Effet Doppler et échocardiographie Doppler
L’effet Doppler
Lorsque des ondes sonores frappent des objets, certaines d’entre elles sont renvoyées vers la source sonore. Si le réflecteur (c’est-à-dire l’objet qui réfléchit les ondes sonores) est immobile, les ondes sonores réfléchies auront la même fréquence que les ondes sonores émises par la source sonore. En revanche, si le réflecteur est en mouvement, la fréquence des ondes sonores réfléchies sera différente de celle des ondes sonores émises. Le changement de fréquence est appelé effet Doppler.
L’effet Doppler a été décrit pour la première fois en 1843 par l’astronome autrichien Christian Doppler. Il peut être illustré en étudiant comment la fréquence des ondes sonores réfléchies est modifiée par la direction du mouvement de la source sonore. La figure 1 présente trois trompettes : l’une est placée sur une table et les deux autres sont montées sur des ambulances qui se dirigent vers l’observateur et s’en éloignent. Lorsque la source sonore se rapproche de l’observateur, les ondes sonores sont comprimées, ce qui entraîne un raccourcissement de la longueur d’onde et donc une augmentation de la fréquence. Lorsque la source sonore s’éloigne de l’observateur, les ondes sonores sont étirées, ce qui entraîne une augmentation de la longueur d’onde et une diminution de la fréquence.
Le principe du Doppler est principalement utilisé pour étudier le flux sanguin et le mouvement du myocarde.
La source sonore de l’échocardiographie (c’est-à-dire le transducteur) est fixe. Les objets en mouvement sont les cellules sanguines (principalement les érythrocytes) et les tissus (principalement le myocarde). Le principe Doppler reste cependant inchangé : lorsque la source sonore et les réflecteurs se rapprochent, les ondes sonores sont comprimées et inversement.
Les érythrocytes réfléchissent les ondes ultrasonores. Comme les érythrocytes sont petits, ronds et ont une surface irrégulière, les ondes sonores réfléchies sont dispersées dans toutes les directions (figure 2). Bien que seule une fraction des ondes sonores soit renvoyée vers le transducteur, les milliards d’érythrocytes présents dans le sang génèrent collectivement suffisamment de réflexions pour être détectés et analysés par l’appareil à ultrasons.
Flowing erythrocytes will alter the frequency of reflected sound waves. Erythrocytes flowing towards the transducer will reflect the sound waves with higher frequency. Erythrocytes flowing away from the transducer will reflect sound waves with reduced frequency (Figure 3).
L’effet Doppler se produit lorsque des réflecteurs (structures réfléchissant les ondes sonores) se rapprochent ou s’éloignent du transducteur. Les objets qui se rapprochent du transducteur compriment les ondes sonores et les réfléchissent à une fréquence plus élevée. Les objets qui s’éloignent du transducteur génèrent des réflexions à une fréquence plus basse.
Décalage Doppler
L’effet Doppler est utilisé pour calculer la vitesse et la direction des objets en mouvement. Pour calculer la vitesse du flux sanguin, la différence de fréquence entre les ondes ultrasonores émises et réfléchies est analysée. Cette différence est appelée décalage Doppler. Le décalage Doppler dépend de la vitesse du flux sanguin (v), de la fréquence des ultrasons émis (fu), de la fréquence des ultrasons réfléchis (fr), de la vitesse des ultrasons dans le tissu (c) et du cosinus de l’angle entre la direction du flux sanguin et l’onde ultrasonore réfléchie (cos θ). L’équation Doppler est la suivante :
v = [c·(fr-fu)] / [2·fu·cos ϴ]
Importance de l’angle d’insonation
Les calculs Doppler dépendent fortement de l’angle d’insonation. Il est essentiel que les ondes ultrasonores soient dirigées parallèlement à la direction du flux sanguin ou du mouvement des tissus. Idéalement, il ne devrait y avoir aucun angle (0°) entre le faisceau ultrasonore et la direction du flux sanguin ou du mouvement des tissus.
