Was ist ein Ultraschallgerät?

Ein Ultraschallgerät, oft auch als Sonographiegerät bezeichnet, ist ein spezialisiertes Instrument, das in verschiedenen Bereichen wie der Medizin und der Industrie eingesetzt wird. In der medizinischen Anwendung dient es der Erzeugung von Ultraschallbildern für diagnostische Zwecke, bekannt als Sonographie. Dabei sendet das Gerät hochfrequente Schallwellen aus, die von Geweben, Organen oder Flüssigkeiten im Körper reflektiert werden. Die zurückgeworfenen Schallwellen werden dann in Echtzeit zu visuellen Bildern verarbeitet. In der Industrie wird ein Ultraschallgerät zur Prüfung der Materialstruktur von Bauteilen oder Rohren genutzt. Es ist ein unverzichtbares Werkzeug für präzise und nicht-invasive Untersuchungen.

Ultraschallgerät / Sonographiegerät
So sieht ein klassisches Ultraschallgerät aus.

Der Begriff “Ultraschallgerät” wird synonym verwendet, denn die mess- und bildgebenden Eigenschaften kommen auch in anderen Branchen zum Einsatz:

  • Die Sonotrode wird zum Ultraschallschweißen oder zur Materialprüfung verwendet.
  • Ultraschall-Durchflussmesser: Ein Volumendurchflussmessgerät, das die Geschwindigkeit eines strömenden Mediums (Flüssigkeit, Gas) mit Hilfe akustischer Wellen messen kann.

Geläufig sind auch “Ultraschallreinigungsgerät” für die Reinigung im Flüssigbad, “Ultraschalltherapiegerät” für die Ultraschalltherapie, “Ultraschallvernebler” zur Zerstäubung von Flüssigkeiten zu Nebel, Ultraschall Kosmetik Gerät” für die ästhetische Einflussnahme bei Hautproblemen, Ultraschallgerät für die Haarverlängerung (Extensions), Ultraschallgerät zur Tierabwehr oder Ultraschallzahnbürste.

Wie ist ein Ultraschallgerät aufgebaut?

Das zentrale Bauteil eines Ultraschallgerätes ist der Ultraschallwandler. Er besteht aus piezoelektrischen Kristallen, die in einer speziellen Anordnung platziert sind. Diese Kristalle wandeln elektrische Impulse in Ultraschallwellen um und empfangen die reflektierten Wellen. Diese Wellen werden dann von einem Hochleistungsprozessor analysiert, der die Daten in für den Menschen interpretierbare Bilder umwandelt. Der Prozessor arbeitet Hand in Hand mit einem Bedienfeld und einem Monitor, um eine präzise und benutzerfreundliche Diagnostik zu ermöglichen.

Über Knöpfe, Schieberegler, Trackingball oder Touchscreen können diverse Parameter geändert werden wie z. B. der Wechsel von Doppler-Ultraschall in den 3D-Ultraschall, Zoom, Standbild oder Längenmessung von Organen oder pathologischen Prozessen. Die aufgenommenen Ultraschallbilder oder -videos können auf dem Ultraschallgerät selbst, auf einem Wechseldatenträger, im Netzwerkordner, in der Cloud oder einem Picture Archiving and Communication System (PACS) gespeichert werden. Auch der Ausdruck per Drucker ist möglich. Der elektronische Datenaustausch zwischen Ultraschallgerät und Praxisverwaltungssystem erfolgt über das Kommunikationsprotokoll DICOM oder sonoGDT.

Der Ultraschallwandler

Der Ultraschallwandler, oft auch als Ultraschallsonde oder Schallkopf bezeichnet, ist das Herzstück des Ultraschallgeräts. Er besteht aus mehreren piezoelektrischen Kristallen, die elektrische Energie in mechanische Schwingungen (Ultraschallwellen) umwandeln und umgekehrt.

