ArchivDeutsches Ärzteblatt23/1996Ultraschalldiagnostik: Neuere Bewertung der biologischen Sicherheit

MEDIZIN: Zur Fortbildung

Ultraschalldiagnostik: Neuere Bewertung der biologischen Sicherheit

Rott, Hans-Dieter

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LNSLNS Die Ultraschalldiagnostik umfaßt eine Vielzahl verschiedener Verfahren, bei denen je nach Fragestellung und untersuchtem Organ unterschiedliche Leistungen, Intensitäten und Frequenzen verwendet werden. Die Bewertung eventueller Risiken der medizinischen Anwendung von Ultraschall muß daher nach den verschiedenen Verfahren differenzieren. Bei der Duplex-Sonographie im Puls-Doppler-Mode zur Blutströmungsmessung werden relativ hohe Leistungen und Intensitäten verwendet, die bei manchen Ultraschallgeräten im therapeutischen Bereich liegen. In diesen Fällen kann eine Gewebeerwärmung nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden.


Die Ultraschalldiagnostik hat sich in den letzten 30 Jahren in der Medizin fest etabliert. Hinweise für nachteilige Wirkungen auf den Patienten, den Fetus oder den Anwender haben sich trotz millionenfacher Anwendung bisher nicht ergeben. Dies sollte jedoch nicht zu einer ungerechtfertigten Sorglosigkeit führen, da die Entwicklung neuer sonographischer Verfahren über 30 Jahre anhielt und zur Einführung verschiedener neuer Methoden und Methodenkombinationen führte (Tabelle). Diese Verfahrensvielfalt hat dazu geführt, daß Schallfelder unterschiedlicher Art verwendet werden. Fragen zur Sicherheit der Ultraschalldiagnostik können daher nicht generell beantwortet werden, sondern es muß bei jedem neu eingeführten Verfahren die Frage nach der biologischen Sicherheit neu gestellt werden. Außerdem wurde gezeigt, daß verschiedene Geräte selbst bei gleichen Untersuchungsverfahren mit extrem unterschiedlichen Leistungen und Intensitäten arbeiten (6). Die oft gehörte Argumentation, bisher seien durch "den diagnostischen Ultraschall" keine Schäden nachgewiesen worden, vermittelt in Anbetracht der andauernden Einführung neuer sonographischer Methoden eine ungerechtfertigte Sorglosigkeit. Genauso irreführend ist jedoch auch die oft gehörte Ansicht, die Sonographie sei wohl doch nicht so harmlos, wie immer behauptet werde, da man doch sonst keinen Grund zur permanenten Diskussion habe. Bei der Frage nach potentiellen Risiken bietet es sich an, nach den physikalischchemischen Mechanismen biologischer Effekte zu fragen und deren Abhängigkeit von bestimmten Schallfeld- und Gewebeparametern zu bestimmen (Textkasten). Dieses Vorgehen bietet den Vorteil, daß bei der Einführung weiterer neuer Diagnoseverfahren die Risikobewertung allein aufgrund der Wahrscheinlichkeit physikalischer Primäreffekte möglich wird.


Wirkmechanismen
Ultraschall kann durch Kavitation und Wärmebildung biologische Wirkungen verursachen. Andere physikalische Primäreffekte spielen bei der Sicherheit im klinischen Einsatz keine Rolle.


