Физические принципы допплеровского УЗИ

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 73

Принцип Доплера 74

Эффект Доплера применительно к ультразвуковой диагностике 75

Уравнение Доплера 76

Типы допплеровских инструментов в диагностической визуализации 78

Допплеровские артефакты 88

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

1. Изложить основные принципы эффекта Доплера и способы его применения в ультразвуковой медицине.

2. Обсудите значение угла доплеровского луча для получения надежных доплеровских сигналов.

3. Помните о взаимосвязи между скоростью кровотока (V) и сигналами с доплеровским сдвигом (F _d ).

4. Перечислите виды ультразвуковых допплеровских приборов, применяемых в ультразвуковой диагностике.

5. Опишите инструменты непрерывной волновой визуализации, цветной допплерографии и спектральной допплерографии.

6. Определите типичные доплеровские артефакты.

ВВЕДЕНИЕ

В этой главе представлены основные сведения о физических принципах и применении допплеровского ультразвука на практике. Применение допплера в УЗИ было впервые внедрено в 1980-х годах, и с тех пор этот метод распространился во всех специализированных областях практической ультрасонографии.

Ультразвуковая допплерография — это неинвазивный тест, который можно использовать для исследования движений и, в частности, для оценки кровотока в артериях и венах. Его также можно использовать для предоставления информации о перфузии кровотока в органе или в интересующей области. Более поздним применением является исследование движения стенок тканей при обследовании сердца (см. главу 14 «Новые технологии»).

Ультразвуковая допплерография может использоваться для диагностики многих заболеваний, в том числе:

• пороки сердечного клапана и врожденные пороки сердца

• заблокированная артерия (артериальная окклюзия)

• сужение (стеноз) артерии

• тромбы (тромбоз глубоких вен)

• варикозное расширение вен (венозная недостаточность)

• артериовенозные мальформации

• движение сердечной стенки.

ПРИНЦИП ДОППЛЕРА

Принцип Доплера назван в честь математика и физика Кристиана Иоганна Доплера, который впервые описал этот эффект в 1842 году, изучая свет звезд. Он продемонстрировал, что окраска движущихся звезд вызвана их движением относительно Земли. Это относительное движение привело либо к красному, либо к синему смещению частоты света. Этот сдвиг наблюдаемых частот волн от движущихся источников известен как эффект Доплера и применим как к звуковым, так и к световым волнам.

Эффект Доплера

Повседневный пример, демонстрирующий эффект Доплера, показан на рисунке 11.1 . Мы все знаем, что тон сирены скорой помощи меняется, когда мы останавливаемся и слушаем ее, когда она проезжает мимо. Частота, которая достигает вас, выше по мере приближения машины скорой помощи и ниже, когда машина скорой помощи проезжает мимо. Это следствие эффекта Доплера.

Рис. 11.1 . Влияние эффекта Доплера на относительную частоту излучения сирены скорой помощи, когда она проезжает мимо. Частота сирены приближающейся машины скорой помощи кажется выше по сравнению с частотой сирены, когда проезжает машина скорой помощи, которая кажется ниже

Происходит следующее: звуковые волны сжимаются, когда объект, производящий звук, движется в том же направлении, что и волны. Таким образом, слушатель (наблюдатель) принимает более короткие волны. Однако когда источник звука прошел мимо слушателя, волны теперь движутся в противоположном направлении (от слушателя), длина волны становится длиннее, и поэтому слушатель слышит изменение частоты.

Этот эффект Доплера используется в ультразвуковых приложениях для обнаружения кровотока путем анализа относительных сдвигов частоты принимаемых эхо-сигналов, вызванных движением эритроцитов.

ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА ДОППЛЕРА ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКЕ

Эффект Доплера в диагностической визуализации можно использовать, например, для изучения кровотока, и он предоставляет оператору три части информации для определения:

• Наличие или отсутствие потока

• Направление кровотока

• Скорость кровотока.

Датчик действует как передатчик и приемник допплеровского ультразвука. При использовании допплера для исследования кровотока в организме датчик обнаруживает возвращающиеся отраженные от крови эхо-сигналы. Эти сигналы обратного рассеяния (F _r ) затем обрабатываются устройством для обнаружения любых сдвигов частоты путем сравнения этих сигналов с переданными доплеровскими сигналами (F _t ). Обнаруженный сдвиг частоты будет зависеть от двух факторов, а именно от величины и направления кровотока (см. рис. 11.2 ).

Рис. 11.2. Ультразвуковой датчик, опрашивающий кровеносный сосуд. Передача доплеровского сигнала с частотой F _t и прием сигналов обратного рассеяния от эритроцитов внутри сосуда на частоте F _r

Давайте рассмотрим простую схему, показанную на рисунке 11.3 . Датчик передает доплеровский сигнал с частотой F _t . Передаваемый доплеровский сигнал опрашивает кровеносный сосуд, и датчик принимает сигналы обратного рассеяния от эритроцитов внутри сосуда на частоте F _r . Доплеровский сдвиг частоты (F _d ) можно вычислить путем вычитания переданного сигнала F _t из принятого сигнала F _r .

Рис. 11.3 . Демонстрация результирующих допплеровских смещенных сигналов для а) потока крови, движущегося к датчику; б) кровоток удаляется от датчика

Поток крови, движущийся к датчику, создает сигналы с положительным доплеровским сдвигом, и, наоборот, поток крови, движущийся от датчика, создает сигналы с отрицательным доплеровским сдвигом. Рисунок 11.3 иллюстрирует изменение полученных сигналов обратного рассеяния и результирующие доплеровские сдвиги для крови, движущейся к датчику и от него.

На рисунке 11.3а относительное направление кровотока относительно доплеровского луча — к датчику. В такой конструкции поток крови, движущийся к датчику, создает принимаемые сигналы (F _r ), которые имеют более высокую частоту, чем передаваемый луч (F _t ). Сигнал с доплеровским сдвигом (F _d ) можно рассчитать путем вычитания F _t из F _r и получить положительный сдвинутый доплеровский сигнал.

И наоборот, на рисунке 11.3b показан поток крови, удаляющийся от доплеровского луча и датчика. В такой конструкции поток крови, удаляющийся от датчика, создает принимаемые сигналы (F _r ), которые имеют более низкую частоту, чем передаваемый луч (F _t ). На этот раз частоты с доплеровским сдвигом (F _r − F _t ) создают сигнал с отрицательным доплеровским сдвигом.

Когда поток или движение не обнаружены, передаваемая частота (F _t ) равна принимаемой частоте (F _r ). Следовательно, F _r = F _t и F _d = F _r — F _t = 0, что приводит к отсутствию сигналов с доплеровским сдвигом.

Важно понимать, что амплитуда обратно рассеянных эхо-сигналов от крови намного слабее, чем от границ мягких тканей и органов, которые используются для построения наших анатомических изображений в B-режиме. Амплитуда сигнала обратного рассеяния крови может быть меньше в 100–1000 раз. Поэтому для обеспечения обнаружения и обработки этих сигналов требуется высокочувствительное и сложное аппаратное и обрабатывающее программное обеспечение.

УРАВНЕНИЕ ДОПЛЕРА

Уравнение Доплера показывает математическую взаимосвязь между обнаруженным доплеровским смещенным сигналом (F _d ) и скоростью кровотока (V):

1 

где:

F _d = сигнал с доплеровским сдвигом

F _t = передаваемая доплеровская частота

c = скорость распространения ультразвука в мягких тканях (1540 мс ^-1 )

V = скорость движущейся крови

θ = угол между лучом допплеровского ультразвука и направлением кровотока.

Число 2 является константой, указывающей, что доплеровский луч должен пройти к движущейся цели, а затем обратно к датчику.

Уравнение 1 : Уравнение Доплера.

