Ortung von Hindernissen im Wasser in den Kriegsjahren 1914–1918 nach den Patenten von Langevin und Chi- Geschichte und Entwicklung der Ultraschalldiagnostik2 lowsky entwickelt werden [Biquard 1972]. Das Patent wurde 1916 eingereicht und 1920 akzeptiert. Ein serienmäßiges Gerät kam im Ersten Weltkrieg nicht mehr zum Einsatz. Rasch fand der Ultraschall Anwendung in verschiedenen technischen Bereichen. Die Verwendung von Ultraschallwellen in der Medizin Therapie Die therapeutische Verwendung des Ultraschalls ging der diagnostischen auffälligerweise um über 10 Jahre voraus. Nach ersten Äußerungen über den biologischen Effekt des Ultraschalls [Wood u. Loomis 1927] wurde die Ausnützung des Wärmeeffekts erstmals 1932 von Freundlich vorgeschlagen [Freundlich, Söllner, Rogowski 1932]. Pohlmann und Mitarbeiter führten den Ultraschall in die physikalische Therapie (Ischias und Plexusneuralgie) ein [Pohlmann, Richter, Parow 1939]. Danach hob eine geradezu enthusiastische Welle der Ultraschalltherapie an, die von Deutschland und Japan ausging [Kremkau 1979]. In einer Vielzahl therapeutischer Bereiche wurde der Ultraschall eingesetzt, wobei ausreichend kontrollierte Grundlagenstudien fehlten. Bereits auf dem Ultraschallkongress 1949 in Erlangen, bei dem sich unter den 72 Vorträgen die überwiegende Mehrzahl mit den verschiedenen Therapieformen des Ultraschalls beschäftigte, wurde eine Anwendung in der Tumortherapie als nicht sinnvoll festgehalten [Rech u. Matthes 1949]. Auch die therapeutischen Möglichkeiten auf anderen Gebieten enttäuschten, die Nebenwirkungen waren zum Teil beachtlich. Die Anwendungshäufigkeit ging deshalb schnell zurück. In den 1970er Jahren war ein Tiefpunkt erreicht. Diagnostik Erstmals 1940 wiesen Gohr und Wedekind auf die Möglichkeit der Ultraschallortung von Tumoren, Exsudaten und Abszessen hin. Ergebnisse wurden in dieser Arbeit nicht publiziert. Dussik berichtete 1942 über erste Versuche mit der Transmissionssonografie am Präparat [Dussik 1942]. 1947 konnte er dann ein Ultraschalldiagnostikgerät zur „Hyperphonographie“ des Schädels vorstellen, bei dem durch Abtastung des Schädels mit einem Ultraschallstrahl eine Absorptionskarte des Gehirns fotografisch aufgezeichnet werden konnte [Dussik, Dussik, Wyt 1947]. Ein Gerät, das nach demselben Prinzip arbeitete, konstruierte auch Dénier [1946], überprüfte damit die Leitfähigkeit von Knochen und die Abgrenzbarkeit innerer Organe und sagte eine breite Verwendung der von ihm „Ultrasonoscopie“ genannten Technik in der Diagnostik abdomineller und thorakaler Organe voraus. Keidel [1947; 1950] konnte im Durchschallungsverfahren diastolische und systolische Größenveränderungen des Herzens aufgrund der herzdickenproportionalen Laufzeitveränderungen des Ultraschalls bestimmen. Noch 1954 aber nahm der diagnostische Ultraschall in dem Standardwerk von Bergmann nur eine Randrolle ein [Bergmann 1954]. Die nächsten Schritte in der Entwicklung des diagnostisch verwendeten Ultraschalls wurden von außereuropäischen Arbeitsgruppen getan. Dabei war als notwendige Voraussetzung dieser weiteren Entwicklungsschritte die enge Zusammenarbeit von Ärzten und Ingenieuren in diesen Arbeitsgruppen wichtig. Wild [1950] beschrieb eine Methode zur Wanddickenmessung des tumorös infiltrierten menschlichen Darms am frisch entnommenen Präparat. Er verwendete eine Apparatur, die Ultraschallimpulse von 0,5 μs abgab. Die Aufzeichnung der Echos erfolgte erstmals im A-Mode-System. Wild erkannte, dass Dichteunterschiede des Gewebes weitere Aufschlüsse über die Gewebebeschaffenheit geben können: Grenzflächen geben starke Echos, Dichteunterschiede im Gewebe geringe Echoamplituden. 