Импульсная допплер-эхокардиография

Импульсное допплеровское исследование [Pulsed Wave Doppler] основано на использовании ультразвукового сигнала в виде отдельных серий импульсов. Датчик посылает серию ультразвуковых сигналов и «ждет» их возвращения от эритроцитов в виде отраженных сигналов. Поскольку известна скорость распространения ультразвука в среде (1540 м/с), создается возможность анализировать не все сигналы, возвращающиеся к датчику, а только те, которые отражены от эритроцитов, находящихся на определенном расстоянии от датчика. Место исследования кровотока, по-русски называется контрольным объемом, что не точно по смыслу: правильнее — пробный объем [sample volume]. Фактически мы регулируем интервал времени от посылки сигнала до начала приема отраженного сигнала и продолжительность приема сигнала, но практически эти параметры преобразуются в расстояние от датчика до контрольного объема и размеры контрольного объема (рис. 3.3). Длина контрольного объема обычно можно изменять от 2 до 20 мм. Возможность изучения скоростей кровотока в ограниченной области — главное достоинство импульсного допплеровского исследования. На рис. 3.4 показаны примеры допплеровского исследования нормального внутрисердечного кровотока. В табл. 4 приведены максимальные скорости нормального внутрисердечного кровотока у детей и у взрослых.

Рисунок 3.3. В импульсном режиме допплеровского исследования интервал времени от посылки сигнала до начала приема отраженного сигнала и продолжительность приема сигнала преобразуются в глубину помещения контрольного объема и размеры контрольного объема. Sample Volume — контрольный объем. Wagonner A.D., Perez J.E. Principles and Physics of Doppler, in: Doppler Echocardiography, ed. N. Schiller, Cardiology Clinics, Vol. 8(2), 1990.

Рисунок 3.4. Примеры исследования нормального внутрисердечного кровотока в импульсном допплеровском режиме. A — кровоток в выносящем тракте левого желудочка, B — кровоток в легочной артерии, C — трансмитральный кровоток, D — транстрикуспидальный кровоток. E — ранний диастолический кровоток, A — кровоток во время предсердной систолы.

Частота повторения импульсов [PRF] — частота, с которой посылаются серии ультразвуковых сигналов. Частоту повторения импульсов увеличивают при уменьшении глубины нахождения контрольного объема и уменьшают при исследовании кровотока, находящегося далеко от датчика. В большинстве современных эхокардиографов изменения частоты повторения импульсов происходят автоматически при перемещении контрольного объема. Чем больше частота повторения импульсов, тем более быстрый кровоток может быть исследован. Предельная скорость кровотока, которая поддается измерению методом импульсной допплер-эхокардиографии, называется пределом Найквиста. При изучении скорости кровотока, превосходящей предел Найквиста, появляется искажение допплеровского спектра [aliasing]. Суть этого феномена иллюстрирует рис. 3.5. Если использовать датчик, имеющий частоту 2,5 МГц, максимальная скорость кровотока, которая может быть определена при помещении контрольного объема на расстояние 8 см от датчика, составляет около 2,4 м/с; при расстоянии 12 см от датчика эта скорость меньше — около 1,6 м/с.

Рисунок 3.5. Иллюстрация феномена искажения допплеровского спектра при повышении скоростей кровотока выше предела Найквиста. Движение колеса, имеющего одну спицу, регистрируется с частотой 1 кадр в секунду. Когда колесо совершает 1/4 оборота в секунду (А), кадры дают правильное представление о направлении и скорости его движения. Вдвое большая скорость движения колеса (В) соответствует пределу Найквиста. При увеличении скорости движения колеса до 3/4 оборота в секунду (С) кадры дают искаженную картину: создается впечатление, что колесо поворачивается на 1/4 оборота в секунду против часовой стрелки. При скорости 1 оборот в секунду (D) кажется, что колесо стоит. При скорости 5/4 оборота в секунду (Е) кадры дают правильное представление о направлении движения колеса, но искажают скорость движения. Таким образом, скорость колеса должна быть менее 1/2 оборота в секунду, чтобы ее можно было правильно измерить при регистрации движения с частотой 1 кадр в секунду. Hatle L., Angelsen B. Doppler ultrasound in cardiology: physical principles and clinical application, 2nd ed. Philadelphia. Lea & Febiger, 1985.

Существование предела Найквиста определяет главный недостаток импульсного допплеровского исследования — невозможность точного определения высоких скоростей кровотока. Почти любой патологический кровоток вызывает искажение допплеровского спектра. Для преодоления этого недостатка был разработан следующий режим импульсного допплеровского исследования — режим высокой частоты повторения импульсов [high PRF Doppler]. Он основан на феномене множественности уровней отражения сигнала [range ambiguity]: при помещении контрольного объема на определенную глубину (т. е. при установке определенной задержки приема посланного импульса) наряду с ожидаемым сигналом регистрируется отраженный сигнал от структур, находящихся на глубине вдвое, втрое и т. д. превышающей заданную.

Для преодоления предела Найквиста в режиме высокой частоты повторения импульсов увеличивают число контрольных объемов. Например, для исследования кровотока на расстоянии 12 см от датчика, первый контрольный объем помещают на глубину 6 см; это позволяет удвоить частоту повторения импульсов и, следовательно, вдвое увеличить предел измерения скорости кровотока. Для увеличения предела измерения скорости втрое первые два контрольных объема следует поместить на 4 и 8 см и т. д. Некоторые эхокардиографические системы позволяют увеличивать предельную для импульсного исследования частоту повторения импульсов в 5 раз, создавая, таким образом, 5 контрольных объемов. Желательно все же ограничиваться минимально необходимым увеличением частоты повторения импульсов, так как сигнал от последнего контрольного объема регистрируется в ослабленном виде.

Режим высокой частоты повторения импульсов в настоящее время имеет весьма ограниченное применение; некоторые эхокардиографические системы вообще не рассчитаны на исследования в этом режиме. Это связано с тем, что разработан другой, более надежный способ измерения высоких скоростей кровотока — постоянно-волновое допплеровское исследование [Continuous Wave Doppler].