Взаимосвязь между допплеровским смещенным сигналом (F _d ) и скоростью кровотока (V)

Уравнение Доплера ( Уравнение 1 ) демонстрирует, что существует взаимосвязь между сигналом с доплеровским сдвигом (F _d ) и скоростью кровотока (V). Сигнал с доплеровским сдвигом (F _d ) прямо пропорционален скорости кровотока (V), что означает, что более высокие скорости потока создают большие сигналы с доплеровским сдвигом, и, наоборот, более низкие скорости потока генерируют меньшие сигналы с доплеровским сдвигом. Если мы сможем обнаружить и измерить значение F _d, то уравнение Доплера можно будет перестроить (см. Уравнение 2 ) для расчета скоростей кровотока (V), которые можно будет обработать и отобразить.

2 

Уравнение 2 : уравнение Доплера, переработанное для расчета скорости кровотока (V).

Значение угла Доплера (θ)

Ультразвуковые аппараты способны рассчитывать частоты доплеровского сдвига в широком диапазоне углов, и важно, чтобы оператор понимал значение угла инсонации (θ) между доплеровским лучом и направлением кровотока в сосудах. На рисунке 11.4 графически показано, как изменяется сигнал с доплеровским сдвигом при изменении угла доплеровского луча.

Рис. 11.4 Графическая демонстрация зависимости частоты доплеровского сдвига от угла резонирующего доплеровского луча

Когда доплеровский луч направлен в направлении кровотока, наблюдается положительный допплеровский сдвинутый сигнал, но как только доплеровский луч направлен в сторону от направления кровотока, виден отрицательный доплеровский сдвинутый сигнал. Чем меньше угол между доплеровским лучом и кровеносным сосудом, тем больше допплеровский сдвиг сигнала. Очень слабые сигналы генерируются, когда угол доплеровского луча приближается к углу 90°.

В таблице 11.1 показана зависимость между углом доплеровского луча (θ) и значением cosθ. Значение cosθ меняется в зависимости от угла от 0 до 1. Когда θ = 0°, cosθ = 1, а когда θ = 90°, cosθ = 0.

Таблица 11.1. Изменение значения cosθ в диапазоне углов озвучивания. Максимальное значение cosθ соответствует углу доплеровского луча 0°.

УГОЛ i	ЗНАЧЕНИЕ COSθ
0	1
30	0.87
45	0.71
60	0.5
75	0.26
90	0

Для постоянной скорости потока (V) максимальное значение cosθ и, следовательно, самое высокое значение доплеровского сдвинутого сигнала (F _d ) находится под углом 0°. Это соответствует доплеровскому лучу, параллельному сосуду, что редко достигается на практике.

Теоретически, когда θ = 90°, это означает, что поток крови перпендикулярен доплеровскому лучу, cosθ = 0, и никакие доплеровские сигналы не регистрируются.

На практике при измерении кровотока важен угол доплеровского луча от 30 до 60° для обеспечения надежных сигналов с доплеровским сдвигом. Избегайте использования углов более 60° и помните, что при угле 90° не генерируются сигналы с доплеровским сдвигом.

Большие скорости потока и меньшие углы создают большие частоты доплеровского сдвига, но не более сильные сигналы доплеровского сдвига.

Типичные доплеровские сигналы кровотока

Ультразвуковые аппараты передают высокочастотные звуковые волны в мегагерцовом диапазоне, обычно от 2 до 20 МГц. Подстановка типичных физиологических скоростей кровотока в уравнение Доплера дает сдвинутые допплеровским сигналом сигналы, которые лежат в пределах слышимого диапазона. То есть диапазон частот, который может услышать человеческое ухо. Здоровый молодой человек обычно слышит от 20 до 20 000 циклов в секунду (от 20 Гц до 20 кГц).

Давайте рассчитаем типичную частоту доплеровского сигнала для крови, движущейся со скоростью 0,5 мс ^-1 , что показано на рисунке 11.5 . Частота передачи (F _t ) составляет 4 МГц, θ = 60°, а c (скорость распространения ультразвука) предполагается постоянной и составляет 1540 мс ^-1 .

Рис. 11.5 Иллюстрирует расчетный доплеровский сдвинутый сигнал с использованием уравнения Доплера для кровотока, движущегося со скоростью 50 см/с, для доплеровского луча, работающего на частоте 4 МГц, расположенного под углом зондирования 60°.

Используя уравнение Доплера ( уравнение 1 ), мы вычисляем частоту доплеровского сдвига, равную 1299 циклам в секунду, около 1300 Гц или сокращенно до 1,3 кГц.

Эти генерируемые сигналы с доплеровским сдвигом можно просто преобразовать в звуковой сигнал, который можно услышать и контролировать через громкоговоритель.

ТИПЫ ДОППЛЕРОВСКОГО ИНСТРУМЕНТА В ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

В ультразвуковом исследовании используется ряд типов допплеровских инструментов, в том числе:

• непрерывная волновая допплерография

• цветной допплер

• энергетический допплер

• спектральный импульсно-волновой (ПВ) допплер.

Методы допплерографии, применяемые в ультразвуковой диагностике, можно охарактеризовать как невизуализирующие или визуализирующие. Методы, не связанные с визуализацией, обычно используют небольшие или портативные устройства и используют допплерографию непрерывной волны (CW). Основная цель этих простых устройств CW — идентифицировать и/или контролировать кровоток. Два примера клинических исследований включают кардиомониторы плода в акушерстве и оценку периферического кровотока в сосудистой практике.

Методы визуализационной допплерографии, такие как цветной и спектральный PW-допплер, всегда используются с визуализацией в B-режиме, где анатомическое изображение в оттенках серого используется для идентификации кровеносных сосудов и областей для оценки кровотока. Эти методы требуют более сложной обработки, чем устройства CW.

Допплеровские устройства непрерывного действия

Доплеровские устройства непрерывной волны (CW) являются простейшими из доплеровских инструментов и обычно состоят из портативного устройства со встроенным динамиком, который подключен к датчику карандашного зонда ( рис. 11.6 ).

Рис. 11.6 Простое устройство непрерывного допплера, иллюстрирующее два пьезоэлектрических элемента на кончике преобразователя карандашного зонда: один действует как непрерывный передатчик, другой действует как непрерывный приемник.

Преобразователь состоит из двух пьезоэлектрических элементов: один элемент действует как непрерывный передатчик (F _t ), а другой — как непрерывный приемник (F _r ).

Эти два элемента установлены под углом друг к другу так, что лучи передачи и приема перекрывают друг друга, как показано на рисунке 11.7 . Эта область пересечения известна как активная или чувствительная область, и именно здесь можно обнаружить только доплеровские сигналы. Сигналы доплеровского сдвига (F _d ) обнаруживаются путем сравнения переданного и принятого сигналов: F _d = F _r — F _t .

Рис. 11.7 Элементы внутри преобразователя установлены под фиксированным углом. Доплеровские сигналы обнаруживаются только там, где лучи передатчика и приемника перекрываются.

Частота и угол между двумя элементами внутри преобразователя определяются клиническим применением.

Например, использование CW-допплера в акушерстве для мониторинга сердца плода требует достаточно низкочастотного допплеровского сигнала, чтобы он мог проникнуть на необходимую глубину; обычно используется частота 4 МГц. Угол и, следовательно, активная область пересечения между двумя элементами также устанавливаются в соответствии с требуемой глубиной интеграции.

Сравните это с оценкой периферического кровообращения в ногах. Здесь требуется устройство CW Doppler для обнаружения кровотока в сосудах, расположенных очень близко к поверхности кожи. Таким образом, здесь можно использовать более высокую частоту доплеровской передачи, обычно 8 МГц, и угол между двумя кристаллами внутри зонда больше, так что область пересечения соответствует требуемой глубине всего в пару сантиметров.

