Doppler-effekten
Når lydbølger rammer genstande, reflekteres nogle af lydbølgerne tilbage til lydkilden. Hvis reflektoren (dvs. det objekt, der reflekterer lydbølgerne) står stille, vil de reflekterede lydbølger have samme frekvens som de lydbølger, der udsendes af lydkilden. Men hvis reflektoren er i bevægelse, vil frekvensen af de reflekterede lydbølger afvige fra de udsendte lydbølger. Ændringen i frekvens kaldes dopplereffekten.
Dopplereffekten blev første gang beskrevet i 1843 af den østrigske astronom Christian Doppler. Den kan illustreres ved at studere, hvordan frekvensen af reflekterede lydbølger ændres af lydkildens bevægelsesretning. Figur 1 viser tre trompeter; en er placeret på et bord, og to er monteret på ambulancer, der kører mod og væk fra observatøren. Når lydkilden bevæger sig mod observatøren, komprimeres lydbølgerne, hvilket fører til en forkortelse af bølgelængden og dermed øget frekvens. Når lydkilden bevæger sig væk fra observatøren, strækkes lydbølgerne ud, hvilket resulterer i øget bølgelængde og nedsat frekvens.
Doppler-princippet bruges primært til at studere blodgennemstrømning og myokardiebevægelser.
Lydkilden i ekkokardiografi (dvs. transduceren) er stationær. De bevægelige objekter er i stedet blodcellerne (primært erythrocytter) og vævet (primært myokardiet). Doppler-princippet forbliver dog uændret: Når lydkilden og reflektorerne bevæger sig mod hinanden, komprimeres lydbølgerne og vice versa.
Erytrocytter reflekterer ultralydsbølger. Fordi erythrocytter er små, runde og har en uregelmæssig overflade, spredes de reflekterede lydbølger i alle retninger (figur 2). Selv om kun en brøkdel af lydbølgerne reflekteres tilbage til transduceren, vil de mange milliarder erytrocytter i blodet tilsammen generere nok refleksioner til at blive registreret og analyseret af ultralydsmaskinen.
Strømmende erytrocytter vil ændre frekvensen af de reflekterede lydbølger. Erytrocytter, der strømmer mod transduceren, vil reflektere lydbølgerne med højere frekvens. Erytrocytter, der strømmer væk fra transduceren, vil reflektere lydbølger med lavere frekvenser (figur 3).
Dopplereffekten opstår, når reflektorer (strukturer, der reflekterer lydbølger) bevæger sig mod eller væk fra transduceren. Genstande, der bevæger sig mod transduceren, vil komprimere lydbølgerne og reflektere dem med en højere frekvens. Genstande, der bevæger sig væk fra transduceren, vil skabe refleksioner med lavere frekvenser.
Doppler-forskydning
Dopplereffekten bruges til at beregne hastigheden og retningen af objekter i bevægelse. For at beregne hastigheden af blodgennemstrømningen analyseres frekvensforskellen mellem udsendte og reflekterede ultralydsbølger. Denne forskel kaldes Doppler-forskydning. Doppler-forskydningen afhænger af blodgennemstrømningshastigheden (v), frekvensen af den udsendte ultralyd (fu), frekvensen af den reflekterede ultralyd (fr), ultralydshastigheden i vævet (c) og cosinus af vinklen mellem blodgennemstrømningsretningen og den reflekterede ultralydsbølge (cos θ). Doppler-ligningen følger:
v = [c- (fr-fu)] /[2-fu-cosϴ]
Betydningen af insonationsvinklen
Doppler-beregninger er meget afhængige af insonationsvinklen. Det er afgørende, at ultralydsbølgerne er rettet parallelt med blodstrømmens eller vævets bevægelsesretning. Ideelt set bør der ikke være nogen vinkel (0°) mellem ultralydsstrålen og retningen af blodgennemstrømningen eller vævsbevægelsen.
