Doppler à ondes pulsées
Le Doppler à ondes pulsées (PW Doppler) envoie de courtes impulsions d’ultrasons et analyse les ondes sonores réfléchies entre les impulsions. Pour ce faire, il utilise les mêmes cristaux piézoélectriques pour envoyer et analyser les ondes sonores. Les cristaux alternent rapidement entre l’envoi et l’analyse des ultrasons. Les ondes sonores émises peuvent donc être associées aux ondes sonores réfléchies, ce qui permet de déterminer la distance du réflecteur (c’est-à-dire la structure qui réfléchit l’onde sonore).
Le Doppler à ondes pulsées peut analyser les ondes sonores réfléchies à partir d’un endroit spécifique. C’est le principal avantage du Doppler à ondes pulsées, à savoir sa capacité à déterminer l’emplacement des vitesses mesurées. Cependant, le Doppler à ondes pulsées a besoin de temps pour analyser les ondes sonores réfléchies. Cela est dû au fait que les mêmes éléments piézoélectriques sont utilisés pour envoyer et analyser les ondes sonores. Cela réduit la vitesse maximale qui peut être mesurée à l’aide du Doppler à ondes pulsées. En général, les vitesses supérieures à 1,5 m/s ou 1,7 m/s ne peuvent pas être mesurées correctement.
Volume de l’échantillon (SV)
Le principal avantage du Doppler à ondes pulsées est la possibilité de spécifier l’endroit (le long de la ligne Doppler) où mesurer les vitesses. Cela est possible parce que le Doppler à ondes pulsées envoie et analyse les ondes sonores de manière séquentielle. L’appareil à ultrasons est programmé pour ignorer tous les signaux, à l’exception de ceux qui sont réfléchis à une certaine profondeur. La profondeur peut être déterminée car la vitesse des ultrasons est constante dans le corps. L’investigateur précise l’endroit où la mesure doit être effectuée en déplaçant le volume de l’échantillon (SV) le long de la ligne Doppler. Le volume de l’échantillon est représenté par deux lignes perpendiculaires à la ligne Doppler (figure 2).
Fréquence de répétition des impulsions (PRF)
Le nombre d’impulsions ultrasonores envoyées par seconde est appelé fréquence de répétition des impulsions (PRF). La PRF est déterminée par la vitesse du son et la distance qu’il doit parcourir. La vitesse du son dans le corps humain étant constante (1540 m/s), la PRF ne dépend que de la distance que les ondes sonores doivent parcourir. Plus la distance est longue, plus les ondes sonores ont besoin de temps pour aller et venir, ce qui se traduit par une fréquence de répétition des impulsions plus faible (moins d’impulsions ultrasonores peuvent être envoyées par seconde).
La fréquence de répétition des impulsions est inversement proportionnelle à la distance que les ondes sonores doivent parcourir. La visualisation de structures éloignées se traduit par une fréquence de répétition des impulsions plus basse et, par conséquent, par une résolution plus faible. La visualisation de structures proches permet d’utiliser une fréquence de répétition des impulsions plus élevée, ce qui se traduit par une meilleure résolution.
La PRF doit être élevée afin d’évaluer la vitesse et la direction du flux sanguin, sinon les calculs seront incertains. Cela s’explique par le fait que chaque impulsion ultrasonore génère un instantané du flux sanguin. Plus le nombre d’instantanés par unité de temps est élevé, plus la description du flux sanguin est précise. La figure 3 illustre ce phénomène en montrant une horloge observée 5, 3 et 2 fois au cours d’un cycle. Comme le montre la figure 3A, il est possible de déterminer avec certitude le sens de rotation avec 5 observations par cycle. Avec 3 observations par cycle, il n’est pas possible de déterminer le sens de rotation. Avec 2 observations par cycle, il semble qu’il n’y ait pas de rotation. Cet exemple illustre l’importance d’une fréquence de répétition des impulsions élevée pour obtenir des évaluations précises du flux sanguin et du mouvement du myocarde.
Théorème de Nyquist et limite de Nyquist
L’importance d’une PRF élevée est expliquée mathématiquement par le théorème de Nyquist (Harry Nyquist), qui démontre qu’une onde doit être échantillonnée (c’est-à-dire enregistrée) au moins deux fois par cycle pour être mesurée de manière fiable. Pour le Doppler à ondes pulsées, cela implique que la PRF doit être au moins égale à deux fois le décalage Doppler. Rappelons que le décalage Doppler est directement lié à la vitesse du flux sanguin ; plus la vitesse est grande, plus le décalage Doppler est important. Ainsi, la vitesse maximale pouvant être déterminée est la moitié de la PRF et cette limite est appelée limite de Nyquist.