Существуют различные устройства CW Doppler для обнаружения кровотока. Они варьируются от простых недорогих портативных допплеровских устройств, в которых доплеровский сигнал обрабатывается для обеспечения звукового вывода, до более сложных устройств, которые обеспечивают визуальное отображение сдвинутых допплеровских структур кровотока.

Основным недостатком устройств CW является то, что датчик чувствителен к любому кровотоку в области пересечения. Если в этой области пересечения присутствует более одного сосуда, то доплеровские сигналы получаются от более чем одного сосуда одновременно. Артерии и вены часто располагаются рядом друг с другом, поэтому во многих случаях устройства CW одновременно обнаруживают сигналы артериального и венозного кровотока. Кроме того, устройства CW не могут предоставить информацию о глубине, с которой вернулись сигналы кровотока, и не могут измерить скорость кровотока (V).

Преимущества устройств CW Doppler заключаются в том, что они небольшие, дешевые и относительно просты в использовании при минимальном обучении. Кровоток можно обнаружить и контролировать с помощью громкоговорителя, либо графики кровотока можно отобразить графически.

В Таблице 11.2 суммированы преимущества и недостатки устройств CW Doppler.

Таблица 11.2 Сравнительные преимущества и недостатки непрерывного допплера.

НЕПРЕРЫВНЫЕ ДОПЛЕРОВСКИЕ УСТРОЙСТВА
ПРЕИМУЩЕСТВА	НЕДОСТАТКИ
Маленький	Невозможно различить несколько сосудов в области пересечения.
Дешево – простой дизайн	Невозможно измерить скорость
Относительно простой в использовании и поиске судна.	Невозможно предоставить информацию о глубине.
Может отображать закономерности кровотока

Допплеровская визуализация

Существует три различных типа допплеровской визуализации, которые сейчас будут обсуждаться:

1. Цветовой поток

2. Энергетический допплер

3. Спектральный допплер.

Цветная потоковая визуализация

Цветная визуализация потока была впервые представлена ​​в середине 1980-х годов и с тех пор расширила роль ультразвука как диагностического инструмента. Он может быстро и эффективно позволить оператору определить наличие и направление кровотока в сосудах, а также выделить крупные аномалии кровообращения на анатомическом изображении в B-режиме.

Вероятно, это первый метод допплерографии, который оператор будет использовать для исследования кровотока. Визуализация цветового потока всегда используется в сочетании с визуализацией в B-режиме, и после ее активации оператору отображается интересующая область, известная как «цветовой блок», и вертикальная полоса «цветовой шкалы», которые накладываются на изображение в B-режиме. , как показано на рисунке 11.8 .

Рис. 11.8. Изображение в B-режиме с наложенной информацией о цветовом потоке. Обратите внимание, что информация о цветовом потоке отображается только в области цветового поля. Вертикальная полоса цветовой шкалы расположена в правой части дисплея.

В отличие от устройств CW Doppler, где непрерывные доплеровские лучи генерируются и передаются двумя отдельными элементами внутри преобразователя, при визуализации цветового потока используются небольшие группы элементов для передачи и приема доплеровских сигналов. Доплеровские сигналы состоят из серии коротких всплесков или импульсов ультразвука, подобных тем, которые используются при визуализации в B-режиме. Для формирования изображения цветового потока преобразователем генерируются дополнительные допплеровские ультразвуковые импульсы, которые обычно в три-четыре раза длиннее, чем те, которые используются для визуализации в B-режиме. Элементы преобразователя быстро переключаются между B-режимом и визуализацией цветового потока, чтобы создать впечатление комбинированного одновременного изображения, и это часто называют дуплексной визуализацией, где дуплекс означает «двойной».

Положение и размер этого цветного поля могут быть отрегулированы оператором в соответствии с выбранной интересующей областью для обеспечения визуального отображения с цветовой кодировкой или карты кровотока.

Цветная коробка

Цветное изображение в цветовом блоке состоит из сотен строк сканирования, каждая из которых разделена на небольшие объемы образцов, как показано на рисунке 11.9 . Обычно в каждой строке сканирования содержатся сотни объемов проб, что составляет тысячи объемов проб в цветовом поле.

Рис. 11.9. Поле цветового потока состоит из сотен строк развертки. Каждая линия сканирования состоит из сотен небольших объемов образцов, которые индивидуально детектируют обратнорассеянные допплеровские ультразвуковые сигналы.

Для каждого отдельного объема образца вдоль каждой линии сканирования рассчитывается средняя или средняя скорость доплеровского смещения. Этой средней скорости с доплеровским сдвигом, которая может быть положительной или отрицательной, присваивается цвет, который затем отображается на цветовую шкалу, состоящую из двух основных цветов. Обычно это красный цвет для сигналов с положительным доплеровским сдвигом (соответствует потоку крови, идущему к датчику) и синий для сигналов с отрицательным доплеровским сдвигом (соответствующий потоку крови от датчика). Это типичное расположение можно увидеть на рисунке 11.8 .

После обработки этой информации о направлении объему пробы присваивается оттенок или оттенок в зависимости от рассчитанной средней скорости.

Информация о цветовом потоке в цветовом блоке формируется путем последовательной обработки информации в каждом объеме образца вдоль каждой линии сканирования. Чтобы получить надежную оценку средней скорости в каждом объеме образца, требуется несколько (10 или более) последовательностей импульсов-эхо для создания каждой строки сканирования информации о цветовом потоке. Эта серия последовательностей импульс-эхо затем повторяется для следующей соседней строки сканирования и так далее, как в случае с визуализацией в B-режиме.

Следствием этого метода многократного эхо-импульса является то, что для сбора и обработки информации, необходимой для визуализации цветового потока, требуется больше времени, чем для стандартной визуализации в B-режиме. В результате изображения с цветовым потоком имеют тенденцию иметь более низкую частоту кадров, чем изображения, используемые в B-режиме.

Цветовая гамма

Цветовая шкала представлена ​​в виде вертикальной цветовой полосы и обычно располагается сбоку от изображения в B-режиме (см. рис. 11.8 ). Более пристальный взгляд на цветовую полосу показывает, что она состоит из двух основных цветов, каждый из которых разделен на разные оттенки или оттенки.

Так же, как и при визуализации в B-режиме, где амплитудам возвращающихся эхо-сигналов присваивается различный уровень серого для формирования изображения в B-режиме (более высоким амплитудам эхо-сигнала присваиваются более яркие уровни серого, а эхо-сигналам с низкой амплитудой назначаются более темные оттенки серого), в цвете При визуализации потока аналогично более высоким расчетным средним скоростям потока присваиваются различные оттенки красного и синего. Чем выше скорость, тем ярче назначенный оттенок или оттенок.

Рисунок 11.10 иллюстрирует типичную используемую цветовую шкалу. Как видите, он состоит из вертикальной цветовой полосы, разделенной от центра на два основных цвета. Центр стандартной цветной шкалы соответствует нулевому потоку или его отсутствию. В этом случае поток крови к датчику будет отмечен красным, а поток крови от датчика — синим. Однако в большинстве устройств эта цветовая шкала при необходимости может быть изменена оператором.

Рис. 11.10 Типичная цветовая шкала. Кровь, текущая к датчику, отображается КРАСНЫМ цветом, кровь, текущая от датчика, — СИНИМ. Более яркие оттенки указывают на более высокие скорости.

Значение угла

При любом методе допплера важен угол. Внешний вид изображения цветного потока во многом зависит от того, насколько оператор может получить достаточный угол между лучом допплеровского ультразвука и сосудом.

Датчики с криволинейной и фазированной решеткой имеют диаграмму направленности ультразвуковых лучей, которая может создавать сложные цветные изображения потока в зависимости от ориентации артерий и вен относительно допплеровского луча. Это можно увидеть на рисунке 11.11 , где представлено цветное изображение пуповины.

Рис. 11.11. Цветовая визуализация пуповины, подчеркивающая сложную картину кровотока.

