Doppler-Effekt
Vom zweidimensionalen Ultraschall und dem zugrundeliegenden Puls-Echo-Prinzip ist uns bekannt, dass in der Ultraschalldiagnostik Ultraschallwellen von einem Schallsender (Schallkopf) ausgesendet werden. Anschließend werden diese im Gewebe von akustischen Grenzflächen reflektiert und vom Schallempfänger (Schallkopf) wieder empfangen.
Durch eine nahezu gleiche Schallausbreitungsgeschwindigkeit in den Weichteilgeweben des Körpers (c = 1540 m/s), ist es möglich über die Laufzeit der Schallimpulse eine genaue Tiefenlokalisation der Reflektoren zu bestimmen.
Hierbei handelt es sich in der Regel um unbewegte Objekte, zum Beispiel Organe und somit wird lediglich der Energiegehalt der reflektierten Schallwellen verringert. Sie besitzen jedoch nach wie vor die gleiche Wellenlänge und Frequenz wie die ausgesandten Schallwellen. Für die Frequenz der ausgesandten Schallwellen (f₀) und die Frequenz der reflektierten Schallwellen (f₁) gilt also: f₁ = f₀
Anders verhält es sich, wenn die Schallwellen stattdessen an bewegten Objekten wie den Blutkörperchen reflektiert werden. Hier wird vor allem die Frequenz der Schallwellen verändert, genauer kommt es zu einer Frequenzverschiebung zwischen ausgesandten und reflektierten Schallwellen, dem sogenannten Dopplershift (fd).
Dieses Phänomen, auch Dopplereffekt genannt, wurde 1842 von Christian Doppler entdeckt und nach diesem benannt (DOPPLER, 1842). Beim Dopplershift handelt es sich um die Differenz der Frequenz reflektierter (f₁) und der Frequenz ausgesandter Schallwellen (f₀).
Dies ergibt folgende Gleichung: fd = f₁ − f₀
Es gilt Folgendes:
Bewegen sich die Blutkörperchen auf den Schallkopf zu, ist die Frequenz reflektierter Schallwellen (f₁) größer als die Frequenz ausgesandter Schallwellen (f₀): f₁ > f₀
Durch die Gleichung ergibt sich also: fd > 0
Es handelt sich um eine positive Frequenzverschiebung, zudem wird die Wellenlänge der Schallwellen entsprechend kleiner.
Praktisch bedeutet das:
- Blutkörperchen die auf den Schallkopf zufließen, werden im PW- und CW-Doppler oberhalb der Nulllinie dargestellt
- Blutkörperchen die auf den Schallkopf zufließen, werden im Farbdoppler rot dargestellt
Bewegen sich die Blutkörperchen vom Schallkopf weg, ist die Frequenz reflektierter Schallwellen (f₁) kleiner als die Frequenz ausgesandter Schallwellen (f₀): f₁ < f₀
Durch die Gleichung ergibt sich also: fd < 0
Es handelt sich um eine negative Frequenzverschiebung, zudem wird die Wellenlänge der Schallwellen entsprechend größer.
Praktisch bedeutet das:
- Blutkörperchen die vom Schallkopf wegfließen, werden im PW- und CW-Doppler unterhalb der Nulllinie dargestellt
- Blutkörperchen die vom Schallkopf wegfließen, werden im Farbdoppler blau dargestellt
Das Blut in der Arterie fließt vom Schallkopf weg, das Blut in der Vene fließt auf den Schallkopf zu
In beiden Fällen gilt:
- Höhere Blutflussgeschwindigkeiten werden im Farbdoppler heller und langsamere Blutflussgeschwindigkeiten dunkler dargestellt
- Bereits im Farbdoppler sind ungefähre Blutflussgeschwindigkeiten mittels der Farbkodierung und der Farbskala erkennbar
BEACHTE:
Die Darstellung in roter oder blauer Farbe gibt keinen Hinweis darauf, ob es sich um ein arterielles oder venöses Gefäß handelt, sondern ist nur eine Darstellung der Blutflussrichtung. Gleiches gilt für die Darstellung ober- oder unterhalb der Nulllinie. Des Weiteren können diese willkürlich festgelegten Darstellungsformen verändert werden und somit genau umgekehrte Regeln gelten.
