Die DOPPLER-Sonographie ist heute eine Routinemethode z.B. in der Diagnose von Gefäßerkrankungen. Mit dieser Untersuchungsmethode können schmerzfrei und nahezu ohne Nebenwirkungen u.a. Informationen über die Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit des Blutes in den Gefäßen gewonnen und auch Verengungen (Stenosen) und Veränderungen (z.B. Verkalkung) von wichtigen Gefäßen wie z.B. der Halsschlagader festgestellt werden.
Prinzip der Messung der Fließgeschwindigkeit des Blutes
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Zur Messung der Fließgeschwindigkeit des Blutes nutzt man den DOPPLER-Effekt aus. Das Messprinzip ist in Abb. 1 dargestellt.
Im Schallkopf (grau) befindet sich ein Sender, der Ultraschall der Frequenz \(f_{\rm{S}}\) aussendet. Der Ultraschall durchdringt die Haut und trifft z.B. auf ein rotes Blutkörperchen, das sich vom Sender wegbewegt. Dieses Blutkörperchen "hört" einen etwas niederfrequenteren Schall \(f_{\rm{BK}} < f_{\rm{S}}\). Der vom bewegten Blutkörperchen gestreute Schall wird im Empfänger, der ebenfalls im Schallkopf sitzt, nochmals mit einer niedrigeren Frequenz \(f_{\rm{E}} < f_{\rm{BK}} < f_{\rm{S}}\) registriert.
Die entsprechende Herleitung zeigt, dass für die Differenz \(\Delta f\) zwischen Senderfrequenz \(f_{\rm{S}}\) und Empfängerfrequenz \(f_{\rm{E}}\) gilt\[\Delta f \approx {f_{\rm{S}}} \cdot \frac{{2 \cdot v}}{c}\]wobei \(v\) die Geschwindigkeit der Blutkörperchen und \(c\) die Schallgeschwindigkeit im Blut (ca. \(1500\,\frac{{\rm{m}}}{{\rm{s}}}\)) ist.
Überlagert man also Sende- und Empfangsfrequenz, so ergibt sich eine Schwebung mit der Schwebungsfrequenz \(\Delta f\). Bei typischen Blutgeschwindigkeiten von \({v = 0{,}1\,\frac{{\rm{m}}}{{\rm{s}}}}\) und einer Senderfrequenz im Megahertz-Bereich ergibt sich nach obiger Beziehung eine hörbare Schwebungsfrequenz im Kilohertz-Bereich.
Fazit: Bei Kenntnis der Sendefrequenz \(f\), der Schwebungsfrequenz \(\Delta f\) und der Schallgeschwindigkeit \(c\) lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit \(v\) des Blutes feststellen.
Gefäßzustand und DOPPLER-Signal
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Atherosklerose (unpräzise auch Arteriosklerose) bezeichnet die krankhafte Einlagerung von Cholesterinester und anderen Fetten in die innere Wandschicht arterieller Blutgefäße. Die Atherosklerose tritt bevorzugt an den Herzkranzgefäßen, der Aufzweigung der Halsschlagader und den großen Beinarterien auf. Sie ist ein chronisch entzündlicher Prozess: Schon in den Gefäßen junger Menschen sind fettige Streifen nachweisbar, die sich langsam zu atherosklerotischen Plaques entwickeln, in denen ein Fettkern von einer mehr oder weniger stabilen Bindegewebsschicht überdeckt ist.
Atherosklerotische Plaques können Gefäße so sehr verengen, dass die Sauerstoffversorgung des betroffenen Organs beeinträchtigt wird, was sich für den Betroffenen beispielsweise als Brustenge (Herz) oder Schaufensterkrankheit (Bein) äußern kann. Wenn atherosklerotische Plaques einreißen, entstehen Blutgerinnsel, die das Gefäß vollständig verlegen können, woraus medizinische Notfälle wie Herzinfarkt und Schlaganfall resultieren. Die Atherosklerose ist eine Zivilisationskrankheit und heute die weltweit häufigste Todesursache.
Umgangssprachlich ist oft von Arterienverkalkung die Rede, allerdings kommt es weder zu einer Ablagerung von innen, noch handelt es sich dabei chemisch um Kalk; atherosklerotische Plaques enthalten allerdings oft andere Calciumsalze, die das Gefäß verhärten.
Wie du dir leicht vorstellen kannst beeinflusst der Gefäßzustand von Arterien die Fließgeschwindigkeit des Blutes darin. Die Animation in Abb. 3 veranschaulicht diesen Effekt.
Bei einem gesunden Gefäß herrscht eine sogenannte laminare Strömung. Das Blut fließt während der Kontraktionsphase des Herzmuskels mit einer über den Gefäßquerschnitt nahezu gleichmäßigen Geschwindigkeit, es treten keine Wirbel auf.
Bei einem durch Kalkablagerungen verengten Gefäß ist die Blutgeschwindigkeit in der Kontraktionsphase deutlich erhöht (vgl. hohe Wassergeschwindigkeit bei der Engstelle eines Flusses). Aufgrund der auftretenden Wirbel auf kommen viele verschiedene Fließgeschwindigkeiten vor.
Die beiden nebestehenden Dopplersonogramme zeigen den zeitlichen Verlauf der Frequenzverschiebung bei einer DOPPLER-Sonographie und damit die Fließgeschwindigkeit des Blutes während zweier Herzschläge.
In der Halsschlagader des gesunden Menschen (oberes Dopplersonogramm) treten relativ scharfe Spitzen der Frequenzverschiebung mit einem Maximalwert von ca. 2 kHz auf. Das untere Dopplersonogramm ist bei einem Patienten mit einer Verengung der Halsschlagader aufgenommen. Diese Verengung erhöht die Gefährdung für einen Schlaganfall erheblich. Die maximale Frequenzverschiebung ist mit ca. 10 kHz ungefähr fünfmal größer als beim gesunden Probanden. Das wesentlich breitere Maximum deutet auf vielfältige Geschwindigkeiten der Blutkörperchen hin, was auf die turbulente Strömung nach der Verengung zurückzuführen ist.
Die obigen Dopplersonogramme können also Aussagen über die Fließgeschwindigkeit des Blutes machen, die genaue Lokalisation einer Engstelle ist jedoch damit nicht möglich.
Mit den sogenannten Duplex-Ultraschallgeräten ist eine gute Lokalisation der Gefäße möglich. Über die Fließgeschwindigkeit des Blutes gibt bei dieser Technik die Farbe der Leuchtpunkte am Bildschirm eine grobe Auskunft (Farbcodierung). In dem folgenden Bild ist eine Engstelle gezeigt. Meist ist der blauen Farbe der Leuchtpunkte eine niedere, der roten Farbe eine hohe Fließgeschwindigkeit zugeordnet.