Dopplersonographie in der Geburtshilfe - Frauenarzt

DIAGNOSTIK + THERAPIE
970
PERINATALE DIAGNOSTIK
Dopplersonographie
in der Geburtshilfe
Teil 1: Grundlagen
Ivo Markus Heer, Alexander Strauss
Die Untersuchung des Feten mittels Dopplerultraschall hat
weit gehenden Einblick in die Kreislaufverhältnisse des gut
versorgten, aber vor allem des gefährdeten Kindes in utero
ermöglicht. In großen Studien wurde gezeigt, dass zwar die
Untersuchung des fetoplazentaren Blutflusses bei der Routineüberwachung
keinen Vorteil bringt (1), im Risikokollektiv dagegen
die Doppleruntersuchung zu einer signifikanten Reduktion
der perinatalen Mortalität und zur Verminderung geburtshilflicher
Interventionen führt (2). Im folgenden Beitrag
werden die physikalischen Grundlagen des Verfahrens, der
Messvorgang, die Geräteeinstellungen, die Fehlerquellen sowie
die Wirkungen von Dopplerultraschall im Gewebe (Nebenwirkungen)
dargestellt.
Die Untersuchung von Gefäßflüssen
beruht auf dem Dopplerprinzip. Das
im Alltag beobachtbare Phänomen,
dass bewegliche Schallquellen für
den ruhenden Beobachter ihre Frequenz
ändern, wurde bereits 1842
von Christian Johann Doppler in seiner
Schrift „Über das farbige Licht
der Doppelsterne“ erklärt. Werden
von einem sich auf den Beobachter
zu bewegten Objekt Schall- oder
Lichtwellen emittiert, so nimmt dieser
Beobachter eine Steigerung der
Frequenz im Verhältnis zur eigentlich
abgegebenen Frequenz wahr.
Umgekehrt vermindert sich die wahrnehmbare
Frequenz, wenn sich das
emittierende Objekt vom Beobachter
wegbewegt. Da die so wahrnehmbare
Frequenzänderung proportional
zur Geschwindigkeit des
wellenemittierenden Objekts ist, lässt
sich aus der Frequenzänderung die
Geschwindigkeit des Objekts errechnen.
Mit Hilfe dieses Dopplerprinzips kann
auch die Blutflussgeschwindigkeit in
Gefäßen berechnet werden, wobei für
die Frequenzverschiebung intravasale
Korpuskeln (v.a. Erythrozyten)
FRAUENARZT � 46 (2005) � Nr. 11
während ihres Durchflusses als Reflektoren
der Ultraschallwellen dienen.
Da die Frequenzänderung der
Reflektoren jedoch nur auftritt, wenn
die Korpuskeln (Erythrozyten) sich
vom Beobachter (= Schallkopf) wegoder
auf diesen zu bewegen, können
vorwiegend Flüsse untersucht werden,
die eine geringe Abweichung
von der Lotrechten im Ultraschallbild
(Insonationswinkel

Abb. 1: Spektralkurve (A. Strauss, Ultraschallpraxis Springer).
der definierten Fenster („Sample Volume“)
stammen. Da durch die intermittierende
Verarbeitung des Signals
die gleichzeitige Darstellung des
B-Bildes möglich ist, ist eine Detailanalyse
einzelner Gefäße und eine
zweidimensionale Visualisierung
von Gewebe mit seinen Gefäßen unter
Sicht möglich. Dies erklärt die
breite Anwendung des PW-Verfahrens.
Da sich die Korpuskeln in den Gefäßen
mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten
bewegen (am Gefäßrand
langsam, in der Gefäßmitte
schnell), erfassen die piezoelektrischen
Elemente (= Kristalle) des
Schallkopfes nicht nur eine Frequenz
(= eine Geschwindigkeit), sondern
ein den unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten
des Gefäßes
entsprechendes Frequenzgemisch.
Eine Analyse dieses Frequenzspektrums
berechnet einzelne
Frequenzen als Bildpunkte auf dem
Schirm auf einer horizontalen Zeitund
einer vertikalen Frequenzachse,
wobei die verschiedenen Frequenzen
auf dem Monitor übereinander dargestellt
werden. Jede Geschwindigkeit
respektive jede Frequenz wird
also durch einen Bildpunkt dargestellt.
Die Intensität der Darstellung
steigt mit der Häufigkeit der angezeigten
Frequenz (s. Abb. 1).
� Color-Flow-Mapping-Verfahren
(CF-Doppler)
Dieses Verfahren ermöglicht die
gleichzeitige Darstellung aller im B-
Bild vorhandenen Informationen, wobei
die Frequenzänderungen der Reflektoren
(Erythrozyten) farbkodiert
und direkt in das B-Bild eingeblendet
werden. Hierbei werden Flüsse auf
den Schallkopf zu (= Frequenzsteigerung)
rot, Flüsse vom Schallkopf weg
(= Frequenzerniedrigung) blau dargestellt.
