Ultrasonografia dopplerowska, czyli co wspólnego mają kolorowe gwiazdy ze współczesną ultrasonografią

Rycina 1	Christian Andreas Doppler - austriacki fizyk, matematyk i astronom

Christian Andreas Doppler urodził się 29 listopada 1803 roku w Salzburgu w austriackiej rodzinie kamieniarskiej z tradycjami sięgającymi 1674 roku. Początkowo planowano, że przejmie po ojcu warsztat, jednak z powodu słabego zdrowia i wątłej budowy ciała odstąpiono od tego zamysłu. Chłopiec dobrze się uczył, więc po pomyślnie zdanej maturze wysłano go na studia. Studiował w Salzburgu i Wiedniu. Po ukończeniu studiów wykładał matematykę i fizykę na Politechnice w Pradze. W 1841 roku - a więc w wieku 38 lat - został profesorem zwyczajnym matematyki i fizyki na Uniwersytecie Karola w Pradze. W dniu 25 maja 1842 roku ogłosił, a w 1843 roku opublikował swoją najważniejszą pracę - "O kolorowym świetle gwiazd podwójnych i niektórych innych ciałach niebieskich" ("Über das farbige Licht der Doppelsterne und einige andere Gestirne des Himmels"), w której wyjaśnił przyczynę zmiany barwy światła odbitego lub emitowanego przez gwiazdy w zależności od kierunku ich poruszania się. Ruch powoduje bowiem zmianę częstotliwości fal elektromagnetycznych i to w ten sposób, że zbliżanie się źródła fali do obserwatora jest przyczyną zwiększenia częstotliwości, a oddalanie - zmniejszenia częstotliwości fali. Zjawisko to nazwano efektem Dopplera, przesunięciem dopplerowskim lub częstotliwością dopplerowską. Dotyczy ono całego zakresu fal elektromagnetycznych, zarówno świetlnych, jak i dźwiękowych. Przykładem występowania tego zjawiska w zakresie fal dźwiękowych jest obserwowana zmiana wysokości dźwięku sygnału karetki pogotowia początkowo zbliżającej się do obserwatora, a po minięciu szybko oddalającej się. Zjawisko to występuje także w sytuacji, gdy źródło fali jest nieruchome, jeśli fala emitowana przez to źródło pada na poruszający się obiekt. Częstotliwość fali odbitej zależy od kierunku ruchu. Gdy obiekt zbliża się do źródła fali - częstotliwość się zwiększa, natomiast gdy oddala - częstotliwość fali maleje. Tę właściwość fal elektromagnetycznych wykorzystano konstruując detektory emitujące fale ultradźwiękowe.

Rycina 2	Ruch badanego obiektu w kierunku głowicy powoduje wzrost częstotliwości fali odbitej, natomiast ruch "od" głowicy powoduje spadek częstotliwości fali odbitej. Rycina jest zmodyfikowaną ryciną z: "Diagnostyka ultrasonograficzna" pod redakcją P.E.S. Palmera, wydanie II, PZWL, Warszawa 2000.

Doppler pracując jako profesor opublikował ponad 50 prac naukowych z zakresu fizyki, matematyki i astronomii. W 1848 roku przeniósł się do Wiednia, a w 1850 roku cesarz Franciszek Józef powołał go na stanowisko dyrektora Instytutu Fizyki Uniwersytetu Wiedeńskiego. Został pierwszym profesorem fizyki doświadczalnej. Zmarł 17 marca 1853 roku w Wenecji, gdzie leczył się z powodu choroby płuc (prawdopodobnie gruźlicy). Miał zaledwie 50 lat.

Zjawisko zmiany częstotliwości fali odbitej od poruszających się obiektów wykorzystał w 1956 roku Satomura, który zastosował sondę emitującą ciągłą falę ultradźwiękową o częstotliwości 2 MHz do sondowania serca [1]. Fala ultradźwiękowa odbita od poruszających się struktur serca miała częstotliwość około 100 MHz. Pod koniec lat sześćdziesi ątych ubiegłego wieku skonstruowano do potrzeb klinicznych ultradźwiękowe detektory tętna płodu i pierwsze proste przepływomierze, wykorzystujące zjawisko Dopplera i obserwacje Satomury.

