Corso di formazione in
ecocolordoppler in medicina interna
Dott. Agostino Rossiello
Medico di Famiglia
UTILIZZAZIONE DEL
DOPPLER IN MEDICINA
PRINCIPI FISICI
L’effetto Doppler, si basa sul principio che ogni forma di energia
vibratoria (suono, luce ecc) generata o riflessa da un corpo in
movimento, subisce una variazione di frequenza rispetto a quella che
avrebbe se il corpo fosse immobile.
Ad esempio se un emettitore ed un ricevitore sono ad una distanza
fissa tra loro si osserverà che il numero di impulsi trasmessi in un
intervallo di tempo, ad esempio 10”, è uguale a quelli ricevuti,
mentre se il ricevitore fosse in movimento verso il trasmettitore nello
stesso intervallo di tempo capterebbe oltre ai segnali emessi nei 10”
quelli in avvicinamento, ricevendo quindi più impulsi di un
ricevitore fisso, all’opposto un ricevitore in allontanamento non
percepirebbe tutti i segnali emessi in 10” ma meno.
Effetto Doppler
Onda incidente (fo)
Oggetto in
movimento
Onda riflessa (f1)
(f 1 >fo)
(f 1 <fo)
L’effetto Doppler si basa sul principio per cui un’onda riflessa da un oggetto in
movimento subisce una variazione di frequenza proporzionale alla velocità
dell’oggetto stesso. In particolare la frequenza riflessa sarà maggiore o minore della
frequenza dell’onda incidente a secondo che l’oggetto si avvicini o si allontani. Tale
differenza di frequenza (positiva o negativa) è detta frequenza Doppler.
Nella nostra pratica un fascio di ultrasuoni prodotto da un
cristallo piezoelettrico, eccitato da un impulso elettrico,
inviato verso un vaso, nel cui lume scorrono delle particelle
(principalmente le emazie), ad una data velocità,
determinerà un’eco di ritorno a frequenza differente da
quella dell’ultrasuono inviato. Tale differenza di frequenza
(F) è proporzionale alla velocità del flusso, e, dal suo
calcolo è possibile ottenere la misurazione della velocità
stessa.
Il F dipende tra l’altro dall’angolo che si viene a formare
tra il fascio di ultrasuoni e l’asse vascolare. La maggior
differenza di frequenza si osserva quando quest’angolo è
prossimo ai 0°, mentre si annulla intorno ai 90°.
La variazione di frequenza o frequenza doppler si ottiene dalla
formula FD =2VF (cos)/C, ove V è la velocità del sangue in
movimento, F è la frequenza del fascio incidente,  è l’angolo tra il
fascio di ultrasuoni e la direzione in cui scorre il sangue, C è la
velocità degli ultrasuoni nel mezzo biologici (1540 m/sec).
Gli ultrasuoni utilizzati nel nostro campo sono prodotti dalla
stimolazione di cristalli piezoelettrici; gli stessi cristalli ricevono gli
ultrasuoni riflessi, determinando una variazione di potenziale.
In diagnostica vascolare gli ultrasuoni utilizzati variano tra 2 e 10
Mhz, e sono innocui per i tessuti biologici; attualmente vi sono
emettitori a frequenze più elevate (11, 14, 20MHz). L’assorbimento
degli ultrasuoni da parte dei tessuti è direttamente proporzionale
alla frequenza di emissione, pertanto più elevata è quest’ultima tanto
più bassa è la sua penetrazione.
Frequenza Doppler
f sorgente
2. fo .V. cos a
fD=
c
Angolo
Doppler
c = velocità
velocitàˆdell’onda
dell'ondaUS
US
nei tessuti (1540 m/s)
a
V
cos 0 = 1; cos 90 = 0
La frequenza Doppler può essere calcolata conoscendo la frequenza del fascio
incidente, la velocità dell’oggetto in movimento (cioè i globuli rossi) e il coseno dell’angolo
fra fascio incidente e direzione del movimento del globuli rossi. Poiché il coseno di un
angolo di 0° è pari a 1 e il coseno di un angolo di 90° è pari a 0, a parità di velocità del flusso
la frequenza Doppler sarà tanto maggiore quanto più l’angolo è stretto.
