Doppler med pulserende bølge
Pulsbølgedoppleren (PW Doppler) sender korte ultralydspulser og analyserer reflekterede lydbølger mellem pulserne. Dette opnås ved at bruge de samme piezoelektriske krystaller til at sende og analysere lydbølger. Krystallerne skifter hurtigt mellem at sende og analysere ultralyd. Derfor kan udsendte lydbølger forbindes med reflekterede lydbølger, hvilket gør det muligt at bestemme afstanden til reflektoren (dvs. den struktur, der reflekterer lydbølgen).
Den pulserende Doppler-bølge kan analysere lydbølger, der reflekteres fra et bestemt sted. Dette er den største fordel ved pulsbølgedoppleren, nemlig dens evne til at bestemme placeringen af de målte hastigheder. Det tager dog tid for den pulserende Doppler at analysere reflekterede lydbølger. Det skyldes, at de samme piezoelektriske elementer bruges til at sende og analysere lydbølger. Det reducerer den maksimale hastighed, der kan måles med pulsbølgedoppler. Generelt kan hastigheder over 1,5 m/s til 1,7 m/s ikke måles korrekt.
Prøvevolumen (SV)
Den største fordel ved pulsbølgedoppler er muligheden for at specificere, hvor (langs dopplerlinjen) der skal måles hastigheder. Det er muligt, fordi den pulserende Doppler sender og analyserer lydbølger sekventielt. Ultralydsmaskinen er programmeret til at ignorere alle signaler, undtagen dem, der reflekteres fra en bestemt dybde. Dybden kan bestemmes, da ultralydshastigheden er konstant i kroppen. Undersøgeren angiver, hvor målingen skal udføres, ved at flytte prøvevolumenet (SV) langs Doppler-linjen. Prøvevolumenet afbildes med to linjer vinkelret på Doppler-linjen (figur 2).
Pulsrepetitionsfrekvens (PRF)
Antallet af ultralydspulser, der sendes pr. sekund, kaldes pulsrepetitionsfrekvens ( PRF ). PRF bestemmes af lydens hastighed og den afstand, den skal tilbagelægge. Da lydens hastighed i menneskekroppen er konstant (1540 m/s), afhænger PRF kun af den afstand, lydbølgerne skal tilbagelægge. Jo længere afstanden er, desto længere tid tager det for lydbølgerne at bevæge sig frem og tilbage, hvilket resulterer i en lavere pulsrepetitionsfrekvens (der kan sendes færre ultralydspulser pr. sekund).
Pulsrepetitionsfrekvensen er omvendt relateret til den afstand, lydbølgerne skal tilbagelægge. Visualisering af fjerne strukturer resulterer i lavere pulsrepetitionsfrekvens og dermed lavere opløsning. Visualisering af nærtliggende strukturer gør det muligt at bruge en højere pulsrepetitionsfrekvens, hvilket resulterer i en højere opløsning.
PRF skal være høj for at kunne vurdere hastigheden og retningen af blodgennemstrømningen, ellers vil beregningerne være usikre. Det skyldes, at hver ultralydspuls genererer et øjebliksbillede af blodgennemstrømningen. Jo flere øjebliksbilleder pr. tidsenhed, jo mere præcis er beskrivelsen af blodgennemstrømningen. Dette er illustreret i figur 3, som viser et ur, der observerer 5, 3 og 2 gange i løbet af en cyklus. Som vist i figur 3A er det muligt med sikkerhed at bestemme rotationsretningen med 5 observationer pr. cyklus. Med 3 observatører pr. cyklus er det ikke muligt at bestemme rotationsretningen. Med 2 observationer pr. cyklus ser det ud til, at der ikke er nogen rotation. Dette eksempel illustrerer betydningen af en høj pulsrepetitionsfrekvens for at opnå nøjagtige vurderinger af blodgennemstrømning og myokardiebevægelse.
Nyquists sætning og Nyquist-grænsen
Betydningen af høj PRF forklares matematisk af Nyquists sætning (Harry Nyquist), som viser, at en bølge skal samples (dvs. registreres) mindst to gange pr. cyklus for at kunne måles pålideligt. For pulsbølgedoppler betyder det, at PRF skal være mindst dobbelt så stor som dopplerforskydningen. Husk på, at Doppler-forskydningen er direkte relateret til blodgennemstrømningshastigheden; jo større hastighed, jo større Doppler-forskydning. Den maksimale hastighed, der kan bestemmes, er således halvdelen af PRF, og denne grænse kaldes Nyquist-grænsen.
