DOPPLER-Echokardiographie

(auch im padBook mit den Beschreibungen aller Untersuchungen erhältlich)


Prinzip

Bei der DOPPLER-Sonographie werden Ultraschallwellen auf ein Blutgefäß ausgesendet. Diese Schallwellen werden von den Blutkörperchen im Inneren des Blutgefäßes reflektiert. In Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des fließenden Blutes ändert sich die Frequenz der reflektierten Ultraschallwellen. Das Prinzip kennen Sie vom Autorennen: Das Geräusch des Rennwagens, der auf die Tribüne zurast ist ein anderes als das Geräusch des sich entfernenden Wagens (Film 1). Diese Veränderung der Tonhöhe basiert auf dem sog. „DOPPLER-Effekt“ (benannt nach seinem Erfinder Christian Doppler):

Nehmen wir einmal an, Sie hören einen Polizeiwagen, dessen Martinshorn mit einer Frequenz von 1.000 Hertz tutet. Töne stellen Schallwellen dar, die Tonhöhe wird durch die Häufigkeit dieser Schallwellen während 1 Sekunde bestimmt (Abb. 1); links sehen Sie einen hohen Ton mit zahlreichen Schallwellen (= hohe Schallfrequenz = Wellenberge und Wellentäler), rechts dagegen einen niedrigen Ton mit nur wenigen Schallbergen und -tälern (= niedrigere Frequenz = niedriger Ton).

Eine Schallfrequenz von 1.000 Hertz wie in unserem Beispiel bedeutet, daß in jeder Sekunde 1.000 Wellenberge und -täler entstehen oder anders gesagt daß 1/1000stel Sekunde nach dem 1. Wellenberg schon der 2. Wellenberg folgt. Diese Wellenberge werden mit der Luft fortgeleitet und treffen auf unser Ohr, wo sie dann den Ton erzeugen.

Solange der Polizeiwagen steht und wir uns auch nicht bewegen treffen also in jeder Sekunde 1.000 Schallwellen auf unser Ohr und der Abstand zwischen den Wellenbergen (= 1/1000stel Sekunde) ändert sich nicht.

Ganz anders ist die Lage aber, wenn sich der Polizeiwagen schnell auf uns zubewegt. Dadurch verkürzt sich nämlich die Strecke zwischen den einzelnen Wellenbergen um diejenige Strecke, die der Wagen in 1/1000stel Sekunde zurücklegt. Also:

Am Punkt A gibt der Polizeiwagen den 1. Schallwellenberg ab, 1/1000stel Sekunde später den 2. Wellenberg. In dieser 1/1000stel Sekunde hat sich der Wagen aber auf Sie zubewegt und das bedeutet, daß der 2. Wellenberg schon etwas früher bei Ihnen eintrifft. Wenn sich der Abstand zwischen den bei Ihnen eintreffenden Wellenbergen verkürzt bedeutet dies, daß pro Sekunde mehr Wellenberge bei Ihnen eintreffen und häufigere Wellenberge pro Sekunde bedeuten eine höhe Schallfrequenz und damit einen höheren Ton.

Wenn sich der Wagen von Ihnen entfernt gilt dieses Prinzip umgekehrt: Zwischen der Aussendung von 2 Schallwellenbergen hat sich der Wagen um eine gewisse Strecke weiter von Ihnen entfernt und der Schallberg kommt entsprechend verspätet bei Ihnen an. Größere Abstände zwischen den Wellenbergen bedeuten eine geringere Anzahl von Wellenbergen pro Sekunde, was bedeutet, daß weniger Wellenberge pro Sekunde bei Ihnen eintreffen und Sie einen niedrigeren Ton hören.

Bei der Doppler-Echokardiographie macht man sich dieses Prinzip zu Nutze, indem man (Ultra-) Schall mit einer bestimmten Frequenz auf ein Blutgefäß sendet. Innerhalb des Blutgefäßes trifft der Schall auf Blutkörperchen, die die Schallwelle reflektieren und zum Ultraschallgerät zurück senden (so ähnlich, wie dies im Kapitel „Echokardiographie“ beschrieben wurde). Wie dies oben für den Polizeiwagen beschrieben wurde ändert sich die Frequenz des zurück gesendeten Schall in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit der Blutkörperchen und zwar ebenso wie beim Polizeiwagen:

Bewegt sich das Blut schnell auf das Ultraschallsende- und Empfangskopf ist die Frequenz des eintreffenden reflektierten Schalls höher als die Frequenz des ausgesandten Schalls, bewegt sich das Blut vom Schallkopf weg ist die Frequenz niedriger. Das Ultraschallgerät berechnet nun einfach den Unterschied zwischen den Frequenzen der ausgesandten und wieder eintreffenden Schallimpulse und macht diesen Frequenzunterschied hörbar. Dies ist das charakterliche Geräusch, daß man im Laufe einer Doppler-Untersuchung von Blutgefäßen und natürlich auch von den Blutströmungen innerhalb des Herzens hören kann. Gleichzeitig macht das Ultraschallgerät diesen Doppler-Frequenzunterschied auch sichtbar und zeigt ihn auf einem Bildschirm an.