Ultraschallsonde
So sieht eine Ultraschallsonde aus.
  • Aufbau
    • Piezoelektrische Kristalle: Diese Kristalle sind in einer Matrixanordnung eingebettet und werden durch elektrische Impulse zum Schwingen angeregt.
    • Akustische Linse: Sie fokussiert die Ultraschallwellen auf den zu untersuchenden Bereich.
    • Gehäuse: Ein robustes Gehäuse schützt die empfindlichen Kristalle und die Elektronik.
  • Funktion
    • Senden von Ultraschallwellen: Die Kristalle werden durch elektrische Impulse angeregt und senden Ultraschallwellen aus.
    • Empfangen von Echos: Die Kristalle fungieren auch als Empfänger für die reflektierten Wellen (Echos).

In der Ultraschalldiagnostik gibt es verschiedene Arten von Ultraschallwandlern, die jeweils für spezielle Anwendungen konzipiert sind. In der nachfolgenden Tabelle sehen Sie die Wichtigsten. Daneben gibt es jedoch noch spezielle Ultraschallsonden wie die TEE-Sonde (Transösophageale Echokardiographie) und andere.

Eigenschaft Konvex Mikrokonvex Linear Phased Array Endokavitär
Aufbau gekrümmte Oberfläche ähnlich wie der Konvex-Wandler, aber mit einer kleineren Krümmung flache, lineare Anordnung von Kristallen klein und mit einer Anordnung von Kristallen, die elektronisch gesteuert werden schmaler, stabförmiger Wandler.
Anwendung Abdominalsonographie, Geburtshilfe und Gynäkologie Pädiatrie, kleine Organe und Gefäße oberflächliche Strukturen wie Schilddrüse, Gefäße und Muskulatur Kardiologie, Notfallmedizin vaginaler Ultraschall, transrektaler Ultraschall
Merkmale bietet ein breites Sichtfeld, aber weniger Detailauflösung in der Tiefe Ermöglicht eine bessere Auflösung bei kleineren Strukturen. hohe Auflösung, aber begrenzte Eindringtiefe ermöglicht die Bildgebung in Bereichen mit begrenztem Zugang, wie zwischen den Rippen für Untersuchungen, die eine Einführung des Wandlers in Körperhöhlen erfordern, bietet eine hohe Detailauflösung
Verschiedene Ultraschallköpfe im Vergleich

Der Prozessor

Der Prozessor arbeitet eng mit dem Steuergerät und dem Monitor zusammen, um eine nahtlose und effiziente Benutzererfahrung zu gewährleisten. Ohne einen leistungsfähigen Prozessor wäre die Echtzeitbildgebung und -analyse, die für die Ultraschalldiagnostik so wichtig ist, nicht möglich.

  • Aufbau
    • CPU (Central Processing Unit): Das Herzstück des Prozessors, das für die schnelle Verarbeitung der Ultraschallbilder zuständig ist.
    • Speicher: RAM für den temporären Speicher und eine Festplatte oder SSD für die langfristige Speicherung von Bildern und Patientendaten.
    • Grafikkarte: Spezialisierte Grafikkarten können die Geschwindigkeit der Bildverarbeitung und -anzeige erheblich verbessern.
  • Funktion
    • Signalverarbeitung: Der Prozessor empfängt die rohen Ultraschalldaten vom Wandler und wandelt sie in für den Menschen interpretierbare Bilder um.
    • Steuerung der Benutzeroberfläche: Verwaltet die Eingaben vom Bedienfeld und zeigt die entsprechenden Informationen auf dem Monitor an.
    • Datenmanagement: Speichert Patientendaten, Bilder und andere relevante Informationen sicher ab.

