Efekt Dopplera - zjawisko obserwowane dla fal, polegające na powstawaniu różnicy częstotliwości wysyłanej przez źródło fali oraz zarejestrowanej przez obserwatora, który porusza się względem źródła fali. Dla fal rozprzestrzeniających się w ośrodku, takich jak na przykład fale dźwiękowe, efekt zależy od prędkości obserwatora oraz źródła względem ośrodka, w którym te fale się rozchodzą. W przypadku fal propagujących się bez udziału ośrodka materialnego, jak na przykład światło w próżni (w ogólności fale elektromagnetyczne), znaczenie ma jedynie różnica prędkości źródła oraz obserwatora.

Wstęp [edytuj]

Rozchodzenie się fal dla prostego efektu Dopplera

Christian Andreas Doppler jako pierwszy w 1842 r. w swojej publikacji^[1] zaproponował występowanie efektu polegającego na zmianie koloru światła pod wpływem ruchu w układzie gwiazd podwójnych. Naukowe badanie efektu po raz pierwszy przeprowadził Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot w 1845 r. Poprosił on grupę muzyków (trębaczy), aby wsiedli do pociągu i grali jeden ton. Słuchał go i zaobserwował, że dźwięk instrumentów staje się wyższy, kiedy pociąg zbliża się do niego. Gdy źródło muzyki się oddala, jego ton staje się niższy. Zmiana wysokości dźwięku była dokładnie taka, jak obliczył uprzednio Doppler. Niezależnie od niego podobny efekt został w 1848 r. zaobserwowany przez Armanda Fizeau dla fal elektromagnetycznych.

Wysyłany dźwięk nie staje się ani wyższy ani niższy. Źródło fali wysyła kolejne fale z takim samym okresem. Jeżeli źródło nie porusza się, odległość między kolejnymi grzbietami fali są jednakowe, gdy źródło się porusza, odległość między kolejnymi grzbietami jest różna w różnych kierunkach, bo wysyłające fale źródło przesuwa się, co odbieramy jako zmianę wysokości dźwięku przez nieruchomego odbiorcę. Na rysunku obok widać, że odległość między szczytami fal jest zależna od kierunku, w którym porusza się źródło.

Rysunek 2: Zmiana długości fali dla określonej prędkości źródła

Źródło fali porusza się względem ośrodka, w którym rozchodzi się fala, a obserwator spoczywa względem tego ośrodka. W czasie równym jednemu okresowi fali T₀ źródło przebywa drogę:

Długość fali emitowanej przez źródło jest powiązana z długością fali odbieranej następującym wzorem (por. rys. 2):

Zależności dla fal:

skąd:

Prowadzi to do wzoru na częstotliwość fali odbieranej:

gdzie:

• s - droga,

• T₀ - okres fali generowanej przez źródło,

• λ - długość fali odbieranej przez obserwatora,

• λ₀ - długość fali generowanej przez źródło,

• v - prędkość fali,

• f - częstotliwość fali odbieranej przez obserwatora,

• f₀ - częstotliwość fali generowanej przez źródło,

• v_zr - składowa prędkości źródła względem obserwatora, równoległa do kierunku łączącego te dwa punkty.

Różne postacie prawa Dopplera [edytuj]

 Osobny artykuł: Zależności opisujące prawo Dopplera.

Przesunięcie ku czerwieni linii spektralnych w zakresie światła widzialnego supergromady odległych galaktyk (po prawej) w porównaniu do Słońca (po lewej).

Powyższa analiza zjawiska została przeprowadzona, gdy falę wysyłało poruszające się źródło. Ogólnie należy rozpatrzyć trzy sytuacje dające trzy różne wzory:

• ruch źródła, a spoczynek odbiorcy względem ośrodka, w którym rozchodzi się fala, prędkość źródła względem obserwatora znacznie mniejsza od prędkości światła,

• spoczynek źródła, a ruch odbiorcy względem ośrodka, w którym rozchodzi się fala, prędkość źródła względem obserwatora znacznie mniejsza od prędkości światła,

• prędkość ruchu obserwatora względem źródła zbliżona do prędkości światła, czyli przypadek relatywistyczny.

Dla prędkości ruchu źródła i obserwatora, które jest znacznie mniejsza od prędkości fali w ośrodku, wartości ze wszystkich trzech wzorów są niemal takie same. Relatywistyczna postać prawa Dopplera przewiduje występowanie tzw. efektu poprzecznego, który polega na tym, że zachodzi zmiana częstotliwości fali elektromagnetycznej także przy ruchu w poprzek kierunku źródło - obserwator. Eksperymenty potwierdzające występowanie tego efektu były silnym argumentem na rzecz zaakceptowania szczególnej teorii względności.

