Princip dopplerovského UZ vyšetření

Bohatá Š., Nádeníček P., Foukal J.Radiologická klinika FN BrnoLF MU Brno

Čejkovice 2013

Doppler

• Johann Christian Doppler (1803-1853)

• fyzik a matematik• princip formulován v roce 1842,

Praha• platí pro všechny druhy vlnění

Dopplerův principPřibližuje-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 prostředív - rychlost pohybu zdroje směrem k pozorovatelifv - zdrojem vyslaná frekvence vlnění

vp fvccf

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

cvff cos2 0

f – frekvenční posuv

c – rychlost šíření uz vlnění

f0 – frekvence sondy

– úhel insonace

v – rychlost toku

Dopplerův efekt změna frekvence je determinována rychlostí intenzita signálu je determinována množstvím pohybujících

se elementů (např. krvinek)

směr průtoku při pohybu k sondě (od sondy) - směr průtoku při pohybu k sondě (od sondy) - BABARTRT průtok směrem průtok směrem k sondě k sondě je zobrazen ve spektru je zobrazen ve spektru nad nulovou linií nad nulovou linií průtok směrem průtok směrem od sondyod sondy je zobrazen ve spektru je zobrazen ve spektru pod nulovou pod nulovou

liniílinií

Význam Dopplerova jevu pro sonografiiV 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 (7x2m) vlnová délka UZ 5 MHz = 300

m

anechogenní krev

Kontinuální doppler. systémy ddopplerovské systémy s kontinuální nosnou vlnou (CWopplerovské systémy s kontinuální nosnou vlnou (CW))

nnejjednodušší zaejjednodušší zařřízení ízení chybí axiální rozlišení, tj. chybí axiální rozlišení, tj. nelze určit hloubka, ze které signál přicházínelze určit hloubka, ze které signál přichází

dvadva elektroakustickelektroakustické měniče (krystaly)é měniče (krystaly) vysílač přijímač

v oblastiv oblasti zájmu se překrývají zájmu se překrývají jeje-li -li v v oblasti oblasti zájmu zájmu více cévvíce cév záchyt signálu ze všech cév oblasti záchyt signálu ze všech cév oblasti

součet signálu součet signálu nelze odlišit rychlost toku v jednotlivých céváchnelze odlišit rychlost toku v jednotlivých cévách využití: tužkové Dopplery, cévní chirurgie, ozvy ploduvyužití: tužkové Dopplery, cévní chirurgie, ozvy plodu měří měří libovolně velké rychlosti

Pulzní dopplerovské systémy (PW) jedenjeden elektroakustický melektroakustický měěniničč, který , který ststřřídavídavěě ultrazvukové ultrazvukové

vlnvlněění vysílá a pní vysílá a přřijímáijímá sonda pracuje ve sonda pracuje ve ststřřídavémídavém, tj. , tj. pulzním režimu rrytmus vysílání se oznaytmus vysílání se označčuje jako uje jako opakovací frekvence opakovací frekvence a a

je v horní oblasti frekvencí omezen dobou potje v horní oblasti frekvencí omezen dobou potřřebnou ke ebnou ke zpzpěětnému návratu odratnému návratu odražženého signálueného signálu

ddobaoba mezi vysláním a p mezi vysláním a přříjmem ultrazvukového impulzu íjmem ultrazvukového impulzu je je úmúměěrná vzdálenosti rná vzdálenosti cévy od ultrazvukové sondycévy od ultrazvukové sondy

umožňuje umožňuje záznam záznam rychlostního spektra rychlostního spektra toku krve v cévtoku krve v cévěě vyšší mechanická energievyšší mechanická energie

1/1000 vysílač, 999/1000 přijímač

Barevný Doppler barevné dopplerovské mapování průtoku, Color Doppler Imaging barevné dopplerovské mapování průtoku, Color Doppler Imaging

(CDI), Color Flow Mapping (CFM).(CDI), Color Flow Mapping (CFM). kombinace B obrazu s pulzním Doppleremkombinace B obrazu s pulzním Dopplerem

v v B-obrazuB-obrazu je je definovaná výsečdefinovaná výseč, z, ze které e které je dopplerovská je dopplerovská informace o informace o pohybu (pohybu (rychlosti tokurychlosti toku)) analyzována a zobrazena analyzována a zobrazena v v podobě barevných pixelů, které jsou graficky zakomponovány do podobě barevných pixelů, které jsou graficky zakomponovány do nezávislého B-obrazunezávislého B-obrazu

sběr dat podél jedné vertikální obrazové linie sběr dat podél jedné vertikální obrazové linie minimálně 3x minimálně 3x – – snížení obnovovací frekvencesnížení obnovovací frekvence

semikvantitativnísemikvantitativní barva – směrbarva – směr odstín - rychlostodstín - rychlost

zobrazí zobrazí tok i v malých céváchtok i v malých cévách, v B-modu často , v B-modu často nedetekovatenýchnedetekovatených

pozor na šířku okna !pozor na šířku okna !