Das Steuergerät

  • Bedienfeld
    • Tastatur und Touchscreen: Für die Eingabe von Patientendaten und die Auswahl von Untersuchungsmodi.
    • Drehknöpfe und Schalter: Für die Feinabstimmung von Parametern wie Frequenz, Tiefe und Fokus.
    • Trackingball: Ein kugelförmiges Eingabegerät, das in das Bedienfeld des Steuergeräts integriert ist.
      • Der Trackingball ermöglicht es dem Benutzer, sich schnell und präzise durch das Ultraschallbild zu bewegen.
      • Oft wird der Trackingball auch genutzt, um bestimmte Punkte im Ultraschallbild zu markieren, die später gemessen oder analysiert werden sollen.
      • Durch Drehen oder Drücken des Trackingballs können oft auch der Zoom und der Fokus des Ultraschallbildes angepasst werden.
  • Einstellungsmöglichkeiten
    • Modusauswahl: B-Modus, M-Modus usw.
    • Frequenzeinstellung: Auswahl der Ultraschallfrequenz je nach Untersuchung.
    • Tiefeneinstellung: Einstellung der Eindringtiefe der Ultraschallwellen.
Bedienfeld eines Ultraschallgerätes mit Tasten, Schiebereglern und Trackingball.
Das Bedienfeld eines Ultraschallgerätes mit Tasten, Schiebereglern und Trackingball.

Der Monitor

  • Darstellung
    • Echtzeit-Bildgebung: Zeigt die Ultraschallbilder in Echtzeit an.
    • Farbkodierung: Bei Doppler-Untersuchungen zur Darstellung von Blutflussgeschwindigkeiten.
  • Interpretation der Bilder
    • Skalierung und Messungen: Möglichkeit zur Messung von Abmessungen direkt auf dem Monitor.
    • Bildarchivierung: Speicherung der Bilder für spätere Analyse oder Berichterstellung.

Zusätzliche Module und Zubehör

  • Doppler
    • Farbdoppler: Zur farblichen Visualisierung des Blutflusses.
    • Pulsed-Wave Doppler: Für detaillierte Messungen der Blutflussgeschwindigkeit.
    • Continuous Wave Doppler: Dieser Doppler-Typ verwendet kontinuierliche Ultraschallwellen und ist besonders nützlich für die Messung hoher Geschwindigkeiten, beispielsweise in der Kardiologie.
    • Power Doppler: Dieser Modus ist empfindlicher für langsame Flussgeschwindigkeiten und bietet eine bessere Darstellung der Blutversorgung in verschiedenen Geweben.
  • Spezielle Module für die Bildgebung
    • Elastographie: Dieses Modul misst die Steifheit von Geweben und ist besonders nützlich in der Onkologie zur Unterscheidung zwischen gutartigen und bösartigen Tumoren.
    • Harmonic Imaging: Diese Technik verbessert die Bildqualität durch den Einsatz von Ultraschallwellen mit mehreren Frequenzen.
    • Nadelführung: Ein Modul, das die Nadelposition in Echtzeit anzeigt, nützlich für biopsiegeführte Verfahren.
    • Automatische Messsysteme: Diese Module können automatisch bestimmte Messungen wie die Größe eines Organs oder die Geschwindigkeit des Blutflusses durchführen, was die Arbeitslast des Bedieners verringert.
  • 3D-Module
    • 3D-Bildgebung: Ermöglicht die dreidimensionale Darstellung von Strukturen.
    • 4D-Bildgebung: 3D-Bildgebung in Echtzeit, oft in der Geburtshilfe verwendet.
  • Weitere Zubehörteile
    • Biopsie-Nadeln: Für ultraschallgeführte Biopsien.
    • Ultraschallgel: Zur Verbesserung der Akustikkopplung zwischen Wandler und Haut.

Standgeräte, mobile Ultraschallgeräte und Handheld-Ultraschallgeräte

Standgeräte

Standgeräte sind die traditionellsten und umfangreichsten Ultraschallgeräte. Sie sind in der Regel mit einer Vielzahl von Funktionen und Einstellungsmöglichkeiten ausgestattet. Diese Geräte sind oft in festen Untersuchungsräumen installiert, können jedoch dank Laufrollen verschoben werden. Sie bieten die höchste Bildqualität sowie die umfangreichsten Diagnosefunktionen. Sie verfügen über einen großen Monitor, eine separate Bedienkonsole und verschiedene Sonden, die je nach Bedarf ausgetauscht werden können.