Flüsse, die lotrecht zu den
Schallwellen verlaufen (also parallel
zum Schallkopf, horizontal im Bild),
verändern ihre Reflektionsfrequenz
nicht und werden daher nicht farb-
kodiert, sind mithin nicht darstellbar.
� Indizes
Die aus dem Frequenzgemisch errechnete
Kurvenamplitude (Höhe der Hüllkurve)
der Spektraldarstellung ist proportional
zu den tatsächlichen Strömungsgeschwindigkeiten
im betrachteten
Gefäß. Indizes erlauben eine
Bewertung dieser Spektralkurven. Zum
Einsatz kommen hierbei Indizes, die
auf Dopplerfrequenzen, Beschleunigungen,
Zeitstrecken oder Hüllkurven
beruhen. Im klinischen Alltag durchgesetzt
haben sich der Resistance-Index
(RI; 3), der auf der Analyse der
maximalen Geschwindigkeiten in der
Systole und der minimalen Geschwindigkeit
in der Diastole der Dopplerfrequenzen
beruht, und der Pulsatilitätsindex
(PI; 4), der auf der maximalen
und mittleren Geschwindigkeit
in Systole und Diastole basiert. Dabei
werden jeweils der höchste systolische
Punkt der Hüllkurve A und der niedrigste
Punkt der diastolischen Hüllkurve
B gemessen. Die Indizes RI werden
durch (A–B)/A und beim durch PI
(A–B)/Vmean errechnet (s. Abb. 2). Weniger
gebräuchlich ist die AB-Ratio
(5), die dem Verhältnis von systolischem
Maximum zu enddiastolischem
Maximum (A/B) entspricht. Die Aussage
ist identisch zum RI, wobei die
Werte nicht zwischen 0 und 1, sondern
zwischen 0 und ∞ liegen.
B
Diastole
A
Systole
Null-Linie
Abb. 2: Darstellung der Spektralkurve mit Vmax Systole und Vmax Enddiastole mit Nulllinie
(I. Heer, Frauenklinik Großhadern).
DIAGNOSTIK + THERAPIE
FRAUENARZT � 46 (2005) � Nr. 11 971

DIAGNOSTIK + THERAPIE
972
Zwischen den einzelnen Indizes besteht
bei normalen Gefäßwiderständen
kein Unterschied. Erst bei pathologischen
Flusswerten ergeben sich deutliche
Unterschiede bei der Berechnung,
wobei hier der PI die Flüsse besser erfasst.
Gleiches gilt für mehrgipflige diastolische
Verläufe, die vom PI mit Berechung
der mittleren diastolischen
Flussgeschwindigkeit genauer errechnet
werden können.
Messvorgang
Die Erfassung des Dopplersignals und
seine Auswertung mit Hilfe der oben
dargestellten Indizes erfolgt gewöhnlich
in den immer gleichen Arbeitsschritten:
Zunächst wird im B-
Bild das zu untersuchende Gefäß aufgesucht
und so positioniert, dass ein
möglichst kleiner Insonationswinkel
(

DIAGNOSTIK + THERAPIE
974
nen mitunter nicht genügend Signale
reproduziert werden, um die Spektralkurve
abzubilden. Physikalisch gilt,
dass die PRF mindestens doppelt so
hoch sein muss wie die zu messende
maximale Dopplerfrequenz, da es
sonst zu einer scheinbaren Umkehrung
der maximalen Flussgeschwindigkeit
unter die Nulllinie kommt. Ist
dies der Fall, werden schnelle Flüsse
auf den Schallkopf zu (eigentlich rot
kodiert) blau angezeigt. („Aliasing-
Phänomen“). Prinzipiell wird die PRF
vom Untersucher für hohe Geschwindigkeiten
hoch und für niedere Flussgeschwindigkeiten
niedrig eingestellt.
Zusätzlich wird die PRF tiefer eingestellt,
wenn das zu untersuchende Gefäß
tief im Gewebe liegt.
� Hochpassfilter
(Wall-Motion-Filter)
Die Untersuchung der fetomaternalen
Gefäße ist häufig durch Bewegungen
des zu untersuchenden Objektes
erschwert. Diese Bewegungen
erzeugen bei der Untersuchung im
Pulse-Wave-Verfahren deutlich sichtbare
Signale im niederfrequenten Bereich,
die die eigentlichen Zielfrequenzen
überdecken können. Um diese
niederfrequenten Artefakte wegzufiltern,
wird der Wall-Motion-Filter
eingesetzt. Dieser eliminiert jedoch
nicht nur die niederfrequenten Bewegungsartefakte,
sondern auch die
diastolisch niederfrequenten Gefäßflüsse
an der Gefäßwand. Damit kann
bei zu großer Filterung eine niedrige
enddiastolische Flussgeschwindigkeit
fälschlicherweise als Nullfluss erscheinen
und zu gravierenden Fehlinterpretationen
führen.
