Doppler-Messverfahren

Bisher nur Bestimmung der Strömungsrichtung und der mittleren Geschwindigkeit.

Physikalische Grundlagen

Durch Dopplerverfahren auch Analyse des Strömungsprofile möglich (PW).
Wichtig: Bei akustischem Dopplerverfahren ist die Bewegung des Senders und des Empfängers relativ zum Medium zu berücksichtigen. Folgende Zusammenhänge existieren:

Tabelle 5.1: Dopplerbedingte Frequenzverschiebungen bei unterschiedlichen relativen Bewegungen

Sender	Empfänger	Zusammenhang
steht	steht	$f_E = f_S$
steht	mit $v_E$ auf Sender zu	$f_E = f_S\left( 1+\frac{v_E}{c}\right)$
steht	mit $v_E$ vom Sender weg	$f_E = f_S \left( 1 - \frac{v_E}{c} \right)$
mit $v_S$ auf Empfänger zu	steht	$f_E = \frac{f_S}{\left( 1 - \frac{v_S}{c} \right)}$
mit $v_S$ von Empfänger weg	steht	$f_E = \frac{f_S}{\left( 1 + \frac{v_S}{c} \right)}$

Abbildung 5.9: Blutflussmessung mit Ultraschall nach dem Dopplerprinzip

Hierbei kann Geschwindigkeit des Blutes mit $v_b cos\alpha$ beschrieben werden. Wenn $v_b \ll c$ gilt:

$$\Delta f = 2 f_{S1} \left(\frac{v_b}{c}\right)cos\alpha$$ (5.6)

$\alpha$ lässt sich in der klinischen Anwendung nicht bestimmen.

Abbildung: Prinzipieller Aufbau einer Stereo-Messonde zur Messung des Einstrahlwinkels $\alpha$. Sie besteht aus einem US-Sender und zwei Empfängern, die jeweils um einen bekannten Einstrahlwinkel $\beta$ zum Sender geneigt sind.

Hierfür werden zwei US-Empfänger und ein US-Sender eingesetzt. Wichtig: Symmetrieachse des Sensors muss senkrecht zur Strömungsrichtung sein, sonst kann $\alpha$ nicht korrekt ermittelt werden. Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit mittels Doppler-Verfahren eignen sich CW (damit kann man in Echtzeit messen!) und PW (mit Tiefenauflösung für Strömungsprofilanalyse)

CW-Doppler-Verfahren

Abbildung: Blockschaltbild eines CW-Doppler-Flussmessgerätes

Werden Gleichanteil sowie Frequenzanteile bei $f_S$ herausgefiltert, so ist das Ausgangssignal proportional zum Cosinus der gesuchten Frequenzverschiebung bzw. zu $v_b$. (Da es sich um viele Blutkörperchen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten handelt, wird ein Frequenzspektrum gemessen).

PW-Doppler-Verfahren

Abbildung: Schematischer Aufbau eines PW-Dopplergerätes

Ortsauflösung lässt sich durch zusätzliche Messung der Laufzeit erreichen. Tor1 lässt kurze Wellenpakete der Länge $T_{\text{Puls}}$ zum Sender durch. Die Wiederholzeit ist so gewählt, dass sich keine Echos im Empfänger überschneiden. Mit Tor 2 wird aus Echosignal bestimmte Abschnitte herausgeschnitten und wie beim CW-Verfahren analysiert. Aus $\Delta T$ zwischen Tor 1 und Tor 2 wird die Tiefe bestimmt, aus der das Echosignal stammt. Bei Wahl der übrigen Zeiten (Impulsdauer $T_{\text{Puls}}$, Pulswiederholzeit zwischen zwei Pulsen T) muss der Zusammenhang zwischen Eindringtiefe und Strömungsgeschwindigkeit berücksichtigt werden. Dabei ist das Abtasttheorem wichtig. Es bestimmt die obere Grenze von T. Ausserdem ist T nach unten durch die Laufzeit begrenzt.

$$T_{\text{min}} = \frac{2\cdot d}{c}$$

Wenn man T so wählt, dass obere und untere Grenze zusammenfallen erzielt man optimale Ergebnisse. Es ergebt sich folgender Zusammenhang:

$$v_{\text{max}}cos\alpha = \frac{1}{8} \frac{c^2}{f_S \cdot d}$$ (5.7)

Nachteil ist, dass bei einfachen Mischung von Sende- und Empfangssignal die Richtungsinformation verloren geht. (da cos-Anteil um 0 symmetrisch ist). Dies lässt sich durch das Verwenden eines Quadratur-Phasendetektors vermeiden. (Empfängersignal wird um 90°verschoben, so dass das Mischen auf einen Sinus-Term führt, der vom Vorzeichen von $\Delta f$ abhängt.

Farbdoppler-Verfahren

Hier wird das Strömungsprofil in einem Blutgefäß gemessen, welches Aussagen über Herzklappen- und Gefäßveränderungen beinhaltet. Prinzipiell auch mit dem PW-Verfahren möglich (durch ``Schritt-für-Schritt-Abtastung''), jedoch nicht exakt, daStrömung sich während Messung des Strömungsprofils ändert. Beim Farb-Doppler-Verfahren entstehen nach dem Mischen ein Realteil und ein Imaginärteil (durch Einsetzen von Quadratur-Phasendetektor). Der Einstrahlwinkel, um den sich der Zeiger (re + im) während einer Pulswiederholzeit $\Delta T$ dreht, ist proportional zum gesuchten Mittelwert des Blutflusses. Wenn man an mehreren Orten nun misst, kann über bildgebende Verfahren die Strömungsgeschwindigkeit farbcodiert dargestellt werden.