1952 konnte er ein zweidimensionales Ultraschallbild eines Mammakarzinoms zeigen [Wild u. Reid 1952]. Das von ihm verwendete Gerät arbeitete mit einer Frequenz von 15 MHz und somit einer geringen Eindringtiefe von 2–3 cm. Es hatte eine Impulsdauer von einer halben Millionstel Sekunde und eine Durchschnittsleistung von 1,3 W/cm2. Erstmals wurde ein Wasservorlauf benutzt. Während die von Wild überlieferten Abbildungen noch schwer zu deuten sind, entsprechen die zweidimensionalen Darstellungen eines Unterarmes, eines Gallenblasenpräparates sowie von Fremdkörpern in der Leber, die Howry und Bliss [1952] vorlegten, bereits gewohnten Bildern einer bistabilen Röhre. Das „Somascope“ genannte Gerät arbeitete mit einer Kathodenstrahlröhre; Applikator und Objekt wurden in ein Wasserbad getaucht [Howry et al. 1955]. Eine anschauliche Darstellung einer Nierenzyste und eine gute Differenzierung zwischen Nierenparenchym und Pyelon gelangen Holmes und Mitarbeitern 1954. Durch unterschiedliche Binnenechos der Leber konnten eine Leberzirrhose und eine Metastasenleber diagnostiziert werden. Eine dreidimensionale Betrachtungsweise wurde durch Verschieben der Schallebene um 10° und stereoskopische Beurteilung des Bildes versucht [Holmes et al. 1954]. Mittlerweile hatten Edler und Hertz [1954] die Echokardiografie in die medizinische Diagnostik eingeführt. 1955/1956 begründete Lecksell die Echoenzephalografie und 1957 wurde durch die Arbeit von Satomura die Literatur 3 Dopplersonografie als diagnostische Möglichkeit erkannt. So wurden alle 4 ultraschalldiagnostischen Möglichkeiten in den 1950er Jahren erfunden und erstmals angewendet. Der Nachweis von Gallensteinen und eines Gallenblasenkarzinoms in vivo mit einem A-Scope gelang Bannaski 1958 [Bannaski u. Fischer 1958]. Donald und Kollegen konnten in demselben Jahr über 100 Untersuchungen berichten, wobei sie sowohl ein typisches A-Scope (2,5 MHz) zur Diagnostik z.B. eines Harnverhaltes als auch ein B-Scope benutzten [Donald, McVicar, Brown 1958]. Neu war die Verwendung eines Plan positioner indicators, der zur Ortsdefinition des einzelnen Reflexpunktes auf der Bildröhre diente. Es stand damit zum 1. Mal ein voll einsetzbares Compound-scan-System zur Verfügung, das mit 50 Impulsen/s, 2,5 MHz und einer Schichtdickentiefe von 1 mm arbeitete. Die Leistung lag bei 1,5 mW/cm2. Das System wurde in der gynä ko lo gi schen und geburtshilflichen Diagnostik eingesetzt. Die Applikation erfolgte direkt durch eine Wasservorlaufstrecke. Trotzdem dauerte es bis 1963, bis ein im Handel erhältliches Ultraschallgerät von der Firma Physionics vorgestellt wurde [Kossoff 1978]. 1966 brachte die Firma Siemens mit dem „Vidoson“ den 1. Realtime-Scanner auf den Markt, der überraschenderweise von der englischsprachigen Welt kaum beachtet wurde, obwohl bei diesem Gerät schon eine Abstufung der Information in Grauwerten vorlag. Umso mehr wurde die Einführung der sog. Grey-scale-Echografie 1971 von den Ländern des angloamerikanischen Raumes mit Begeisterung begrüßt, da hiermit eine erhebliche diagnostische Verbesserung erreicht wurde. Die Entwicklungen der nächsten Jahre brachten die Multi-array-Scanner, also die Echtzeitgeräte mit Multielementsystemen, mit denen eine weitere Verbesserung der schnellen B-Bild-Diagnostik erreicht wurde und die bis heute Kernstück jeder B-Bild-Diagnostik sind. Alle, die in diesen frühen Jahren die diagnostischen Möglichkeiten der Methode erkannten, sich mit Begeisterung und großem persönlichen Einsatz ihrer Möglichkeiten annahmen und ihre Verbesserung betrieben, haben vielleicht erhofft, aber nicht geahnt, welche gewaltigen Entwicklungen zwischen den ersten deutbaren Bildern und der heutigen diagnostischen Qualität der Methode liegen würden, die auch in den Abbildungen dieses Buches zum Ausdruck kommt. Immer wieder haben wir befürchtet, dass die Entwicklung am Ende angekommen sei. Aber es ist immer weitergegangen. Fortschritte in der Auflösung durch verschiedenste technische Innovationen, die Kombination des B-Bildes mit der Farbdopplersonografie bis hin zu dem riesigen Fortschritt, den uns die Echoverstärker gebracht haben, lassen hoffen, dass diese Entwicklung auch in der Zukunft weitergehen wird. Literatur Bannaski H, Fischer KH. Neue diagnostische Möglichkeiten des Ultraschall-Impulsechoverfahrens. Med Klin 1958; 53: 51–55. 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Schlagworte

B-Bild, Elastografie, Lungenultraschall, Ultraschalldiagnostik, Bildgebendes Verfahren, Kursbuch, Farb-(Power-)Doppler, Kontrastmittel, Sonographie, Notfallsonographie, Facharztprüfung, Fraktursonografie, Ultraschall, Facharztausbildung

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