Aufbau:

  • großer Monitor für hochauflösende Bilder
  • separate Bedienkonsole mit zahlreichen Einstellungsmöglichkeiten
  • verschiedene Anschlüsse für unterschiedliche Sonden
  • oft mit Rollen versehen für begrenzte Mobilität innerhalb des Raumes
Verschiedene Ultraschallgeräte: Standgerät, mobiles Ultraschallgerät und Handheld-Ultraschallgerät
Der Aufbau zwischen Standgerät, mobiles Ultraschallgerät und Handheld-Ultraschallgerät unterscheidet sich grundlegend.

Mobile Ultraschallgeräte

Mobile Ultraschallgeräte sind kompakter als Standgeräte und können leicht von Raum zu Raum getragen und am Point Of Care genutzt werden. Sie sind ideal für Situationen, in denen eine gewisse Mobilität erforderlich ist, wie z.B. in der Notaufnahme oder in einer präklinischen Umgebung (insbesondere Hausbesuche, Notfallmedizin, Sportmedizin oder Veterinärmedizin).

Einige mobile Ultraschallgeräte können zudem auf einem Gerätewagen montiert werden und so zu einem Standgerät umgerüstet werden. Eine Unterart der mobilen Ultraschallgeräte, die sogenannten Handhelds, sind so klein wie ein Smartphone und können bequem in der Hand getragen werden. Die Bildqualität und Funktionalität ist in der Regel etwas eingeschränkter als bei Standgeräten, aber immer noch sehr gut.

Der Aufbau eines tragbaren Laptop-Ultraschallgerätes:

  • kompakter Monitor und Bedienkonsole in einem Gerät integriert
  • eingeschränkte Anzahl an Sondenanschlüssen
  • leichtes Gewicht (3 kg – 10 kg) und tragbar 
  • eingebaute Akkus für netzunabhängigen Betrieb

Handheld-Ultraschallgeräte

Eine spezielle Variante der mobilen Ultraschallgeräte sind Handheld-Ultraschallgeräte, die die kompakteste Geräteklasse repräsentieren. Sie sind so klein, dass sie in der Hand gehalten oder in einer Tasche transportiert werden können. Diese Geräte sind besonders nützlich für schnelle Untersuchungen am Point Of Care oder in Situationen, in denen der Platz sehr begrenzt ist. Die Bildqualität und Funktionalität sind jedoch (noch) nicht so gut wie die der Standgeräte.

Aufbau:

  • Sehr kleiner Bildschirm, oft nur wenige Zoll groß
  • Einfache Bedienung
    • Smartphone, Tablet oder Laptop können als Anzeigegerät fungieren
    • Steuerung meist über Touchscreen
  • Eine oder zwei fest integrierte Sonden
    • einige Handhelds verfügen über einen austauschbaren Schallkopf/Wechselschallkopf
  • Akkubetrieben für maximale Mobilität

Ärzte, die ein Ultraschallgerät kaufen wollen, sollten nicht nur die verschiedenen Geräteklassen in Betracht ziehen. Ein wichtiger Faktor ist z. B. auch der Preis, die Bildqualität und die Serviceleistungen des Herstellers/Händlers. In Betracht gezogen werden sollten auch gebrauchte Sonogeräte. Gebrauchtgeräte müssen nicht unbedingt “schlechter” sein als Neugeräte und können mit einem Preisnachlass von ca. 20 % – 40 % gegenüber dem Neupreis erworben werden.

Welche Funktion hat ein Ultraschallgerät?