Zastosowania [edytuj]

Rysunek 3: Zmiana częstotliwości sygnału karetki wywołana efektem Dopplera

Dźwięk jadącej sąsiednią ulicą miasta (nie wprost na obserwatora) karetki najpierw jest wysoki, kiedy ta jest daleko, obniża się stopniowo w miarę jazdy karetki. Efekt ten powstaje na skutek zmiany składowej promieniowej prędkości karetki. Zgodnie z Rysunkiem 3 nie cały wektor prędkości wnosi wkład do efektu Dopplera. Znaczenie ma tylko składowa promieniowa (przybliżanie/oddalanie się od karetki). Zmienia się ona, zależnie od kąta między kierunkiem jazdy łączącym karetkę z obserwatorem, a kierunkiem ruchu karetki od obserwatora.

Efekt ten powoduje, że pomiar radaru policyjnego dokonany pod kątem do kierunku jazdy samochodu jest mniejszy od rzeczywistej prędkości samochodu.

Pomiar prędkości krwi w tętnicy szyjnej wspólnej

W obrazowych badaniach diagnostycznych cenną informację jest nie tylko kształt anatomicznych struktur, lecz także kierunek i prędkość poruszania się tkanek. Ruch takich płynów ustrojowych jak krew można obserwować mierząc zmiany częstotliwości oraz fazy fal dźwiękowych odbitych od płynącej cieczy.

Udoskonaleniem konwencjonalnych aparatów ultrasonograficznych było wprowadzenie ultrasonografii dopplerowskiej. Jeżeli głowica ultradźwiękowa potrafi rejestrować nie tylko opóźnienie echa wysyłanego dźwięku, lecz również jego wysokość lub fazę, wtedy na obrazie diagnostyczny można kolorami umownymi zobrazować ruch ciała.

Przykładem może być tutaj echokardiografia. Dla kardiochirurgów bardzo ważne jest określenie nie tylko struktury anatomicznej serca, ale również prędkości i kierunku ruchu krwi przepływającej w tej biologicznej pompie. Obserwacja bijącego serca płodu umożliwia wykrycie wad rozwojowych jeszcze w łonie matki. Lekarze mając wiedzę o zagrożeniu mogą przygotować się na trudności po porodzie.

Efekt Dopplera wykorzystywany jest także w metodzie laserowo-dopplerowskiego pomiaru ukrwienia skóry, która pozwala na nieinwazyjny pomiar stopnia ukrwienia tkanek skóry właściwej przy diagnozowaniu takich schorzeń jak cukrzyca czy zespół Raynaud.

USG dopplerowskie - jedno z podstawowych badań w diagnostyce chorób układu krążenia. Pozwala na ocenę przepływu krwi w dużych tętnicach i żyłach, wykorzystując zmiany długości fal ultradźwiękowych odbitych od poruszających się krwinek. Analizując odbitą od nich falę ultradźwiękową można wykreślić kierunek i sposób przepływu krwi.

Mechanizm działania aparatu ultrasonograficznego [edytuj]

Wysyłana przez specjalną głowicę fala ultradźwiękowa odbija się od ośrodka będącego w ruchu - płynącej krwi - i powraca do głowicy. Głowica połączona jest przewodem z aparatem ultrasonograficznym, rejestrującym zmiany częstotliwości fali ultradźwiękowej odbitej od płynącej krwi, przedstawiając obraz na monitorze. Wykonujący badanie lekarz widzi gdzie krew płynie szybciej, wolniej bądź się cofa. Przystawka dopplerowska do aparatu USG umożliwia zmierzenie przepływu krwi przez naczynia.

Cel badania [edytuj]

Dzięki badaniu ultrasonograficznemu wykorzystującemu tzw. efekt Dopplera możliwe jest wykrycie nawet drobnych schorzeń tętnic i żył, mogących w konsekwencji prowadzić do udaru mózgu, zawału serca czy zatorowości płucnej. Mierząc obszar zmiany barwy, jego kolor i nasycenie, możemy się dowiedzieć o:

• nieszczelności zastawki mitralnej w sercu

• skrzeplinie znajdującej się w aorcie (zaburzającej przepływ krwi)

• drożności przewodu Botalla.