Najstarsze ultradźwiękowe przepływomierze emitują falę ultradźwiękową w sposób ciągły (continuous wave - C.W. Doppler, metoda fali ciągłej - F.C.). Wszystkie krwinki poruszające się w naczyniach krwionośnych w obszarze objętym polem ultradźwiękowym są źródłem fal odbitych, których część wraca do detektora odbiorczego. Częstotliwość fal odbitych rośnie wraz ze wzrostem prędkości krwinek poruszających się w kierunku sondy ultradźwiękowej. Można obliczyć średnią i maksymalną prędkość krwinek w badanym naczyniu. Po zastosowaniu odpowiednich przetworników można rozróżnić przepływ w żyłach i tętnicach, nawet gdy wiązka ultradźwiękowa obejmie jednocześnie oba naczynia o przeciwnych kierunkach przepływu krwi. Jednak prosta detekcja sygnału dopplerowskiego nie umożliwia rozróżnienia kierunku przepływu krwi. W urządzeniach tego typu sondę przystawia się do ciała pacjenta bezpośrednio nad badanym naczyniem krwionośnym, a ocena stanu tętnic lub płodu polega na akustycznej ocenie sygnału dopplerowskiego.

W połowie lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku skonstruowano i zastosowano w badaniach klinicznych aparaturę emitującą falę ultradźwiękową w sposób impulsowy (metoda fali impulsowej - F.I.; pulsed wave - P.W. Doppler). W aparatach tego typu przetwornik ultradźwiękowy emituje falę ultradźwiękową o określonej częstotliwości w postaci krótkich impulsów o znanym czasie trwania impulsu i stałej przerwie między impulsami. Emitowane w ten sposób ultradźwięki (porcjami) po powrocie do sondy-detektora oprócz przesunięcia dopplerowskiego różnią się także długością przerw między impulsami. Zawierają zatem więcej informacji o przemieszczających się krwinkach niż w badaniu falą ciągłą. Za pomocą metody impulsowej możliwe jest dokonanie pomiaru przepływu na wybranej głębokości. Po odbiciu od krwinek fale wracają do sondy. Są opóźnione względem siebie w zależności od głębokości, na której zostały odbite. Pociąga to za sobą odpowiednio dużą zmianę fazy odbieranego echa. Pomiar opóźnienia ech - zmiany ich fazy i częstotliwości - pozwala obliczyć prędkość krwinek na różnych głębokościach [2, 3, 4, 5]. Wektor prędkości przepływu (V) można zapisać jako sumę dwóch składowych: równoległej do kierunku przebiegu wiązki ultradźwięków i prostopadłej do wiązki. Prędkości w kierunku prostopadłym nie wywołują przesunięcia dopplerowskiego. Aparat rejestruje więc tylko składową równoległą. Jeśli składowa ta skierowana jest w kierunku głowicy, aparat tworzy zapis w postaci wykresu powyżej osi zerowej, jeśli zaś skierowana jest "od" głowicy, graficznym zapisem będzie wykres poniżej osi zerowej [6]. Większość aparatów automatycznie wylicza prędkość przepływu na podstawie pomiaru częstotliwości dopplerowskiej. Należy jedynie wprowadzić wartość kąta Θ , co w naczyniach o przepływie laminarnym jest proste, bo stanowi kąt między ścianą naczynia a wiązką ultradźwięków (tzw. kąt insonacji Θ ). Badanie falą impulsową przeprowadza się jako badanie duplex scan. Polega ono na tym, że ekran ultrasonografu podzielony jest na dwie części: na jednej uwidoczniony jest przekrój ciała chorego w prezentacji B, na drugiej widoczny jest wykres badania dopplerowskiego spektralnego. Sondę ultrasonograficzną ustawiamy w czasie badania tak, by w prezentacji B uwidocznić interesujące nas naczynia. Specjalnym znacznikiem - bramką dopplerowską "najeżdżamy" na naczynie, w którym chcemy badać przepływ krwi. Bramkę ustawiamy równolegle do długiej osi naczynia krwionośnego. W drugiej części ekranu na wykresie uzyskamy obraz krzywej, która będzie graficznym obrazowaniem przepływu.

