Doppler
När ljudvågor träffar ett objekt så kommer en del av ljudvågorna reflekteras tillbaka. Om objektet som reflekterar ljudvågorna är stillastående så kommer de reflekterade ljudvågorna ha samma frekvens som de ursprungliga ljudvågorna. Om objektet däremot är i rörelse så kommer de reflekterade ljudvågornas frekvens att ändras. Denna effekt kallas dopplereffekten.
Dopplereffekt beskrevs första gången år 1843 av Christian Doppler. För att förstå hur dopplereffekten fungerar använder vi en ljudkälla som rör sig. I Figur 1 ses tre trumpeter, varav en är placerad på ett bord och två är monterade på ambulanser som kör i riktning mot respektive bort ifrån observatören. När ljudkällan (trumpeten) rör sig i riktning mot observatören så komprimeras ljudvågorna, vilket leder till att våglängden förkortas och frekvensen ökar. När ljudkällan (trumpeten) rör sig bort från observatören så upplever observatören att ljudvågorna dras ut, vilket innebär att våglängden ökar och frekvensen minskar.
Denna principen utnyttjas för att studera hastigheter i hjärtat. De hastigheter som är av intresse är blodets flödeshastighet samt myokardiets rörelsehastighet.
I blod reflekteras ultraljudet av erytrocyterna. Eftersom erytrocyter är små, runda och har en oregelbunden yta så kommer de reflekterade ljudvågorna spridas i alla riktningar (Figur 2). Det innebär att endast en bråkdel av ultraljudet reflekteras tillbaka till ljudkällan. Även om reflektionerna från en enskild erytrocyt är försumbara, så blir summan av reflektionerna från miljarder erytrocyter tillräckligt stor för att registreras.
Erytrocyternas rörelser gör att de reflekterade ljudvågornas frekvens ändras. Erytrocyter som rör sig mot sändaren kommer reflektera ljudvågorna med högre frekvens. Erytrocyter som rör sig bort från sändaren så kommer de reflekterade ljudvågorna ha lägre frekvens än de utsända ljudvågorna (Figur 3).
Dopplereffekten i blod uppstår eftersom erytrocyter som rör sig mot ljudvågorna kommer att komprimera dem så att de reflekteras med högre frekvens. Om erytrocyter rör sig bort från sändaren så kommer de reflekterade ljudvågorna tänjas ut och få lägre frekvens.
Dopplereffekten utnyttjas för att beräkna hastigheter och riktningar. För att beräkna blodflödets hastighet analyseras frekvenskillnaden mellan utskickade och reflekterade ultraljudsvågor. Denna skillnad kallas dopplerskifte (eng. doppler shift). Dopplerskiftet beror på blodflödets hastighet (v), frekvensen på det utskickade ultraljudet (fu), frekvens på det reflekterade ultraljudet (fr), ultraljudets hastighet i vävnaden (c) och cosinus av vinkeln mellan blodflödets riktning och den reflekterade ultraljudsvågen (cos θ). Dopplerekvationen är som följer:
v = [c·(fr-fu)] / [2·fu·cos ϴ]
Betydelsen av vinkeln vid dopplerregistrering
Vid all dopplerregistrering skall ultraljudsstrålarna riktas så att de infaller parallellt med rörelseriktningen. När ultraljudsstrålarna och rörelseriktningen är parallella så är vinkeln 0 grader och cosinus 0 grader är lika med 1. Om vinkeln ökar så kommer cosinus för vinkeln att bli mindre än 1 vilket leder till att flödeshastigheten underskattas. Alla vinkelfel leder alltså till underskattning av hastigheterna som mäts (Figur 4).
I klinisk praxis är det svårt att få en perfekt vinkel. Små vinkelfel har dock ingen signifikant betydelse; cosinus 10 grader är lika med 0.98 och cosinus 20 grader är 0.94. Det innebär att små vinkelfel har en försumbar inverkan på mätningen.
Man använder som regel 2D-bilden för att rikta dopplerstrålen där mätningen skall göras. Det kan dock finnas en diskrepans mellan 2D-bilden och den optimala dopplersignalen; den tydligaste 2D-bilden kan vara behäftad med en dålig dopplervinkel och vice versa. I sådana situationer kan man offra 2D-bildens kvalitet och prioritera dopplersignalens styrka och vinkel.
Doppler ger en spektralanalys
Blod som flödar i kärl uppvisar laminärt flöde, vilket innebär att flödeshastigheten är högst i kärlets mittpunkt och lägst intill väggarna (Figur 5). Vätskan flödar i flera koncentriska lager och ju närmare cylinderns vägg desto lägre är lagrets hastighet. Det innebär att erytrocyterna har olika hastigheter. Dessutom är blodflödet pulsatilt; flödet är maximalt under systole och minimalt under diastole. Blodflödets laminära och pulsatila flöde medför att de reflekterade ljudvågorna uppvisar stor variation i dopplerskiften. Denna variation kallas dopplerspektrum. Dopplerregistrering kallas därför även för spektralanalys.
På ultraljudsbilden presenteras dopplersignalen med ett färgat band eller area (Figur 6). Det färgade området innehåller alla hastigheter som registrerats i ett visst område under en viss fas i hjärtcykeln. Ju starkare dopplersignalen är, desto tätare blir spektralkurvan på ultraljudsbilden.
Presentation av spektralkurvan
Figur 7 visar principen för hur dopplersignaler presenteras på ultraljudsbilden. Den typ av doppler som visas i Figur 7 kallas pulsad doppler (diskuteras senare). Konventionen är att hastigheter i riktning mot sändaren ger ett utslag ovanför baslinjen och hastigheter bort från sändaren ger ett utslag nedanför baslinjen. På x-axeln visas tid och på y-axeln presenteras hastighet. Som också framgår av Figur 7 så behöver undersökaren välja var dopplerlinjen skall riktas. I klinisk praxis börjar man med att lokalisera en bra 2D-bild med fokus på området som skall studeras och därefter placeras dopplerlinjen på önskad plats.
Vi kan höra dopplerskiftet
Även om ultraljud ligger utanför det hörbara området för människan, så kan vi uppfatta dopplerskiftet, eftersom differensen mellan utskickade och reflekterade ljudvågor (dopplerskiftet) hamnar inom ett frekvensområde som vi kan höra. Det är detta ljudet som man hör (det svishande ljudet) från ultraljudmaskinens högtalare.
I nästkommande kapitel diskuteras olika typer av dopplerundersökningar.