Le apparecchiature doppler possono avere un emettitore ed un
ricevitore separati che lavorano senza interruzioni, ed in questo caso
si parla di “doppler ad onda continua”, oppure possono utilizzare lo
stesso cristallo (o gli stessi cristalli) alternativamente per emettere e
ricevere l’impulso; in tal caso si parla di “doppler pulsato”, su cui si
basano le metodiche doppler utilizzate nei moderni ecografi.
Per poter campionare adeguatamente un flusso la frequenza delle
onde ultrasonore emesse (cioè il numero di cicli al secondo, detta
PRF ovvero Pulse Repetition Frequency, variabile a seconda delle
sonde, es. in apparecchi tra 0.5 e 10 KHz) deve essere almeno il
doppio della frequenza del segnale doppler, altrimenti si determina
un disturbo nella rappresentazione del segnale definito come
“aliasing”. Tale fenomeno è rilevato quando il picco sistolico dello
spettro di frequenza Doppler viene rappresentato dalla parte
sbagliata della linea base dello spettro; quest’artefatto può essere
ovviato aumentando la PRF, ed eventualmente aumentando l’angolo
, cosicché diminuisce il valore del coseno e, di conseguenza la
frequenza Doppler.
All’interno di un vaso sanguigno milioni di eritrociti viaggiano a
velocità lievemente diverse a seconda della posizione endovasale da
cui viene riflessa una frequenza Doppler, costituita da uno spettro di
frequenze. Tale spettro di frequenze può essere rappresentato
attraverso diversi sistemi, di questi il più utilizzato è quello che
sfrutta l’analisi spettrale attraverso la trasformata di Fourier (FFT).
Questo sistema determina la rappresentazione in tempo reale della
curva delle frequenze con un’analisi dettagliata della velocità delle
diverse componenti di flusso. Il profilo esterno della curva indica le
frequenze più elevate, corrispondenti alle velocità massime, mentre
lo spettro sottostante, rappresentato mediante scala di grigi,indica la
distribuzione delle frequenze in ragione delle diverse velocità degli
eritrociti che attraversano il volume campione in quel momento.
L’area vuota dello spettro corrisponde alla “finestra” e la sua
ampiezza è in relazione all’omogeneità del flusso (tanto più
omogeneo è il flusso tanto più stretto sarà il range di frequenze
doppler e la sua rappresentazione grafica). La curva di
rappresentazione del flusso potrà apparire positiva o negativa,
rispetto alla linea di base (flusso a velocità 0) secondo che la
direzione dello stesso sia in avvicinamento od in allontanamento
rispetto alla sonda.
FLUIDODINAMICA
Flusso
laminare
Flusso
disturbato
Flusso
turbolento
Velocità di flusso
velocità
velocitàˆdidiflusso
flusso
A velocità relativamente basse il sangue si muove mediante lo scorrimento di
lamine concentriche (flusso laminare). Aumentando la velocità il flusso diviene via via
più disturbato e infine turbolento.
L’aspetto delle frequenze doppler si modifica in base alle differenti
velocità delle emazie che compongono il flusso del vaso in esame,
pertanto è influenzato sia dal calibro del vaso sia dal suo decorso e
dalla velocità e viscosità del sangue. Possiamo comunque
distinguere due aspetti principali per quanto riguarda il flusso
arterioso:
1)
arterie di tipo “muscolare” caratterizzate da alte resistenze
(a riposo) e che presentano un picco sistolico elevato con una
stretta finestra acustica mentre la componente diastolica è assente,
tale curva è spesso seguita da una componente breve a direzione
invertita (onda reverse) determinata dalla risposta elastica del
vaso e, almeno nelle arterie più giovani ed elastiche da una terza
componente avente la stessa direzione della prima curva;
2) arterie a bassa resistenza che irrorano principalmente organi
parenchimatosi nobili, che richiedono un flusso continuo, in cui la
componente sistolica è ridotta rispetto alle arterie muscolari,
essendo più bassa ed allargata, ed è presente un flusso in fase
diastolica, ridotto ma ininterrotto.
