Doppler à ondes pulsées

Doppler à ondes pulsées

Le Doppler à ondes pulsées (PW Doppler), ou Doppler pulsé, repose sur le principe de l’émission de courtes salves (impulsions) d’ultrasons suivie d’une période d’écoute des ondes réfléchies. Contrairement au Doppler continu, il utilise un transducteur unique (ou un groupe de cristaux piézoélectriques) qui alterne rapidement entre les fonctions d’émetteur et de récepteur. Ce cycle émission-réception permet de discriminer le signal en fonction du temps de vol de l’onde ultrasonore.

La caractéristique fondamentale du Doppler pulsé est sa résolution spatiale (ou résolution en profondeur). Puisque la vitesse du son dans les tissus mous est constante (environ 1540 m/s), le temps écoulé entre l’émission de l’impulsion et la réception de l’écho permet de calculer précisément la profondeur de la structure réfléchissante (le réflecteur). Cela permet à l’opérateur de sélectionner une zone précise d’analyse, appelée volume d’échantillon.

Cependant, ce mode de fonctionnement impose une limitation physique majeure : l’ambiguïté de vitesse. Le système ayant besoin de temps pour écouter le retour des échos avant d’envoyer l’impulsion suivante, la fréquence de répétition des impulsions (PRF) est limitée par la profondeur. Cela restreint la vitesse maximale mesurable. En pratique clinique, les vélocités supérieures à 1,5 m/s ou 2,0 m/s (selon la profondeur et la fréquence de la sonde) ne peuvent pas être résolues correctement en Doppler pulsé et nécessitent le recours au Doppler continu (CW).

Volume de l’échantillon (SV) et Fenêtrage

L’avantage clinique majeur du Doppler pulsé réside dans la capacité de placer un volume d’échantillon (Sample Volume – SV) à un endroit précis le long de la ligne de tir Doppler. Cette technique est appelée « range gating » ou fenêtrage temporel. L’échographe est programmé pour n’analyser que les signaux reçus durant une fenêtre temporelle spécifique correspondant à la profondeur souhaitée.

L’opérateur positionne le volume d’échantillon (représenté par deux barres parallèles perpendiculaires à la ligne de tir) sur la zone d’intérêt anatomique (figure 2). La taille de ce volume d’échantillon peut être ajustée (généralement entre 1 mm et 10 mm). Un volume d’échantillon petit (2-3 mm) est idéal pour obtenir un spectre spectral net des flux laminaires, tandis qu’un volume plus large peut être utile pour rechercher des flux à faible vélocité mais risque d’inclure des signaux parasites provenant des structures adjacentes.

Analyse spectrale et flux laminaire

Le spectre Doppler résultant du PW affiche la vitesse en fonction du temps. Dans un flux sanguin normal et laminaire (où les globules rouges se déplacent à des vitesses similaires et parallèles), le spectre Doppler pulsé apparaît sous forme d’une enveloppe spectrale fine avec une « fenêtre spectrale » vide au centre (zone noire sous la courbe). Si le volume d’échantillon est placé dans une zone de turbulences ou si la taille du SV est trop grande (englobant des gradients de vitesse différents), on observe un élargissement spectral (remplissage de la fenêtre spectrale), signe d’une dispersion des vitesses.

Fréquence de répétition des impulsions (PRF)

La fréquence de répétition des impulsions (PRF) désigne le nombre de cycles d’émission-réception effectués par seconde. Elle est intrinsèquement liée à la profondeur d’exploration. Pour écouter une structure profonde, le système doit attendre plus longtemps le retour de l’écho, ce qui oblige à réduire la PRF.

La règle fondamentale est la suivante : Profondeur ↑ = PRF ↓. La visualisation de structures éloignées impose une fréquence de répétition des impulsions plus basse, ce qui limite la vitesse maximale détectable avant l’apparition de l’aliasing.

La PRF est cruciale pour l’échantillonnage temporel du signal Doppler. Comme illustré par l’analogie de l’horloge (Figure 3), une fréquence d’échantillonnage insuffisante conduit à une mauvaise interprétation de la direction et de la vitesse du mouvement.

Théorème de Nyquist et limite de Nyquist

Le théorème de Nyquist-Shannon dicte les règles de l’échantillonnage numérique du signal Doppler. Pour reconstruire fidèlement une onde, celle-ci doit être échantillonnée au moins deux fois par cycle. En échocardiographie Doppler, cela signifie que le décalage de fréquence Doppler (Doppler shift) ne doit pas dépasser la moitié de la PRF.

Cette fréquence seuil est appelée limite de Nyquist :

Limite de Nyquist (Hz) = PRF / 2

Si la vitesse du flux sanguin génère un décalage Doppler supérieur à cette limite, le système ne peut plus déterminer correctement la vitesse ni la direction : c’est le phénomène d’aliasing.

Phénomène d’aliasing

L’aliasing (ou repliement spectral) est l’artéfact le plus courant en Doppler pulsé. Lorsque la vitesse réelle du flux dépasse la vitesse de Nyquist, le sommet de la courbe spectrale est « coupé » et réapparaît du côté opposé de la ligne de base (dans la zone des vitesses négatives pour un flux positif, et inversement).

Calcul de la vitesse d’aliasing

Pour mieux comprendre les limites cliniques, prenons un exemple concret de calcul de la vitesse maximale mesurable (V_max) avant aliasing.

