Spektraldopplerverfahren
Continous-wave- / CW-Doppler:
Es werden zwei piezoelektrische Kristalle benötigt, um kontinuierlich Ultraschallwellen auszusenden und gleichzeitig reflektierte Ultraschallwellen zu empfangen. Dadurch gibt es keine Begrenzung der maximal messbaren Blutflussgeschwindigkeiten.
Jedoch ist durch das kontinuierliche Aussenden und Empfangen der Ultraschallsignale keine Bestimmung der Laufzeit zwischen ausgesendetem Impuls und eintreffendem Echo möglich, es gibt also keine Tiefenzuordnung.
Beim CW-Doppler werden somit alle vom Untersuchungsstrahl getroffenen Gefäße erfasst und im Dopplersignal wiedergegeben. Es wird also nicht zwischen den einzelnen Gefäßen differenziert, sondern alle detektierten Blutströme werden in einer Dopplerkurve zusammengefasst.
Dabei wird die Eindringtiefe durch die Frequenz bestimmt, es gibt keinen genau bestimmbaren Messbereich, wie beispielsweise beim PW-Doppler.
- Vorteil: es können sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten sehr genau erfasst werden, da es hier kein Aliasing gibt (siehe PW-Doppler)
- Nachteil: keine Tiefenselektivität (schlechte axiale Auflösung)
- Fazit: geeignet zur Untersuchung oberflächlicher Gefäße und hoher Blutflussgeschwindigkeiten; Einsatz vor allem in der Echokardiographie oder in portablen Systemen mit Stiftsonde und ohne Schnittbild (Blutdruckmessung)
Pulsed-wave- / PW-Doppler:
Es wird nur ein piezoelektrischer Kristall benötigt, welcher abwechselnd im Sende- und Empfangsbetrieb arbeitet.
Nach Aussenden eines Schallimpulses wird auf Empfang umgeschaltet und das Eintreffen der reflektierten Ultraschallwellen abgewartet, erst danach ist das Aussenden eines weiteren Schallimpulses möglich.
Durch die Laufzeit der Ultraschallwellen ist eine Tiefenzuordnung möglich, ähnlich dem Puls-Echo-Prinzip bei der B-Bild-Generierung (siehe physikalische Grundlagen).
Zudem kann mittels des Sample Volume (SV), auch Messvolumen genannt, eine räumlich abgegrenzte Empfangsregion gewählt werden. Es werden also nur Signale aus diesem speziellen Bereich empfangen und es kommt nicht zur Überlagerung mit anderen Gefäßen (siehe CW-Doppler).
Dafür wird nach dem Senden des Impulses gewartet und bereits wieder ankommende Echos werden ignoriert. Das Umschalten auf Empfang erfolgt erst dann, wenn die Echos aus dem gewählten Bereich eintreffen sollten. Dabei definiert die Größe des Sample Volumes die Dauer der Empfangszeit und entspricht in der Regel maximal dem Durchmesser des Gefäßes. Danach wird wieder abgewartet bis auch alle restlichen Echos aus tieferen Gewebsschichten zurückgekehrt sind, auch wenn diese nicht aufgezeichnet werden.
Je tiefer das zu untersuchende Gefäß liegt, desto länger ist die Laufzeit zwischen Aussenden und Empfang der Ultraschallwellen. Dementsprechend limitiert ist somit die Anzahl der Schallimpulse pro Zeiteinheit, die sogenannte Pulsrepititionsfrequenz (PRF).
Liegt das Gefäß oberflächlich, ist dagegen eine höhere Pulsrepititionsfrequenz möglich, weil sich die Laufzeit der Schallwellen verkürzt und somit eine höhere Anzahl an Schallimpulsen pro Zeiteinheit gesendet werden kann.
Als Nyquist-Grenze oder auch Nyquist-Frequenz wird die maximale, korrekt messbare Dopplerfrequenz bezeichnet. Wenn die Nulllinie im Messbereich mittig eingestellt ist, stimmt sie in beiden Richtungen mit der Hälfte der Pulsrepititionsfrequenz überein.
BEACHTE:
Eine rechnerische Verdopplung des Messbereichs ist möglich durch ein Verschieben der Nulllinie nach oben oder unten, sodass nur noch eine Strömungsrichtung dargestellt wird.
Wird die Nyquist-Grenze überschritten, nicht aber die maximal eingestellte Pulsrepititionsfrequenz, kommt es zu einem Artefakt, dem sogenannten Aliasing (auch Alias-Effekt / -Phänomen).
In der Dopplerkurve werden dabei die Spitzen der Kurve und somit die Maximalgeschwindigkeiten abgeschnitten und setzen sich am gegenüberliegenden Ende der Geschwindigkeitsskala fort. Die ausgegebenen Maximalgeschwindigkeiten entsprechen nicht den tatsächlich vorherrschenden maximalen Blutflussgeschwindigkeiten, sondern diese werden unterschätzt.
Um das Aliasing zu verhindern und die Blutflussgeschwindigkeiten nicht zu unterschätzen, muss die Pulsrepititionsfrequenz also mindestens doppelt so groß sein, wie die maximal zu erwartende geschwindigkeitsabhängige Dopplerfrequenz.