La vitesse maximale qui peut être déterminée a un décalage Doppler qui est égal à la moitié de la PRF. Par conséquent, la PRF doit être au moins égale à deux fois le décalage Doppler.
Phénomène d’aliasing
Le phénomène d’aliasing se produit si la vitesse du flux sanguin dépasse la limite de Nyquist. Cela signifie que l’appareil à ultrasons ne peut pas déterminer la vitesse et la direction du flux. Sur l’image échographique, les vitesses dépassant la limite de Nyquist sont présentées du côté opposé à la ligne de base. Les vitesses positives (c’est-à-dire les vitesses normalement représentées au-dessus de la ligne de base) dépassant la limite de Nyquist seront représentées comme des vitesses négatives et vice versa (Figure 4 et Figure 5).
Comme mentionné ci-dessus, la PRF dépend de la profondeur étudiée. La profondeur est déterminée en déplaçant le volume de l’échantillon le long de la ligne Doppler. Plus les structures étudiées sont profondes, plus la PRF est faible et, par conséquent, plus les vitesses maximales pouvant être mesurées correctement sont faibles, et vice versa.
Vitesse d’aliasing
Il est facile de calculer la vitesse maximale qui peut être mesurée à l’aide du Doppler à ondes pulsées. L’aliasing se produit lorsque la vitesse dépasse cette vitesse maximale (qui est donc appelée vitesse d’aliasing).
Par exemple, à une profondeur de 15 cm, en utilisant des ondes ultrasonores d’une fréquence de 3 MHz, l’équation suivante calcule le temps écoulé pour que les ondes sonores se déplacent d’avant en arrière :
«
(0,15 0,15)/1540 = 0,0001948 secondes
Où 0,15 est la distance aller en m ; 1540 est la vitesse du son (m/s) dans le corps humain
La fréquence de répétition des impulsions (PRF) est calculée comme le nombre d’ondes sonores pouvant être transmises et réfléchies par seconde :
PRF = 1/0,0001948 = 5133 ondes sonores par seconde = 5133 Hz
La limite de Nyquist (le décalage Doppler maximal pouvant être détecté) est égale à la moitié de la PRF :
5133/2=2566 Hz
Pour calculer à quelle vitesse d’écoulement cela correspond, nous utilisons l’équation de Doppler :
v = (c-(fr-fe)) / (2-fe-cosϴ)
Nous supposons que la mesure est effectuée sans erreur d’angle, de sorte que cos θ peut être ignoré. fe est la fréquence des ondes sonores émises et fr est la fréquence des ondes sonores réfléchies. fr-fe est égal au décalage Doppler. c est la vitesse du son (m/s) dans le corps humain. Le calcul est le suivant :
v = (1540 – 2566) / (2 – 3000000) = 0,66 m/s
La vitesse maximale mesurable est de 0,66 m/s. Si nous augmentons la fréquence des ondes sonores émises à 5 MHz, la vitesse maximale qui peut être mesurée devient :
v = (1540- 2566) / (2 -5000000) = 0,40 m/s
Il s’ensuit que l’on peut réduire la fréquence des ondes sonores émises pour augmenter la vitesse de repliement ; le repliement se produit alors à des vitesses plus élevées. Il est également possible d’ajuster (en abaissant ou en élevant) la ligne de base de l’image ultrasonore pour réduire le repliement, ce qui permet d’ajuster la PRF.
L’aliasing peut être corrigé en réduisant la fréquence des ultrasons ou en augmentant la PRF.
Doppler à gamme étendue (Doppler à PRF élevé)
Le Doppler à ondes pulsées analyse les réflexions d’un endroit spécifique (c’est-à-dire le volume de l’échantillon) le long de la ligne Doppler. La vitesse maximale qui peut être calculée est déterminée par la fréquence de répétition des impulsions (PRF), qui dépend de la distance entre le volume de l’échantillon et le transducteur. L’utilisation de plusieurs volumes d’échantillons permet d’augmenter la fréquence de répétition des impulsions (les impulsions provenant de différents volumes d’échantillons sont additionnées) et donc d’augmenter la vitesse de repliement. On parle alors de Doppler à PRF élevée ou de Doppler à gamme étendue. L’avantage du Doppler à PRF élevée est qu’il permet de mesurer des vitesses plus importantes. Malheureusement, l’utilisation d’un Doppler à PRF élevée rend difficile la détermination de l’emplacement des vitesses enregistrées. Pour pallier ce problème, les volumes d’échantillons sont généralement placés dans des zones connues pour avoir de faibles vitesses d’écoulement, ce qui permet de déterminer l’emplacement des vitesses plus élevées. L’utilisation de plusieurs volumes d’échantillons est illustrée dans la figure 6.