Strömungsdarstellung unterhalb der Nulllinie, trotz des Blutflusses auf den Schallkopf zu
Fazit:
Mittels des Dopplershifts können wir also in der Dopplersonographie sowohl die Geschwindigkeit von Blutkörperchen, und somit des Blutflusses bestimmen, als auch die Blutflussrichtung im Gefäß erkennen (auf den Schallkopf zu oder von diesem weg).
Um nun die Blutflussgeschwindigkeit zu berechnen,
braucht man die sogenannte Dopplergleichung:
Die Dopplergleichung besagt, dass die Größe der Frequenzverschiebung (Dopplershift, fd) von folgenden Faktoren abhängig ist:
- Frequenz ausgesandter Schallwellen oder Sendefrequenz (f₀)
- Strömungsgeschwindigkeit des Blutes bzw. der Blutkörperchen (v)
- Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Gewebe (c)
- Cosinus des Winkels ∝, mit welchem der Schallstrahl auf das Gefäß trifft (cos∝)
Konstant sind bei der Gleichung die Sendefrequenz (f₀) und die Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Gewebe (c = 1540 m/s, dies entspricht dem mittleren Geschwindigkeitswert für Weichteilgewebe, siehe oben).
Sind weiterhin der Wert für die Frequenzverschiebung und der Winkel zwischen Schallstrahl und Gefäßachse bekannt, kann die Blutflussgeschwindigkeit berechnet werden:
Dopplergleichung:
Aufgelöst nach der Blutflussgeschwindigkeit:
BEACHTE:
Zuerst dient der Schallkopf als unbewegter Sender und die Blutkörperchen dienen als bewegte Empfänger der Ultraschallwellen. Im zweiten Schritt werden die Ultraschallwellen von den Blutkörperchen als bewegte Schallquelle zurück zu unserem Schallkopf als unbewegter Empfänger reflektiert. Somit tritt der Dopplereffekt gleich doppelt auf und dies wird mit dem Faktor 2 in den Gleichungen berücksichtigt.
Ein besonderes Augenmerk sollte hierbei auf den Winkel zwischen Ultraschallstrahlen und Gefäßachse bzw. der Bewegungsrichtung der Blutkörperchen gelegt werden. Die berechnete Blutflussgeschwindigkeit entspricht nur dann auch der tatsächlichen, wenn der Kosinus des Winkels ∝ (cos∝) 1 ergibt.
Dies ist der Fall, wenn der Winkel ∝ 0° beträgt, also die Richtung der Ultraschallwellen der Blutflussrichtung entspricht. Je mehr der Winkel ∝ von 0° abweicht, also je größer der Winkel wird, desto größer ist auch der Messfehler. Dieser ist bis zu einem gewissen Grad rechnerisch ausgleichbar, nämlich bis zu einem Winkel ∝ von 60°. Es sollte also die Schallkopfposition so angepasst werden, dass der Winkel ∝ nicht größer als 60° ist.
Des Weiteren bedeutet das, wenn der Winkel ∝ 90° beträgt, ergibt sich für cos∝ der Wert 0. Wenn die Ultraschallstrahlen also im rechten Winkel zur Gefäßachse eintreffen, kann mittels der Dopplerverfahren kein Blutstrom dargestellt werden und somit kann die Blutflussgeschwindigkeit nicht bestimmt werden.
Fazit:
In der Praxis sollte auf einen Einfallswinkel der Schallstrahlen (im Verhältnis zur Blutflussrichtung / Gefäßachse) von ≤60° geachtet werden und eine exakte Bestimmung der Blutflussgeschwindigkeit setzt eine rechnerische Korrektur der Winkelabweichung voraus.
BEACHTE:
Da die Frequenzen des Dopplershifts im hörbaren Bereich (0 - 20kHz) liegen, ist die Frequenzverschiebung auch akustisch wahrnehmbar. Dies wird in der Klinik bei portablen Systemen mit Stiftsonde und ohne Schnittbild für die Ermittlung des systolischen Blutdrucks ausgenutzt. Während einer Ultraschalluntersuchung könnten plötzlich einsetzende Geräusche die zu untersuchenden Tiere aber durchaus beunruhigen, daher empfiehlt es sich die Lautstärke vor Beginn der Untersuchung entsprechend zu reduzieren bzw. auszuschalten.