Tali aspetti sono suscettibili di modificazioni nello stesso vaso in base
a situazioni fisiologiche: le arterie muscolari presentano un flusso
più vicino alle arterie viscerali durante e subito dopo l’attività fisica,
mentre alcune arterie viscerali (come le mesenteriche) che
presentano resistenze elevate, somigliando ad arterie muscolari,
durante il digiuno, durante la digestione presentano flusso di tipo
parenchimale.
Flussi arteriosi con diversa
componente diastolica.
A
A ) flusso con componente
diastolica assente, indicativo di
alte impedenze (arteria
femorale);
B ) flusso con componente
diastolica media (arteria
mesenterica superiore);
B
C ) flusso con componente
diastolica elevata (arteria
epatica).
C
Il flusso venoso invece è rappresentato per lo più da uno spettro
continuo, ma viene modulato dalle variazioni di pressione toraciche
ed è influenzato, specie a livello delle vene cave, dalla funzione
cardiaca; può inoltre essere influenzato da fattori fisiologici o
patologici esterni (temperatura, flogosi ecc) che possono modificarne
l’aspetto, come vedremo in seguito.
Diversi esempi di profilo di flusso.
A
A ) flusso venoso piatto con spettro
allargato, in cui la velocità media e la
velocità massima divergono fra di
loro, tipico dei vasi venosi splancnici
(vena porta);
B ) flusso arterioso con spettro
allargato, tipico delle arterie di
piccolo calibro (arteria splenica);
B
C ) flusso venoso fasico con profilo
ristretto, in cui la velocità media e
massima tendono a coincidere (vena
epatica).
C
Color Doppler e analisi spettrale in una vena sovraepatica.
La traccia è trifasica, in rapporto alle variazioni della velocità di flusso
durante un singolo ciclo cardiaco.
Un sistema di rappresentazione di tali caratteri del flusso è la
cosiddetta analisi spettrale , che analizza i flussi compresi in un
“volume campione” e li riproduce in maniera più dettagliata rispetto
al CW, come un insieme di punti che descrivono una curva, le cui
caratteristiche definiscono il flusso del volume campione in maniera
più precisa.
Un’evoluzione di tale metodica, o meglio un’integrazione, e stata
data dallo sviluppo del Color Doppler e del Power Doppler . Tali
metodiche consentono una semplificazione dell’indagine doppler
perché permettono un’immediata rappresentazione del flusso dei
vasi contenuti in un box definito dell’immagine in B mode (il box
non è altro che uno stratagemma di riduzione del campo in esame,
che più è limitato più è fedele nella rappresentazione).
Nelle arterie il flusso presenta un profilo variabile e complesso: durante la sistole
la velocità aumenta e il flusso assume un profilo piatto, mentre durante la diastole rallenta
assumendo un profilo parabolico. Nell’immagine eco-color-Doppler si visualizza il flusso in
sistole con velocità elevate (in blu e arancio) al centro del vaso e velocità nettamente
ridotte alla periferia (corrispondenti alla sottile linea rossa in prossimità delle pareti).
Finestra
Vel
Dispersione
spettro
avvicinamento
+
Linea zero
allontanamento
L’analisi spettrale fornisce una rappresentazione dettagliata delle velocità
delle componenti del flusso. La posizione della traccia al disopra o al disotto della
linea zero ci indica la direzione del flusso in avvicinamento o in allontanamento. Il
profilo superiore indica le velocità massime mentre lo spettro sottostante indica la
distribuzione delle frequenze in rapporto alle diverse velocità dei globuli rossi.
Il CD (Color Doppler) si basa sulla tecnica di autocorrelazione
flusso, cioè analizza il treno di ultrasuoni riflesso in un determinato
momento rispetto a quello immediatamente precedente e successivo
tramite moltiplicazioni tra di loro; pertanto se tali treni di impulsi
provengono da strutture immobili saranno uguali tra loro e non
saranno rappresentati, se invece provengono da strutture n
movimento i segnali riflessi differiranno e si determinerà una
rappresentazione grafica in colore che avrà aspetto diverso secondo
che sia in avvicinamento o in allontanamento rispetto alla sonda; in
genere il rosso indica avvicinamento e il blu allontanamento. Anche
il CD è soggetto al fenomeno dell’aliasing, che risulta utile dal punto
di vista diagnostico perché consente di evidenziare turbolenze e
accelerazioni di flusso all’interno dei vasi, e si evidenzia con
formazione di colori disomogenei tendenti al bianco o al giallo
secondo le caratteristiche dell’apparecchio in uso.
