Doppler med pulsbølger
Pulsbølgedoppleren (PW Doppler) sender korte ultralydpulser og analyserer reflekterte lydbølger mellom pulsene. Dette gjøres ved å bruke de samme piezoelektriske krystallene til å sende og analysere lydbølger. Krystallene veksler raskt mellom å sende og analysere ultralyd. Derfor kan utsendte lydbølger assosieres med reflekterte lydbølger, noe som gjør det mulig å bestemme avstanden til reflektoren (dvs. strukturen som reflekterer lydbølgen).
Doppler med pulsbølger kan analysere lydbølger som reflekteres fra et bestemt sted. Dette er den største fordelen med pulsbølgedoppler, nemlig muligheten til å bestemme hvor de målte hastighetene befinner seg. Det tar imidlertid tid å analysere reflekterte lydbølger med pulsbølgedoppler. Dette skyldes at de samme piezoelektriske elementene brukes til å sende og analysere lydbølger. Dette reduserer den maksimale hastigheten som kan måles ved hjelp av pulsbølgedoppler. Generelt kan ikke hastigheter over 1,5 m/s til 1,7 m/s måles korrekt.
Prøvevolum (SV)
Den største fordelen med pulsbølgedoppler er muligheten til å spesifisere hvor (langs dopplerlinjen) hastigheten skal måles. Dette er mulig fordi pulsbølgedoppleren sender og analyserer lydbølger sekvensielt. Ultralydmaskinen er programmert til å ignorere alle signaler, bortsett fra de som reflekteres fra en viss dybde. Dybden kan bestemmes siden ultralydhastigheten er konstant i kroppen. Undersøkeren angir hvor målingen skal utføres ved å flytte prøvevolumet (SV) langs Doppler-linjen. Prøvevolumet avbildes med to linjer vinkelrett på Doppler-linjen (figur 2).
Pulsrepetisjonsfrekvens (PRF)
Antall ultralydpulser som sendes per sekund, kalles pulsrepetisjonsfrekvens ( PRF ). PRF bestemmes av lydens hastighet og avstanden den må tilbakelegge. Siden lydhastigheten i menneskekroppen er konstant (1540 m/s), avhenger PRF kun av avstanden lydbølgene må tilbakelegge. Jo lengre avstanden er, desto lengre tid tar det for lydbølgene å bevege seg frem og tilbake, noe som resulterer i lavere pulsrepetisjonsfrekvens (færre ultralydpulser kan sendes per sekund).
Pulsrepetisjonsfrekvensen er omvendt relatert til avstanden lydbølgene må tilbakelegge. Visualisering av fjerntliggende strukturer resulterer i lavere pulsrepetisjonsfrekvens og følgelig lavere oppløsning. Ved visualisering av strukturer som befinner seg nærme, kan man bruke høyere pulsrepetisjonsfrekvens, noe som gir høyere oppløsning.
PRF må være høy for å kunne vurdere blodstrømmens hastighet og retning, ellers vil beregningene være usikre. Dette forklares med at hver ultralydpuls genererer et øyeblikksbilde av blodstrømmen. Jo flere øyeblikksbilder per tidsenhet, desto mer nøyaktig blir beskrivelsen av blodstrømmen. Dette er illustrert i figur 3, som viser en klokke som observerer 5, 3 og 2 ganger i løpet av en syklus. Som vist i figur 3A er det mulig å bestemme rotasjonsretningen med sikkerhet med 5 observasjoner per syklus. Med 3 observasjoner per syklus er det ikke mulig å bestemme rotasjonsretningen. Med 2 observasjoner per syklus ser det ut til at det ikke er noen rotasjon. Dette eksemplet illustrerer betydningen av høy pulsrepetisjonsfrekvens for å få nøyaktige vurderinger av blodstrøm og myokardbevegelse.
Nyquists teorem og Nyquist-grensen
Betydningen av høy PRF forklares matematisk av Nyquists teorem (Harry Nyquist), som viser at en bølge må samples ( dvs. registreres) minst to ganger per syklus for å kunne måles på en pålitelig måte. For pulsbølgedoppler innebærer dette at PRF må være minst dobbelt så stor som dopplerforskyvningen. Husk at dopplerforskyvningen er direkte relatert til blodstrømningshastigheten; jo større hastighet, desto større dopplerforskyvning. Den maksimale hastigheten som kan bestemmes, er derfor halvparten av PRF, og denne grensen kalles Nyquist-grensen.
