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Klinische Echokardiographie

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  1. Einführung in Ultraschall und Echokardiographie
    12Themen
  2. Hämodynamische Prinzipien und Berechnungen
    5Themen
  3. Die echokardiographische Untersuchung
    3Themen
  4. Linksventrikuläre Funktion
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  5. Linksventrikuläre diastolische Funktion
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  6. Kardiomyopathien
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  7. Herzklappenerkrankungen
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  8. Verschiedene Krankheiten und Zustände
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  9. Perikarderkrankung
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Pulsed-wave-Doppler (pw-Doppler, gepulster Doppler)

Der pulsed-wave-Doppler (auch pw-Doppler oder gepulster Doppler) sendet kurze Ultraschallimpulse und analysiert reflektierte Schallwellen zwischen den Impulsen. Dies geschieht, indem dieselben piezoelektrischen Kristalle verwendet werden, um Schallwellen zu senden und zu analysieren. Die Kristalle wechseln schnell zwischen dem Senden und Empfangen von Ultraschall. Daher können emittierte Schallwellen mit reflektierten Schallwellen assoziiert werden, wodurch es möglich ist, den Abstand des Reflektors (d.h. der Struktur, die die Schallwelle reflektiert) zu bestimmen.

Der pulsed-wave-Doppler kann Schallwellen analysieren, die von einem bestimmten Ort reflektiert werden. Dies ist der Hauptvorteil des gepulsten Dopplers, nämlich seine Fähigkeit, den Ort der gemessenen Geschwindigkeiten zu bestimmen. Der pulsed-wave-Doppler benötigt jedoch Zeit, um reflektierte Schallwellen zu analysieren. Dies liegt daran, dass dieselben piezoelektrischen Elemente zum Senden und Analysieren von Schallwellen verwendet werden. Dies reduziert die maximale Geschwindigkeit, die mit einem pulsed-wave-Doppler gemessen werden kann. In der Regel können Geschwindigkeiten über 1,5 m/s bis 1,7 m/s nicht mehr richtig gemessen werden.

Abbildung 1. Der Unterschied zwischen pulsed-wave-Doppler und continuous-wave-Doppler (cw-Doppler). Der pulsed-wave-Doppler sendet kurze Ultraschallimpulse und analysiert reflektierte Schallwellen zwischen den Impulsen. Der continuous-wave-Doppler sendet und analysiert den Ultraschall kontinuierlich.
Abbildung 1. Der Unterschied zwischen pulsed-wave-Doppler und continuous-wave-Doppler (cw-Doppler). Der pulsed-wave-Doppler sendet kurze Ultraschallimpulse und analysiert reflektierte Schallwellen zwischen den Impulsen. Der continuous-wave-Doppler sendet und analysiert den Ultraschall kontinuierlich.

Sample volume (SV)

Der Hauptvorteil des pulsed-wave-Dopplers ist die Möglichkeit anzugeben, wo (entlang der Doppler-Linie) Geschwindigkeiten gemessen werden sollen. Dies ist möglich, weil der gepulste Doppler nacheinander Schallwellen sendet und analysiert. Das Ultraschallgerät ist so programmiert, dass es alle Signale ignoriert, außer denen, die aus einer bestimmten Tiefe reflektiert werden. Die Tiefe kann bestimmt werden, da die Ultraschallgeschwindigkeit im Körper konstant ist. Der Untersuchende gibt an, wo die Messung durchgeführt werden soll, indem das Sample Volume (SV) entlang der Doppler-Linie bewegt wird. Das Sample Volume wird mit zwei Linien senkrecht zur Doppler-Linie dargestellt (Abbildung 2).

Abbildung 2. Lage des Sample Volumes (SV) und der resultierenden Spektralkurve (pulsed-wave-Doppler).
Abbildung 2. Lage des Sample Volumes (SV) und der resultierenden Spektralkurve (pulsed-wave-Doppler).

Pulse repetition frequency

Die Anzahl der pro Sekunde gesendeten Ultraschallimpulse wird als pulse repetition frequency (PRF) bezeichnet. PRF wird durch die Schallgeschwindigkeit und die Entfernung bestimmt, die er zurücklegen muss. Da die Schallgeschwindigkeit im menschlichen Körper konstant ist (1540 m/s), hängt die PRF nur von der Entfernung ab, die die Schallwellen zurücklegen müssen. Je länger die Entfernung ist, desto mehr Zeit wird benötigt, damit Schallwellen hin und her wandern können. Dies führt zu einer niedrigeren PRF (weniger Ultraschallimpulse können pro Sekunde gesendet werden).

