Princip dopplerovského UZ vyšetření

1. Princip dopplerovského UZ vyšetření Bohatá Š., Nádeníček P., Foukal J. Radiologická klinika FN Brno LF MU Brno Čejkovice 2013

2. Doppler • Johann Christian Doppler (1803-1853) • fyzik a matematik • princip formulován v roce 1842, Praha • platí pro všechny druhy vlnění

3. Dopplerův princip Přibližuje-li se zdroj zvuku o konstantní výšce (frekvenci) směrem k pozorovateli, vnímá pozorovatel výšku tónu vyšší, než je výška skutečná. Naopak, vzdaluje-li se zdroj zvuku, vnímá pozorovatel tón s nižší frekvencí, než je skutečná výška tónu. Rozdíl mezi frekvencí zdrojem vysílanou a pozorovatelem přijímanou je tím větší, čím rychleji se zdroj vůči pozorovateli pohybuje. Markantní rozdíl mezi vysílanou a přijímanou frekvencí nastává teprve tehdy, když je rychlost zdroje vlnění srovnatelná s rychlostí šíření vlnění v daném prostředí. fp - pozorovaletel přijímaná frekvence vlnění c - rychlost šíření vlnění v daném prostředí v - rychlost pohybu zdroje směrem k pozorovateli fv - zdrojem vyslaná frekvence vlnění

4. Dopplerův efekt - frekvenční posuv • Rozdíl, mezi přijímanou a vysílanou frekvencí označujeme jako dopplerovský frekvenční posuv (f = f0 – f1) • Velikost frekvenčního posuvu je přímo úměrná frekvenci UZ vlnění, rychlosti krevního toku a kosinu úhlu, který svírá směr UZ vln a tok krve • kritická mez nad 60° • výpočet rychlosti pohybujících se elementů f – frekvenční posuv c – rychlost šíření uz vlnění f0 – frekvence sondy  – úhel insonace v – rychlost toku

5. Dopplerův efekt • změnafrekvence je determinována rychlostí • intenzita signálu je determinována množstvím pohybujících se elementů (např. krvinek) • směr průtoku při pohybu k sondě (od sondy) - BART • průtok směrem k sondě je zobrazen ve spektru nad nulovou linií • průtok směrem od sondyje zobrazen ve spektru pod nulovou linií

6. Význam Dopplerova jevu pro sonografii V případě dopplerovské ultrasonografie je objektem, od kterého se odráží vyslaný signál suspenze krvinek pohybujících se v cévním lumen. Protože velikost erytrocytů je menší než vlnová délka ultrazvuku, uplatňuje se při vzniku dopplerovského signálu rozptyl, který je často označován jako Raileyghův-Tyndallův rozptyl . • velikost erytrocytů (7x2m) • vlnová délka UZ 5 MHz = 300 m • anechogenní krev

7. Kontinuální doppler. systémy • dopplerovské systémy s kontinuální nosnou vlnou (CW) • nejjednodušší zařízení • chybí axiální rozlišení, tj. nelze určit hloubka, ze které signál přichází • dvaelektroakustické měniče (krystaly) • vysílač • přijímač • v oblasti zájmu se překrývají • je-li v oblasti zájmu více cévzáchyt signálu ze všech cév oblasti součet signálu nelze odlišit rychlost toku v jednotlivých cévách • využití: tužkové Dopplery, cévní chirurgie, ozvy plodu • měří libovolně velké rychlosti

8. Pulzní dopplerovské systémy (PW) • jedenelektroakustický měnič, který střídavě ultrazvukové vlnění vysílá a přijímá • sonda pracuje ve střídavém, tj. pulzním režimu • rytmus vysílání se označuje jako opakovací frekvence a je v horní oblasti frekvencí omezen dobou potřebnou ke zpětnému návratu odraženého signálu • doba mezi vysláním a příjmem ultrazvukového impulzu je úměrná vzdálenosti cévy od ultrazvukové sondy • umožňuje záznam rychlostního spektra toku krve v cévě • vyšší mechanická energie 1/1000 vysílač, 999/1000 přijímač

