Doppler-Effekt
Wenn Schallwellen auf Objekte treffen, werden einige der Schallwellen zur Schallquelle zurückreflektiert. Wenn der Reflektor (d.h. das Objekt, das die Schallwellen reflektiert) stationär ist, haben die reflektierten Schallwellen die gleiche Frequenz wie die von der Schallquelle emittierten Schallwellen. Wenn der Reflektor jedoch in Bewegung ist, wird sich die Frequenz der reflektierten Schallwellen von der Frequenz der emittierten Schallwellen unterscheiden. Die Änderung der Frequenz wird als Doppler-Effekt bezeichnet.
Der Doppler-Effekt wurde erstmals 1843 vom österreichischen Astronomen Christian Doppler beschrieben. Er kann veranschaulicht werden, indem untersucht wird, wie sich die Frequenz reflektierter Schallwellen durch die Bewegungsrichtung der Schallquelle verändert. Abbildung 1 zeigt drei Trompeten; eine befindet sich auf einem Tisch und zwei sind auf Krankenwagen montiert, die zur Betrachterin und von dieser weg fahren. Wenn sich die Schallquelle auf die Betrachterin zubewegt, werden die Schallwellen komprimiert, was zu einer Verkürzung der Wellenlänge und damit zu einer erhöhten Frequenz führt. Wenn sich die Schallquelle von der Betrachterin entfernt, werden die Schallwellen ausgedehnt, was zu einer erhöhten Wellenlänge und einer verringerten Frequenz führt.
Das Doppler-Prinzip wird hauptsächlich zur Untersuchung des Blutflusses und der Herzmuskelbewegung verwendet.
Die Schallquelle in der Echokardiographie (d.h. der Ultraschallkopf) ist stationär. Die bewegten Objekte sind stattdessen die Blutzellen (hauptsächlich Erythrozyten) und das Gewebe (hauptsächlich Myokard). Das Doppler-Prinzip bleibt jedoch unverändert: Wenn sich Schallquelle und Reflektoren aufeinander bewegen, werden Schallwellen komprimiert und umgekehrt.
Erythrozyten reflektieren Ultraschallwellen. Da Erythrozyten klein und rund sind sowie eine unregelmäßige Oberfläche haben, werden die reflektierten Schallwellen in alle Richtungen gestreut (Abbildung 2). Obwohl nur ein Bruchteil der Schallwellen zum Schallkopf zurückreflektiert wird, erzeugen die Milliarden von Erythrozyten im Blut gemeinsam genügend Reflexionen, um vom Ultraschallgerät erkannt und analysiert zu werden.
Fließende Erythrozyten verändern die Frequenz reflektierter Schallwellen. Erythrozyten, die in Richtung des Schallkopfes fließen, werden die Schallwellen mit höherer Frequenz zurückreflektieren. Erythrozyten, die vom Schallkopf wegfließen, reflektieren Schallwellen mit niedrigerer Frequenz (Abbildung 3).
Der Doppler-Effekt tritt auf, wenn sich Reflektoren (Strukturen, die Schallwellen reflektieren) zum Schallkopf hin oder von diesem weg bewegen. Objekte, die sich auf den Schallkopf zubewegen, komprimieren die Schallwellen und reflektieren sie mit einer höheren Frequenz. Objekte, die sich vom Schallkopf entfernen, erzeugen Reflexionen mit geringerer Frequenz.
Doppler-Verschiebung
Der Doppler-Effekt wird verwendet, um die Geschwindigkeit und Richtung von sich bewegenden Objekten zu berechnen. Um die Geschwindigkeit des Blutflusses zu berechnen, wird die Frequenzdifferenz zwischen emittierten und reflektierten Ultraschallwellen analysiert. Dieser Unterschied wird als Doppler-Verschiebung (engl. Doppler shift) bezeichnet. Die Doppler-Verschiebung hängt von der Geschwindigkeit des Blutflusses (v), der Frequenz des emittierten Ultraschalls (fu), der Frequenz des reflektierten Ultraschalls (fr), der Ultraschallgeschwindigkeit im Gewebe (c) sowie dem Kosinus des Winkels zwischen der Richtung des Blutflusses und der reflektierten Ultraschallwelle (cos θ) ab. Die Doppler-Gleichung lautet:
v = [c·(fr-fu)] / [2·fu·cos ϴ]
Bedeutung des Beschallungswinkels
Doppler-Berechnungen hängen stark vom Beschallungswinkel ab. Es ist entscheidend, dass die Ultraschallwellen parallel zur Richtung des Blutflusses oder der Gewebebewegung gerichtet sind. Idealerweise sollte kein Winkel (0°) zwischen dem Ultraschallstrahl und der Richtung des Blutflusses oder der Gewebebewegung stehen.