Многие периферические сосуды проходят параллельно лицевой стороне линейного датчика и перпендикулярно допплеровскому лучу. Если угол доплеровского луча по отношению к сосуду составляет 90°, доплеровский сигнал будет незначительным или вообще не будет обнаружен, как показано на рисунке 11.12 . При использовании преобразователя с линейной решеткой оператор может решить эту проблему путем электронного управления доплеровским лучом. Это выполняется путем изменения угла цветового поля, как показано на рисунке 11.13 . Цель состоит в том, чтобы получить достаточно малый угол между доплеровским лучом и кровеносным сосудом, чтобы обеспечить надежные доплеровские сигналы.

Рис. 11.12. Цветовая визуализация потока, демонстрирующая отсутствие доплеровского сигнала, когда сосуд находится под углом 90° к допплеровскому лучу.

Рис. 11.13 Цветное изображение общей сонной артерии с управляемым цветовым блоком для получения достаточных углов для получения надежных допплеровских сигналов.

На практике опытный оператор изменяет подход к сканированию и направляет доплеровский луч так, чтобы получить хорошие углы между доплеровским лучом и сосудом, чтобы избежать однозначных изображений цветового потока.

Псевдонимы

Наложение псевдонимов происходит во всех приборах импульсной доплеровской допплерографии, поскольку они используют метод выборки для создания сигналов с доплеровским сдвигом.

Информация о цветовом потоке не создается непрерывно, как в случае с устройствами CW Doppler, а формируется из серии доплеровских ультразвуковых импульсов, которые передаются с заданной скоростью, известной как частота дискретизации.

Чтобы измерить множество частот с доплеровским сдвигом, присутствующих в типичных картинах кровотока, по каждой линии сканирования по очереди посылаются тысячи импульсов. Эти дискретизированные импульсы используются для создания сигнала с доплеровским сдвигом, и для точного построения сигнала с доплеровским сдвигом должно быть достаточное количество выборок в секунду.

Совмещение — это неправильная оценка сигналов с доплеровским сдвигом из-за недостаточной дискретизации, которая приводит к появлению ложного сигнала более низкой частоты с доплеровским сдвигом в дискретизированном сигнале. На рисунке 11.14 показаны сигнал с недостаточной дискретизацией и сигнал с адекватной выборкой простой синусоидальной волны.

Рис. 11.14 а) Недостаточно дискретизированный сигнал; б) адекватно дискретизированный сигнал

На рисунке 11.14a сигнал с недостаточной дискретизацией имеет более низкую частоту, чем реальный сигнал – два цикла вместо десяти периодов.

Увеличение частоты выборки, как показано на рисунке 11.14b, увеличивает количество точек данных, полученных за определенный период времени. Высокая частота дискретизации обеспечивает лучшее представление исходного сигнала, чем более медленная частота дискретизации.

Эффект сглаживания можно увидеть при просмотре фильмов, где может показаться, что колеса телеги движутся назад, а не вперед из-за низкой частоты кадров в фильме, что приводит к неправильной интерпретации движения спиц колес. Истинная скорость и правильное направление колеса видны только в том случае, если частота кадров фильма достаточно высокая.

Значение частоты повторения импульсов

Частота, то есть частота дискретизации, с которой могут отправляться эти импульсы, определяется частотой повторения импульсов системы (PRF), которую можно регулировать с помощью кнопки управления цветовой шкалой. Увеличение цветовой шкалы увеличивает PRF системы и, наоборот, уменьшение цветовой шкалы приведет к уменьшению PRF системы.

Существует верхний предел PRF системы, то есть цветовой шкалы, который ограничен временем, которое система должна ожидать, чтобы получить все возвращающиеся эхо-сигналы по каждой строке сканирования, прежде чем отправлять другую. Это связано с максимальным количеством сигналов с доплеровским сдвигом (F _d ), которые можно обнаружить. Максимальный доплеровский сдвинутый сигнал F _d , который можно измерить, ограничен и равен половине частоты повторения импульсов системы, что математически представлено ниже:

Это условие известно как предел Найквиста. Если предел Найквиста превышен, произойдет сглаживание. При возникновении псевдонимов отображаемые цвета «обтекают» шкалу цветовой шкалы, и цвета изменяются от максимального цвета в одном направлении до максимального в противоположном направлении.

Рисунок 11.15a иллюстрирует совмещение цветов, которое возникает, когда цветовая шкала установлена ​​слишком низко. Доплеровские сигналы подвергаются недостаточной дискретизации с частотой PRF = 12,5 кГц, что соответствует максимальной скорости цветовой шкалы 13,9 см/с. В этом примере внутри сосуда наблюдаются изменения цветового потока от СИНЕГО к КРАСНОМУ. Увеличение цветовой шкалы увеличивает PRF с 12,5 кГц до 14 кГц, чего достаточно для устранения сглаживания внутри изображения, как показано на рисунке 11.15b .

Рис. 11.15 а) Установлена ​​слишком низкая цветовая шкала, что приводит к искажению сигнала цветового допплера. Доплеровские сигналы субдискретизируются при PRF = 12,5 кГц. б) Цветовая шкала и ЧПИ увеличены, чтобы обеспечить адекватную выборку доплеровских сигналов, что приводит к устранению наложения спектров. Это достигается при более высоком PRF 14 кГц.

Значение глубины

Существует связь между максимальной скоростью крови, которую можно обнаружить, и максимальной глубиной исследования сосуда. По мере увеличения глубины исследования время прохождения импульса до отражателя и от него увеличивается; это, в свою очередь, снижает PRF системы. Это уменьшение PRF системы уменьшает максимальный доплеровский сдвинутый сигнал (F _d ), который может отображаться до того, как произойдет наложение спектров. В результате максимальные сигналы с доплеровским сдвигом (F _d ), которые можно измерить, уменьшаются с глубиной.

Преимущества и ограничения визуализации цветового потока

Преимущества

• Дает общее представление о потоке в регионе.

• Указывает направление потока

• Выявляет области турбулентных скоростей потока и аномалий.

• Указывает на отсутствие кровотока в окклюзированных сосудах.

Ограничения включают в себя

• Информация о расходе ограничена средней скоростью.

• Плохое временное разрешение — частота кадров может быть низкой при глубоком сканировании.

• С учетом псевдонимов

• В зависимости от угла.

Энергетический допплер

Энергетический допплер также называют энергетическим допплером, амплитудным допплером и допплеровской ангиографией. Это метод визуализации цветового потока, который отображает величину, то есть мощность обратного доплеровского сигнала, а не скорости потока с доплеровским сдвигом. Мгновенная мощность сигнала, содержащаяся в доплеровском сигнале, рассчитывается и накладывается на изображение в B-режиме, как показано на рисунке 11.16 . Его эффект заключается в создании карты областей перфузии путем отображения амплитуды эритроцитов в определенной области.

Рис. 11.16. Энергетическое допплеровское изображение бифуркации сонной артерии.

Энергетический допплер не отображает относительную скорость и направление кровотока, как в случае с цветовой визуализацией потока. Энергетический допплер использует единую цветовую шкалу и сопоставляет увеличение силы сигнала с увеличением яркости. Его часто используют в сочетании с усреднением кадров для повышения чувствительности к низким расходам и скоростям.

Энергетический допплер имеет ряд преимуществ перед цветной визуализацией, в том числе:

• быть более чувствительным к потоку и обнаруживать низкие потоки. Отображение мощности обратного рассеяния не зависит от угла.

• не подвержен псевдонимам, поскольку не используется метод выборки

• обеспечение лучшего обнаружения границ, например, вокруг артериальных бляшек.

Но у него есть недостатки:

• отсутствие отображения информации о направлении скорости потока

• очень плохое временное разрешение – используется высокая степень усреднения кадров

• чрезвычайная чувствительность к движению – это означает, что для получения хороших изображений датчик необходимо держать неподвижно.