Fehlerquellen
Durch ein unsauberes Dopplersignal
kann es bei der Beurteilung des fetalen
Zustandes zu Fehleinschätzungen
kommen. Tendenziell überschätzen
unerfahrene Untersucher bei
schlechten Signalen die Gefahr, was
zu einer unnötigen Verunsicherung
der Schwangeren führen kann. Folgende
Fehlerquellen können für ein
schlechtes Signal verantwortlich sein:
FRAUENARZT � 46 (2005) � Nr. 11
� Einfallswinkel
Da bei der Berechnung der Blutflussgeschwindigkeiten
trigonometrische
Funktionen Anwendung finden, ist der
Winkel zwischen Schallstrahl und Blutfluss
von entscheidender Bedeutung.
Dieser Insonationswinkel sollte 30°
nicht überschreiten, da sowohl die
quantitative (zunehmender Messfehler)
wie auch die qualitative Signalanalyse
(flachere Hüllkurve, geringere
Pulsatilität) erschwert werden (6).
Von besonderer Bedeutung ist dies bei
diastolischen Flussverlusten, bei denen
wenige Winkelgrade über Normalbefund
oder Pathologie entscheiden
können.
� Fetale Atembewegungen
Fetale Thoraxbewegungen führen bei
der „Inspiration“ zu einer Abnahme
und bei der „Exspiration“ zu einer Zunahme
der systolischen und diastolischen
Flussgeschwindigkeiten. Dies
ist bei grenzwertigen Befunden zu beachten.
� Fetale Herzfrequenz
Die Ergebnisse der Widerstandsmessungen
sind nur für einen fetalen
Herzfrequenzbereich zwischen 110
und 150 Schlägen pro Minute vergleich-
und verwertbar. Bei einer Tachykardie
führt dies zu einer Abnahme,
eine Bradykardie führt zu einer
Zunahme des Flusswiderstandes im
gemessenen Gefäß.
� Gefäßlumen
Haben beide Nabelschnurarterien unterschiedliche
Gefäßlumina, so kann
die Widerstandsmessung im kleineren
Gefäß pathologische Werte ergeben.
Eine Mehrfachmessung, möglichst
in beiden Arterien, ist daher
insbesondere bei auffälligen Dopplerbefunden
notwendig.
� Hoher Schallkopfdruck
Durch Kompression des kindlichen
Köpfchens kann es zu einem intrazerebralen
Druckanstieg kommen, der
zu einem Reverse Flow der Arteria cerebri
media führen kann. Durch weniger
Druck auf den Schallkopf wird
der Fluss in aller Regel normal.
� Singultus
Der fetale Schluckauf ist durch wiederkehrende,
unregelmäßige systolische
und diastolische Inzisuren gekennzeichnet
und sollte nicht mit fetalen
Arrhythmien (insbesondere Extrasystolen)
verwechselt werden. Im
Extremfall kann der Singultus einen
Reverse Flow vortäuschen.
� Extrasystolen
Sie sind in der Spektralkurve gut durch
die verlängerte Refraktärzeit erkennbar.
Bioeffekte und Risiken
der Dopplersonographie
40 % aller Ultraschalluntersuchungen
werden im geburtshilflichen Bereich
durchgeführt (7). Die in den
letzten 20 Jahren deutlich verbesserten
Untersuchungsmöglichkeiten
durch den Ultraschall und die Einbindung
dieser Bildgebung in das
Konzept der Schwangerenvorsorge
haben zu einer deutlich vermehrten
Exposition von Feten mit Ultraschall
geführt (8). Diese häufige Anwendung
ist allerdings kein Beweis für
die Ungefährlichkeit der Methode,
wiewohl bis zum heutigen Tag keinerlei
Hinweise existieren, dass im
Rahmen der normalen Diagnostik
durchgeführte Ultraschalluntersuchungen,
gleich welcher Art (B-Bild,
M-Mode, gepulster Doppler, Farbdoppler),
negative Auswirkungen auf
den Feten, das intrauterine Wachstum,
den Outcome oder die Entwicklung
in der Kindheit haben (9).