Den maksimale hastigheten som kan bestemmes, har en dopplerforskyvning som er halvparten av PRF. PRF må derfor være minst dobbelt så stor som dopplerforskyvningen.
Aliasing-fenomenet
Aliasing oppstår hvis blodstrømningshastigheten overskrider Nyquist-grensen. Dette innebærer at ultralydmaskinen ikke kan bestemme strømningshastigheten og -retningen. På ultralydbildet vil hastighetene som overskrider Nyquist-grensen, vises på motsatt side av grunnlinjen. Positive hastigheter (dvs. hastigheter som normalt vises over grunnlinjen) som overskrider Nyquist-grensen, vil vises som negative hastigheter og omvendt (figur 4 og figur 5).
Som nevnt ovenfor avhenger PRF av dybden som undersøkes. Dybden stilles inn ved å flytte prøvevolumet langs Doppler-linjen. Jo dypere strukturer som undersøkes, desto lavere PRF og dermed lavere maksimale hastigheter som kan måles korrekt, og vice versa.
Aliasing-hastighet
Det er enkelt å beregne den maksimale hastigheten som kan måles ved hjelp av pulsbølgedoppler. Aliasing oppstår når hastigheten overskrider denne maksimale hastigheten (som derfor omtales som aliasinghastighet eller aliasinghastighet).
For eksempel, på 15 cm dybde, ved bruk av ultralydbølger med en frekvens på 3 MHz, beregner følgende ligning tiden det tar for lydbølgene å bevege seg frem og tilbake:
(0,15 0,15)/1540 = 0,0001948 sekunder
Der 0,15 er enveisavstanden i m; 1540 er lydens hastighet (m/s) i menneskekroppen
Pulsrepetisjonsfrekvensen (PRF) beregnes som antall lydbølger som kan overføres og reflekteres per sekund:
PRF = 1/0,0001948 = 5133 lydbølger per sekund = 5133 Hz
Nyquist-grensen (den maksimale dopplerforskyvningen som kan detekteres) er halvparten av PRF:
5133/2=2566 Hz
For å beregne hvilken strømningshastighet dette tilsvarer, bruker vi Doppler-ligningen:
v = (c- (fr-fe)) / (2-fe-cosϴ)
Vi antar at målingen utføres uten vinkelfeil, slik at cos θ kan ignoreres. fe er frekvensen til de utsendte lydbølgene, og fr er frekvensen til de reflekterte lydbølgene. fr-fe tilsvarer dopplerforskyvningen. c er lydens hastighet (m/s) i menneskekroppen. Beregningen følger:
v = (1540 – 2566) / (2 – 3000000) = 0,66 m/s
Den maksimale hastigheten som kan måles, er 0,66 m/s. Hvis vi øker frekvensen til de utsendte lydbølgene til 5 MHz, blir den maksimale hastigheten som kan måles:
v = (1540- 2566) / (2 -5000000) = 0,40 m/s
Vi kan altså redusere frekvensen på de utsendte lydbølgene for å øke aliasinghastigheten, og da oppstår det aliasing ved høyere hastigheter. Det er også mulig å justere (ved å senke eller heve) grunnlinjen i ultralydbildet for å redusere aliasing, noe som vil justere PRF.
Aliasing kan avhjelpes ved å redusere ultralydfrekvensen eller øke PRF.
Doppler med utvidet rekkevidde (Doppler med høy PRF)
Pulsbølgedoppler analyserer refleksjoner fra et bestemt sted (dvs. prøvevolumet) langs dopplerlinjen. Den maksimale hastigheten som kan beregnes, bestemmes av pulsrepetisjonsfrekvensen (PRF), som igjen bestemmes av avstanden mellom prøvevolumet og transduseren. Ved å bruke flere prøvevolumer økes pulsrepetisjonsfrekvensen (pulser fra ulike prøvevolumer legges sammen), og dermed økes også aliasinghastigheten. Dette kalles Doppler med høy PRF eller Doppler med utvidet rekkevidde. Fordelen med Doppler med høy PRF er at man kan måle større hastigheter. Dessverre gjør bruk av Doppler med høy PRF det vanskelig å bestemme hvor de registrerte hastighetene befinner seg. For å avhjelpe dette problemet plasseres prøvevolumene vanligvis i områder som man vet har lave strømningshastigheter, slik at det blir mulig å bestemme hvor de høyere hastighetene befinner seg. Bruk av flere prøvevolumer er illustrert i figur 6.