Спектральный или импульсно-волновой допплер

Спектральная допплерография, также называемая импульсно-волновой (PW) допплерографией, сочетается с методами визуализации B-режима и цветового потока и позволяет оценивать кровоток в очень небольшой области, известной как объем образца. Этот метод известен как стробирование диапазона.

При первоначальном запуске спектральной допплерографии одна ось доплеровского луча накладывается на изображение B-режима и цветового потока, как показано на рисунке 11.17 . Размер и положение объема образца можно регулировать в любом месте вдоль оси доплеровского луча, и эта информация отображается на мониторе. Положение объема образца определяет, где вдоль допплеровского луча будут исследоваться скорости кровотока. Размер объема образца определяет, какая часть сосуда исследуется. Для исследований артерий объем образца располагается в центре сосуда, а размер объема образца устанавливается равным примерно от половины до одной трети диаметра сосуда.

Рис. 11.17. Изображение компонентов на экране при активации спектрального допплера. Выделение оси доплеровского луча, объема образца и курсора коррекции угла. Размер и положение объема пробы всегда отображаются на экране.

Когда объем образца правильно расположен над интересующей точкой, активируется спектральный допплеровский дисплей, предоставляющий информацию о скорости кровотока.

Сам доплеровский луч можно перемещать по изображению в B-режиме и следовать по траектории линий сканирования изображения в B-режиме для датчика с секторной решеткой, как показано на рисунке 11.17 . При использовании линейных датчиков доплеровский луч можно управлять, что позволяет оператору добиться необходимого угла между доплеровским лучом и исследуемым кровеносным сосудом. Пример этого показан на рисунке 11.18 .

Рис. 11.18. Пример линейного преобразователя, электронно управляющего как цветным, так и спектральным доплеровским лучом для получения достаточного угла между доплеровским лучом и кровеносным сосудом для надежной допплеровской оценки.

Курсор коррекции угла, расположенный в центре объема образца, используется для оценки угла зондирования между сосудом и доплеровским лучом и должен быть отрегулирован так, чтобы совпадать с направлением кровотока в сосуде для расчета абсолютных скоростей кровотока на основе обнаруженных значений. Допплеровский сдвиг сигналов.

Путем коррекции угла оператор передает ультразвуковой системе фактическое значение θ в уравнении Доплера. Как только θ станет известно, уравнение Доплера можно использовать для расчета фактической скорости кровотока. Точные и надежные значения скорости потока в спектральном допплеровском режиме достигаются при углах θ между доплеровским лучом и направлением кровотока, которые не превышают 60°.

Цветная визуализация кровотока, которая отображает кровоток на гораздо большей площади, используется в сочетании со спектральной допплерографией, выделяя области нарушенного или турбулентного кровотока для оценки спектральной допплерографии.

Спектральная допплерография в сочетании с B-режимом в реальном времени и визуализацией цветового потока известна как триплексная визуализация. Когда оператор использует триплексную визуализацию, сбор и обработка данных распределяются между всеми тремя режимами. Это снижает общую частоту кадров изображения и частоту доплеровской выборки, что, в свою очередь, ограничивает диапазон измерения скорости кровотока.

Оптимальные оценки спектральной допплерографии достигаются, когда B-режим и режимы визуализации цветового потока временно заморожены, что позволяет использовать больше времени для быстрой спектральной допплеровской обработки.

Генерация спектральных PW-доплеровских сигналов

Спектральная допплерография аналогична визуализации цветового потока в том смысле, что она использует метод выборки для создания спектрально-допплеровских сдвинутых сигналов. Как и в случае с визуализацией в B-режиме, небольшая группа элементов внутри преобразователя действует как передатчик и приемник доплеровского ультразвука, передавая регулярные короткие импульсы спектральных доплеровских сигналов, из которых обрабатываются полученные доплерово-смещенные сигналы. Однако спектральный допплер излучает только один луч, в отличие от цветного допплера, который требует множества соседних лучей для формирования изображения цветового потока. Импульсы, генерируемые для спектральной допплерографии, отличаются от импульсов, используемых для визуализации в B-режиме, и, как правило, имеют длину, обычно 6–10 циклов.

Обработка и отображение импульсно-волнового доплеровского сигнала

Спектральная допплерография дает более подробную информацию о кровотоке, чем цветная визуализация потока, и способна отображать изменения и распределение скоростей кровотока в течение сердечного цикла. Спектральный доплеровский сигнал содержит всю эту информацию.

Доплеровские сигналы обрабатываются с помощью спектрального анализа, чтобы обеспечить более содержательный и полезный способ визуального представления информации о доплеровской скорости. Спектральный анализ разбивает доплеровские сигналы, полученные в объеме образца, на диапазон частотных составляющих, которые преобразуются в диапазон скоростей потока. Процесс спектрального анализа можно рассматривать как аналог использования призмы для разделения видимого света на отдельные компоненты, то есть на его цветовой спектр, как показано на рисунке 11.19 .

Рис. 11.19. Призма, разделяющая свет на отдельные компоненты, аналогична процессу, используемому при спектральном анализе.

На рисунке 11.20 показана типичная кривая спектрального анализа бедренной артерии, время вдоль горизонтальной оси и скорости потока (рассчитанные на основе допплеровских сигналов) вдоль вертикальной оси. Вертикальная ось разделена на две, чтобы можно было отображать как положительные, так и отрицательные сигналы с доплеровским сдвигом. Базовая линия относится к нулевому расходу. Оператор может регулировать как шкалу скорости, так и базовую линию, чтобы гарантировать оптимальное отображение спектральных сигналов.

Рис. 11.20 Спектральная форма волны бедренной артерии, отображающая время по горизонтальной оси и скорости кровотока по вертикальной оси.

Третья ось спектральной трассы соответствует мощности обратного рассеяния доплеровского сдвинутого сигнала при каждой скорости. Это просто отображается как яркость, как показано на рисунке 11.21 .

Рис. 11.21. Кривая спектрального анализа, показывающая изменение скоростей в течение сердечного цикла. Яркость соответствует мощности обратного рассеяния доплеровского сдвинутого сигнала при каждой скорости.

Спектральный анализ выполняется бортовым компьютером ультразвукового аппарата с использованием математического метода, известного как быстрое преобразование Фурье (БПФ), и каждую секунду выдает от 100 до 200 строк обработанных данных. Системы PW Doppler способны обрабатывать информацию достаточно быстро, чтобы создавать спектральные доплеровские сигналы в реальном времени, и, как следствие этого, быстрая обработка, как говорят, имеет хорошее временное разрешение.

Псевдонимы

Поскольку спектральный допплер использует метод выборки для опроса и сбора информации о скорости кровотока, он подвержен наложению спектров. Как обсуждалось в разделе «Визуализация цветового потока», наложение псевдонимов регулируется доплеровской PRF системы, которую можно регулировать с помощью элемента управления «масштабом» спектрального доплера. Максимальная скорость, которую можно измерить, прямо пропорциональна половине значения PRF. Чем выше частота повторения доплеровских импульсов, тем выше скорость доплеровского смещения, которую можно измерить. PRF также связан с положением (т.е. глубиной) объема образца. Чем глубже объем образца расположен в изображении B-режима, тем ниже значение PRF из-за ограничений по времени, т. е. системе приходится дольше ждать, чтобы получить отраженные доплеровские импульсы от объема образца, который расположен глубоко внутри изображения. а не тот, который расположен рядом с датчиком. Взаимосвязь между PRF, максимальной измеряемой скоростью и глубиной объема образца представлена ​​в Таблице 11.3 .

Таблица 11.3 . Демонстрация взаимосвязи между PRF, максимальной измеримой скоростью и глубиной образца.

