(principy přístrojů CW, PW, CDI, ...) DOPPLEROVSKÁ ULTRASONOGRAFIE (principy přístrojů CW, PW, CDI, ...) doc. Ing. Jiří Hozman, Ph.D. CW PW

Christian Andreas Doppler (rakouský fyzik a matematik) * 29.11.1803 Salzburg, Austria † 17.3.1853 Venice, Italy 1835 - počátek pobytu v Praze 1842 - formulace Dopplerova principu 1845 - experimentální ověření 1847 - konec pobytu v Praze

Dopplerův princip (jev) Frekvence jakéhokoli vlnění se mění, pohybuje-li se jeho zdroj vůči pozorovateli či naopak. Aplikací tohoto principu je velmi mnoho, nás však zajímá měření rychlosti krve a s tím související otázky: 1. Emituje proudící krev zvukové vlnění? Ne. UZ vlnění ze sondy musí prostoupit tkání až k požadovaným cévám. 2. Od jakých částic se může UZ vlnění odrážet? Od suspenze krevní plazmy a krevních buněk (erytrocytů je nejvíce).

Červené krvinky - pohybující se přijímač - pohybující se zdroj Uvažujme dva případy: 1. Stacionární zdroj a pohybující se přijímač 2. Stacionární přijímač a pohybující se zdroj

1. Stacionární zdroj a pohybující se přijímač Dopplerova frekvence

2. Stacionární přijímač a pohybující se zdroj

Použitím rozvoje do Taylorovy řady Všechny členy s x2 a vyšší mocninou zanedbáme a protože v/c << 1 můžeme psát Dopplerova frekvence

Použití předchozích vztahů pro případ červených krvinek, které se pohybují pod určitým úhlem ke směru UZ paprsku

Zanedbáním členu (vp/c)2 dostaneme

Dopplerův kmitočet je pak dán Pro další úpravu použijeme goniometrické vzorce Pokud zavedeme následující značení

dostaneme Pokud úhel , pak dostaneme známý tvar rovnice Pro nastává optimální uspořádání, protože je maximalizován přijatý výkon. Dopplerův kmitočet může být kladný či záporný. To je závislé na směru toku krve. Nevýhodou je nutnost znát úhel , který v praxi neznáme a obtížně by se zjišťoval.

Demodulace Dopplerova signálu vysílaný signál přijatý signál

Výsledkem násobení v demodulátoru je Jednotlivé složky ve výše uvedeném vztahu znamenají: potlačení (DP) dvojnásobek vysílané frekvence potlačení (DP) dvojnásobek vysílané frekvence potlačení (HP) stejnosměrná složka Dopplerův signál, nelze určit směr

Směrové demodulační systémy Základní myšlenka Převést směrovou informaci, danou znaménkem frekvenčního posuvu na jiný indikátor směru, který by po demodulaci zůstal zachován Příklad Pro vysílanou frekvenci 5 MHz a frekvenci Dopplerova signálu 5,8 kHz musíme odlišit kladný směr toku krve, tj. 5,0058 MHz a záporný směr toku krve, tj. 4,9942 MHz.

Postupy pro separaci horní a dolní postranní frekvence - základní uspořádání směrového demodulátoru - fázové zpracování - zpracování ve frekvenční oblasti

Základní uspořádání směrového demodulátoru

Tyto výrazy obdržíme, pokud po násobení v demodulátoru aplikujeme stejné filtrace, jako u nesměrového Dopplerova demodulátoru fázový posuv  sin a cos  kvadraturní signály Pro je fázový rozdíl mezi VA a VB roven úhlu  Pro je fázový rozdíl mezi VA a VB roven úhlu 

Fázové zpracování kvadraturních signálů VA a VB fázový posuv  sin a cos  kvadraturní signály Pokud zanedbáme amplitudy, pak dostaneme forward flow (dopředný tok) - od sondy, tj. reverse flow (zpětný tok) - k sondě, tj.

 (1)  (2)  (3)  (4)

Úplný systém k separaci signálové složky odpovídající dopřednému a zpětnému toku ve frekvenční oblasti

Hlavní myšlenka - posun nulové frekvence, tj. nulové rychlosti na jinou frekvenci a představují chybu ve fázovém rozdílu signál nosné Dopplerův signál

USB LSB úprava do tvaru

výraz pro LSB se neuplatní, pokud bude platit, že

Demodulace založená na FFT a vztah ke spektru rychlosti proudící krve FFT algoritmus použit jako procesor ve frekvenční oblasti a zároveň jako frekvenční analyzátor Využití symetrie u FFT (N=64) sudá symetrie lichá symetrie

funkce Fourierova transformace f(t)  F() reálná a sudá  reálná a sudá imaginární a lichá  reálná a lichá

změna pořadí složek dopředný zpětný

Klasifikace Dopplerovských systémů - systémy detekující rychlost (velocity detecting systems) - duplexní systémy (duplex systems) - systémy detekující profil (profile detecting systems) - systémy zobrazující rychlost (velocity imaging systems)

Porovnání Dopplerovských systémů CW a PW UZ zobrazení v B-módu + Dopplerovský mód anatomické zobrazení + funkční zobrazení

Porovnání Dopplerovských systémů CW a PW Průtok krve - barevně kódován - směr od sondy modře, směr k sondě červeně, rychlost je pak vyjádřena sytostí barvy modré či červené

Porovnání Dopplerovských systémů CW a PW

Kontinuální Dopplerovské systémy CW - kontinuální vysílání i příjem, - v sondě dva piezo-elementy, - vzorkovací objem dán šířkou UZ svazku, - možnost detekovat velké rychlosti průtoku, - nerozliší hloubku - množství spektrálních složek.

