Diagramm mit Spannungswellen und entsprechenden Streifen auf dem Ultraschallbild

Vom unhörbaren Ton zum sichtbaren Bild – wie funktioniert Ultraschall?

Das erste Bild, das von einem Menschen aufgenommen wird, ist heute meist ein Ultraschallbild im Mutterleib. Diese Bilder sind wichtig, denn Ärzte können darauf Probleme beim ungeborenen Kind erkennen. Auch in der Tumorvorsorge und bei der Untersuchung von Schilddrüse, Leber oder Herz nimmt Ultraschall eine wichtige Rolle ein. Sogar in der Notfallmedizin werden zunehmend leichte, tragbare Ultraschallgeräte eingesetzt.

schematischer Querschnitt durch eine waagrechte Lage Luft, stark vergrößert gedacht. Die Positionen der Luftmoleküle sind als schwarze Punkte wiedergegeben. Wo sie dichter beieinander liegen, ist der Luftdruck höher.
Ausbreitung einer Schallwelle

Geräusche und Töne beim Ultraschall kommen zustande, wenn der Luftdruck an einem Ort beim Durchlaufen einer Schallwelle sehr schnell pendelt. Bei ihren Schwingungen entfernen sich die Luftmoleküle mal mehr voneinander, mal werden sie enger aneinander gepresst. Der Druck wechselt dabei mehrere hundert oder tausend Mal pro Sekunde zwischen zwei Werten. Diese Häufigkeit nennt man Frequenz. Das Freizeichen im Telefon schwingt zum Beispiel mit einer Frequenz von 425 Mal pro Sekunde. Physiker geben die Schwingungen pro Sekunde in der Einheit Hertz an. Menschen hören Schall zwischen den Basstönen ab etwa 20 Hertz und den Höhen bei etwa 10.000 bis 20.000 Hertz, je nach Lebensalter. Ultraschall ist Schall mit einer deutlich höheren Frequenz oberhalb des Hörbereichs.

Auch in den meisten anderen Stoffen können Moleküle und Atome wie in Luft schwingen, in Feststoffen und Flüssigkeiten gibt es also ebenfalls Schallwellen. Schall breitet sich üblicherweise in alle Richtungen aus. In Flüssigkeiten und in Luft wird Schall reflektiert, wenn er auf etwas Festes oder Zähes trifft. Das gilt genauso für Ultraschall: Medizinische Ultraschallbilder sind möglich, weil Schallsignale im menschlichen Körper an den Organen reflektiert und gestreut werden.

Delfin schwimmt knapp unter dem Meeresspiegel. Er sendet einen Schallimpuls aus und empfängt eine Reflexion davon. Eigens vergrößert dargestellt ist ein Einblick in den Delfinkopf: Hinter der Stirn sitzt die sogenannte Melone, die zusammen mit dem Mittel- und Innenohr nahe der Kehle für die Wahrnehmung von Ultraschallechos verantwortlich ist.
Natürliches Sonar

Tiere wie Delfine und Fledermäuse können Ultraschall abgeben und wahrnehmen. Wie Menschen aus einem Echo in den Bergen die Entfernung des Felsens abschätzen können, sind die Tiere in der Lage, Richtung und Entfernung eines Fischschwarms oder einer Gesteinsscharte zu „hören“. Die Entfernung ist das Ergebnis einer einfachen Formel: Man multipliziert die halbe Laufzeit des Schalls mit der Schallgeschwindigkeit, ähnlich wie man die Entfernung eines Gewitters ableitet. Natürlich zählen Säugetiere keine Sekunden ab und kennen weder die Formel noch die Schallgeschwindigkeit. Sie entwickeln beim Aufwachsen so etwas wie ein „Ohrenmaß“ für ihr natürliches Sonar. Um demgegenüber mit künstlichem Sonar – etwa bei Schiffen – Entfernungen zu bestimmen, sind Seeleute auf elektronische Unterstützung angewiesen.

Von links fällt eine Welle ein. In der Mitte zeigt eine kleine Struktur die Streuung: Verschieden lange Pfeile weisen in alle Richtungen. Rechts zeigen größere, unterschiedlich gedrehte Strukturen die Reflexion: Pfeile weisen von ihnen im gleichen Winkel weg wie der, unter dem die Welle einfällt.
Reflexion und Streuung von Ultraschall

Medizinische Ultraschallsignale durchlaufen ebenfalls elektronische Baugruppen, bevor sie als Bild dargestellt werden. Der eigentliche Ultraschallsender befindet sich meist in einem Handstück, dem sogenannten Schallkopf, den der Arzt an die zu untersuchende Stelle des Körpers hält. Im Schallkopf werden aus elektrischen Impulsen Ultraschallimpulse erzeugt, die über ein Kontaktgel auf der Haut in den Körper geleitet werden und sich dort ausbreiten. Verschiedene Strukturen im Körper reflektieren den ursprünglichen Ultraschallimpuls je nach Größe verschieden stark und auf unterschiedliche Weise.