Fotografia 1	Doktor Janusz Tyloch

Warunkiem poprawnych pomiarów odległości od przetwornika do badanego obiektu jest, aby echo od obiektu wróciło do odbiornika zanim wysłany zostanie następny impuls nadawczy. Minimalna częstotliwość impulsów (próbkowania) powinna być dwukrotnie większa od największej częstotliwości występującej w widmie badanego sygnału. Minimalna częstotliwość próbkowania równa się częstotliwości Nyquista, a twierdzenie o próbkowaniu znane jest również pod nazwą kryterium Nyquista [2]. Niewłaściwa ocena prędkości przepływu, wynikająca ze zbyt małej częstotliwości próbkującej echa, nazywana jest aliasingiem [2, 7]. Z reguły w trybie duplex wykorzystuje się dwie różne częstotliwości ultradźwiękowe: wyższą do obrazowania w prezentacji B i niższą do pomiarów dopplerowskich. Na przykład w badaniach naczyń jamy brzusznej typowe częstotliwości stosowane do obrazowania to 3,5 MHz i 5 MHz, natomiast dla badania dopplerowskiego 2 MHz i 3 MHz [2].

Rycina 3

Badanie dopplerowskie wraz z obrazem ultrasonograficznym w prezentacji B - tzw. duplex-scan. Wykres przedstawiający zmianę prędkości przepływu w czasie (widmo prędkości) rejestrowany jest ponad linią zerową, co oznacza, że przepływ odbywa się w kierunku głowicy. W prezentacji B widoczna jest bramka dopplerowska, którą należy ustawić w centrum naczynia. Wzorowane na rycinach 1.4 i 1.19 z: "Atlas ultrasonografii naczyń" M. Krzanowski i A. Łuszczycka, Medycyna Praktyczna, Kraków 1996.

Początek lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku przyniósł nową technologię obrazowania przepływu krwi w postaci kolorowego Dopplera (color Doppler, kolorowe obrazowanie przepływu, kolorowe kodowanie prędkości). W ultrasonografach z kolorowym Dopplerem piksele obrazowe odpowiadające echom odbitym od tkanek kodowane są w skali szarości, natomiast echom odbitym od elementów poruszających się (np. krwinki) przypisywana jest różna barwa, zależna od prędkości i kierunku poruszania się. Im większa prędkość, tym intensywniejsze barwy. Ruch "do sondy" oznaczony jest kolorem czerwonym, ruch "od sondy" - niebieskim. Ta technika jest rozwinięciem Dopplera impulsowego [8, 9]. Gdy wszystkie opcje, tzn. obrazowanie w prezentacji B, Doppler spektralny i Doppler kolorowy, pracują jednocześnie, używamy określenia Triplex. Do takiego badania niezbędny jest aparat ultrasonograficzny z wydajnym komputerem, bowiem przetwarzanie ech wymaga dużej mocy obliczeniowej.

