Эффект Допплера, на котором основано ультразвуковое исследование кровотока, состоит в том, что частота звука, издаваемого движущимся объектом, изменяется при восприятии этого звука неподвижным объектом. Этот эффект иллюстрирован рис. 3.1. В 1961 году Franklin с соавт. впервые сообщили о применении допплеровского эффекта для изучения кровотока. Клиническое использование допплеровских исследований в кардиологии началось с 80-х годов.
Рисунок 3.1. Эффект Допплера состоит в том, что частота звука, издаваемого движущимся объектом, изменяется при восприятии этого звука неподвижным объектом. Применительно к ультразвуковому исследованию кровотока это можно перефразировать так: ультразвук, отраженный от движущихся объектов, возвращается к датчику с измененной частотой. На рисунке представлены пары датчиков (Т — датчик, посылающий сигналы, R — датчик, воспринимающий сигналы). А: При отражении сигнала от неподвижного объекта, частота посланного сигнала ft равна частоте отраженного сигнала fr . В: Если объект (при исследовании кровотока — эритроцит) движется в сторону датчика, то частота посланного сигнала меньше частоты отраженного сигнала. С: Если объект движется в противоположную сторону, то частота посланного сигнала больше частоты отраженного сигнала. Независимо от того, удаляется ли объект от датчика или приближается к нему, сдвиг частоты ультразвукового сигнала fd пропорционален скорости движения объекта. Feigenbaum H.: Echocardiography, 4th ed. Philadelphia, Lea & Febiger, 1986.
Применительно к кардиологии, допплеровский эффект состоит в том, что при отражении ультразвукового сигнала от движущихся объектов (эритроцитов, а также створок клапанов, стенок сердца) меняется его частота, — происходит сдвиг частоты ультразвукового сигнала [frequency shift]. Этот сдвиг представляет собой разность между между частотой сигнала датчика и частотой отраженного от эритроцитов сигнала. Чем больше скорость движения эритроцитов, тем больше сдвиг частоты ультразвукового сигнала. Если движение эритроцитов направлено в сторону датчика, то частота отражаемого от них сигнала увеличивается; если эритроциты движутся от датчика, то частота отражаемого от них сигнала уменьшается. Таким образом, измерение абсолютной величины сдвига ультразвукового сигнала позволяет определить скорость и направление кровотока. Величина сдвига частоты ультразвукового сигнала связана со скоростью кровотока следующим образом: Fd = 2f0хVхcos θ/c, где Fd — сдвиг частоты ультразвукового сигнала, f0 — частота посылаемого ультразвукового сигнала (обычно от 2,0 до 10,0 МГц), V — скорость кровотока, c — скорость распространения ультразвука в среде (в человеческом теле она равняется 1540 м/с при температуре 37°С и считается неизменной), θ — угол между направлением ультразвукового луча и направлением кровотока.
Эритроциты движутся и относительно посланного датчиком, и относительно отраженного сигнала. Поэтому сдвиг частоты ультразвукового сигнала происходит дважды (отсюда коэффициент 2 в числителе).
Как видно из приведенного уравнения, сдвиг частоты ультразвукового сигнала зависит от частоты посылаемого сигнала: чем она меньше, тем большие скорости кровотока могут быть измерены. Поэтому для допплеровского исследования следует выбирать датчик, имеющий наименьшую частоту (обычно 2,0—2,5 МГц). Угол между направлением ультразвукового луча и направлением кровотока не должен превышать 20° (cos 20° приблизительно равен 0,94), тогда ошибка измерения скорости кровотока не будет существенной. Это диктует необходимость направлять ультразвуковой луч при допплеровском исследовании параллельно направлению изучаемого кровотока (рис. 3.2). В эхокардиографических системах предусмотрена возможность вводить поправку в измерение скоростей кровотока, если известно точное направление кровотока, но нет возможности направить луч «по потоку»; на практике, однако, последнее случается редко.
Рисунок 3.2. Влияние величины угла θ между направлением ультразвукового луча и направлением кровотока на сдвиг частоты ультразвукового сигнала. Если ультразвуковой луч направлен параллельно кровотоку, то cos θ = 1 и скорость кровотока может быть измерена правильно. При увеличении угла θ более 20° ошибка измерений становится ощутимой. Если ультразвуковой луч направлен перпендикулярно кровотоку, скорость кровотока вообще не может быть измерена (cos 90° = 0).
Ультразвуковой сигнал, отраженный от эритроцитов, принимается датчиком и обрабатывается компьютерными программами эхокардиографа с помощью преобразования Фурье. Этот математический метод позволяет разложить сложное колебание на составляющие его простые колебания с определенными амплитудой и частотой. Затем из уравнения (1) вычисляется скорость кровотока.
Допплеровский спектр во всех современных эхокардиографах представляет собой развертку скорости по времени. Кровоток, направленный от датчика, изображается ниже изолинии; кровоток, направленный к датчику, — выше нее. Во всех эхокардиографических системах предусмотрена возможность смещения изолинии и изменения масштаба спектра (с помощью изменения частоты повторения импульсов, речь о которой пойдет ниже). Для устранения низкочастотных колебаний, связанных с движением стенок сердца и сердечных клапанов, используются различные фильтры. Кроме того, все эхокардиографы имеют звуковой выход, так что сдвиг частоты ультразвукового сигнала преобразуется не только в графическое изображение скорости кровотока, но и в слышимый звук. Звуковой сигнал позволяет точнее направить ультразвуковой луч, выбрать правильные фильтры. Не следует смешивать слышимый звук при допплеровском исследовании с аускультативными данными, это — явления разного происхождения.