Ultraschallgeräte können nun in 2 unterschiedlichen Betriebsarten arbeiten: Als continous-wave-Doppler (cw-Doppler) und als pulsed-wave-Doppler (pw-Doppler):

Beim cw-Doppler arbeitet der Schallkopf gleichzeitig als Sender und Empfänger, d.h. ein Teil des Schallkopfes sendet kontinuierlich Ultraschallwellen aus und ein anderer Teil des Schallkopfes empfängt ebenso kontinuierlich den reflektierten Schall. Auf diese Weile erhält man die Doppler-Informationen sämtlicher Strukturen, die sich im Schallstrahl des Gerätes befinden. Wenn sich also beispielsweise 2 Blutgefäße kreuzen erhält man das gemischte Doppler-Signal aus beiden Gefäßen. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß man mit Hilfe des cw-Dopplers nur Informationen über Flußrichtungen und die Flußgeschwindigkeiten bekommt, nicht aber Informationen über den Ort, an dem Flußrichtung und Geschwindigkeit gemessen wurden.

Bei pw-Doppler hingegen werden nur kurze Schallimpulse ausgesandt, die dann in den Körper eindringen und von den Blutkörperchen reflektiert werden. Indem man den Empfänger des Schallkopfes nur während bestimmter kurzer Zeiten einschaltet kann man erkennen, aus welcher Tiefe die Doppler-Information stammt, weil man die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls im menschlichen Körper kennt. Also:

Die Leitungsgeschwindigkeit für Ulraschall beträgt in weichen Geweben des Körpers 1.580 m/sec. Für eine Strecke von 20 cm benötigt der Schall also 0.0001256 sec (= 0.1265 milliSekunden) für seine Hinweise und erneut 0.1265 msec für die Rückreise. Wenn man also einen kurzen Schallimpuls aussendet und den Empfänger des Schallkopfes erst 2 x 0.1265 = 0.253 msec später aktiviert wird man nur diejenigen Schallinformationen bekommen, die aus einer Tiefe von 20 cm kommen. Auf diese Weise bekommt man nicht nur Informationen über die Flußrichtung und Flußgeschwindigkeit des Blutes, sondern auch noch Informationen über den Ort der Entstehung dieser Informationen.

Nun werden Sie sagen: Woher soll man denn wissen, in welcher Gewebetiefe welches Blutgefäß oder welche Klappe liegen? Ganz einfach: Man kombiniert beim Doppler-Echo die Doppler-Untersuchung mit einem „normalem“ Echo. In diesem normalen Echo kann man die in der Tiefe liegenden Strukturen (Gefäße, Herzklappen usw.) darstellen. In dieses „normale“ Echobild des Herzens werden dann diejenigen Stellen, an denen Doppler-Informationen gemessen werden sollen eingeblendet. Die Meßpunkte kann der Arzt an jede Stelle des Bildes schieben und somit gezielt an jeder beliebigen Stelle des Bildes seine Dopplermessungen vornehmen. Eine Variation der pw-Doppler-Untersuchung ist die Farbdoppler-Echokardiographie.

Der Vorteil einer solchen pw-Doppler-Messung ist im Gegensatz zum cw-Doppler also die Möglichkeit, auch die Orte zu bestimmen, an denen das Blut mit einer bestimmten Geschwindigkeit und Richtung fließt. Der Nachteil des pw-Dopplers besteht darin, daß man durch das kurze Sende- und Empfangsfenster nur relativ niedrige Blutgeschwindigkeiten messen kann (siehe „Ergebnisse“).

Durchführung

Die Untersuchung wird mit Hilfe des kombinierten Ultraschallsenders und -empfängers („Schallkopf“) durchgeführt, der auch für eine normale Echokardiographie benutzt wird. Die unterschiedliche Verarbeitung der Schallinformationen (Herstellung eines „normalen“ Echobildes, Doppler-Echokardiographie, Farbdoppler) erfolgt mit Hilfe der Elektronik des Ultraschallgerätes.

Ebenso wie bei der „normalen“ Echokardiographie wird der Schallkopf mit Gel bestrichen und dann auf die Haut über verschiedenen Stellen des Herzens aufgesetzt.

Was merkt man

Nichts. Das einzige Unangenehme ist das kühle glitschige Gefühl des Ultraschallgels auf der Haut. Während der Doppler-Untersuchung hört man die charakterlichen Zisch-Geräusche des Blutes. Diese Geräusche sind künstlich und technisch erzeugte (siehe unter „Prinzip“), es handelt sich um keine natürlichen Geräusche.

Was kann passieren

Nichts, die Untersuchung ist völlig ungefährlich (es sei denn, daß die Untersuchungsliege zusammenbricht.