Pulzní Dopplerovské systémy PW (Pulsed Wave) - pulzní vysílání i příjem, - v sondě jeden piezo-element, - vzorkovací objem dán délkou pulzu, - omezení rozsahu detekovaných rychlostí průtoku, - rozliší hloubku - méně spektrálních složek.

Omezení rozsahu detekovaných rychlostí průtoku u PW dáno

Typický příklad Ve vzdálenosti 10cm můžeme naměřit maximální rychlost

Systémy CFI (Colour Flow Imaging) - zavedení okolo roku 1982 (Aloka Co. Ltd, Japan), - přehled modalit CFI, - Colour Doppler imaging, - Power Doppler imaging, - Directional power Doppler imaging, - Harmonic colour Doppler imaging, - Harmonic power Doppler imaging, - Colour Doppler M-mode, - Doppler tissue imaging,

Systémy CFI - Colour Doppler imaging) - v každém pixelu je znázorněna informace o střední hodnotě frekvence (rychlosti) Dopplerovského signálu a směru toku,

Systémy CFI - Power Doppler imaging) - v každém pixelu je znázorněna informace o výkonu Dopplerovského signálu,

Systémy CFI – Directional power Doppler imaging) - informace o směru toku je použita k barevnému kódování pixelů v obraze, který byl získán z výkonu Dopplerovského signálu,

Systémy CFI – Harmonic colour Doppler imaging) - obraz je vytvořen na základě Dopplerovského signálu, ale získaného z harmonických odražené ultrazvukové vlny, místo ze základní frekvence, - zvýšený výskyt harmonických je způsoben použitím mikrobublinkových kontrastních látek v krvi,

Systémy CFI – Harmonic power Doppler imaging) - v každém pixelu je zobrazena informace o výkonu harmonického Dopplerovského signálu,

Systémy CFI – Colour Doppler M-mode) - ve standardním M-módu je směr paprsku fixní a na zobrazovacím zařízení můžeme vidět na horizontální ose čas a na svislé hloubku, - v konvenčním M-módu je velikost odražených ech kódována odstíny šedé, - v barevném Dopplerovském M-módu je v každém pixelu znázorněna informace o střední hodnotě frekvence Dopplerovského signálu a směru toku,

Systémy CFI – Colour Doppler M-mode)

Systémy CFI – Doppler tissue imaging) - technika byla přizpůsobena pro zobrazování Dopplerovských signálů o vysoké amplitudě a nízké frekvenci, tj. od tkáně, oproti Dopplerovským signálům o nízké amplitudě vysoké frekvenci, tj. od krve, - Harmonic Doppler tissue imaging – tento režim je proveditelný za podmínky, že použijeme přenosové pulsy s velkou amplitudou, tyto pulsy pak způsobují nelineární šíření,

Systémy CFI – Doppler tissue imaging)

Systémy CFI – obecné blokové schéma – fázové zprac.

Systémy CFI – blokové schéma – zpracování v časové oblasti – vzájemná korelace

Omezení kmitočtového pásma u PW

Klinické aplikace

Problémy k řešení, příklady, otázky, opakování

Poznámka – od čeho se odráží UZV vlnění (slide 4) – viz podrobně str Poznámka – od čeho se odráží UZV vlnění (slide 4) – viz podrobně str. 52 - … Bioinstrumentation krevní plazma – voda s mnoha rozpuštěnými elektrolyty a molekulami proteinů, významnou částí objemu krve (cca 40% - při sedimentaci tzv. hematokrit – závisí na pohlaví, věku apod.) tvoří červené krvinky (erytrocyty) – transport kyslíku, disk o průměru 8μm a tl. 2μm, bílé krvinky (leukocyty) – 1 na 600 červených krvinek, důležité při obraně organismu, krevní destičky- důležité při procesu srážení krve,

Poznámka – od čeho se odráží UZV vlnění (slide 4) – viz podrobně str Poznámka – od čeho se odráží UZV vlnění (slide 4) – viz podrobně str. 52 - … Bioinstrumentation - pokračování z akustického hlediska působí červené krvinky v krevní plazmě jako miniaturní částice způsobující rozptyl dopadající UZ vlny, dále rozměry erytrocytů (jednotky μm) jsou mnohem menší než vlnová délka cca 513 μm pro c=1540m/s, f=3MHz, tudíž rozptyl každé buňky je charakterizován jako tzv. Rayleighův rozptyl, obecně slabý a izotropní (směr. nezávislý), akustické vlastnosti červených krvinek se v zásadě neliší od vlastností okolní plazmy a membrána erytrocytů je příliš tenká, aby významně ovlivnila šíření UZ vlny,

Poznámka – od čeho se odráží UZV vlnění (slide 4) – viz podrobně str Poznámka – od čeho se odráží UZV vlnění (slide 4) – viz podrobně str. 52 - … Bioinstrumentation - pokračování vzhledem ke koncentraci erytrocytů u zdravého člověka okolo 5 000 000 na mm3 může být kompletní odražený výkon detekovatelný od interagujícího objemu, i přesto že jednotlivé buňky způsobují pouze nepatrný rozptyl, proto se zobrazuje krev jako tmavý odstín šedé v UZ snímcích (viz srdeční komory a síně).