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Leonardo Meomartino » 13.Ultrasuoni ed ecografia: Principi di eco-Doppler


Effetto Doppler

L’effetto Doppler (dal nome del fisico e matematico austriaco Christian Doppler che per primo lo ha descritto) è un fenomeno fisico in cui la frequenza del suono di una sorgente (f0) sembra aumentare mentre si avvicina ad un ascoltatore (fD+) o, al contrario, sembra ridursi se se ne allontana (fD-).
Il cambiamento apparente di frequenza viene detto Doppler shift (spostamento, differenza Doppler).
Questo fenomeno è descritto anche per le radiazioni elettromagnetiche.

Rappresentazione schematica dell’effetto Doppler

Rappresentazione schematica dell'effetto Doppler

Multipli effetti Doppler (brano tratto da “Autobahn” dei Kraftwerk)

Multipli effetti Doppler (brano tratto da "Autobahn" dei Kraftwerk)


Effetto Doppler in ecografia

In ecografia l’effetto Doppler viene sfruttato per rivelare i flussi ematici. Nel sangue, i globuli rossi rappresentano le interfacce sulle quali si generano gli echi la cui frequenza sembrerà aumentare, nel caso di flussi in avvicinamento alla sonda (Doppler positivo – fD+), o sembrerà ridursi, nel caso opposto (Doppler negativo – fD-) rispetto alla frequenza degli ultrasuoni emessi dalla sonda (f0).
Rispetto alla visualizzazione B-mode, l’ecografia Doppler presenta una fondamentale differenza: in B-mode, come abbiamo visto nelle precedenti lezioni, le immagini migliori vengono ottenute quando la sonda è perpendicolare alla struttura in esame; nell’ecografia Doppler, le migliori informazioni sui flussi ematici vengono ottenute quando l’angolo tra la sonda e la struttura sanguigna in esame è pari o prossimo a 0°.

Rappresentazione schematica dell’effetto Doppler sui vasi sanguigni

Rappresentazione schematica dell'effetto Doppler sui vasi sanguigni


Effetto Doppler in ecografia (segue)

La rivelazione di un flusso permette di differenziare i vasi sanguigni dalle strutture tubulari non vascolari (dotti biliari, diverticoli renali, ureteri, ecc.).
In alcuni casi, tuttavia, il Doppler può essere utilizzato anche per riconoscere flussi non ematici come nel caso del flusso ureterale in vescica (jet ureterale).

Jet ureterale visualizzato con il Color Doppler

Jet ureterale visualizzato con il Color Doppler


Doppler shift

La variazione (shift) della frequenza nell’effetto Doppler dipende dalla velocità del flusso (maggiore è la velocità, maggiore lo shift) secondo la formula:

fD= 2 * f0 * V * cosΘ/c

dove
fD= frequenza con Doppler shift;
f0= frequenza emessa dalla sonda;
V= velocità degli eritrociti;
cosΘ= coseno dell’angolo tra direzione del flusso e direzione degli ultrasuoni;
c= velocità di propagazione degli ultrasuoni nel sangue (1560/ms).

La formula dell’effetto Doppler

La formula dell'effetto Doppler


Calcolo della velocità del flusso

Sviluppando la precedente formula, è possibile calcolare la velocità del flusso:

V = fd * c /2 f0 * cosΘ

La velocità del flusso ematico è un importante parametro fisiologico.
Dalla formula è intuitivo rilevare che se l’angolo _ è pari a 0° (se cioè la direzione degli ultrasuoni è parallelo al flusso) il coseno sarà 1 e, quindi, la velocità calcolata sarà fedele alla reale. Mano a mano che l’angolo aumenta, si riduce la stima della velocità, ad esempio con un angolo pari a 60° la velocità stimata è pari al 50% del reale; al di sopra di 60° la riduzione della stima è tale che non può essere compensata da correzioni matematiche e, perciò, sarà impossibile fare una stima esatta della velocità del flusso ematico.

La velocità stimata si riduce con l’aumentare dell’angolo Θ

La velocità stimata si riduce con l'aumentare dell'angolo Θ

In un vaso sanguigno, la parte perpendicolare alla sonda risulta senza flusso

In un vaso sanguigno, la parte perpendicolare alla sonda risulta senza flusso


Tipi di flusso

Il flusso ideale di un fluido in una struttura tubulare, quale un vaso sanguigno, è di tipo laminare, cioè con velocità che sono progressivamente maggiori mano a mano che ci si porta verso il centro del lume del vaso. Questo tipo di flusso comporterà dei fronti di avanzamento dei globuli rossi “a cupola”, positivi o negativi.
Nel caso di stenosi o variazioni improvvise del calibro del vaso, si determinano delle turbolenze che appariranno come delle cupole o dei picchi sia positivi (moto verso la sonda) che negativi (moto che si allontana dalla sonda).

Tipi di flusso sanguigno e relativo spettro Doppler

Tipi di flusso sanguigno e relativo spettro Doppler


Suono dell’Effetto Doppler

Le frequenze dello shift Doppler rientrano nell’ambito dello spettro dell’udibile (tra 20 e 20000 Hz) e, quindi, possono essere ascoltate e valutate anche con l’udito oltre che con la vista, sul monitor.