Imaginons une exploration à une profondeur de 15 cm (0,15 m) avec une sonde de fréquence 3 MHz (3 000 000 Hz).

1. Temps de vol (aller-retour) :

t = (2 × Profondeur) / c
t = (2 × 0,15) / 1540 = 0,0001948 secondes

2. Calcul de la PRF maximale :

PRF = 1 / t = 1 / 0,0001948 ≈ 5133 Hz

3. Limite de Nyquist (Décalage Doppler Max) :

Nyquist Limit = PRF / 2 = 5133 / 2 ≈ 2566 Hz

4. Conversion en vitesse (V_max) via l’équation Doppler :

V_max = (c × Limite Nyquist) / (2 × f_émission × cos θ)
En supposant cos θ = 1 (alignement parfait) :
V_max = (1540 × 2566) / (2 × 3 000 000) ≈ 0,66 m/s

Dans cet exemple, toute vitesse supérieure à 0,66 m/s provoquera de l’aliasing. Si l’on change de sonde pour une fréquence de 5 MHz, la V_max tombe à 0,40 m/s. Cela illustre pourquoi des sondes de plus basse fréquence sont préférables pour mesurer des vitesses plus élevées en profondeur.

Stratégies pour corriger l’aliasing

Face à un phénomène d’aliasing, l’échocardiographiste dispose de plusieurs techniques pour obtenir une mesure correcte :

• Déplacer la ligne de base (Baseline Shift) : C’est la première étape. Abaisser la ligne de base permet d’allouer plus d’espace spectral aux vitesses positives (ou inversement), doublant potentiellement la vitesse mesurable affichée dans une direction donnée.
• Augmenter l’échelle de vitesse (Scale) : Cela revient à augmenter la PRF jusqu’à son maximum autorisé pour la profondeur donnée.
• Utiliser une fréquence de sonde plus basse : Comme démontré dans le calcul, une fréquence d’émission plus faible génère un décalage Doppler moindre pour une même vitesse, réduisant ainsi le risque d’aliasing.
• Réduire la profondeur d’exploration : En rapprochant la sonde de la cible (si possible), on peut augmenter la PRF.
• Passer en Doppler Continu (CW) : Si les vitesses sont très élevées (ex: sténose aortique), le Doppler pulsé n’est plus adapté et le CW devient indispensable.
• Utiliser le Doppler à PRF élevée (High PRF).

Doppler à gamme étendue (Doppler à PRF élevée)

Le mode « High PRF » (HPRF) est une technique hybride qui permet de contourner la limite de Nyquist du Doppler pulsé standard. Le principe consiste à envoyer une nouvelle impulsion ultrasonore avant même que les échos de la précédente ne soient revenus du volume d’échantillon cible.

Cela permet d’augmenter artificiellement la PRF et donc la limite de Nyquist. Cependant, cela introduit une ambiguïté de distance (range ambiguity). L’appareil reçoit des échos provenant de plusieurs profondeurs simultanément. Sur l’écran, cela se traduit par l’apparition de volumes d’échantillons « fantômes » ou multiples le long de la ligne de tir (Figure 6). Si le flux d’intérêt (haute vélocité) se trouve dans l’un de ces volumes et que les autres volumes tombent dans des zones sans flux ou à flux lent, le spectre Doppler affichera correctement la haute vitesse sans aliasing.

Applications Cliniques du Doppler Pulsé

Contrairement au Doppler continu conçu pour mesurer les pics de vélocité élevés (sténoses, régurgitations pathologiques), le Doppler pulsé est l’outil de choix pour l’analyse précise de l’hémodynamique intracardiaque normale et des flux laminaires. Ses applications principales incluent :

• Fonction Diastolique du Ventricule Gauche : Analyse du flux transmitral (ondes E et A) en plaçant le volume d’échantillon à l’extrémité des feuillets mitraux. Cela permet d’évaluer la relaxation et la compliance ventriculaire.
• Calcul du Débit Cardiaque : Mesure de l’intégrale temps-vitesse (ITV ou VTI) au niveau de la chambre de chasse du ventricule gauche (CCVG). Le flux y est laminaire et le profil de vitesse relativement plat, ce qui est idéal pour le Doppler pulsé.
• Analyse des Veines Pulmonaires : Étude des ondes S, D et A réverse pour affiner l’évaluation des pressions de remplissage du VG.
• Flux des Veines Hépatiques : Utile pour l’évaluation de la fonction ventriculaire droite et des pathologies du péricarde (constriction).
• Régurgitations légères : Localisation précise de l’origine d’un jet de régurgitation valvulaire minime.

Optimisation des Réglages (Knobology)

Pour obtenir un tracé Doppler pulsé de qualité diagnostique, plusieurs paramètres techniques doivent être maîtrisés :

• Gain Doppler : Doit être ajusté pour que l’enveloppe spectrale soit clairement visible sans bruit de fond excessif (« neige »).
• Filtre de Paroi (Wall Filter) : Il élimine les signaux de forte amplitude mais de basse fréquence générés par le mouvement des parois cardiaques et des valves. En Doppler pulsé, ce filtre doit être réglé assez bas (ex: 50-100 Hz) pour ne pas effacer les fins de flux importants (comme la fin de l’onde mitrale ou veineuse pulmonaire).
• Vitesse de Balayage (Sweep Speed) : Pour les mesures temporelles précises (pentes de décélération, temps de relaxation isovolumétrique), une vitesse de balayage élevée (100 mm/s) est recommandée pour étaler le spectre horizontalement.