Najnowszą techniką kolorowego kodowania przepływu jest tzw. Doppler mocy (power Doppler, color Doppler energy - CDE, angiografia ultrasonograficzna, sonoangiografia). Doppler mocy obrazuje przepływ na podstawie oceny całkowitej energii sygnału dopplerowskiego. Dzięki temu można zwiększyć czułość detekcji przepływu. Technika ta ma istotne znaczenie, gdy sygnał przepływu jest zbyt słaby z powodu niewielkiej średnicy naczyń lub z powodu ich odległego położenia. Doppler mocy uwidocznia przepływ niezależnie od kąta insonacji Θ . Pozwala to na uzyskanie obrazu przepływu w naczyniach o krętym przebiegu, nie występuje też w tym sposobie obrazowania zjawisko aliasingu. Nie można jednak określić kierunku przepływu krwi [6, 8, 9]. W pewnym zakresie moc proporcjonalna jest do ilości krwinek płynących w polu ultradźwiękowym i niesie informację o ukrwieniu narządu. Obrazowanie mocy dopplerowskiej nazywamy sonoangiografią (color angio, color energy, power Doppler). Sonoangiografia odwzorowuje anatomiczny przebieg naczyń, ale nie rozróżnia prędkości i kierunku przepływu krwi. Sonoangiografia jest czulsza od metody kolorowego kodowania prędkości, zwłaszcza w obrazowaniu drobnych naczyń. Dotyczy to przede wszystkim sytuacji, gdy w jednej objętości pomiarowej znajduje się kilka małych naczyń, w których krew płynie w różnych kierunkach i z różną prędkością. Sąsiednie piksele obrazowe mają różny kolor, obraz przypomina czerwono-niebieską mozaikę, w której widoczny jest brak ciągłości naczyń. Barwne kodowanie mocy przeprowadza się na sumarycznym sygnale niezależnie od częstotliwości i znaku. Widma mocy przepływów "do" i "od" sondy są sumowane, a wypadkowa amplituda widma jest kodowana w postaci jaskrawej czerwieni lub żółci. Brak barwy oznacza, że w badanym obszarze nie stwierdza się przepływu krwi, natomiast jasna czerwień lub jasny zółty świadczy o dobrym ukrwieniu badanego narządu.

Rycina 4

Badanie dopplerowskie - kolorowe obrazowanie przepływu. Ultradźwiękom odbitym od poruszających się krwinek przypisywane są kolorowe piksele obrazowe. Ruch w kierunku głowicy oznaczony jest kolorem czerwonym (ryc. 4a), a "od" głowicy kolorem niebieskim (ryc. 4b). Odpowiada to wykresom Dopplera spektralnego - wykres ponad linią zero oznacza przepływ w kierunku głowicy, a poniżej linii zero odpowiednio ruch "od" głowicy.

W urologii badanie Power Doppler znajduje duże zastosowanie. Jednym ze wskazań do tego typu badania są zmiany lite w obrębie nerek, kolejnym dolegliwości bólowe jąder i różnicowanie skrętu jądra. Największe chyba jednak w badaniu transrektalnym stercza. Tu Power Doppler okazuje się pomocny w lokalizacji małych, izśchogenicznych zmian nowotworowych, a także w ocenie miejscowego stanu zaawansowania rozrostu nowotworowego stercza.

Rycina 5	Badanie Power Doppler głowicą przezodbytniczą. Widoczny gruczoł krokowy w trzech przekrojach. W lewym płacie gruczołu wyraźne zagęszczenie naczyń krwionośnych. Na ryc. 4b obraz w prawym dolnym rogu przedstawia samą siatkę naczyń krwionośnych po elektronicznym usunięciu pozostałych elementów morfologicznych gruczołu krokowego.

Dalszym udoskonaleniem Dopplera mocy jest technika obrazowania zwana microvascular imaging (MVI). Pozwala ona na wizualizację przepływów w mikrokrążeniu. Wydaje się szczególnie przydatna, jak piszą pierwsi korzystający z niej badacze, w andrologii (ocena mikrokrążenia w jądrach) oraz w uroonkologii [10].

Minęły 164 lata od ogłoszenia przez Ch. A. Dopplera jego obserwacji. W tym czasie nastąpił olbrzymi postęp techniczny, skonstruowano komputery i aparaturę ultrasonograficzną, która potrafi opisane zjawisko wykorzystać. Dzisiaj, mając do dyspozycji aparaturę ultrasonograficzną zaopatrzoną w kolorowego Dopplera, można powiedzieć, że gwiazdy są kolorowe dzięki temu samemu zjawisku, dzięki któremu możliwa jest obserwacja i pomiar przepływu krwi w naczyniach krwionośnych.