Wenn die Ultraschallwellen und die Bewegungsrichtung parallel sind, beträgt der Winkel 0° und der Kosinus 0° ist gleich 1. Wenn der Winkel zunimmt, beträgt der Kosinus des Winkels weniger als 1, was zu einer Unterschätzung der Geschwindigkeit führt. Somit führen alle Winkelfehler zu einer Unterschätzung der Geschwindigkeiten (Abbildung 4).
In der klinischen Praxis ist es häufig schwierig, einen idealen Winkel zu bekommen. Kleine Winkelfehler sind jedoch ohne Bedeutung. Zum Beispiel ist der Kosinus 10° gleich 0,98 und der Kosinus 20° beträgt 0,94. Dies bedeutet, dass kleine Winkelfehler vernachlässigbare Auswirkungen auf die Berechnungen haben.
Das 2D-Ultraschallbild wird verwendet, um den Ultraschallstrahl korrekt zur Bewegungsrichtung auszurichten. Dies ist jedoch nicht immer ganz einfach. Es kann eine Diskrepanz zwischen dem 2D-Bild und dem optimalen Doppler-Signal geben. So kann das beste 2D-Bild einen schlechten Beschallungswinkel für Doppler-Messungen bieten und umgekehrt. In solchen Situationen sollte man die Qualität des Doppler-Signals priorisieren (d.h. die Amplitude des Signals und Beschallungswinkel).
Spektral-Doppler
Laminarer Blutfluss
Der Blutfluss ist im gesamten Kreislaufsystem laminar. Das bedeutet, dass Blut in konzentrischen Schichten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fließt. Die höchste Geschwindigkeit (vmax) befindet sich in der Mitte des Gefäßes. Die niedrigste Geschwindigkeit (vmin) liegt entlang der Gefäßwand vor. Daraus ergibt sich ein parabolisches Strömungsprofil, wie in Abbildung 6 dargestellt. Der laminare Fluss ist in langen, geraden Blutgefäßen unter stabilen Strömungsbedingungen am ausgeprägtesten.
Der Vorteil der laminaren Strömung ist die Erhaltung der kinetischen Energie. Die konzentrischen Schichten und das parabolische Strömungsprofil reduzieren die Energieverluste, indem viskose Wechselwirkungen zwischen den benachbarten Schichten und der Gefäßwand minimiert werden. Die Unterbrechung der laminaren Strömung führt hingegen zu Turbulenzen und erhöhten Energieverlusten.
Doppler-Spektrum
Aufgrund des laminaren Flusses haben Erythrozyten, die einen Abschnitt eines Gefäßes passieren, unterschiedliche Geschwindigkeiten. Darüber hinaus ist der Blutfluss pulsierend, erreicht während der Systole einen Höhepunkt und während der Diastole ein Minimum. Der laminare Fluss und die Pulsalität führen zu reflektierten Wellen, die große Schwankungen der Doppler-Verschiebungen aufweisen. Diese Variation wird als Doppler-Spektrum bezeichnet.
Auf dem Echokardiogramm wird das Doppler-Signal mit einem farbigen Band oder einer farbigen Fläche dargestellt (Abbildung 6). Der farbige Bereich enthält alle Geschwindigkeiten, die während einer bestimmten Phase des Herzzyklus in einem ausgewählten Bereich aufgezeichnet wurden. Je stärker das Doppler-Signal ist, desto dichter ist die Spektralkurve im Echokardiogramm.
Darstellung der Spektralkurve
Abbildung 7 zeigt die Darstellung von Doppler-Signalen auf dem Ultraschallbild. Der in Abbildung 7 gezeigte Typ des Dopplers wird als gepulster Wellendoppler bezeichnet (wird später genauer diskutiert). Es ist üblich, dass Geschwindigkeiten (d.h. Blutfluss oder Myokardbewegungen) in Richtung zum Schallkopf ein Signal über der Grundlinie ergeben, während sich vom Schallkopf weg bewegende Geschwindigkeiten mit Signalen unterhalb der Grundlinie dargestellt werden. Die x-Achse zeigt die Zeit an, und die Y-Achse zeigt die Geschwindigkeit (m/s) an. Wie in Abbildung 7 gezeigt, ist es notwendig, die Doppler-Linie manuell auszurichten. Dies geschieht, indem der Doppler-Cursor im 2D-Bild bewegt wird.
Die Doppler-Verschiebung ist hörbar
Obwohl der Ultraschall für den Menschen nicht im hörbaren Bereich liegt, ist es möglich, die Doppler-Verschiebung zu hören. Dies liegt daran, dass die Doppler-Verschiebung, also die Differenz zwischen den emittierten und reflektierten Schallwellen, in den Frequenzbereich fällt, den Menschen hören können. Die Doppler-Verschiebung ist das raschelnde Geräusch der Lautsprecher des Ultraschallgeräts.
Im nächsten Kapitel werden verschiedene Typen von Doppler-Untersuchungen erläutert.