Kavitation
Unter akustischer Kavitation versteht man die schallinduzierte Bildung und die Aktivität von Hohlräumen und Gasblasen, die im beschallten Substrat eine Vielzahl physikalischer, chemischer oder biologischer Effekte verursachen können (16). Die entscheidende Feldgröße für die Auslösung von Kavitationen ist der negative Spitzendruck p- der Ultraschallwelle und die Anwesenheit von sogenannten Kavitationskeimen; dies sind kleine präexistente Gasblasen, die in der Unterdruckphase der Schallwelle explosionsartig größer werden und in der folgenden Druckphase wieder kollabieren können. Dabei treten lokal eng begrenzt Druckwerte über 100 MPa und Temperaturen über 1000 8C auf. Menschliches Gewebe ist ziemlich resistent gegen Kavitationen, da Kavitationskeime normalerweise fehlen; mit ihnen muß aber nach Injektionen und Infusionen, chirurgischen Eingriffen, offenen Traumen, Caissonkrankheit und Gasbrandinfektion gerechnet werden.
Der Schwellenwert des negativen Druckes, bei dem Kavitationen ausgelöst werden, ist nicht bekannt. Kavitationen und deren Folgen werden bei der Lithotrypsie beobachtet, wenn der negative Spitzendruck über 10 MPa liegt. Die derzeitigen sonographischen Verfahren arbeiten sämtlich mit Schallfeldern, bei denen der negative Spitzendruck 5 MPa nicht überschreitet (Grafik 1 a). Bei diesem Wert wurden Kavitationen nicht beobachtet.
Da Wärmebildung und Kavitation von verschiedenen, unabhängigen Kenngrößen des Schallfeldes abhängen, kann Impulsschall mit hohen Druckwerten und geringer Pulsfolge Kavitationen auslösen, ohne daß es zu einer merklichen Erwärmung kommt. Andererseits sind auch Schallfelder möglich, die allein erwärmen, ohne Kavitationen auszulösen.


Wärmebildung
In Gewebe eingestrahlte Ultraschallenergie wird teilweise reflektiert, teilweise gestreut und teilweise absorbiert und direkt in Wärmeenergie umgewandelt. Das Ausmaß der Erwärmung hängt von verschiedenen Schallfeld- und Gewebefaktoren ab. Die Leistung des Gerätes, die Intensität Ispta, die Bewegung des Schallfeldes und die Frequenz sind entscheidende Faktoren. Mit höherer Frequenz wird die Absorption größer und damit die deponierte Energie auf ein kleineres Volumen konzentriert. Von seiten des beschallten Substrates sind die Stärke der Absorption, die Wärmekapazität, die Wärmeleitung und die Perfusion mit Blut für das Ausmaß der Erwärmung bedeutsam.
In biologischen Geweben steigt die Absorption mit dem Proteingehalt an (11). Wasser und Körperflüssigkeiten (Urin, Fruchtwasser) absorbieren praktisch nicht, der Absorptionskoeffizient a liegt bei 0,002 bis 0,003 dB/cm MHz. Weichteile wie Fett, Gehirn, Leber und Niere absorbieren etwa gleich stark (a = 0,4 bis 0,6 dB/cm MHz) und Knochen etwa zehnfach stärker (a = 5 bis 10 dB/cm MHz) (9), Knochen ist daher thermisch besonders gefährdet. Die sekundäre Erwärmung von Weichteilen in direkter Nachbarschaft von erhitztem Knochen muß ebenfalls berücksichtigt werden, insbesondere bei den oberflächlichen Hirnwindungen, die dem Schädel innen anliegen.
Der menschliche Embryo verhält sich akustisch wie Weichteilgewebe. Erst am Ende der Embryonalzeit wird die Absorption infolge der Mineralisation des Knochens stärker und nimmt dann während der gesamten Fetalzeit kontinuierlich zu. Wärmeleitung und Perfusion mit Blut tragen zur Gewebekühlung bei und bestimmen wesentlich, welche Endtemperatur erreicht wird, insbesondere bei längerer Exposition. Während die Wärmeleitung in etwa berechnet werden kann, variiert die Perfusion in verschiedenen Geweben und Organen beträchtlich, deren Kühlungsanteil kann daher nur ungefähr abgeschätzt werden. Bei kurzfristiger Ultraschallexposition trägt die Perfusion jedoch kaum zur Kühlung bei (4).
Temperaturerhöhungen sind potentiell schädlich, da ab 39 8C Zellteilungen gehemmt werden und Zellen über 41 8C bei hinreichend langer Erwärmung absterben. Im Tierversuch wirkt Ganzkörperhyperthermie über 41 8C je nach Expositionszeit teratogen (1, 15).


