Doppler

 

I.      BASES PHYSIQUES DU DOPPLER

L'effet Doppler-Fizeau est le décalage entre la fréquence de l'onde émise et de l'onde reçue lorsque l'émetteur et le récepteur sont en mouvement l'un par rapport à l'autre ; il apparaît aussi lorsque l'onde se réfléchit sur un objet en mouvement par rapport à l'émetteur ou au récepteur.

Cet effet fut proposé par Christian Doppler en 1842.


1.      Principes de l'effet doppler

Lorsqu'un faisceau ultrasonore (US), émis par une source, traverse des tissus biologiques, il rencontre un certain nombre de cibles, ou interfaces fixes. La fréquence réfléchie par ces cibles fixes est identique à la fréquence émise : on dit qu'il n'y a pas de différence entre la fréquence d'émission (Fo) et la fréquence de réception (Fr) .

Si la cible se déplace, comme les globules rouges du sang circulant, il se produit une modification de la fréquence du faisceau réfléchi :      Fr = Fo + DF

La différence de fréquence DF est positive si la cible se rapproche de la source et négative si elle s'en éloigne.

DF est appelé la fréquence Doppler.

>>> En exploration vasculaire, la valeur de DF se situe entre 50 Hz et 20 KHz ce qui, par chance, correspond à une gamme de fréquences perceptible par l'oreille humaine.


¤ Si la cible est mobile dans l'axe du faisceau d'US :

 DF = 2 v . Fo / c

 - Fo = Fréquence d’émission (Hz).

 - v = vitesse de déplacement de la cible (m/s)

 - c = vitesse de propagation des US dans les tissus biologiques (constante = 1540 m/s).


¤ Si la cible est mobile dans un axe différent, la vitesse mesurée est une vitesse relative v, égale à la projection orthogonale du vecteur vitesse V sur l'axe du faisceau d'US, sachant que ;  v = V . cosq

- q est l'angle entre l'axe du faisceau et l'axe du déplacement de la cible ou angle Doppler. La valeur de la fréquence Doppler devient alors :

DF = 2V . Fo . cos q /c

 

On comprend ici que l'augmentation de l'angle Doppler s'accompagne d'une diminution de DF (la valeur de cos q se rapprochant de zéro) qui s'annule totalement lorsque l'angle atteint 90° (cos90° = 0). Le calcul de la vitesse circulatoire nécessite donc la connaissance de l'angle Doppler.

 

Pour calculer cette vitesse, la formule devient :

 V = DF . c / ( 2 Fo . cos q)

L'appareillage restitue donc le déplacement de la cible en terme de décalage de fréquence (DF) (mesuré en KHz). Ce décalage étant fonction de V.cosq, il varie, pour une même vitesse de déplacement, selon la valeur de q. 

L'extrapolation à la vitesse circulatoire (m/s) impose que l'angle Doppler soit connu et que sa valeur ait été fournie à l'appareillage par l'opérateur.


2.      Mode d'utilisation du doppler

L'effet Doppler peut être utilisé en pratique clinique sous deux modes : le mode continu et le mode pulsé. Le Doppler bidimensionnel ou Doppler couleur repose sur le principe du Doppler pulsé mais le traitement du signal y est différent.


a.      Le Doppler continu

Dans un Doppler continu, il existe 2 cristaux au niveau du même capteur : l'un qui émet un faisceau d'US de façon continue et l'autre qui réceptionne le signal réfléchi, aussi de façon continue. L'appareillage effectue la comparaison des deux fréquences Fo et Fr au niveau d'un démodulateur pour en extraire, en continu, la fréquence Doppler. Il s'agit d'appareillages légers et compacts, encore très utiles dans l'étude des vaisseaux superficiels.

b.      Le Doppler pulsé

Le système de Doppler pulsé est caractérisé par une sonde à cristal unique qui alternativement émet un faisceau d'ultrasons et reçoit le faisceau réfléchi.

Le délai entre deux impulsions détermine la fréquence de répétition, encore appelée PRF (Pulse Repetition Frequency). Entre ces deux impulsions, le signal réfléchi est analysé pendant une durée très courte que l'on peut appeler la "fenêtre d'écoute".

Le délai entre la fin de l'impulsion et le début de la "fenêtre d'écoute" détermine la profondeur sélectionnée d'analyse du signal Doppler (c'est la profondeur du volume d'échantillonnage).

Le temps d'analyse du signal réfléchi, c'est-à-dire la largeur de la "fenêtre d'écoute", détermine la taille du volume d'échantillonnage.

c.      Le Doppler couleur (bidimentionnel)

Le Doppler couleur permet d'analyser le signal Doppler dans un plan et ceci presque simultanément dans tous les points de ce plan. Il pourrait être assimilé à un système Doppler pulsé multiporte et multiligne.

>>      Analyse du signal 

Le signal peut être restitué sous 3 formes : un tracé analogique, un spectre de fréquences ou une cartographie couleur.


