Doppler med pulsbølger

Doppler med pulsbølger (PW Doppler)

Pulsbølgedoppler (PW Doppler) skiller seg fundamentalt fra kontinuerlig bølgedoppler (CW) ved sin evne til å lokalisere blodstrøm på en spesifikk dybde. Mens CW Doppler sender og mottar signaler kontinuerlig langs hele strålen, sender PW Doppler korte ultralydpulser og venter på de reflekterte signalene før neste puls sendes. Systemet analyserer tidsforsinkelsen mellom utsendelse og mottak, noe som gjør det mulig å beregne nøyaktig avstand til reflektoren (dvs. erytrocyttene).

Denne egenskapen kalles dybdeoppløsning («range resolution»). Transduseren fungerer både som sender og mottaker, der de piezoelektriske krystallene veksler raskt mellom disse to modusene. Dette krever en bredbåndet transduser med lav Q-faktor for å kunne generere korte nok pulser. Hovedbegrensningen med PW Doppler er imidlertid ventetiden; systemet må lytte etter ekko fra den ønskede dybden før en ny puls kan sendes. Dette skaper en fysisk begrensning for hvor høye hastigheter som kan måles nøyaktig uten at det oppstår aliasing.

Generelt kan ikke hastigheter over 1,5 m/s til 1,7 m/s måles korrekt ved standard dybdeinnstillinger i kardiologi, selv om dette varierer med probefrekvens og dybde. PW Doppler er derfor best egnet for å måle lavere hastigheter med høy presisjon, for eksempel transmitral strømning, venøs retur eller hastighet i utløpstrakten (LVOT), snarere enn høye hastigheter over stenotiske klaffer.

Prøvevolum (SV) og Portstørrelse

Den største kliniske fordelen med pulsbølgedoppler er muligheten til å spesifisere nøyaktig hvor (langs dopplerlinjen) hastigheten skal måles. Dette gjøres ved hjelp av «range gating». Ultralydmaskinen er programmert til å kun lytte i et kort tidsvindu som korresponderer med returtiden for ekko fra ønsket dybde. Undersøkeren angir dette området ved å flytte prøvevolumet (SV – Sample Volume) langs markøren i 2D-bildet.

Prøvevolumet visualiseres som to parallelle linjer vinkelrett på Doppler-linjen (figur 2). Avstanden mellom disse linjene kalles portstørrelse (gate size) eller portlengde. Justering av portstørrelsen er en viktig del av bildeoptimaliseringen:

• Liten portstørrelse (typisk 1–3 mm): Brukes for å oppnå høyest mulig presisjon i hastighetsmålingen. Dette er standard for måling av laminær strømning, for eksempel i venstre ventrikkels utløpstrakt (LVOT) for beregning av slagvolum, eller ved tippen av mitralklaffen for vurdering av diastolisk funksjon.
• Stor portstørrelse (typisk 3–5 mm eller mer): Øker sensitiviteten ved å inkludere flere erytrocytter i analysen, men reduserer den romlige oppløsningen. Dette kan være nyttig ved svake signaler, som for eksempel lungevenestrømning eller ved vevsdoppler (TDI), men kan introdusere støy i spekteret.

Spektralutvidelse og Strømningsprofil

PW Doppler er utmerket til å vurdere strømningsprofilen. Ved normal, laminær strømning beveger de fleste blodlegemene seg med omtrent samme hastighet og retning gjennom prøvevolumet. På spektralkurven fremstår dette som en smal, veldefinert linje med et tomt, svart område under topphastigheten, kalt spektralvinduet (se figur 2).

Dersom strømningen blir turbulent (f.eks. distalt for en stenose) eller dersom prøvevolumet er plassert inntil karveggen, vil blodlegemene ha svært varierende hastigheter og retninger. Dette fører til at spektralvinduet fylles igjen, et fenomen som kalles spektralutvidelse (spectral broadening). Selv om CW Doppler ofte brukes for å kvantifisere toppen av en stenose, er PW Doppler verdifull for å kartlegge nøyaktig hvor turbulensen starter (f.eks. ved subvalvulære obstruksjoner).