Risikobewertung verschiedener Untersuchungsverfahren

A-, B- und M-Mode
Beim A-, B- und M-Mode sowie der 3D-Sonographie als Erweiterung des B-Modes sind die verwendeten Leistungen und Intensitäten Ispta so niedrig, daß exponiertes Gewebe nicht merklich erwärmt wird. Dies gilt auch für endoskopische und transvaginale Untersuchungen. Thermische Schäden wurden bei diesen Verfahren nicht beobachtet.
Allerdings haben neuere Untersuchungen an Mäusen, Kaninchen, Schweinen und Affen gezeigt, daß die diagnostische Beschallung der Lunge subpleurale Erythrozytenaustritte hervorrufen kann, wenn der negative Spitzendruck p- mindestens 1 MPa beträgt (5, 12, 13). Bei größeren Tierarten wurden höhere Unterdruckwerte benötigt als bei kleinen. Der zugrundeliegende Mechanismus ist noch nicht verstanden, der Effekt ist aber offensichtlich nicht thermisch und erfordert belüftete Alveolen; an der fetalen Lunge ist das Phänomen nicht auslösbar. Andererseits scheinen Kavitationen nicht die Ursache zu sein. Vermutlich spielen alveoläre Resonanzschwingungen oder komplexe Reflexionsmuster der Welle eine Rolle. Dieser Effekt wurde bisher nur im Tierversuch beschrieben; dabei waren diese Blutungen so diskret, daß sie beim Menschen im Rahmen einer klinischen Untersuchung nicht erkannt werden würden (16). Bei chirurgischen Eingriffen am Herzen, die einer Echokardiographie folgten, wurden derartige Hämorrhagien bisher nicht bemerkt.


Doppler-Verfahren
Cw-Doppler und die fetale Kardiotokographie arbeiten mit geringen Intensitäten und sind thermisch harmlos. Bei dem Puls-Doppler-Betrieb der Duplex-Sonographie erreichen dagegen einige Geräte Intensitäten wie bei therapeutischem Ultraschall oder sogar darüber (Grafik 1 b). Bei solchen Intensitäten ist bei stationärem Betrieb zur Blutströmungsmessung eine Erwärmung des exponierten Gewebes zur Zeit nicht auszuschließen (7, 15). Dieses Verfahren ist problematischer als die farbkodierte Doppler-Sonographie und die Ultraschallangiographie, da bei den letzteren Verfahren der Dopplerstrahl bewegt und damit die entstehende Wärme auf ein größeres Gewebevolumen verteilt wird. Als Faustregel kann gelten, daß bei farbkodierter Doppler-Sonographie etwa die zehnfache und bei Puls-Doppler-Strömungsmessung etwa die 100fache Intensität Ispta des einfachen B-Modes eingesetzt wird.
Die entscheidende Frage, nämlich bei welchen sonographischen Bedingungen mit relevanten Temperaturerhöhungen des Gewebes gerechnet werden muß, kann zur Zeit nicht sicher beantwortet werden. Verschiedene unabhängige Arbeitsgruppen konnten mit unbewegten diagnostikartigen Ultraschallfeldern, wie sie im Puls-Doppler-Mode üblich sind, relevante Temperaturerhöhungen in Schweineleber, Schafhirn und Hirn vom fetalen Meerschweinchen hervorrufen. Bei all diesen Untersuchungen war die Gewebeerwärmung in den ersten 30 Sekunden am stärksten (Grafik 2). Dabei zeigte sich, daß bei schmaler Schallkeule die Leistung das Ausmaß der Erwärmung wesentlich mehr festlegte als die Intensität Ispta (3, 4, 14). Wenn fetales Hirn in der Schädelkalotte belassen und transkraniell beschallt wurde, stieg die Temperatur im Gewebe am proximalen Os temporale durch sekundäre Erwärmung über den stärker absorbierenden Knochen deutlich stärker an als im mittleren Bereich. So wurde zum Beispiel unter den in Grafik 2 erwähnten experimentellen Bedingungen bei transkranieller Beschallung mit 260 mW im fetalen Hirn am proximalen Os temporale eine Temperaturerhöhung von 5,2 8C gemessen und im mittleren Bereich von 0,8 8C. Selbst an der distalen Schädelkalotte war die Erwärmung mit 0,9 8C noch stärker als in der Hirnmitte. Diese knochennahe Erwärmung nahm bei gleichen Leistungen mit fortschreitender Mineralisation des fetalen Knochens zu (3).
Diese tierexperimentellen Befunde können zwar nicht vorbehaltlos auf die klinische Situation übertragen werden, sie belegen aber, daß je nach Gesamtleistung, Expositionsdauer und anatomischer Lage biologisch wirksame Temperaturerhöhungen nicht auszuschließen sind. Dabei sind der mineralisierte Knochen und benachbartes Gewebe am ehesten gefährdet.