Einfluss auf die messbare Maximalgeschwindigkeit hat vor allem die Lage des zu untersuchenden Gefäßes. Bei tief liegenden Gefäßen wird eine hohe Eindringtiefe benötigt und die PRF muss verringert werden (siehe oben). Entsprechend der verringerten PRF sinkt also auch die Nyquist-Grenze und damit die messbare Maximalgeschwindigkeit.
Um dem entgegen zu wirken, kann man die Sendefrequenz verringern, wodurch höhere Blutflussgeschwindigkeiten trotz hoher Eindringtiefe detektiert werden können.
- Vorteil: Tiefenselektivität gegeben
- Nachteil: durch Aliasing begrenzte maximal detektierbare Dopplerfrequenz; Winkelabhänigkeit
- Fazit: auch zur Untersuchung tiefergelegener Gefäße geeignet durch gute axiale Auflösung, dadurch Einsatz im Abdomen möglich; eingeschränkte maximal erfassbare Blutflussgeschwindigkeiten
Frequenzverarbeitung:
Zuerst wird die niederfrequente Dopplerfrequenz (KHz-Bereich) mittels IQ-Demodulation aus dem Empfangssignal mit der hochfrequenten Trägerfrequenz des Gerätes (MHz-Bereich) gefiltert, welche gleichzeitig eine Richtungsdetektion gewährleistet.
Jedoch entspricht das empfangene Dopplersignal nicht einer einzelnen Frequenz, sondern einem Frequenzspektrum, welches die unterschiedlichen Geschwindigkeiten der einzelnen Blutkörperchen wiederspiegelt. Deren Geschwindigkeit unterscheidet sich, je nachdem ob sie sich nahe der Gefäßwand oder in der Gefäßmitte bewegen und ändert sich zudem mit der Zeit. (Näheres siehe Hämodynamische Grundlagen)
Das Dopplersignal muss also noch mittels eines Algorithmus, der sogenannten Fast-Fourier-Transformation (FFT, auch schnelle Fourier-Transformation), in seine Frequenzanteile zerlegt und deren Amplituden berechnet werden.
Die Strömungsinformationen werden dann als Frequenz-Zeit-Spektrum wiedergegeben, welches die zeitliche Veränderung der Strömungsgeschwindigkeiten und ihre Verteilung wie folgt darstellt:
- Ordinate / y-Achse: Dopplerfrequenz (KHz)
bzw. Blutflussgeschwindigkeit (cm/s) - Abszisse / x-Achse: Zeit
BEACHTE: Die sogenannte Nulllinie markiert gleichzeitig den Punkt im Frequenzspektrum, an welchem kein Blutfluss vorhanden ist. - Helligkeit der einzelnen Bildpunkte: Rückstreuenergie
bzw. Amplitude des Signals der einzelnen Dopplerfrequenzen
Wie im Kapitel Physikalische Grundlagen erläutert, werden im PW- und CW-Doppler Blutflüsse auf den Schallkopf zu in der Regel oberhalb der Nulllinie dargestellt, und solche vom Schallkopf weg unterhalb der Nulllinie.
Somit werden entlang der y-Achse nicht nur die vorherrschenden Strömungsgeschwindigkeiten aufgezeichnet, sondern auch die Blutflussrichtung. Diese Informationen erhalten wir beim Farbdoppler mit Hilfe des Autokorrelationsverfahrens über die Farbkodierung.
Die y-Achse zeigt allerdings nur bei Einsatz der Winkelkorrektur die Geschwindigkeiten in cm/s an, ohne diese müssen die Dopplerfrequenzen in KHz angegeben werden.
Durch die Aufzeichnung der zeitlichen Veränderung der Strömungsgeschwindigkeiten entlang der x-Achse entsteht eine Kurve im Diagramm. Hierbei gilt zu beachten, dass die x-Achse gleichzeitig den Punkt im Frequenzspektrum markiert, an welchem kein Blutfluss vorhanden ist und deshalb auch als Nulllinie bezeichnet wird (siehe oben).
In der farbkodierten Duplexsonographie wird der Blutfluss zeitgleich zum bestehenden B-Bild farblich kodiert und wir erhalten diese Information über die zeitliche Änderung des Bildes.
Bei der zweidimensionalen Darstellung fehlt jedoch noch die Information, wie häufig die einzelnen Dopplerfrequenzen im Frequenzgemisch vertreten sind, also wie groß der Anteil an Blutkörperchen ist, welcher sich mit der jeweiligen Geschwindigkeit bewegt. Dies wird anhand der berechneten Amplituden deutlich und wird mangels einer dritten Achse durch die Helligkeit der einzelnen Bildpunkte ausgedrückt. Je heller ein Bildpunkt ist, desto mehr Blutkörperchen bewegen sich mit der entsprechenden Geschwindigkeit.
Bewegen sich die Blutkörperchen größtenteils mit einer ähnlichen Geschwindigkeit, ist das Frequenzspektrum schmal und die gezeichnete Kurve ist scharf begrenzt und mit hellen, dichten Bildpunkten dargestellt.
Weisen sie dagegen unterschiedliche Geschwindigkeiten auf, liegt ein breites Frequenzspektrum vor und die Kurve zeigt entsprechend unscharfe Randbereiche und besteht aus vielen unterschiedlich hellen Bildpunkten.
(Näheres siehe Hämodynamische Grundlagen)