ДЕЙСТВИЕ	ПОСЛЕДСТВИЕ
По мере увеличения PRF	Максимально измеримое увеличение скорости
По мере уменьшения PRF	Максимальная измеримая скорость уменьшается
По мере увеличения глубины объема образца	PRF снижается	Максимальная измеримая скорость уменьшается
По мере уменьшения глубины объема образца	PRF увеличивается	Максимально измеримое увеличение скорости

Эффекты наложения спектров показаны на рисунке 11.22 , и их не всегда можно устранить, поскольку не всегда возможно иметь PRF значительно выше, чем сигнал с доплеровским сдвигом. Однако эти эффекты можно свести к минимуму, настроив следующие элементы управления:

• Увеличить шкалу вертикальной спектральной скорости, что, в свою очередь, увеличит PRF системы.

• Смещение нулевой базовой линии спектра PW, что возможно только в том случае, если поток существенно направлен в одном направлении.

• Уменьшите передаваемую частоту (F _t ), поскольку уравнение Доплера показывает, что частота с доплеровским сдвигом (F _d ) пропорциональна F _t , поэтому уменьшение F _t приведет к снижению значения F _d.

• Уменьшите угол (θ) между доплеровским лучом и сосудом.

Рис. 11.22 Пример алиасинга и исправления алиасинга. а) Формы сигналов со сглаживанием охватывают шкалу скорости, в результате чего пики отображаются ниже базовой линии. б) Избегание наложений с использованием той же самой спектральной формы сигнала достигается за счет увеличения частоты повторения импульсов, т. е. увеличения шкалы скорости.

Преимущества и недостатки спектральной допплерографии

Преимущества

• Исследует поток на одном объекте

• Хорошее временное разрешение – дает подробный анализ распределения скоростей кровотока в сердечном цикле.

• Может производить расчеты скорости потока.

Недостатки

• Использует метод выборки и, следовательно, подвержен псевдонимам.

• Ограничение максимальной скорости, которую можно измерить – регулируется PRF.

• В зависимости от угла.

Таблица 11.4 суммирует и сравнивает эти три доплеровских режима.

Таблица 11.4. Сравнение и сводка режимов допплеровской визуализации потока.

РЕЖИМ ДОППЛЕРОВСКОГО ПОТОКА	ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ
Цветная потоковая визуализация	• Дает общее представление о потоке в регионе. • Определяет скорости турбулентного потока • Информация о расходе ограничена средней скоростью. • Плохое временное разрешение — частота кадров может быть низкой при глубоком сканировании. • С учетом псевдонимов • В зависимости от угла
Энергетический допплер	• Чувствителен к низким расходам • Нет информации о направлении • Очень плохое временное разрешение – чувствительно к движению датчика. • Не зависит от угла
Спектральный допплер	• Исследует поток на одном объекте • Хорошее временное разрешение – дает подробный анализ распределения скоростей кровотока в сердечном цикле. • Может производить расчеты скорости потока • С учетом псевдонимов • Ограничение максимальной скорости, которую можно измерить – регулируется PRF. • В зависимости от угла

ДОПЛЕРОВСКИЕ АРТЕФАКТЫ

Псевдонимы

Сглаживание является наиболее распространенным доплеровским артефактом и встречается во всех приборах импульсной допплерографии, поскольку они используют метод выборки для создания сигналов с доплеровским сдвигом. Псевдоним — это неправильная оценка сигналов с доплеровским сдвигом из-за недостаточной выборки. При возникновении наложения отображаемые сигналы доплеровского сдвига «обертывают» шкалу доплеровской скорости, а сигналы с доплеровским сдвигом изменяются от максимальной скорости в одном направлении до максимальной в противоположном направлении. На рисунках 11.15 и 11.22 показано влияние наложения спектров на цветные и спектральные допплеровские изображения.

Допплеровское зеркальное изображение

Этот тип артефакта можно увидеть как при спектральной допплерографии, так и при визуализации цветового потока.

Этот зеркальный артефакт можно увидеть на спектральных доплеровских кривых, где электронное дублирование спектральной информации отображается ниже нулевой базовой линии, как показано на рисунке 11.23 . Обычно это происходит из-за того, что коэффициент усиления доплеровского приемника установлен слишком высоко.

Рис. 11.23 . Демонстрация артефакта спектрального доплеровского зеркала из-за слишком высокого коэффициента усиления приемника.

Цветные изображения также могут создавать зеркальные артефакты, и их обычно можно увидеть там, где сосуд находится над сильно отражающей поверхностью. На рис. 11.24 показано зеркальное изображение подключичной артерии, полученное в результате множественных отражений от плевры над легким, где присутствует граница между мягкими тканями и воздухом, вызывающая сильные отражения.

Рис. 11.24 Цветное изображение подключичной артерии с зеркальным изображением ниже плевры.

Флэш-артефакт

И в цветовом допплеровском режиме, и в энергетическом допплеровском режиме используются фильтры для подавления сигналов, исходящих от неподвижных или почти неподвижных тканей. Однако большие движения тканей, вызванные, например, тяжелым дыханием или быстрым движением датчика, могут вызвать значительные вспышки цвета на больших участках изображения цветового потока. Некоторые машины имеют алгоритмы подавления движения, позволяющие уменьшить этот артефакт вспышки. Это показано на рисунке 11.25 .

Рис. 11.25 . Демонстрация цветных вспышек на изображении, вызванных быстрыми движениями датчика или тканей при дыхании.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

• Эффект Доплера можно применять в ультразвуковой диагностике для обнаружения движения внутренних структур и движения кровотока.

• Доступен целый ряд допплеровских инструментов: от простых портативных устройств CW до более сложных и совершенных аппаратов доплеровской визуализации.

• Приборы доплеровской визуализации используют эффект Доплера для обработки информации, которая может отображать движение, направление и скорость кровотока.

• Доплеровские сигналы подвержены угловой зависимости.

• Визуализация цветового потока и спектральная допплерография используют метод выборки для построения доплеровских сигналов и, как следствие этого, подвержены наложению спектров.

• При использовании допплеровских ультразвуковых инструментов могут возникать артефакты, в том числе сглаживание, зеркальное отображение и артефакты вспышки.

Физические принципы допплеровского УЗИ

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 73

Принцип Доплера 74

Эффект Доплера применительно к ультразвуковой диагностике 75

Уравнение Доплера 76

Типы допплеровских инструментов в диагностической визуализации 78

Допплеровские артефакты 88

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

1. Изложить основные принципы эффекта Доплера и способы его применения в ультразвуковой медицине.

2. Обсудите значение угла доплеровского луча для получения надежных доплеровских сигналов.

3. Помните о взаимосвязи между скоростью кровотока (V) и сигналами с доплеровским сдвигом (F _d ).

4. Перечислите виды ультразвуковых допплеровских приборов, применяемых в ультразвуковой диагностике.

5. Опишите инструменты непрерывной волновой визуализации, цветной допплерографии и спектральной допплерографии.

6. Определите типичные доплеровские артефакты.

ВВЕДЕНИЕ

В этой главе представлены основные сведения о физических принципах и применении допплеровского ультразвука на практике. Применение допплера в УЗИ было впервые внедрено в 1980-х годах, и с тех пор этот метод распространился во всех специализированных областях практической ультрасонографии.

Ультразвуковая допплерография — это неинвазивный тест, который можно использовать для исследования движений и, в частности, для оценки кровотока в артериях и венах. Его также можно использовать для предоставления информации о перфузии кровотока в органе или в интересующей области. Более поздним применением является исследование движения стенок тканей при обследовании сердца (см. главу 14 «Новые технологии»).

Ультразвуковая допплерография может использоваться для диагностики многих заболеваний, в том числе:

• пороки сердечного клапана и врожденные пороки сердца

• заблокированная артерия (артериальная окклюзия)

• сужение (стеноз) артерии

• тромбы (тромбоз глубоких вен)

• варикозное расширение вен (венозная недостаточность)

• артериовенозные мальформации

• движение сердечной стенки.