Kontrastmittel
Bei sonographischen Kontrastmitteln wird die starke Reflexion durch Gasblasen diagnostisch genutzt. Resonanzschwingungen dieser Blasen scheinen nach den bisherigen klinischen Erfahrungen keine Rolle zu spielen, da bei in-vivo-Bedingungen weder Hämolyse noch Thrombosen infolge Intimaschädigung beobachtet wurden. Störungen der kapillären Durchblutung sind bei den heute verwendeten Blasengrößen unter 10 µm ebenfalls nicht zu erwarten. Hinweise für sonstige Risiken haben sich bei dem bisherigen klinischen Einsatz nicht ergeben, auch nicht in bezug auf immunologische Verträglichkeit (10). Da aber zur Zeit laufend neue Kontrastmittel entwickelt und die klinischen Einsatzmöglichkeiten erweitert werden, ist derzeitig eine abschließende Risikobewertung noch nicht möglich.


Das ALARA-Prinzip
Radiologische Untersuchungen mit ionisierenden Strahlen folgen dem ALARA-Prinzip, nach dem die Strahlendosis "as low as reasonably achievable" sein sollte. Diese Empfehlung beruht auf der Annahme, daß auch geringe Strahlendosen biologische Effekte haben, die akkumulieren. Dieses Prinzip kann nicht ohne Vorbehalte auf die Sonographie übertragen werden, da die Dosis bei der Sonographie kein biologisch relevanter Parameter ist. Ob Ultraschall biologische Wirkungen entfaltet, hängt für thermische Effekte von der Intensität Ispta und der Gesamtleistung und für die Kavitation vom negativen Spitzendruck p- ab. Ultraschallwirkungen sind Schwellenwerteffekte. Das ALARA-Prinzip ist jedoch nur bei Expositionen sinnvoll, bei denen biologische Effekte vorausgesetzt werden müssen, die kumulieren können. Das Ziel jeglicher Sicherheitsbemühungen bei der Anwendung von diagnostischem Ultraschall sollte jedoch sein, das Überschreiten der biologisch relevanten Schwellenwerte zu vermeiden, so daß sich die Anwendung dieses Prinzips erübrigt.
Dennoch wird in den USA das ALARA-Prinzip generell auch für die Ultraschalldiagnostik gefordert, wobei die Intensität minimiert werden soll (2). Dieser Ansatz ist jedoch wenig sinnvoll, da gerade bei dem Puls-Doppler die Erwärmung mehr durch die Leistung festgelegt wird als durch die Intensität (Grafik 2). Die Anwendung dieses Prinzips bezüglich der Leistung ist dagegen bei Puls-Doppler-Untersuchungen zur Begrenzung thermischer Effekte sinnvoll.