Den maksimale hastighed, der kan bestemmes, har et Doppler-skift, der er halvdelen af PRF. Derfor skal PRF være mindst dobbelt så stor som Doppler-forskydningen.
Aliasing-fænomenet
Aliasing opstår, hvis blodgennemstrømningshastigheden overskrider Nyquist-grænsen. Det betyder, at ultralydsmaskinen ikke kan bestemme flowets hastighed og retning. På ultralydsbilledet vil de hastigheder, der overskrider Nyquist-grænsen, blive vist på den modsatte side af basislinjen. Positive hastigheder (dvs. hastigheder, der normalt vises over basislinjen), der overskrider Nyquist-grænsen, vises som negative hastigheder og omvendt (Figur 4 og Figur 5).
Som nævnt ovenfor afhænger PRF af den dybde, der undersøges. Dybden indstilles ved at flytte prøvevolumenet langs Doppler-linjen. Jo dybere de undersøgte strukturer er, jo lavere er PRF og dermed de maksimale hastigheder, der kan måles korrekt, og omvendt.
Aliasing-hastighed
Det er ligetil at beregne den maksimale hastighed, der kan måles ved hjælp af pulsbølgedoppler. Aliasing opstår, når hastigheden overskrider denne maksimale hastighed (som derfor kaldes aliasing-hastighed eller aliasing-hastighed).
Hvis man f.eks. bruger ultralydsbølger med en frekvens på 3 MHz i 15 cm dybde, beregner følgende ligning den tid, det tager for lydbølgerne at bevæge sig frem og tilbage:
(0,15 0,15)/1540 = 0,0001948 sekunder
Hvor 0,15 er envejsafstanden i m; 1540 er lydens hastighed (m/s) i menneskekroppen
Pulsrepetitionsfrekvensen (PRF) beregnes som antallet af lydbølger, der kan transmitteres og reflekteres pr. sekund:
PRF = 1/0,0001948 = 5133 lydbølger pr. sekund = 5133 Hz
Nyquist-grænsen (det maksimale Doppler-skift, der kan registreres) er halvdelen af PRF:
5133/2=2566 Hz
For at beregne, hvilken strømningshastighed dette svarer til, bruger vi Doppler-ligningen:
v = (c- (fr-fe)) / (2-fe-cosϴ)
Vi antager, at målingen udføres uden vinkelfejl, så cos θ kan ignoreres. fe er frekvensen for de udsendte lydbølger, og fr er frekvensen for de reflekterede lydbølger. fr-fe svarer til Doppler-forskydningen. c er lydens hastighed (m/s) i menneskekroppen. Beregningen følger:
v = (1540 – 2566) / (2 – 3000000) = 0,66 m/s
Den maksimale hastighed, der kan måles, er 0,66 m/s. Hvis vi øger frekvensen af de udsendte lydbølger til 5 MHz, bliver den maksimale hastighed, der kan måles:
v = (1540- 2566) / (2 -5000000) = 0,40 m/s
Det følger heraf, at vi kan reducere frekvensen af de udsendte lydbølger for at øge aliasing-hastigheden; så opstår der aliasing ved højere hastigheder. Det er også muligt at justere (ved at sænke eller hæve) ultralydsbilledets basislinje for at reducere aliasing; ved at gøre dette justeres PRF.
Aliasing kan afhjælpes ved at reducere ultralydsfrekvensen eller øge PRF.
Doppler med udvidet rækkevidde (Doppler med høj PRF)
Pulsbølgedoppler analyserer refleksioner fra et bestemt sted (dvs. prøvevolumenet) langs dopplerlinjen. Den maksimale hastighed, der kan beregnes, bestemmes af pulsrepetitionsfrekvensen (PRF), som bestemmes af afstanden mellem prøvevolumenet og transduceren. Ved at bruge flere prøvevolumener øges pulsrepetitionsfrekvensen (impulserne fra forskellige prøvevolumener lægges sammen), og dermed øges aliasinghastigheden. Dette kaldes Doppler med høj PRF eller Doppler med udvidet rækkevidde. Fordelen ved Doppler med høj PRF er, at der kan måles større hastigheder. Desværre gør brugen af høj PRF Doppler det vanskeligt at bestemme placeringen af de registrerede hastigheder. For at afhjælpe dette problem placeres prøvevolumener normalt i områder, der er kendt for at have lave strømningshastigheder, hvilket gør det muligt at bestemme placeringen af højere hastigheder. Brug af flere prøvevolumener er illustreret i figur 6.