Wo die Impulse auf Grenzflächen treffen, werden sie reflektiert. Je näher sich etwa ein Organ am Sender befindet, desto früher treffen die von ihm reflektierten Impulse wieder beim Schallkopf ein. Dieser dient auch als Empfänger (Detektor) für die Echos, also die reflektierten und gestreuten Ultraschallsignale. Sender und Empfänger funktionieren dabei meist nach dem gleichen Prinzip: Sie basieren auf dem Piezo-Effekt, bei dem kleine Bewegungen von Kristallen in elektrische Spannungen umgewandelt werden oder umgekehrt (siehe Kasten „Piezoeffekt“).

Diagramm mit Ultraschallwellen, Organen und SensorReflexion von Ultraschall an Organen
Bildergalerie: Von der Ultraschallmessung zum fertigen Bild

Der Detektor zeichnet auf, wann reflektierte Signale eintreffen und wie stark sie sind. Nachdem der Sender einen gleichförmigen Impuls abgegeben hat, kommen davon beim Detektor veränderte Formen wieder an. Diese Signale stammen jeweils von einem streifenförmigen Abschnitt aus dem Körper direkt unterhalb des Senders. Da diese Signale im Detektor in elektrische Spannungen verwandelt werden, kann man sie in einem Spannungs-Zeit-Diagramm aufzeichnen. Um das Signal sichtbar zu machen, wird es verändert: Zunächst wird es gleichgerichtet, es werden also alle negative Spannungen in positive umgewandelt. Dann wird das Signal geglättet, eng beieinander liegende Spannungsspitzen werden dabei miteinander verbunden. Das so umgewandelte Signal lässt sich schließlich als Streifen mit hellen und dunklen Abschnitten darstellen.

Für das vollständige Bild werden meist hundert oder mehr solcher Streifen nebeneinander dargestellt. Im Sende- und Empfangsteil befinden sich dazu nicht nur jeweils ein Sender und Detektor, sondern mehrere nebeneinander. Sie werden der Reihe nach in kurzen Abständen von Sekundenbruchteilen betätigt. Die so erhaltene Vielzahl an Streifen ergibt schließlich das Ultraschallbild auf dem Monitor.

Piezoeffekt

Ein leeres Feuerzeug mit Taster macht ihn sichtbar: den Piezo-Effekt, bei dem Druck in Spannung umgewandelt wird oder umgekehrt (von griechisch: piezein = drücken). Im Feuerzeug spannt sich durch Druck auf den Taster zuerst eine Feder, die beim Klick einen kleinen Hammer auf einen Kristall treffen lässt. In diesem Kristall sind die einzelnen Atome in einem räumlichen Gitter angeordnet – wie in anderen Kristallen auch. Die Hälfte der Atome ist stärker positiv, die andere Hälfte stärker negativ geladen. Nach außen ist ein normaler Kristall also neutral, das gilt auch für einen piezoelektrischen Kristall. Der Schwerpunkt der positiven Ladungen fällt mit dem Schwerpunkt der negativen Ladungen zusammen.

Ein Piezokristall kann, wie hier beispielhaft gezeigt, aus positiven und negativen Ionen bestehen. Hier sind sie als Ecken eines regelmäßigen Sechsecks angeordnet, abwechselnd positiv und negativ. Damit treffen der positive und der negative Ladungsschwerpunkt im Mittelpunkt des Sechsecks zusammen. Rechts davon die Situation, wenn eine Kraft oder elektrische Spannung auf den Kristall wirkt: Das Sechseck wird gestaucht, wodurch sich der positive Ladungsschwerpunkt nach oben, der negative nach unten verschiebt. Im Kristall entsteht so ein elektrisches Feld, also tritt auf seinen gegenüber liegenden Oberflächen eine elektrische Spannung auf.
Funktionsweise von Piezoelektrizität

Wenn man einen Kristall zusammendrückt, verschieben sich seine positiv und negativ geladenen Atome. Ein piezoelektrischer Kristall hat hier nun eine besondere Eigenschaft: Die Atome sind so angeordnet, dass sich durchs Zusammendrücken auch die Schwerpunkte der positiven und negativen Ladungen des Kristalls voneinander entfernen können. Der Druck muss aber entlang entsprechender Vorzugsrichtungen ausgeübt werden, je nach Art des Kristalls kann es eine oder mehrere solcher „polarer Achsen“ geben.

Solange der Druck von außen auf den Kristall wirkt, herrscht in ihm ein elektrisches Feld. Zwei gegenüber liegende Seiten des Kristalls wirken so wie die zwei Pole einer Batterie. Im Kristall des Piezofeuerzeugs entsteht eine Spannung von mehreren Kilovolt. Der Kristall ist hier mit einer Funkenvorrichtung elektrisch verbunden. Wenn der Hammer den Kristall trifft, so entlädt sich die Piezoelektrizität über diese Funkenstrecke. Der Funke setzt schließlich das Feuerzeuggas in Brand. Der Piezoeffekt funktioniert auch umgekehrt: Eine Spannung an den richtigen Seiten des Kristalls führt dazu, dass dieser sich deformiert.

Piezoelektrizität lässt sich in Forschung und Technik nutzen. Quarzkristalle etwa können durch den Piezoeffekt in Resonanzschwingungen versetzt werden und dadurch den Takt von elektronischen Uhren stabil halten. Die Schwingungen können bei anderen piezoelektrischen Materialien so schnell sein, dass sich damit Ultraschall erzeugen lässt, zum Beispiel für medizinische Ultraschallsonden.