Maßnahmen der Risikobegrenzung
Zur Begrenzung des potentiellen Risikos der Puls-Doppler-Untersuchungen wäre zunächst eine genauere Einschätzung der Gewebeerwärmung je nach der Untersuchungsart und der klinischen Situation wünschenswert. Dazu wurden Rechenmodelle vorgeschlagen (1), die aber zur Zeit noch nicht hinreichend empirisch überprüft sind. Phantome mit akustischen Eigenschaften, die menschliches Gewebe simulieren und Messungen am Menschen in vivo überflüssig machen würden, sind noch in Entwicklung und noch nicht allgemein verfügbar. Empfehlungen oder sicherheitsrelevante Gerätemodifikationen können daher nur vorläufig sein, bis die wissenschaftliche Basis für präzisere Risikoabschätzungen gelegt ist.
Anwender sollten sich über die Leistung und Intensität ihres Gerätes bei Einsatz im Puls-Doppler-Mode informieren. Die Norm 1157 der IEC gewährleistet, daß die Hersteller entsprechende Daten verfügbar machen. Bei einer Ausgangsleistung unter 170 mW im Puls-Doppler-Mode sind thermische Effekte auch bei Blutströmungsmessungen nicht zu erwarten. Bei höheren Leistungen erscheint es zur Zeit vernünftig, vorsorglich die potentielle Erwärmung durch zeitliche Begrenzung der Untersuchung zu minimieren, bis genauere Risikoanalysen möglich werden.
Die Kassenärztliche Bundesvereinigung prüft zur Zeit, ob in Zukunft bei Neuanschaffungen die Genehmigung zur Duplex-Sonographie des feto-maternalen Gefäßsystems und der fetalen Echokardiographie davon abhängig gemacht wird, daß die Geräte hinreichende Sicherheit bieten und thermische Effekte ausgeschlossen werden können (8).


Schlußfolgerungen
Allein aus Vorsorge und um eine mögliche Gefährdung des Patienten gering zu halten, sollte man bei sonographischen Untersuchungen die folgenden Richtlinien berücksichtigen.
Allgemein:
1 Die Leistung des Gerätes sollte möglichst niedrig, die Empfangsverstärkung hoch eingestellt werden.
1 Der Untersucher muß wissen, ob das Gerät bei eingefrorenem Bild weiter abstrahlt. Gegebenenfalls sollte der Hautkontakt unterbrochen werden.
1 Sonographische Untersuchungen sollten medizinisch indiziert sein. Gegen das Routine-Screening jeder Schwangeren mittels B-Mode bestehen keine Bedenken.
1 Bei kardiologischen Untersuchungen sollte die Lunge nicht unnötig exponiert werden.
Puls-Doppler-Untersuchungen:
1 Bei Blut-Strömungsmessungen sollte der Doppler erst aktiviert werden, nachdem das Gefäß im Farb-Doppler lokalisiert und das Meßtor festgelegt ist. Dabei sollte die Meßtortiefe klein gehalten werden, da einige Geräte einen Tiefenausgleich zur Kompensation der Dämpfung haben.
1 Die Meßzeit sollte kurz gehalten werden und wenn möglich 30 Sekunden nicht überschreiten; eine eventuell notwendige zweite Messung am gleichen Meßort sollte frühestens nach 30 Sekunden Pause beginnen.
1 Bei fetalen und neonatalen Puls-Doppler-Untersuchungen sollten tiefer liegende Knochen möglichst wenig exponiert werden.
1 Bei fiebernden Patienten muß eher mit thermischen Effekten gerechnet werden, die Meßzeiten sollten daher kürzer gehalten werden.
1 Das Routine-Screening jeder Schwangerschaft mit Puls-Doppler zur Bestimmung der fetalen und plazentaren Durchblutung kann wegen der zur Zeit noch nicht sicher abzuschätzenden Risiken nicht empfohlen werden. Bei dieser Untersuchung sollte eine individuelle Indikation vorliegen.


