Dopplereffekten
Når lydbølger treffer objekter, reflekteres noen av lydbølgene tilbake til lydkilden. Hvis reflektoren (dvs. gjenstanden som reflekterer lydbølgene) står stille, vil de reflekterte lydbølgene ha samme frekvens som lydbølgene som sendes ut fra lydkilden. Hvis reflektoren derimot er i bevegelse, vil frekvensen til de reflekterte lydbølgene avvike fra de utsendte lydbølgene. Denne frekvensendringen kalles dopplereffekten.
Dopplereffekten ble først beskrevet i 1843 av den østerrikske astronomen Christian Doppler. Den kan illustreres ved å studere hvordan frekvensen til reflekterte lydbølger endres som følge av lydkildens bevegelsesretning. Figur 1 viser tre trompeter; én er plassert på et bord, og to er montert på ambulanser som kjører mot og bort fra observatøren. Når lydkilden beveger seg mot observatøren, komprimeres lydbølgene, noe som fører til en forkortelse av bølgelengden og dermed økt frekvens. Når lydkilden beveger seg bort fra observatøren, strekkes lydbølgene ut, noe som resulterer i økt bølgelengde og redusert frekvens.
Dopplerprinsippet brukes først og fremst til å studere blodstrøm og myokardbevegelser.
Lydkilden i ekkokardiografi (dvs. transduseren) er stasjonær. De bevegelige objektene er i stedet blodcellene (primært erytrocytter) og vevet (primært myokard). Doppler-prinsippet forblir imidlertid uendret: Når lydkilden og reflektorene beveger seg mot hverandre, komprimeres lydbølgene og omvendt.
Erytrocytter reflekterer ultralydbølger. Fordi erytrocyttene er små, runde og har en uregelmessig overflate, blir de reflekterte lydbølgene spredt i alle retninger (figur 2). Selv om bare en brøkdel av lydbølgene reflekteres tilbake til svingeren, vil de mange milliardene erytrocytter i blodet samlet generere nok refleksjoner til at de kan detekteres og analyseres av ultralydmaskinen.
Erytrocytter som strømmer, vil endre frekvensen på de reflekterte lydbølgene. Erytrocytter som strømmer mot transduseren, vil reflektere lydbølgene med høyere frekvens. Erytrocytter som strømmer bort fra transduseren, vil reflektere lydbølgene med lavere frekvens (figur 3).
Dopplereffekten oppstår når reflektorer (strukturer som reflekterer lydbølger) beveger seg mot eller bort fra transduseren. Objekter som beveger seg mot svingeren, vil komprimere lydbølgene og reflektere dem med en høyere frekvens. Objekter som beveger seg bort fra transduseren, vil generere refleksjoner med lavere frekvens.
Dopplerforskyvning
Dopplereffekten brukes til å beregne hastighet og retning for objekter i bevegelse. For å beregne blodstrømningshastigheten analyseres frekvensforskjellen mellom utsendte og reflekterte ultralydbølger. Denne forskjellen kalles dopplerforskyvning. Dopplerforskyvningen avhenger av blodstrømningshastigheten (v), frekvensen til den utsendte ultralyden (fu), frekvensen til den reflekterte ultralyden (fr), ultralydhastigheten i vevet (c) og cosinus til vinkelen mellom blodstrømningsretningen og den reflekterte ultralydbølgen (cos θ). Doppler-ligningen er som følger:
v = [c- (fr-fu)] /[2-fu-cosϴ]
Betydningen av insonasjonsvinkelen
Dopplerberegninger er svært avhengige av insonasjonsvinkelen. Det er avgjørende at ultralydbølgene er rettet parallelt med blodstrømmens retning eller vevsbevegelsen. Ideelt sett bør det ikke være noen vinkel (0°) mellom ultralydstrålen og blodstrømmens eller vevsbevegelsens retning.
Når ultralydbølgene og bevegelsesretningen er parallelle, er vinkelen 0°, og cosinus 0° er lik 1. Hvis vinkelen øker, vil cosinus til vinkelen være mindre enn 1, noe som vil føre til en underestimering av hastigheten. Dermed fører alle vinkelfeil til underestimering av hastighetene (figur 4).
I klinisk praksis er det ofte vanskelig å oppnå en ideell vinkel. Små vinkelfeil er imidlertid uten betydning. For eksempel er cosinus 10° lik 0,98, og cosinus 20° er 0,94. Dette betyr at små vinkelfeil har ubetydelig innvirkning på beregningene.
2D-bildet brukes til å justere ultralydstrålen riktig langs bevegelsesretningen. Dette er imidlertid ikke alltid like enkelt. Det kan være uoverensstemmelse mellom 2D-bildet og det optimale dopplersignalet; det beste 2D-bildet kan gi en dårlig insonasjonsvinkel for dopplermålinger og omvendt. I slike situasjoner bør man prioritere kvaliteten på dopplersignalet (dvs. signalets amplitude og insonasjonsvinkelen).
Spektral Doppler-analyse
Laminær blodstrøm
Blodstrømmen er laminær i hele sirkulasjonssystemet. Dette innebærer at blodet strømmer i konsentriske lag med varierende hastighet. Den høyeste hastigheten (vmax) finner man i midten av karet. Den laveste hastigheten (vmin) finner vi langs karveggen. Dette gir en parabolsk strømningsprofil, som illustrert i figur 6. Laminær strømning er mest utpreget i lange, rette blodkar, under stabile strømningsforhold.
Fordelen med laminær strømning er at den kinetiske energien bevares. De konsentriske lagene og den parabolske strømningsprofilen reduserer energitapet ved å minimere viskøse interaksjoner mellom de tilstøtende lagene og karveggen. Forstyrrelser i den laminære strømningen fører til turbulens og økt energitap.
Dopplerspektrum
På grunn av den laminære strømningen har erytrocytter som passerer en hvilken som helst som helst del av et kar, forskjellige hastigheter. Dessuten er blodstrømmen pulserende, med en topp under systolen og et minimum under diastolen. Laminær strømning og pulsatilitet fører til at de reflekterte bølgene viser store variasjoner i dopplerforskyvninger. Denne variasjonen kalles dopplerspekteret.
På ekkokardiogrammet vises Doppler-signalet med et farget bånd eller område (figur 7). Det fargede området inneholder alle hastighetene som er registrert i et utvalgt område i løpet av en bestemt fase av hjertesyklusen. Jo sterkere dopplersignalet er, desto tettere blir spektralkurven på ekkokardiogrammet.
Presentasjon av spektralkurven
Figur 7 viser hvordan dopplersignalene presenteres på ultralydbildet. Den typen doppler som vises i figur 7, kalles pulsbølgedoppler (omtales senere). Det er vanlig at hastigheter (dvs. blodstrøm eller myokardbevegelser) i retning mot svingeren gir et signal over grunnlinjen, mens hastigheter bort fra svingeren vises med signaler under grunnlinjen. X-aksen viser tid, og y-aksen viser hastighet (m/s). Som det også vises i figur 7, er det nødvendig å rette Doppler-linjen manuelt. Dette gjøres ved å bruke 2D-bildet til å justere Doppler-markøren.
Dopplerforskyvningen er hørbar
Selv om ultralyd ikke er innenfor det hørbare området for mennesker, er det mulig å høre dopplerforskyvningen. Dette skyldes at dopplerforskyvningen, dvs. forskjellen mellom de utsendte og reflekterte lydbølgene, faller innenfor det frekvensområdet som mennesker kan høre. Dopplerskiftet er den susende lyden fra høyttalerne på ultralydapparatet.
I neste kapittel diskuteres ulike typer dopplerundersøkelser.