9. Barevný Doppler • barevné dopplerovské mapování průtoku, Color Doppler Imaging (CDI), ColorFlowMapping (CFM). • kombinace B obrazu s pulzním Dopplerem • v B-obrazu jedefinovaná výseč, ze které je dopplerovská informace o pohybu (rychlosti toku) analyzována a zobrazena v podobě barevných pixelů, které jsou graficky zakomponovány do nezávislého B-obrazu • sběr dat podél jedné vertikální obrazové linie minimálně 3x – snížení obnovovací frekvence • semikvantitativní • barva – směr • odstín - rychlost • zobrazí tok i v malých cévách, v B-modu často nedetekovatených pozor na šířku okna !

10. Barevný Doppler • VÝHODY: • snadná identifikace cévy, měření více cév najednou • určení směru toku krve • semikvantitativní, přibližné stanovení rozsahu rychlostí toku • NEVÝHODY: • zobrazení střední rychlosti toku •  citlivost pro pomalé toky • sklon k barevným artefaktům při pohybech •  frame rate (50-150ms)

11. rychlost čas Spektrální záznam • grafické vyjádření závislosti rychlosti krevního toku v čase (umožňuje tak přesnou kvantifikaci průtokových parametrů) • podél jediné vertikální obrazové linie jsou vysílány opakované impulzy • dopplerovská informace o rychlosti toku • analyzována a zobrazena jako dopplerovské spektrum

12. triplex Duplexní a triplexní zobrazení • duplexní • kombinace dvojrozměrného dynamického zobrazení (B-mode) a pulsního dopplerovského měření • triplexní • kombinace B zobrazení se spektrální křivkou a barevným dopplerem

13. Energetický Doppler • ColorDoppler Energy (CDE), ColorPowerAngio (CPA), ColorAmplitudeImaging (CAI), ColorAngiography, Doppler Power Mode, PowerMapping, AmplitudeMapping. • zobrazuje celou energii (amplitudu)dopplerovského signálu • úměrná ploše vymezené spektrální křivkou • nezávislost na • dopplerovském úhlu (kromě 90°) • rychlosti • umožní zobrazit větší dynamický rozsah energie = i velmi pomalé toky

14. směrový energetický Doppler Energetický Doppler • pouze jedna barva • barevný odstín pixelu • přímo odpovídá amplitudě (energii) dopplerovského signálu • vyjadřuje množství pohybujících se elementů • neovlivněn Nyquistovým limitem  nedochází k aliasing efektu • vysoká citlivost k artefaktům • neurčí směr toku ani rychlost

15. lineární sonda Steering • lineární sondy • malá možnost sklopení • elektronické sklopení dopplerovských vln

16. Doppler gain • nezávisle od 2D Gain, a Color Gain

17. Priorita barevného záznamu • Color versus GrayScale, GrayScale - ColorSupression, Color versus Echo Priority • prahová hodnota intenzity v B módu • dopplerovské signály v místech vyšší intenzity ignorovány •  priorita – potlačí barvu v okolí cévy •  priorita – zobrazí barvu z echogenní / drobné cévy

18. Citlivost barevného záznamu • color sensitivity, pulse number • počet UZ impulzů podél vertikální obrazové linie (min. 3) • více impulzů (např. 14 impulsů/linii) • vyšší barevná citlivost (pomalé toky – skrotum, lýtkové žíly) •  framerate • méně impulzů (7-9) •  citlivost - jen rychlé toky •  framerate (echokardiografie)

19. Perzistence barevného záznamu • color persistence, frame averaging •  persistence • lepší poměr S/Š • snažší detekce krátce trvajících hemodynamických dějů • lepší vykreslení cévních kontur • nevýhody: • stírání variací barevného obrazu v čase • pulzatilní x žilní tok