Ergebnisse

Man benutzt Doppler-Untersuchungen am Herzen dazu, um Flußgeschwindigkeiten an verschiedenen Stellen zu messen. In der Regel sind dies erkrankte Herzklappen, man kann aber auch beispielsweise messen, wie schnell Blut durch ein angeborenes Loch in der Trennwand zwischen den Vor- oder Hauptkammern (Vorhof- bzw. Kammerseptumdefekt) fließt.

Flußgeschwindigkeit

Für alle Flußphänomene gilt ein einfaches Prinzip: Je enger eine Öffnung ist, durch die Flüssigkeit durchgepumpt wird desto größer ist die Geschwindigkeit, mit der die Flüssigkeit fließt. Sie kennen dies alle aus dem Garten, wenn Sie mit dem Wasserschlauch etwas weit Entferntes naß spritzen möchten. Dann halten Sie nämlich einfach den Daumen auf die Schlauchöffnung. Dadurch engen Sie die Schlauchöffnung ein und das Wasser wird so stark beschleunigt, daß es viel weiter weg spritzt.

An Herzklappen funktioniert das ebenso: Wenn eine Herzklappe verengt ist wird das Blut beschleunigt. Dabei ist diese Flußbeschleunigung um so größer desto stärker verengt die Klappe ist: Wenn die Herzklappe verengt ist muß die Herzkammer also einen erhöhten Druck aufbringen, um das Blut durch die Verengung hindurch zu pressen. Der Druck vor der Herzklappenverengung ist somit größer als hinter der Verengung (siehe nebenstehendes Bild einer Aortenklappen-Verengung. Dieser Druckunterschied ist also umso größer desto höhergradig die Klappenverengung ist und je größer dieser Druckunterschied ist desto schneller fließt das Blut.

Mit Hilfe der Doppler-Echokardiographie kann man diesen Druckunterschied berechnen. Dazu benutzt man eine mathematische Formel, die aus der Strömungsphysik stammt und die man die „vereinfachte Bernoulli-Formel“ nennt. Mit ihrer Hilfe kann man aus der Flußgeschwindigkeit den Druckunterschied berechnen, der durch die verengte Klappe erzeugt wird. Aus der Höhe dieses Druckunterschiedes wiederum kann man auf den Schweregrad des Klappenfehlers schließen.

Sehen Sie beispielsweise in der neben stehenden Abbildung links den normalen Fluß an einer gesunden Herzklappe. Hier fließt das Blut mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 m/sec. Wenn die Herzklappe sehr stark verengt ist wird das Blut auf 4 oder sogar 5 m/sec beschleunigt (rechter Teil der Abbildung).

Nun gibt es Ausnahmen von dieser Regel, beispielsweise dann, wenn der Herzmuskel ermüdet ist und das Blut nicht mehr mit der normalen Kraft durch die verengte Klappe pumpen kann. In solchen Fällen kann man aus der Flußgeschwindigkeit und dem hieraus berechneten Druckunterschied nicht mehr auf den Schweregrad des Klappenfehlers schließen. In diesen Fällen kann man (ebenfalls mit Hilfe eines physikalischen Prinzips aus der Strömungsphysik) die Öffnungsfläche der verengten Klappe (= Klappenöffnungsfläche) berechnen. (Nur für diejenigen von Ihnen, die es genau wissen möchten: Man benutzt hierzu die Kontinuitätsgleichung).

Um es richtig kompliziert zu machen gelten für die verschiedenen Herzklappentypen (av- oder Taschenklappen) unterschiedliche Berechnungsverfahren. Die Öffnungsfläche einer Aortenklappe wird beispielsweise nach der Kontinuitätsgleichung berechnet, für die Mitralstenose hingegen benutzt man die Druckhalbierungszeit (= pressure half time).

Sonstige Befunde

Aus den Doppler-Kurven, die man an verschiedenen Stellen des Herzens messen kann lassen sich neben Druckunterschieden an verengten Herzklappen noch viele andere Befunde gewinnen. So kann man

• das Ausmaß von Klappenundichtigkeiten abschätzen

• die Förderleistung des Herzens (= Herzzeitvolumen) bestimmen

• messen, wieviel Blut durch Kurzschlußverbindungen innerhalb des Herzens bei bestimmten angeborenen Herzfehlern mit Löchern in den Trennwände der Vor- und Hauptkammern fließt oder

• die Füllung der linken Herzkammer genauer untersuchen, wenn man den Verdacht hat, daß diese Füllung gestört ist und ein Mensch Blutstauungen in den Lungen hat oder Luftnot verspürt, wenn die Pumpleistung des Herzens ungestört wirkt.

Viele der oben stehenden Parameter kann man nur mit Hilfe ausgefeilter elektronischer Zusatzfunktionen und -programme bestimmen, die in die modernen Echogeräte eingebaut sind.