Medizinische Diagnostik

Mit einem Ultraschallgerät können innere Organe und Gefäße untersucht werden. Das Gerät macht pathologische Veränderungen (z. B. Tumore, Lymphknoten, Gallensteine, Aneurysmen, Zysten) des Weichteilgewebes sichtbar und hilft dem Arzt bei der Diagnose

Die Ultraschalluntersuchung mit einem Ultraschallgerät ist (meistens) nicht-invasiv. Bestimmte Untersuchungen erfordern jedoch das Eindringen mit einem speziellen Schallkopf in die Speiseröhre, in den Anus oder in die Vagina. Hier erhalten Sie einen detaillierten Überblick über nahezu alle Ultraschalluntersuchungen. Die gängigsten Ultraschalluntersuchungen sind folgende:

  • Abdomensonographie: Ultraschalluntersuchung des Bauchraums
    • darunter innere Organe wie z. B. Bauchschlagader (Aorta), Bauchspeicheldrüse, Leber, Milz oder Nieren
  • Dopplersonographie der Gefäße (Beinvene, Halsschlagader)
  • Echokardiographie: Ultraschalluntersuchung des Herzens
    • fetale Echokardiographie: Herzultraschall des ungeborenen Babys
  • Gynäkologischer Ultraschall (Gebärmutter, Eierstöcke, Eileiter)

Therapeutische Anwendungen

  • Physiotherapie
    • In der Physiotherapie werden Ultraschalltherapiegeräte zur Ultraschalltherapie, also zur Behandlung von Muskel- und Gelenkschmerzen eingesetzt. Die Schallwellen können tief in das Gewebe eindringen und eine wärmende Wirkung haben, die die Durchblutung fördert und den Heilungsprozess beschleunigt.
  • Schmerzbehandlung
    • Ultraschall kann auch zur Schmerzlinderung in der Palliativmedizin oder nach Operationen eingesetzt werden. Durch die gezielte Anwendung können Entzündungen reduziert und die Mobilität verbessert werden.

Industrielle Anwendungen

  • Materialprüfung
    • In der Industrie wird Ultraschall zur Prüfung der Materialintegrität in Strukturen wie Brücken, Flugzeugen und Rohrleitungen verwendet. Er kann Haarrisse und andere Defekte erkennen, die mit dem bloßen Auge nicht sichtbar sind.
  • Qualitätskontrolle
    • Ultraschallgeräte werden auch in der Fertigung eingesetzt, um die Qualität von Produkten wie Metallguss oder Kunststoffteilen zu überprüfen. Sie können die Dichte des Materials messen und Unregelmäßigkeiten identifizieren, die auf Mängel hinweisen könnten.

Vorteile und Nachteile

Branche Vorteile Nachteile
Medizin
  • Nicht-invasiv
  • Keine Strahlenbelastung
  • sicher für Föten
  • Echtzeitbildgebung
  • Relativ kostengünstig (im Vergleich mit CT oder MRT)
  • Vielseitige Untersuchungen möglich (Herz, Bauch, Muskeln, Gelenke)
  • Mobil einsetzbar
  • kurze Untersuchungsdauer
  • relativ einfache Bedienung des Gerätes
  • Begrenzte Eindringtiefe
  • Nicht für alle medizinischen Fragestellungen geeignet
  • Schwierig bei gasgefüllten oder knöchernen Strukturen
  • Erfordert qualifizierte Bedienung
  • Hochwertige Ultraschallgeräte und spezielle Sonden können teuer sein
  • Erfordert spezialisierte Ausbildung für die Interpretation der Bilder
Therapie
  • Schmerzlinderung
  • Förderung der Durchblutung
  • Wirkung kann von Patient zu Patient variieren
Industrie
  • Schnelle und genaue Materialprüfung
  • Nicht-destruktiv
  • Erfordert kalibrierte Geräte
Vorteile und Nachteile eines Ultraschallgerätes