Pulsrepetisjonsfrekvens (PRF)

Antall ultralydpulser som sendes per sekund, kalles pulsrepetisjonsfrekvens (PRF). PRF er den begrensende faktoren for hvilke hastigheter vi kan måle. PRF bestemmes av lydens hastighet og avstanden den må tilbakelegge (dybden til prøvevolumet). Siden lydhastigheten i menneskekroppen er tilnærmet konstant (ca. 1540 m/s), er det en direkte fysisk sammenheng: PRF kan kun økes hvis lyden skal gå kortere (dvs. ved grunnere dybde).

Når prøvevolumet plasseres dypt, må maskinen vente lengre på ekkoet før neste puls kan sendes. Dette gir lavere PRF og dermed en lavere grense for maksimal målbar hastighet.

Pulsrepetisjonsfrekvensen (PRF) er omvendt proporsjonal med dybden. Visualisering av fjerntliggende strukturer gir lavere PRF og øker risikoen for aliasing. Ved undersøkelse av overfladiske strukturer kan man bruke høyere PRF, som tillater måling av høyere hastigheter.

PRF må være høy nok til å «sample» blodstrømmen tilstrekkelig ofte. Dette konseptet er analogt med å filme et hjul i bevegelse (se figur 3). Hvis kameraet tar for få bilder per sekund (lav samplingfrekvens) i forhold til hjulets rotasjonshastighet, kan det se ut som hjulet står stille eller roterer baklengs. I doppler-ekkokardiografi fører for lav PRF til at vi feilberegner blodets hastighet og retning.

Nyquists teorem og Nyquist-grensen

Forholdet mellom samplingfrekvens og målbar hastighet beskrives av Nyquists teorem. Dette sier at en bølge må samples (registreres) minst to ganger per syklus for å bli gjengitt korrekt. For pulsbølgedoppler betyr dette at PRF må være minst dobbelt så høy som dopplerforskyvningen (frekvensendringen forårsaket av blodstrømmen).

Den maksimale dopplerforskyvningen vi kan måle nøyaktig er altså halvparten av PRF. Denne absolutte grensen kalles Nyquist-grensen. Hvis blodstrømmen genererer en frekvensforskyvning som overstiger Nyquist-grensen, oppstår fenomenet aliasing.

Nyquist-grensen = PRF / 2. Enhver hastighet som gir en dopplerforskyvning høyere enn denne grensen, vil bli feilrepresentert (aliasing).

Aliasing-fenomenet

Aliasing er den vanligste artefakten ved bruk av PW Doppler. Når blodstrømningshastigheten overskrider Nyquist-grensen, klarer ikke systemet å tolke retningen eller hastigheten korrekt. På spektralkurven vises dette ved at toppen av kurven «kappes av» og dukker opp på motsatt side av grunnlinjen (baseline). En positiv hastighet som er for høy, vil dermed feilaktig vises som en negativ hastighet (figur 4 og 5).

Klinisk er aliasing ofte et tegn på patologi (f.eks. stenose eller insuffisiens) når det oppstår i fargedoppler, men i spektral PW Doppler er det som regel en uønsket begrensning som må håndteres for å få korrekte målinger. For å korrigere eller unngå aliasing kan man:

• Flytte grunnlinjen (baseline shift): Dette dobler effektivt det målbare hastighetsområdet i én retning.
• Øke hastighetsskalaen (Scale/PRF): Dette øker PRF, men er begrenset av dybden.
• Bytte til CW Doppler: Hvis hastigheten er reelt høy (f.eks. > 2 m/s), er CW Doppler den korrekte modaliteten.
• Bruke lavere probefrekvens: Lavere frekvens gir mindre dopplerforskyvning for en gitt hastighet, og reduserer dermed risikoen for aliasing.

Beregning av Aliasing-hastighet

Det er mulig å beregne den teoretiske maksimale hastigheten som kan måles ved hjelp av pulsbølgedoppler før aliasing inntreffer. Dette illustrerer samspillet mellom dybde, frekvens og PRF.

Eksempel: Ved 15 cm dybde (0,15 m), med en ultralydfrekvens på 3 MHz. Tiden det tar for lydbølgene å bevege seg frem til målet og tilbake er:

t = (0,15 + 0,15) / 1540 = 0,0001948 sekunder
Der 0,15 er enveisavstanden i m; 1540 er lydens hastighet (m/s) i vev.