Die PRF ist umgekehrt proportional zur Entfernung, die die Schallwellen zurücklegen müssen. Die Visualisierung von entfernten Strukturen führt zu einer niedrigeren PRF und damit zu einer niedrigeren Auflösung. Die Visualisierung von proximal gelegenen Strukturen ermöglicht die Verwendung einer größeren PRF, was zu einer höheren Auflösung führt.

Die PRF muss hoch sein, um die Geschwindigkeit und die Richtung des Blutflusses beurteilen zu können, sonst sind die Berechnungen unsicher. Dies wird dadurch erklärt, dass jeder Ultraschallimpuls nur eine Momentaufnahme des Blutflusses erzeugt. Je größer die Anzahl der Schnappschüsse pro Zeiteinheit ist, desto genauer ist die Beschreibung des Blutflusses. Dies wird in Abbildung 3 veranschaulicht. Es ist eine Uhr darstellt, die während eines Zyklus 5, 3 und 2 Mal beobachtet wurde. Wie in Abbildung 3A gezeigt, ist es möglich, die Drehrichtung mit 5 Beobachtungen pro Zyklus mit Sicherheit zu bestimmen. Anhand von 3 Beobachtungen pro Zyklus ist es nicht möglich, die Drehrichtung zu bestimmen. Bei 2 Beobachtungen pro Zyklus scheint es keine Zeigerbewegung zu geben. Dieses Beispiel veranschaulicht die Bedeutung einer hohen PRF, um genaue Beurteilungen des Blutflusses und der Myokardbewegung zu ermöglichen.

Abbildung 3A-3C. Nyquist-Theorem.
Abbildung 3A-3C. Nyquist-Theorem.

Nyquist-Theorem und Nyquist-Grenze

Die Bedeutung einer hohen PRF wird mathematisch durch das Nyquist-Theorem (benannt nach Harry Nyquist) erklärt. Dieses zeigt, dass eine Welle mindestens zweimal pro Zyklus aufgezeichnet werden muss, um zuverlässig gemessen werden zu können. Für den pulsed-wave-Doppler bedeutet dies, dass die PRF mindestens doppelt so groß sein muss wie die Doppler-Verschiebung. Die Doppler-Verschiebung steht dabei in direktem Zusammenhang mit der Geschwindigkeit des Blutflusses; je größer die Geschwindigkeit, desto größer ist die Doppler-Verschiebung. Daher ist die maximale Geschwindigkeit, die bestimmt werden kann, die Hälfte der PRF, und diese Grenze wird als Nyquist-Grenze bezeichnet.

Die maximale Geschwindigkeit, die bestimmt werden kann, hat eine Doppler-Verschiebung, die der Hälfte der PRF entspricht. Daher muss die PRF mindestens das Doppelte der Doppler-Verschiebung sein.

Alias-Effekt

Alias-Effekte (auch Aliasing-Effekte) treten auf, wenn die Geschwindigkeit des Blutflusses die Nyquist-Grenze überschreitet. Dies bedeutet, dass das Ultraschallgerät die Geschwindigkeit und Richtung des Flusses nicht bestimmen kann. Auf dem Ultraschallbild werden Geschwindigkeiten, die die Nyquist-Grenze überschreiten, auf der gegenüberliegenden Seite der Grundlinie dargestellt. Positive Geschwindigkeiten (d.h. Geschwindigkeiten, die normalerweise über dem Ausgangswert dargestellt sind), welche die Nyquist-Grenze überschreiten, werden als negative Geschwindigkeiten dargestellt und umgekehrt (Abbildung 4 und Abbildung 5).

Abbildung 4. Alias-Effekt.
Abbildung 4. Alias-Effekt.
Abbildung 5. Alias-Effekt.
Abbildung 5. Alias-Effekt.

Wie oben erwähnt, hängt die PRF von der untersuchten Tiefe ab. Die Tiefe wird festgelegt, indem das Sample Volume (SV) entlang der Doppler-Linie bewegt wird. Je tiefer die untersuchten Strukturen sind, desto niedriger ist die PRF und desto niedriger sind die maximalen Geschwindigkeiten, die korrekt gemessen werden können, und umgekehrt.