Rechtliche Aspekte

Zulassung und Konformität

  • CE-Kennzeichnung
    • Jedes Ultraschallgerät muss eine CE-Kennzeichnung haben, die besagt, dass es den EU-Richtlinien entspricht.
  • Medizinprodukte-Betreiberverordnung (MPBetreibV)
    • Diese Verordnung regelt das Errichten, Betreiben und Anwenden von Medizinprodukten. Betreiber von Medizinprodukten müssen deren ordnungsgemäßen Zustand sowie volle Funktionstüchtigkeit sicherstellen (STK= Sicherheitstechnische Kontrolle, MTK= Messtechnische Kontrolle und Konstanzprüfung gemäß Ultraschall-Vereinbarung)
    • Ultraschallgeräte müssen regelmäßig gewartet werden, und die Wartungsintervalle müssen dokumentiert sein.
  • Medical Device Regulation (MDR) / Verordnung (EU) 2017/745 über Medizinprodukte
    • Die (EU) 2017/745 ist eine Verordnung, die die Anforderungen an die Konformitätsbewertung, das Inverkehrbringen und die Überwachung von Medizinprodukten auf dem europäischen Markt regelt. 
    • Die MDR gilt für Hersteller, Benannte Stellen, Importeure und Händler von Medizinprodukten, einschließlich medizinischer Ultraschallgeräte. Sie legt strenge Anforderungen an die Sicherheit und Leistungsfähigkeit von Medizinprodukten fest.
  • ISO 13485
    • Die ISO 13485 legt international gültige Kriterien für Qualitätsmanagementsysteme fest, die speziell für die Hersteller von Ultraschallgeräten zugeschnitten sind.
    • Sie legt Anforderungen an ein Qualitätsmanagementsystem fest, wenn eine Organisation in der Lage sein muss, Medizinprodukte und damit verbundene Dienstleistungen bereitzustellen, die ständig regulatorische Anforderungen erfüllen. Diese Norm kann auch von internen und externen Parteien, einschließlich Zertifizierungsstellen, zur Beurteilung der Fähigkeit der Organisation zur Erfüllung der Anforderungen von Kunden und regulatorischen Anforderungen verwendet werden.
  • ISO 1497
    • Die ISO 14971 legt den Prozess fest, den Hersteller durchlaufen müssen, um Risiken im Zusammenhang mit Medizinprodukten zu identifizieren und zu kontrollieren. Dieser Prozess umfasst die Risikoanalyse, Risikobewertung und Risikokontrolle.

Schulung und Qualifikation

  • Fachkundige Bedienung
    • Gemäß Vereinbarung von Qualitätssicherungsmaßnahmen nach § 135 Abs. 2 SGB V zur Ultraschalldiagnostik (Ultraschall-Vereinbarung) darf nur qualifiziertes medizinisches Personal das Gerät bedienen und die entsprechenden Untersuchungen abrechnen.
  • Schulungsnachweise
    • Es sollte dokumentiert sein, dass das Personal, das das Gerät bedient, entsprechend geschult wurde.

Datenspeicherung und Datenschutz

  • Aufbewahrungsfrist für Patientenakten: Krankenunterlagen müssen mindestens 10 Jahre aufbewahrt werden. Zivilrechtliche Ansprüche des Patienten gegen den Arzt verjähren sogar erst nach 30 Jahren.
  • Datenschutz-Grundverordnung (DSGVO): Bei der Speicherung und Übertragung von Patientendaten müssen die Bestimmungen der DSGVO eingehalten werden.

Haftung und Versicherung

  • Produkthaftung
    • Im Falle eines Gerätefehlers, der zu Patientenschäden führt, greift die Produkthaftung.
  • Berufshaftpflichtversicherung
    • Ärzte und medizinisches Personal sollten über eine Berufshaftpflichtversicherung verfügen, die auch die Nutzung von Ultraschallgeräten abdeckt.
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Autor: Nils Buske, zuletzt aktualisiert am