Color Doppler e Doppler Pulsato della carotide comune

Color Doppler e Doppler Pulsato della carotide comune


Tipi di visualizzazione Doppler

L’effetto Doppler può essere visualizzato con diverse modalità. Queste sono:

  • Doppler Pulsato (Pulsed Wave – PW);
  • Doppler Continuo (Continuous Wave – CW);
  • Color Doppler (CD);
  • Power Doppler (PD).

Spettro Doppler

Il Doppler Pulsato (PW) e quello continuo (CW) vengono visualizzati su un piano cartesiano, come dei grafici (Spettro Doppler).
L’asse delle ordinate rappresenta la velocità (m/sec o cm/sec) mentre l’asse delle ascisse rappresenta il tempo.

Es. di spettro del Doppler Pulsato

Es. di spettro del Doppler Pulsato

Es. di spettro del Doppler Continuo

Es. di spettro del Doppler Continuo


Doppler Pulsato (PW)

Nel Doppler Pulsato, i cristalli della sonda funzionano sia da trasmettitori dell’ultrasuono, con una determinata quantità di cicli al secondo (Frequenza di Ripetizione dell’impulso – PRF) che da ricevitori degli echi generati dai globuli rossi. La frequenza degli impulsi è determinante nel potere di risoluzione della velocità massima rilevabile del flusso: maggiore è il PRF maggiore sarà la velocità calcolabile. Esiste, comunque, una velocità massima misurabile oltre la quale il Doppler Pulsato non è in grado di andare (frequenza o numero di Nyquist). Questa velocità massima corrisponde all’incirca alla massima velocità del sangue in condizioni fisiologiche (circa 2 m/s).
Lo svantaggio del PW è che non può rilevare in maniera affidabile la velocità del sangue nelle patologie valvolari o nelle stenosi arteriose, dove i picchi di velocità possono superare il suo limite di misurazione.
Tuttavia, il vantaggio del PW risiede nel fatto che esso permette di discriminare la profondità del flusso e, quindi, di determinare con precisione la sede del disturbo di flusso.

Schema di funzionamento del Doppler Pulsato

Schema di funzionamento del Doppler Pulsato


Doppler Continuo (CW)

Il Doppler Continuo (CW) utilizza delle sonde specifiche le quali trasmettono e ricevono contemporaneamente e continuamente gli ultrasuoni e gli echi perché presentano dei cristalli deputati solo alla produzione e dei cristalli deputati solo alla ricezione.
Il principale vantaggio rispetto al PW è dato dalla capacità di misurare velocità molto elevate, non presentando il problema del tempo che intercorre tra un impulso e la sua ricezione.
Gli svantaggi, invece, sono dati principalmente dal fatto che non è in grado di discriminare la profondità dell’eventuale disturbo di flusso perché il campionamento viene fatto in parallelo, lungo tutto il fascio, a differenza del Doppler Pulsato (PW) che invece è focalizzato in un solo volume campione.

Schema di funzionamento del Doppler Continuo

Schema di funzionamento del Doppler Continuo


Color Doppler (CD)

Il Color Doppler è un’evoluzione del Doppler Pulsato. In effetti, mentre nel PW lo spettro rappresenta il fronte di avanzamento dei globuli rossi, con i suoi picchi e le sue depressioni, nel CD il flusso viene rappresentato con la media delle velocità.
Il flusso sanguigno, perciò, viene visualizzato come una mappa di colore sovrapposta all’immagine in B-mode. Il colore è codificato, di solito, in maniera tale che il rosso è assegnato al flusso diretto verso la sonda, mentre l’azzurro è assegnato a quello che se ne allontana.
Il principale vantaggio di questa modalità di visualizzazione dell’effetto Doppler risiede nella sua semplicità ed intuitività di interpretazione. Tuttavia, questa modalità non è in grado di dare informazioni quantitative ma solo qualitative sul flusso: un rosso molto intenso o un blu molto intenso significheranno flussi molto veloci in avvicinamento o in allontanamento; la presenza di un mosaico di colori in un vaso, testimonieranno un flusso di tipo turbolento. La modalità CD viene comunemente utilizzata per individuare i vasi per poi posizionare su di essi il “gate” per campionare il flusso con lo spettro PW (modalità di visualizzazione Triplex: B-mode + Color Doppler + Doppler Pulsato).

Codici dei colori: flusso in avvicinamento “rosso”; in allontanamento “blu”

Codici dei colori: flusso in avvicinamento "rosso"; in allontanamento "blu"


Color Doppler (CD) (segue)

Una variante del Color Doppler è il Power Doppler. Questa modalità di visualizzazione Doppler permette di evidenziare flussi anche piuttosto lenti, perché considera solo l’integrale dell’energia posseduta dall’eco. In questo modo è possibile visualizzare come una mappa di colori l’intensità del segnale Doppler (come nel caso del Color Doppler) però a prescindere dalla direzione in cui lo spostamento avviene.
Di solito, si assegna una scala di colore che va dal giallo al rosso magenta. Questa modalità è utile per visualizzare circoli sanguigni periferici con velocità ridotte in cui, appunto, più che la velocità, è importante evidenziare o meno la presenza di vasi (caratterizzazione di masse tumorali, distinzione tra lesioni strutturate o coaguli, ecc.).

Sertolioma cane: Color e Power Doppler

Sertolioma cane: Color e Power Doppler


Nella prossima lezione

Ci occuperemo degli artefatti ecografici.

“Eco e Narciso”, John William Waterhouse, 1903

"Eco e Narciso", John William Waterhouse, 1903


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