Zitierweise dieses Beitrags:
Dt Ärztebl 1996; 93: A-1533–1537
[Heft 23]
Die Zahlen in Klammern beziehen sich auf das Literaturverzeichnis im Sonderdruck, anzufordern über den Verfasser.


Anschrift des Verfassers:
Prof. Dr. med. Hans-Dieter Rott
Institut für Humangenetik der Universität Erlangen-Nürnberg
Schwalbachanlage 10
91054 Erlangen

1.American Institute of Ultrasound in Medicine: Bioeffects & Safety of Diagnostic Ultrasound. AIUM, Laurel Md 1993
2.American Institute of Ultrasound in Medicine: Medical Ultrasound Safety. AIUM, Laurel Md 1993
3.Bosward KL, Barnett SB, Wood AKW, Ewards MJ, Kossoff G: Heating of guineapig fetal brain during exposure to pulsed ultrasound. Ultrasound in Med & Biol 1993; 19: 415-424
4.Carstensen EL, Child SZ, Norton S, Nyborg WL: Ultrasonic heating of the skull. J Acoust Soc Am 1990; 87: 1310-1317
5.Child SZ, Hartman CL, Schery LA, Carstensen EL: Lung demage from exposure to pulsed ultrasound. Ultrasound in Med & Biol 1990; 16: 817-825
6.Duck FA, Martin K: Trends in diagnostic ultrasound exposure. Phys Med Biol 1991; 36: 1423-1432
7.European Federation of Societies for Ultrasound in Medicine and Biology: Clinical Safety Statement 1994. Europ J of Ultrasound 1995; 2: 77
8.Kassenärztliche Bundesvereinigung: Neue Regelung zur Qualitätssicherung arthroskopischer Operationen und der Duplexsonographie des fetomaternalen Gefäßsystems zum 1. Oktober 1994. Dt Ärztebl 1994; 91: 2596
9.Kossoff G: Physikalische Grundlagen und gerätetechnische Möglichkeiten des diagnostischen Ultraschalls. In: Hansmann M, Hackelöer BJ, Staudach A (Hrsg): Ultraschalldiagnostik in Geburtshilfe und Gynäkologie. Berlin, Heidelberg, New York, Tokio: Springer-Verlag, 1985
10.Nanda NC: Echocontrast enhancers: How safe are they? Advances in Eco-Contrast 1992; 2: 19-24
11.National Council on Radiation Protection and Measurements: Exposure criteria for medical diagnostic ultrasound: I. Criteria based on thermal mechanisms. NCRP Report No 113, Bethesda, Md 1992
12.O'Brien WD Jr, Zachary FJ: Mouse lung damage from exposure to 30 kH ultrasound. Ultrasound in Med & Biol 1994; 20: 287-297
13.Tarantal AF, Canfield DR: Ultrasound-induced lung hemorrhage in the monkey. Ultrasound in Med & Biol 1994; 20: 65-72
14.Ter Haar GR; Duck FA, Starritt HC, Daniels S: Biophysical charakterisation of diagnostic ultrasound equipment - Preliminary results. Phys Med Biol 1989; 34: 1533-1542
15.World Federation for Ultrasound in Medicine and Biology: Symposium on Safety and Standardisation in Medical Ultrasound: Issuies and Recommendations Regarding Thermal Mechanisms for Biological Effects of Ultrasound (Barnett SB, Kossoff G Hrsg). Ultrasound in Med & Biol Special Issue 18/9, 1992
16.World Federation for Ultrasound in Medicine and Biology: Symposium on Safety of Ultrasound in Medicine: Emphasis on Nonthermal Mechanisms (Barnett SB, Kossoff G Hrsg), in preparation

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