Når ultralydsbølgerne og bevægelsesretningen er parallelle, er vinklen 0°, og cosinus 0° er lig med 1. Hvis vinklen øges, vil vinklens cosinus være mindre end 1, hvilket vil føre til en undervurdering af hastigheden. Således fører alle vinkelfejl til undervurdering af hastigheder (figur 4).
I klinisk praksis er det ofte vanskeligt at opnå en ideel vinkel. Små vinkelfejl er dog uden betydning. For eksempel er cosinus 10° lig med 0,98, og cosinus 20° er 0,94. Det betyder, at små vinkelfejl har en ubetydelig indvirkning på beregningerne.
2D-billedet bruges til at justere ultralydsstrålen korrekt langs bevægelsesretningen. Det er dog ikke altid lige let. Der kan være en uoverensstemmelse mellem 2D-billedet og det optimale Doppler-signal; det bedste 2D-billede kan give en dårlig insonationsvinkel til Doppler-målinger og omvendt. I sådanne situationer bør man prioritere kvaliteten af Doppler-signalet (dvs. signalets amplitude og insonationsvinklen).
Spektral Doppler-analyse
Laminær blodgennemstrømning
Blodgennemstrømningen er laminær i hele kredsløbssystemet. Det betyder, at blodet flyder i koncentriske lag med varierende hastigheder. Den højeste hastighed (vmax) findes i midten af karret. Den laveste hastighed (vmin) findes langs karvæggen. Dette giver en parabolsk flowprofil, som illustreret i figur 6. Laminær strømning er mest udtalt i lange, lige blodkar under konstante strømningsforhold.
Fordelen ved laminær strømning er, at den kinetiske energi bevares. De koncentriske lag og den parabolske flowprofil reducerer energitabet ved at minimere viskøse interaktioner mellem de tilstødende lag og karvæggen. Forstyrrelse af det laminære flow fører til turbulens og øget energitab.
Doppler-spektrum
På grund af den laminære strømning har erythrocytter, der passerer en hvilken som helst sektion af et kar, forskellige hastigheder. Desuden er blodgennemstrømningen pulserende, idet den topper under systolen og når et minimum under diastolen. Laminær strømning og pulsatilitet resulterer i reflekterede bølger med store variationer i dopplerforskydninger. Denne variation kaldes Doppler-spektret.
På ekkokardiogrammet præsenteres Doppler-signalet med et farvet bånd eller område (Figur 7). Det farvede område indeholder alle de hastigheder, der er registreret i et udvalgt område i en bestemt fase af hjertets cyklus. Jo stærkere Doppler-signalet er, jo tættere er den spektrale kurve på ekkokardiogrammet.
Præsentation af den spektrale kurve
Figur 7 viser præsentationen af dopplersignaler på ultralydsbilledet. Den type doppler, der er vist i figur 7, kaldes pulsbølgedoppler (omtales senere). Det er almindeligt, at hastigheder (dvs. blodgennemstrømning eller myokardiebevægelser) i retning mod transduceren giver et signal over basislinjen, og hastigheder væk fra transduceren afbildes med signaler under basislinjen. X-aksen viser tiden, og y-aksen viser hastigheden (m/s). Som det også fremgår af figur 7, er det nødvendigt at dirigere dopplerlinjen manuelt. Dette gøres ved at bruge 2D-billedet til at justere Doppler-markøren.
Doppler-forskydningen er hørbar
Selvom ultralyd ikke er inden for det hørbare område for mennesker, er det muligt at høre Doppler-forskydningen. Det skyldes, at dopplerforskydningen, dvs. forskellen mellem de udsendte og reflekterede lydbølger, falder inden for det frekvensområde, som mennesker kan høre. Dopplerforskydningen er den svirpende lyd fra ultralydsmaskinens højttalere.
I næste kapitel diskuteres forskellige typer Doppler-undersøgelser.