20. Frame rate

21. 100 50 chyba (%) 60° 90° 0 0° 60° 90° 0° dopplerovský úhel céva Dopplerovský úhel • úhel mezi směrem vysílaných UZ vln a směrem toku krve •  = 0° = maximum frekvenčního posuvu = absolutní hodnota rychlosti měřeného toku (cos 0° = 1) • úhel  60°  nelze přesně kvantifikovat toky • 90°  žádný signál (cos 90° = 0) • 90°  krev není vůči sondě v pohybu nevyšetřovat při dopplerovském úhlu výrazně přesahujícím hodnotu 60° 

22. Dopplerovský úhel

23. Typy rychlostních profilů Zátkový profil Prakticky v celém lumen cévy se krev pohybuje stejnou rychlostí. Normálně se s ním setkáváme jen v ascendentní aortě.Ve spektrálním záznamu je úzké spektrum na podkladě omezeného rozsahu rychlostí. Mezi dolním okrajem spektrální křivky a nulovou linií je prázdná oblast - spektrální okno. Parabolický profil Krevní proud se pohybuje nejrychleji ve středu cévy, směrem k okrajům jeho rychlost klesá a těsně při stěně cévy je prakticky nulová. Ve spektrálním záznamu pak najdeme vyplnění mezi nulovou doplerovskou linií a linií nejrychlejších toků. Spektrální okno chybí.

24. Vzorkovací objem • oblast, kde se měří signál (rychlost toku) • nastavuje se umístění, tj. hloubka • velikost • měla by odpovídat šíři cévy

25. Frekvence vzorkování signálu • vzorkovací frekvence  počet UZ impulsů za sekundu (PRF) • Shannon-Kotelnikovovův vzorkovací teorém • vzorkovací frekvence musí být minimálně dvojnásobkem nejvyššího kmitočtu, který zobrazujeme • první signál se musí vrátit před vysláním dalšího • mezní hodnota ~Nyquistův limit platí pro spektrální i barevné zobrazení

26. Aliasing efekt • podstatná ztráta informace, její zkreslení • „„přestřelování“ • závisí na • frekvenci sondy • úhlu cévy k UZ svazku • vzdálenosti od cévy II. ultrazvukový kongres. Čejkovice. 15.-17.1. 2009.

27. artefakt céva céva Artefakt vysoké PRF • PRF – řeší aliasing • limitace hloubkou oblastí zájmu • odrazy zaregistrovány po vyslání dalšího impulsu • lokalizace zdroje mezi zdroj a skutečnou cévu • automatická korekce •  citlivost k pomalým tokům

28. Filtr • wallfilter, highpassfilter, thumpfilter • zdroj signálu • krevní tok • nízkofrekvenční pohyby měkkých tkání – přenesené pulzace (srdce, cévy), dýchací pohyby • jednoduchá elektronická propust • vyloučení signálů s nízkou frekvencí, např. 25-200 Hz (až 1500 Hz) • ! vyloučení i signálů s malým frekvenčním posuvem (pomalé toky, např. v žilách) • ! mylná diagnostika např. trombózy • DynamicFilter – selektivní filtrace jen těch frekvencí, které souvisejí s pohybem tkáně vůči sondě

29. Laminární a turbulentní proudění Za fyziologických podmínek má proudění laminární charakter prakticky ve všech periferních cévách. Znamená to, že jednotlivé vrstvy krevního proudu se pohybují konstantní rychlostí, která narůstá od nulové rychlosti v případě vrstvy dotýkající se stěny k maximální rychlosti uprostřed lumen. Při velkých rychlostech proudění , které bývají nejčastěji způsobené patologickým zúžením lumen , přechází laminární charakter proudění v turbulentní. Kritická rychlost pro vznik turbulentního proudění je dána Reynoldsovým číslem.

31. Děkuji za pozornost!