Lorsque les ondes ultrasonores et la direction du mouvement sont parallèles, l’angle est de 0° et le cosinus 0° est égal à 1. Si l’angle augmente, le cosinus de l’angle sera inférieur à 1, ce qui entraînera une sous-estimation de la vitesse. Ainsi, toutes les erreurs d’angle conduisent à une sous-estimation des vitesses (figure 4).
Dans la pratique clinique, il est souvent difficile d’obtenir un angle idéal. Cependant, les petites erreurs d’angle ne sont pas significatives. Par exemple, le cosinus de 10° est égal à 0,98 et le cosinus de 20° est égal à 0,94. Cela signifie que les petites erreurs d’angle ont un impact négligeable sur les calculs.
L’image 2D est utilisée pour aligner correctement le faisceau ultrasonore dans la direction du mouvement. Toutefois, cela n’est pas toujours évident. Il peut y avoir une divergence entre l’image 2D et le signal Doppler optimal ; la meilleure image 2D peut offrir un angle d’insonation médiocre pour les mesures Doppler et vice versa. Dans de telles situations, il convient de donner la priorité à la qualité du signal Doppler (c’est-à-dire l’amplitude du signal et l’angle d’insonation).
Analyse spectrale Doppler
Flux sanguin laminaire
Le flux sanguin est laminaire dans tout le système circulatoire. Cela signifie que le sang s’écoule en couches concentriques avec des vitesses variables. La vitesse la plus élevée (vmax) se trouve au centre du vaisseau. La vitesse la plus faible (vmin) se trouve le long de la paroi du vaisseau. Il en résulte un profil d’écoulement parabolique, comme le montre la figure 6. L’écoulement laminaire est le plus prononcé dans les vaisseaux sanguins longs et droits, dans des conditions d’écoulement régulier.
L’avantage de l’écoulement laminaire est qu’il préserve l’énergie cinétique. Les couches concentriques et le profil d’écoulement parabolique réduisent les pertes d’énergie en minimisant les interactions visqueuses entre les couches adjacentes et la paroi du récipient. La perturbation de l’écoulement laminaire entraîne des turbulences et une augmentation des pertes d’énergie.
Spectre Doppler
En raison du flux laminaire, les érythrocytes qui traversent n’importe quelle section d’un vaisseau ont des vitesses différentes. En outre, le flux sanguin est pulsatile, atteignant son maximum pendant la systole et son minimum pendant la diastole. Le flux laminaire et la pulsatilité se traduisent par des ondes réfléchies présentant de grandes variations dans les décalages Doppler. Cette variation est appelée spectre Doppler.
Sur l’échocardiographie, le signal Doppler est présenté sous la forme d’une bande ou d’une zone colorée (figure 7). La zone colorée contient toutes les vitesses enregistrées dans une zone sélectionnée au cours d’une phase spécifique du cycle cardiaque. Plus le signal Doppler est fort, plus la courbe spectrale de l’échocardiogramme est dense.
Presentation of the spectral curve
La figure 7 illustre la présentation des signaux Doppler sur l’image échographique. Le type de Doppler illustré à la figure 7 est appelé Doppler à ondes pulsées (voir plus loin). Il est conventionnel que les vitesses(c’ est-à-dire le flux sanguin ou les mouvements du myocarde) en direction du transducteur produisent un signal au-dessus de la ligne de base et que les vitesses s’éloignant du transducteur soient représentées par des signaux inférieurs à la ligne de base. L’axe des x indique le temps et l’axe des y indique la vitesse (m/s). Comme le montre également la figure 7, il est nécessaire de diriger manuellement la ligne Doppler. Pour ce faire, on utilise l’image 2D pour aligner le curseur Doppler.
Le décalage Doppler est audible
Bien que les ultrasons ne soient pas audibles par l’homme, il est possible d’entendre le décalage Doppler. En effet, le décalage Doppler, c’est-à-dire la différence entre les ondes sonores émises et réfléchies, se situe dans la gamme de fréquences audibles par l’homme. Le décalage Doppler est le bruit de balancement émis par les haut-parleurs de l’appareil à ultrasons.
Le chapitre suivant aborde les différents types d’études Doppler.