Badanie wykorzystuje się także do oceny ukrwienia niektórych narządów oraz wykrywania guzów nowotworowych, gdyż większość z nich jest silnie ukrwiona. W położnictwie ocena przepływu krwi w tętnicy pępowinowej jest wykorzystywana w przewidywaniu niektórych powikłań zagrażających prawidłowemu rozwojowi ciąży.

Zalety USG z kolorowym Dopplerem [edytuj]

Technika kolorowego Dopplera polega na barwnym obrazowaniu przepływu krwi w naczyniach. Umożliwia to precyzyjną lokalizację nawet małych naczyń zaopatrujących poszczególne struktury. Uwidaczniane zmiany nasycenia kolorem odpowiadają różnym szybkościom lub energii przepływu krwi, pokazując tym samym naczynia o nieprawidłowej budowie ściany. Jest to szczególnie istotne przy powikłaniach ciąży, w przypadku szybko rosnących guzów, w tym nowotworów złośliwych oraz przy wczesnym rozpoznawaniu zmian w miąższu wątroby.

Możliwości USG dopplerowskiego [edytuj]

USG dopplerowskim można zbadać:

• kończyny górne i dolne (np. niedomykanie zastawek jest przyczyną żylaków)

• tętnice szyjne (np. pozwala ustalić miejsca, w których doszło do zmian miażdżycowych)

• serce - w połączeniu z echem serca USG dopplerowskie jest nieocenione przy wykrywaniu wad zastawkowych

• narządy jamy brzusznej:

• wątrobę

• śledzionę

• trzustkę

• nerki

• narządy płciowe (np. ujawnia żylaki powrózka nasiennego, które mogą być powodem niepłodności)

• guzy (np. różnicowanie guzów wątroby pod kątem ich zezłośliwienia, wykrywanie wśród guzków tarczycy tych, które wymagają biopsji).

Ultrasonografia, USG - nieinwazyjna, atraumatyczna metoda diagnostyczna, pozwalająca na uzyskanie obrazu przekroju badanego obiektu. Metoda ta wykorzystuje zjawisko rozchodzenia się, rozpraszania oraz odbicia fali ultradźwiękowej na granicy ośrodków, przy założeniu stałej prędkości fali w różnych tkankach równej 1540 m/s. W ultrasonografii medycznej wykorzystywane są częstotliwości z zakresu ok. 2-50 MHz. Fala ultradźwiękowa najczęściej generowana jest oraz przetwarzana w impulsy elektryczne przy użyciu zjawiska piezoelektrycznego (opisanego przez braci Curie na przełomie lat 1880-1881). Pierwsze doświadczenia nad wykorzystaniem ultrasonografii w diagnostyce prowadzone były w trakcie i zaraz po II wojnie światowej, a ultrasonografy wprowadzone zostały do szpitali na przełomie lat 60. i 70. XX wieku (jednym z pierwszych klinicznych zastosowań była diagnostyka płodu).

Jednym z bardzo popularnych obecnie zastosowań ultrasonografii jest USG naczyń krwionośnych z wykorzystaniem zjawiska Dopplera. USG dopplerowskie pozwala na ocenę prędkości oraz kierunku przepływu krwi w naczyniach. Jako metoda całkowicie nieinwazyjna jest obecnie najpopularniejszym typem badania naczyń pozwalającym na dokładną ocenę zmian w zdecydowanej większości przypadków. Metoda wykorzystywana jest np w skleroterapii.

Stosując niższe częstotliwości (2-5 MHz, np. podczas badania jamy brzusznej lub echokardiograficznego badania serca) uzyskuje się obrazy struktur głębiej położonych kosztem niższej rozdzielczości. Natomiast korzystając z częstotliwości wyższych (7,5-16 MHz, np. badanie przezpochwowe, przezciemiączkowe, diagnostyka węzłów chłonnych, aż do 50 MHz w ultrasonografii wewnątrznaczyniowej naczyń żylnych oraz tętniczych) uzyskuje się obrazy dokładniejsze, ale tylko struktur płycej położonych.

Nowa generacja przenośnych aparatów ultrasonograficznych umożliwia wykonywanie badań ultrasonograficznych, w tym dopplerowskich, w domu pacjenta.

Bezpieczeństwo [edytuj]

Zagrożenie [edytuj]

Odpowiednio wykonana ultrasonografia jest na ogół bezpieczna.

Korzyści [edytuj]

Metoda ta jest łatwo dostępna, nieinwazyjna i stosunkowo tania. Ponadto pozwala uzyskać obraz w czasie rzeczywistym.

---