Aliasing-Geschwindigkeit

Es ist einfach, die maximale Geschwindigkeit zu berechnen, die mit dem pulsed-wave-Doppler gemessen werden kann. Aliasing tritt auf, wenn die Geschwindigkeit diese maximale Geschwindigkeit überschreitet (was daher als Aliasing-Geschwindigkeit bezeichnet wird).

Beispielsweise berechnet die folgende Gleichung bei einer Tiefe von 15 cm unter Verwendung von Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 3 MHz die verstrichene Zeit für das Hin- und Herwandern der Schallwellen:

(0.15+0.15)/1540 = 0.0001948 Sekunden
Wobei 0,15 die Tiefendistanz in m und 1540 die Schallgeschwindigkeit (m/s) im menschlichen Körper ist.

Die PRF wird als Anzahl der Schallwellen berechnet, die pro Sekunde übertragen und reflektiert werden können:

PRF = 1/0.0001948 = 5133 Schallwellen pro Sekunde = 5133 Hz

Die Nyquist-Grenze (die maximale Doppler-Verschiebung, die erkannt werden kann) ist die Hälfte der PRF:

5133/2=2566 Hz

Um zu berechnen, welcher Strömungsgeschwindigkeit dies entspricht, verwenden wir die Doppler-Gleichung:

v = (c · (fr – fe)) / (2 · fe · cos ϴ)

Wir gehen davon aus, dass die Messung ohne Winkelfehler durchgeführt wird, sodass cos θ ignoriert werden kann. fe ist die Frequenz der emittierten Schallwellen und fr ist die Frequenz der reflektierten Schallwellen. fr – fe entspricht der Doppler-Verschiebung. c ist die Schallgeschwindigkeit (m/s) im menschlichen Körper. Die Berechnung folgt:

v = (1540 · 2566) / (2 · 3000000) = 0.66 Meter/Sekunden

Die maximal messbare Geschwindigkeit demnach beträgt 0,66 m/s. Wenn wir die Frequenz der emittierten Schallwellen auf 5 MHz erhöhen, wird die maximale Geschwindigkeit, die gemessen werden kann, zu:

v = (1540· 2566) / (2 ·5000000) = 0.40 Meter/Sekunden

Daraus folgt, dass wir die Frequenz der emittierten Schallwellen reduzieren können, um die Aliasing-Geschwindigkeit zu erhöhen; dann erfolgt Aliasing erst bei höheren Geschwindigkeiten. Es ist ebenso möglich, die Grundlinie des Ultraschallbildes anzupassen (durch Absenken oder Erhöhen), um das Aliasing zu reduzieren. Dadurch wird die PRF verstellt.

Aliasing kann behoben werden, indem die Frequenz des Ultraschalls reduziert oder die PRF erhöht wird.

Extended-range-Doppler (High-PRF-Doppler)

Der pulsed-wave-Doppler analysiert Reflexionen von einer bestimmten Stelle (also dem Sample Volume) entlang der Doppler-Linie. Die maximale Geschwindigkeit, die berechnet werden kann, wird durch die PRF bestimmt, die durch den Abstand zwischen dem Sample Volume und dem Ultraschallkopf bestimmt wird. Durch die Verwendung mehrerer Sample Volumes wird die PRF erhöht (die Impulse aus verschiedenen Sample Volumes werden addiert) und somit die Aliasing-Geschwindigkeit erhöht. Dies wird als high-PRF-Doppler (oder auch extended-range-Doppler) bezeichnet.

Der Vorteil eines high-PRF-Dopplers besteht darin, dass größere Geschwindigkeiten gemessen werden können. Leider ist es bei der Verwendung eines high-PRF-Dopplers schwierig, den Ort der erfassten Geschwindigkeiten zu bestimmen. Um dieses Problem zu verringern, werden die Sample Volumes normalerweise in Gebieten platziert, von denen bekannt ist, dass sie niedrige Strömungsgeschwindigkeiten aufweisen. Dadurch es möglich ist, den Ort höherer Geschwindigkeiten zu bestimmen. Die Verwendung mehrerer Sample Volumes ist in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6. High-PRF-Doppler mit drei Sample Volumes, von denen sich zwei in Gebieten mit geringen Flussgeschwindigkeiten befinden.
Abbildung 6. High-PRF-Doppler mit drei Sample Volumes, von denen sich zwei in Gebieten mit geringen Flussgeschwindigkeiten befinden.
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