ПРИНЦИП ДОППЛЕРА

Принцип Доплера назван в честь математика и физика Кристиана Иоганна Доплера, который впервые описал этот эффект в 1842 году, изучая свет звезд. Он продемонстрировал, что окраска движущихся звезд вызвана их движением относительно Земли. Это относительное движение привело либо к красному, либо к синему смещению частоты света. Этот сдвиг наблюдаемых частот волн от движущихся источников известен как эффект Доплера и применим как к звуковым, так и к световым волнам.

Эффект Доплера

Повседневный пример, демонстрирующий эффект Доплера, показан на рисунке 11.1 . Мы все знаем, что тон сирены скорой помощи меняется, когда мы останавливаемся и слушаем ее, когда она проезжает мимо. Частота, которая достигает вас, выше по мере приближения машины скорой помощи и ниже, когда машина скорой помощи проезжает мимо. Это следствие эффекта Доплера.

Рис. 11.1 . Влияние эффекта Доплера на относительную частоту излучения сирены скорой помощи, когда она проезжает мимо. Частота сирены приближающейся машины скорой помощи кажется выше по сравнению с частотой сирены, когда проезжает машина скорой помощи, которая кажется ниже

Происходит следующее: звуковые волны сжимаются, когда объект, производящий звук, движется в том же направлении, что и волны. Таким образом, слушатель (наблюдатель) принимает более короткие волны. Однако когда источник звука прошел мимо слушателя, волны теперь движутся в противоположном направлении (от слушателя), длина волны становится длиннее, и поэтому слушатель слышит изменение частоты.

Этот эффект Доплера используется в ультразвуковых приложениях для обнаружения кровотока путем анализа относительных сдвигов частоты принимаемых эхо-сигналов, вызванных движением эритроцитов.

ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА ДОППЛЕРА ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКЕ

Эффект Доплера в диагностической визуализации можно использовать, например, для изучения кровотока, и он предоставляет оператору три части информации для определения:

• Наличие или отсутствие потока

• Направление кровотока

• Скорость кровотока.

Датчик действует как передатчик и приемник допплеровского ультразвука. При использовании допплера для исследования кровотока в организме датчик обнаруживает возвращающиеся отраженные от крови эхо-сигналы. Эти сигналы обратного рассеяния (F _r ) затем обрабатываются устройством для обнаружения любых сдвигов частоты путем сравнения этих сигналов с переданными доплеровскими сигналами (F _t ). Обнаруженный сдвиг частоты будет зависеть от двух факторов, а именно от величины и направления кровотока (см. рис. 11.2 ).

Рис. 11.2. Ультразвуковой датчик, опрашивающий кровеносный сосуд. Передача доплеровского сигнала с частотой F _t и прием сигналов обратного рассеяния от эритроцитов внутри сосуда на частоте F _r

Давайте рассмотрим простую схему, показанную на рисунке 11.3 . Датчик передает доплеровский сигнал с частотой F _t . Передаваемый доплеровский сигнал опрашивает кровеносный сосуд, и датчик принимает сигналы обратного рассеяния от эритроцитов внутри сосуда на частоте F _r . Доплеровский сдвиг частоты (F _d ) можно вычислить путем вычитания переданного сигнала F _t из принятого сигнала F _r .

Рис. 11.3 . Демонстрация результирующих допплеровских смещенных сигналов для а) потока крови, движущегося к датчику; б) кровоток удаляется от датчика

Поток крови, движущийся к датчику, создает сигналы с положительным доплеровским сдвигом, и, наоборот, поток крови, движущийся от датчика, создает сигналы с отрицательным доплеровским сдвигом. Рисунок 11.3 иллюстрирует изменение полученных сигналов обратного рассеяния и результирующие доплеровские сдвиги для крови, движущейся к датчику и от него.

На рисунке 11.3а относительное направление кровотока относительно доплеровского луча — к датчику. В такой конструкции поток крови, движущийся к датчику, создает принимаемые сигналы (F _r ), которые имеют более высокую частоту, чем передаваемый луч (F _t ). Сигнал с доплеровским сдвигом (F _d ) можно рассчитать путем вычитания F _t из F _r и получить положительный сдвинутый доплеровский сигнал.

И наоборот, на рисунке 11.3b показан поток крови, удаляющийся от доплеровского луча и датчика. В такой конструкции поток крови, удаляющийся от датчика, создает принимаемые сигналы (F _r ), которые имеют более низкую частоту, чем передаваемый луч (F _t ). На этот раз частоты с доплеровским сдвигом (F _r − F _t ) создают сигнал с отрицательным доплеровским сдвигом.

Когда поток или движение не обнаружены, передаваемая частота (F _t ) равна принимаемой частоте (F _r ). Следовательно, F _r = F _t и F _d = F _r — F _t = 0, что приводит к отсутствию сигналов с доплеровским сдвигом.

Важно понимать, что амплитуда обратно рассеянных эхо-сигналов от крови намного слабее, чем от границ мягких тканей и органов, которые используются для построения наших анатомических изображений в B-режиме. Амплитуда сигнала обратного рассеяния крови может быть меньше в 100–1000 раз. Поэтому для обеспечения обнаружения и обработки этих сигналов требуется высокочувствительное и сложное аппаратное и обрабатывающее программное обеспечение.

УРАВНЕНИЕ ДОПЛЕРА

Уравнение Доплера показывает математическую взаимосвязь между обнаруженным доплеровским смещенным сигналом (F _d ) и скоростью кровотока (V):

1 

где:

F _d = сигнал с доплеровским сдвигом

F _t = передаваемая доплеровская частота

c = скорость распространения ультразвука в мягких тканях (1540 мс ^-1 )

V = скорость движущейся крови

θ = угол между лучом допплеровского ультразвука и направлением кровотока.

Число 2 является константой, указывающей, что доплеровский луч должен пройти к движущейся цели, а затем обратно к датчику.

Уравнение 1 : Уравнение Доплера.

Взаимосвязь между допплеровским смещенным сигналом (F _d ) и скоростью кровотока (V)

Уравнение Доплера ( Уравнение 1 ) демонстрирует, что существует взаимосвязь между сигналом с доплеровским сдвигом (F _d ) и скоростью кровотока (V). Сигнал с доплеровским сдвигом (F _d ) прямо пропорционален скорости кровотока (V), что означает, что более высокие скорости потока создают большие сигналы с доплеровским сдвигом, и, наоборот, более низкие скорости потока генерируют меньшие сигналы с доплеровским сдвигом. Если мы сможем обнаружить и измерить значение F _d, то уравнение Доплера можно будет перестроить (см. Уравнение 2 ) для расчета скоростей кровотока (V), которые можно будет обработать и отобразить.

2 

Уравнение 2 : уравнение Доплера, переработанное для расчета скорости кровотока (V).

Значение угла Доплера (θ)

Ультразвуковые аппараты способны рассчитывать частоты доплеровского сдвига в широком диапазоне углов, и важно, чтобы оператор понимал значение угла инсонации (θ) между доплеровским лучом и направлением кровотока в сосудах. На рисунке 11.4 графически показано, как изменяется сигнал с доплеровским сдвигом при изменении угла доплеровского луча.

Рис. 11.4 Графическая демонстрация зависимости частоты доплеровского сдвига от угла резонирующего доплеровского луча

Когда доплеровский луч направлен в направлении кровотока, наблюдается положительный допплеровский сдвинутый сигнал, но как только доплеровский луч направлен в сторону от направления кровотока, виден отрицательный доплеровский сдвинутый сигнал. Чем меньше угол между доплеровским лучом и кровеносным сосудом, тем больше допплеровский сдвиг сигнала. Очень слабые сигналы генерируются, когда угол доплеровского луча приближается к углу 90°.