Pulsrepetisjonsfrekvensen (PRF) er antall sykluser (tur-retur) per sekund:

PRF = 1 / 0,0001948 ≈ 5133 Hz

Nyquist-grensen (maksimal detekterbar dopplerforskyvning) er halvparten av PRF:

Nyquist = 5133 / 2 ≈ 2566 Hz

For å finne hvilken blodstrømshastighet dette tilsvarer, bruker vi Doppler-ligningen omformet for hastighet (v):

v = (c · f_d) / (2 · f_t · cos ϴ)

Vi antar at målingen utføres parallelt med blodstrømmen, slik at vinkelen ϴ er 0 og cos ϴ = 1. Her er f_d dopplerforskyvningen (Nyquist-grensen på 2566 Hz), f_t er transduserfrekvensen (3 MHz = 3 000 000 Hz), og c er lydhastigheten (1540 m/s):

v = (1540 · 2566) / (2 · 3 000 000 · 1) ≈ 0,66 m/s

Den maksimale hastigheten som kan måles uten aliasing er altså kun 0,66 m/s i dette tilfellet. Hvis vi øker frekvensen til de utsendte lydbølgene til 5 MHz, blir begrensningen enda strengere:

v = (1540 · 2566) / (2 · 5 000 000) ≈ 0,40 m/s

Dette viser matematisk hvorfor lavere probefrekvens er fordelaktig for å måle høyere hastigheter med PW Doppler, og hvorfor aliasing oppstår raskere ved dype strukturer.

Doppler med utvidet rekkevidde (High PRF Doppler)

Når hastigheten overstiger Nyquist-grensen, kan moderne ultralydmaskiner automatisk bytte til en modus kalt High PRF Doppler (HPRF). I denne modusen sender maskinen ut nye ultralydpulser før signalet fra forrige puls har kommet tilbake fra den dypeste strukturen.

Dette øker PRF utover det som normalt tillates av dybden, og hever dermed aliasing-grensen betydelig. Ulempen er at systemet nå mottar signaler fra flere dybder samtidig. Dette introduserer såkalte «fantom-porter» (phantom gates) – ekstra prøvevolumer som ligger grunnere enn det ønskede målet. På skjermen visualiseres dette ofte som flere prøvevolumer langs dopplerlinjen (figur 6).

Klinisk er HPRF nyttig for å måle hastigheter som ligger i grenseland mellom PW og CW (typisk 2–3 m/s) med en viss grad av dybdeoppløsning, for eksempel ved måling av flow i venstre ventrikkels utløpstrakt (LVOT) hos pasienter med høy cardiac output, eller ved koarctatio aorta. For at målingen skal være pålitelig, må klinikeren sikre at de ekstra «fantom-portene» plasseres i områder uten betydelig blodstrøm, slik at de ikke forurenser signalet fra hovedporten.

Kliniske anvendelsesområder for PW Doppler

I daglig kardiologisk praksis er PW Doppler uunnværlig for hemodynamiske beregninger og vurdering av diastolisk funksjon. De viktigste bruksområdene inkluderer:

• Slagvolum og Cardiac Output: Ved å måle hastighetsintegral (VTI) i LVOT med PW Doppler og multiplisere dette med arealet av LVOT, kan man beregne pasientens slagvolum nøyaktig. PW er her overlegen CW fordi vi må måle hastigheten nøyaktig i samme tverrsnitt som vi måler diameteren.
• Diastolisk funksjon: PW Doppler brukes til å analysere innstrømningen over mitralklaffen (E-bølge og A-bølge). Forholdet mellom disse, samt deselerasjonstiden, gir essensiell informasjon om venstre ventrikkels fylningstrykk og relaksasjon. Prøvevolumet plasseres da ved tuppen av mitralklaffebladene.
• Lungevenestrømning: Ved å plassere prøvevolumet 1 cm inn i en lungevene kan man analysere systolisk og diastolisk flow, samt revers flow ved atriekontraksjon, noe som supplerer vurderingen av diastole.
• Vevsdoppler (Tissue Doppler Imaging – TDI): Dette er en spesialisert form for PW Doppler optimalisert for å måle lave hastigheter (myokardbevegelse) med høy amplitude, fremfor høye hastigheter (blodstrøm) med lav amplitude.