>>      LE TRACÉ ANALOGIQUE

C'est le plus simple de ces procédés : il permet de restituer une courbe de la fréquence Doppler extraite par l'appareillage en temps réel. Cependant, il s'agit d'une courbe de la moyenne des fréquences Doppler échantillonnées. Ce procédé ne donne donc aucune information sur le profil de l'écoulement et notamment sur la dispersion des vitesses circulatoires à l'intérieur du vaisseau : lorsque l'écoulement est normal et harmonieux, la courbe de ces fréquences moyennes se rapproche de la courbe des fréquences maximales ; lorsque les flux sont perturbés, cette différence s'accentue.  


>>      Le spectre de fréquence

L'avantage du spectre de fréquences est de pouvoir restituer en temps réel la gamme de fréquences contenue dans le signal Doppler et qui reflète la gamme de vitesses présente dans le vaisseau. Cette restitution est possible grâce à l'application d'une opération mathématique, la transformée de Fourier. Cette opération permet de passer d'une analyse de signal dans le domaine temporel à une représentation et une analyse dans le domaine fréquentiel.

Le spectre de fréquences permet donc de détecter la présence du flux et sa direction (comme un tracé analogique), et de caractériser le profil de l'écoulement.


>>      L'encodage couleur

Un artifice d'encodage couleur permet de restituer une partie de cette information de dispersion spectrale : c'est le codage de la variance, grâce à une troisième couleur (souvent le jaune), qui est superposée aux deux couleurs élémentaires.

La variance peut se définir comme le degré de dispersion fréquentielle dans la zone d'échantillonnage. Plus cette dispersion augmente, lorsque le flux est perturbé, plus cette variance augmente et plus la couleur jaune apparaît surajoutée.

Cette variance est faible au centre des gros vaisseaux, dont le flux est uniforme, plus élevée dans les coudes, les bifurcations, le long des parois et dans les zones de turbulences pathologiques.


d.      Le Doppler énergie

Il est possible de coder de façon bidimensionnelle et en couleur l'énergie du signal Doppler au lieu de la valeur du décalage de fréquence. L'énergie du signal Doppler est directement proportionnelle au nombre d'hématies à l'origine du décalage de fréquence. Cette énergie ne varie pratiquement pas avec la valeur du décalage de fréquence si bien qu'elle peut être très élevée même pour des vitesses très basses. C'est pourquoi cette technique est beaucoup moins dépendante de l'angle Doppler.

 

>>      Avantages

* Technique quasiment angle-indépendante puisque, quelle que soit la valeur de DF, même si ce décalage est extrêmement faible, l'énergie contenue dans le signal peut être très importante et donner lieu à un codage couleur. Cette dépendance permet un meilleur remplissage vasculaire même avec des angles d'approche qui avoisinent 90°.

* Amélioration de la résolution spatiale au niveau des petites structures des petits vaisseaux intraparenchymateux : cette amélioration est le résultat d'une amélioration du rapport signal sur bruit qui permet une meilleure délimitation des vaisseaux et donc une identification du lit vasculaire avec une qualité "angiographique".

>>      Limites

* Sensibilité aux mouvements : tous les mouvements des tissus fixes risquent d'être à l'origine d'un signal codé en couleur dans la mesure où l'énergie des interfaces en mouvement est importante. L'acquisition en mode énergie doit donc se faire en immobilité quasi complète ce qui peut poser des problèmes au niveau abdominal.

* Absence d'indication sur le sens de l'écoulement ainsi que sur la vitesse d'écoulement puisque la valeur du décalage de fréquence n'est pas prise en compte. Au niveau des parenchymes, il est donc quasiment impossible de séparer les vaisseaux artériels des vaisseaux veineux.

 

3.      Séméiologie normale

 a.      Séméiologie selon le profil d'écoulement

L'écoulement de type plateau est rencontré à la sortie du cœur et dans les gros vaisseaux. Ici, la presque totalité des globules rouges chemine à la même vitesse, si bien que la gamme de fréquences échantillonnées par le Doppler est très étroite. Sur le spectre, cela se traduit par une largeur de bande très étroite, presque assimilable à un trait. Au-dessous de la bande de fréquences apparaît une fenêtre sombre, mieux dessinée en systole : c'est la fenêtre sombre sous-systolique.

L'écoulement laminaire se rencontre au contraire dans les vaisseaux distaux intraparenchymateux. Il est caractérisé par un profil parabolique : toutes les valeurs de fréquences sont ainsi représentées, à énergie égale, au sein du vaisseau examiné. La brillance spectrale est uniformément répartie sur toute la hauteur du spectre.

 

Entre ces deux types de flux, tous les intermédiaires sont possibles et la bande de fréquences est d'autant plus large et la fenêtre sombre sous-systolique d'autant plus étroite que l'écoulement se rapproche du type laminaire. 

 

Dans tous les cas, l'enveloppe externe du spectre est nette et la brillance ne prédomine jamais dans les basses fréquences.


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