Il PD (Power Doppler) consiste nell’analisi delle frequenze doppler
in base alla loro intensità, è più sensibile del CD, ma non consente
informazioni sulla direzione del flusso (anche se nuove
apparecchiature presentano evoluzione in tal senso). Il PD è quindi
dipendente dalla velocità del flusso e dal numero delle strutture
riflettenti (emazie) in movimento nel box in esame. Ciò consente di
avere un segnale anche per flussi particolarmente lenti purché da un
numero sufficiente di strutture che determini un segnale doppler
superiore al rumore di fondo (il flusso in angiomi epatici ad esempio
non è visibile). Il PD viene rappresentato da un segnale
monocromatico (variabile) la cui gradazione dipende dall’intensità
del segnale.
Pertanto il CD ed il PD possono evidenziare rapidamente la pervietà
dei vasi, la presenza di turbolenze, la disposizione della rete
vascolare, consentendo quindi di mirare meglio l’esame successivo
con l’analisi spettrale.
Valutazione quantitativa del flusso ematico.
La velocità del flusso di calcola dalla formula V=Fd x C/2F x cos  (V
è la velocità delle emazia in movimento, Fd la frequenza doppler, C
la velocità degli ultrasuoni nel corpo umano (1540 m/sec circa), F la
frequenza del fascio incidente e  l’angolo tra il fascio di ultrasuoni e
la direzione in cui scorre il sangue.
Le apparecchiature doppler sono predisposte a calcolare tali
operazioni in automatiche attraverso la semplice regolazione
dell’angolo d’incidenza, che deve essere diverso da 90°, e
possibilmente inferiore a 60°, compreso tra i 20 e i 60°. Tale
misurazione va effettuata sull’asse lungo del vaso. L’esame del
profilo doppler consente quindi di calcolare le velocità del flusso nei
vari momenti e di ricavare degli indici di valutazione quali l’IR
(indice di resistenza) e l’IP (indice pulsatilità) utilizzati nella
diagnostica dei distretti arteriosi periferici.
Vs
RI =
Vd
V s - Vd
Vs
Vs - Vd
PI =
Vmedia
Gli indici semiquantitativi (indice di resistenza = RI; indice di
pulsatilità = PI ) si calcolano con le formule indicate sulla base della
velocità sistolica (Vs), diastolica (Vd) e media (Vmedia).
A
B
Stenosi di grado lieve (A) e severo (B) determinano modificazioni
diverse delle velocità e del profilo del flusso, che possono essere utilizzate
per quantificare il grado di stenosi stessa.
Una stima accurata della velocità richiede una visualizzazione
per un buon tratto longitudinale del vaso. In questo esempio è
rappresentata la misurazione della velocità nella vena porta.
artefatti
Artefatti qualitativi
da movimento delle pareti vasali
Effetto specchio
Mancato riconoscimento segnale
aliasing
Nei sistemi a Doppler
pulsato, la frequenza di
campionamento, espressa come
PRF (pulse repetition frequency),
influenza la qualità e la
rappresentazione della frequenza
Doppler. In particolare, nel caso di
frequenze Doppler elevate
(corrispondenti a flussi di velocità
elevata), l’impiego di una PRF
relativamente bassa determina un
artefatto definito aliasing per il
quale il segnale Doppler viene
rappresentato in maniera non
idonea nello spettro.
Aumentando la PRF (da 2,5 a 4 e
quindi a 6 kHz nel caso
rappresentato), la traccia Doppler
viene rappresentata
correttamente .
PRF
PRF 2,5
2,5 kHz
kHz
PRF
PRF 44 kHz
kHz
PRF
PRF 66 kHz
kHz
Filtri di parete
Sono dei sistemi che eliminano o riducono
l’interferenza creata dai movimenti delle
pareti sui flussi. Tale interferenza
determina una falsata rappresentazione
perivasale peggiorando la qualità
dell’immagine. Tali filtri hanno lo
svantaggio, tagliando le frequenze più
basse della parete, di tagliare anche i
flussi provenienti da vasi più piccoli