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)

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

časčas

rychlostrychlost

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

triplex

Energetický Doppler Color Doppler Energy (CDE), Color Power Angio (CPA), Color Amplitude Imaging (CAI),

Color Angiography, Doppler Power Mode, Power Mapping, Amplitude Mapping.

zobrazuje celou energii (amplitudu) dopplerovského signálu úměrná ploše vymezené spektrální křivkou

nezávislost na nezávislost na dopplerovském úhlu dopplerovském úhlu (kromě 90°)(kromě 90°) rychlostirychlosti

umožní zobrazit větší dynamický rozsah energie = i velmi pomalé tokyvelmi pomalé toky

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

směrový energetický Doppler

Steering lineární sondy malá možnost sklopení elektronické sklopení dopplerovských vln

lineární sonda

Doppler gain nezávisle od 2D Gain, a Color Gain

Priorita barevného záznamu Color versus Gray Scale, Gray Scale - Color Supression, Color versus Echo PriorityColor versus Gray Scale, Gray Scale - Color Supression, Color versus Echo Priority

prahová hodnota intenzity v B móduprahová hodnota intenzity v B módu dopplerovské signály v místech vyšší intenzity ignoroványdopplerovské signály v místech vyšší intenzity ignorovány

priorita – potlačí barvu v okolí cévypriorita – potlačí barvu v okolí cévy priorita – zobrazí barvu z echogenní / drobné cévypriorita – zobrazí barvu z echogenní / drobné cévy

Citlivost barevného záznamu color sensitivity, pulse number

počet UZ impulzů počet UZ impulzů podél vertikální podél vertikální obrazové linie obrazové linie (min. 3)(min. 3) více impulzů (např. 14 impulsů/linii)

vyšší barevná citlivost (pomalé toky – skrotum, lýtkové žíly) frame rate

méně impulzů (7-9) citlivost - jen rychlé toky frame rate (echokardiografie)

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

Frame rate

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

dopplerovský úhel

chyba (%)

90°60°0°0

50

100

nevyšetřovat při dopplerovském úhlu výrazně přesahujícím hodnotu 60°

céva

90°60°

0°

Dopplerovský úhel

cos2 0

cffv

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.

oblast, kde se měří signál (rychlost toku) nastavuje se umístění, tj. hloubka velikost

měla by odpovídat šíři cévy

Vzorkovací objem

Frekvence vzorkování signálu vzorkovací frekvence vzorkovací frekvence počet UZ impulsů za sekundu (PRF) počet UZ impulsů za sekundu (PRF)

Shannon-Kotelnikovovův vzorkovací teorém vzorkovací frekvence musí být minimálně vzorkovací frekvence musí být minimálně dvojnásobkem dvojnásobkem

nejvyššího kmitočtunejvyššího kmitočtu, který zobrazujeme, který zobrazujeme první signál se musí vrátit před vysláním dalšíhoprvní signál se musí vrátit před vysláním dalšího

mezní hodnota mezní hodnota ~~ Nyquistův limitNyquistův limit

platí pro spektrální i barevné zobrazeníplatí pro spektrální i barevné zobrazení

Aliasing efekt

II. ultrazvukový kongres. Čejkovice. 15.-17.1. 2009.

podstatná podstatná ztráta ztráta informace, její informace, její zkreslenízkreslení „„„„přestřelování“přestřelování“ závisí nazávisí na

frekvenci sondyfrekvenci sondy úhlu cévy k UZ svazkuúhlu cévy k UZ svazku vzdálenosti od cévyvzdálenosti od cévy

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

artefakt

cévacéva

Filtr wall filter, high pass filter, thump filter

zdroj signálu krevní tok nízkofrekvenční pohyby měkkých tkání – nízkofrekvenční pohyby měkkých tkání –

přenesené pulzace (srdce, cévy), dýchací pohybypřenesené pulzace (srdce, cévy), dýchací pohyby

jednoduchá elektronická propustelektronická propust vyloučení signálů 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 Dynamic Filter – selektivní filtrace jen těch

frekvencí, které souvisejí s pohybem tkáně vůči sondě

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.

Děkuji za pozornost!