Gerade der Dopplersonographie stehen
Patientinnen manchmal skeptisch
gegenüber, da sie zum Beispiel aus
der Laienpresse erfahren, dass hier
höhere Energien verwendet werden als
bei „normalem“ Ultraschall und diese
Energien als potenziell schädlich
für das zu untersuchende Kind angesehen
werden. Um die diesbezüglichen
Fragen beantworten zu können
und um die sich daraus ergebenden
Verhaltensregeln für die Anwendung
des Dopplerultraschalls abzuleiten,
sind Kenntnisse zur Wechselwirkung

von Ultraschall mit dem untersuchten
Gewebe erforderlich.
Die von den piezoelektrischen Elementen
des Ultraschallkopfes ausgesendeten
Schallwellen treffen auf
das zu untersuchende Gewebe und
unterliegen dort den physikalischen
Phänomenen Absorption, Dämpfung,
Beugung, Brechung und Reflexion.
Dabei setzen die Wellen das Gewebe
unterschiedlichen Schalldrücken
aus, was zur Freisetzung mechanischer
Energie (Wärme) führt. Die Ausbreitung
der Schallwellen im Gewebe
unterliegt dabei einer stetigen
Abschwächung (Absorption), wobei
die verschiedenen Körpergewebe den
Schall unterschiedlich stark abschwächen.
Körperflüssigkeiten
schwächen den Schall kaum ab,
Weichteilgewebe absorbiert den
Schall deutlich vermehrt, und Knochen
absorbieren am meisten Schallenergie.
Die Energieabsorption kann
abhängig von der Untersuchungsdauer,
der gewählten Verstärkung
und der gewählten Schallfrequenz zu
Bioeffekten im Gewebe führen. Unterschieden
werden dabei Primäreffekte,
die unmittelbar durch die physikalische
Wechselwirkung der Ultraschallwellen
mit dem Gewebe zustande
kommen, und die sekundären
Wirkungen, wobei die Ultraschallwellen
Prozesse in Gang setzen (chemische
Reaktionen, Mutationen), die
mittelbar zur Schädigung des Untersuchungsobjekts
führen können.
� Gewebserwärmung
Knochen absorbiert Ultraschallenergie
40fach stärker als Weichteilgewebe
(10). Besonders an Grenzflächen
von Gewebearten niedriger zu hoher
Absorption (z.B. Flüssigkeit zu Knochen)
ist eine Temperaturerhöhung zu
erwarten. Hinter dem Schädelknochen
ist tierexperimentell eine Gewebserwärmung
von bis zu 6 °C festgestellt
worden. Eine embryonale/fetale Temperaturerhöhung
von 4 °C sind daher insbesondere in der
Embryonalperiode als bedenklich anzusehen.
Unter ungünstigen Voraussetzungen
(Grenzfläche Flüssigkeit zu
Knochen, schräger Insonationswinkel,
Schallkopf mit hoher Frequenz,
hohe Schallenergie, Doppler-, Triplexmode,
kleines Sample Volume mit
Fokussierung der Schallenergie, lange
Untersuchungsdauer) werden diese
Temperaturveränderungen tatsächlich
erreicht. Daher stellt maternales
Fieber eine relative Kontraindikation
zur hochenergetischen,
langdauernden Untersuchung von hinter
Knochen liegenden Gefäßen wie
der Arteria cerebri media dar (12).
� Kavitation
Trifft eine Ultraschallwelle auf gasfreies
Gewebe, kann es zur kurzzeitigen
Ausbildung flüssigkeitsleerer
Hohlräume kommen. Dieser Effekt
wird als Kavitation bezeichnet. Bei
der nachfolgenden Welle kollabieren
die Hohlräume wieder, wobei es durch
den dann entstehenden Unterdruck
zu Gewebszerreißungen kommen
kann. Dies ist jedoch nur experimentell
für negative Spitzendrücke von
>1 MPa (Megapascal) nachgewiesen,
da in vivo die hierfür notwendigen
Schallenergien auch unter ungünstigen
Umständen nicht erreicht werden.
Der Energiegrenzwert wurde auf
100 mW/cm 2 für eine Beschallungszeit
von

DIAGNOSTIK + THERAPIE
976
Sichere Durchführung einer Doppleruntersuchung
� Geräteausgangsleistung möglichst niedrig einstellen
� Empfangsverstärkung möglichst hoch einstellen
� Pulsrepetionsfrequenz (PRF) bedarfsgerecht adaptieren
� Einsatz niederfrequenter Schallköpfe bei größerer Untersuchungstiefe
� Einsatz der Dopplersonographie nur bei gegebener Indikation
� Dopplerfunktion erst zuschalten, wenn Gefäß im B-Bild identifiziert ist
� PW-Doppler zeitlich möglichst eng begrenzen (ALARA-Prinzip)
� Beschallung ZNS-Strukturen