В таблице 11.1 показана зависимость между углом доплеровского луча (θ) и значением cosθ. Значение cosθ меняется в зависимости от угла от 0 до 1. Когда θ = 0°, cosθ = 1, а когда θ = 90°, cosθ = 0.

Таблица 11.1. Изменение значения cosθ в диапазоне углов озвучивания. Максимальное значение cosθ соответствует углу доплеровского луча 0°.

УГОЛ i	ЗНАЧЕНИЕ COSθ
0	1
30	0.87
45	0.71
60	0.5
75	0.26
90	0

Для постоянной скорости потока (V) максимальное значение cosθ и, следовательно, самое высокое значение доплеровского сдвинутого сигнала (F _d ) находится под углом 0°. Это соответствует доплеровскому лучу, параллельному сосуду, что редко достигается на практике.

Теоретически, когда θ = 90°, это означает, что поток крови перпендикулярен доплеровскому лучу, cosθ = 0, и никакие доплеровские сигналы не регистрируются.

На практике при измерении кровотока важен угол доплеровского луча от 30 до 60° для обеспечения надежных сигналов с доплеровским сдвигом. Избегайте использования углов более 60° и помните, что при угле 90° не генерируются сигналы с доплеровским сдвигом.

Большие скорости потока и меньшие углы создают большие частоты доплеровского сдвига, но не более сильные сигналы доплеровского сдвига.

Типичные доплеровские сигналы кровотока

Ультразвуковые аппараты передают высокочастотные звуковые волны в мегагерцовом диапазоне, обычно от 2 до 20 МГц. Подстановка типичных физиологических скоростей кровотока в уравнение Доплера дает сдвинутые допплеровским сигналом сигналы, которые лежат в пределах слышимого диапазона. То есть диапазон частот, который может услышать человеческое ухо. Здоровый молодой человек обычно слышит от 20 до 20 000 циклов в секунду (от 20 Гц до 20 кГц).

Давайте рассчитаем типичную частоту доплеровского сигнала для крови, движущейся со скоростью 0,5 мс ^-1 , что показано на рисунке 11.5 . Частота передачи (F _t ) составляет 4 МГц, θ = 60°, а c (скорость распространения ультразвука) предполагается постоянной и составляет 1540 мс ^-1 .

Рис. 11.5 Иллюстрирует расчетный доплеровский сдвинутый сигнал с использованием уравнения Доплера для кровотока, движущегося со скоростью 50 см/с, для доплеровского луча, работающего на частоте 4 МГц, расположенного под углом зондирования 60°.

Используя уравнение Доплера ( уравнение 1 ), мы вычисляем частоту доплеровского сдвига, равную 1299 циклам в секунду, около 1300 Гц или сокращенно до 1,3 кГц.

Эти генерируемые сигналы с доплеровским сдвигом можно просто преобразовать в звуковой сигнал, который можно услышать и контролировать через громкоговоритель.

ТИПЫ ДОППЛЕРОВСКОГО ИНСТРУМЕНТА В ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

В ультразвуковом исследовании используется ряд типов допплеровских инструментов, в том числе:

• непрерывная волновая допплерография

• цветной допплер

• энергетический допплер

• спектральный импульсно-волновой (ПВ) допплер.

Методы допплерографии, применяемые в ультразвуковой диагностике, можно охарактеризовать как невизуализирующие или визуализирующие. Методы, не связанные с визуализацией, обычно используют небольшие или портативные устройства и используют допплерографию непрерывной волны (CW). Основная цель этих простых устройств CW — идентифицировать и/или контролировать кровоток. Два примера клинических исследований включают кардиомониторы плода в акушерстве и оценку периферического кровотока в сосудистой практике.

Методы визуализационной допплерографии, такие как цветной и спектральный PW-допплер, всегда используются с визуализацией в B-режиме, где анатомическое изображение в оттенках серого используется для идентификации кровеносных сосудов и областей для оценки кровотока. Эти методы требуют более сложной обработки, чем устройства CW.

Допплеровские устройства непрерывного действия

Доплеровские устройства непрерывной волны (CW) являются простейшими из доплеровских инструментов и обычно состоят из портативного устройства со встроенным динамиком, который подключен к датчику карандашного зонда ( рис. 11.6 ).

Рис. 11.6 Простое устройство непрерывного допплера, иллюстрирующее два пьезоэлектрических элемента на кончике преобразователя карандашного зонда: один действует как непрерывный передатчик, другой действует как непрерывный приемник.

Преобразователь состоит из двух пьезоэлектрических элементов: один элемент действует как непрерывный передатчик (F _t ), а другой — как непрерывный приемник (F _r ).

Эти два элемента установлены под углом друг к другу так, что лучи передачи и приема перекрывают друг друга, как показано на рисунке 11.7 . Эта область пересечения известна как активная или чувствительная область, и именно здесь можно обнаружить только доплеровские сигналы. Сигналы доплеровского сдвига (F _d ) обнаруживаются путем сравнения переданного и принятого сигналов: F _d = F _r — F _t .

Рис. 11.7 Элементы внутри преобразователя установлены под фиксированным углом. Доплеровские сигналы обнаруживаются только там, где лучи передатчика и приемника перекрываются.

Частота и угол между двумя элементами внутри преобразователя определяются клиническим применением.

Например, использование CW-допплера в акушерстве для мониторинга сердца плода требует достаточно низкочастотного допплеровского сигнала, чтобы он мог проникнуть на необходимую глубину; обычно используется частота 4 МГц. Угол и, следовательно, активная область пересечения между двумя элементами также устанавливаются в соответствии с требуемой глубиной интеграции.

Сравните это с оценкой периферического кровообращения в ногах. Здесь требуется устройство CW Doppler для обнаружения кровотока в сосудах, расположенных очень близко к поверхности кожи. Таким образом, здесь можно использовать более высокую частоту доплеровской передачи, обычно 8 МГц, и угол между двумя кристаллами внутри зонда больше, так что область пересечения соответствует требуемой глубине всего в пару сантиметров.

Существуют различные устройства CW Doppler для обнаружения кровотока. Они варьируются от простых недорогих портативных допплеровских устройств, в которых доплеровский сигнал обрабатывается для обеспечения звукового вывода, до более сложных устройств, которые обеспечивают визуальное отображение сдвинутых допплеровских структур кровотока.

Основным недостатком устройств CW является то, что датчик чувствителен к любому кровотоку в области пересечения. Если в этой области пересечения присутствует более одного сосуда, то доплеровские сигналы получаются от более чем одного сосуда одновременно. Артерии и вены часто располагаются рядом друг с другом, поэтому во многих случаях устройства CW одновременно обнаруживают сигналы артериального и венозного кровотока. Кроме того, устройства CW не могут предоставить информацию о глубине, с которой вернулись сигналы кровотока, и не могут измерить скорость кровотока (V).

Преимущества устройств CW Doppler заключаются в том, что они небольшие, дешевые и относительно просты в использовании при минимальном обучении. Кровоток можно обнаружить и контролировать с помощью громкоговорителя, либо графики кровотока можно отобразить графически.

В Таблице 11.2 суммированы преимущества и недостатки устройств CW Doppler.

Таблица 11.2 Сравнительные преимущества и недостатки непрерывного допплера.

НЕПРЕРЫВНЫЕ ДОПЛЕРОВСКИЕ УСТРОЙСТВА
ПРЕИМУЩЕСТВА	НЕДОСТАТКИ
Маленький	Невозможно различить несколько сосудов в области пересечения.
Дешево – простой дизайн	Невозможно измерить скорость
Относительно простой в использовании и поиске судна.	Невозможно предоставить информацию о глубине.
Может отображать закономерности кровотока

Допплеровская визуализация

Существует три различных типа допплеровской визуализации, которые сейчас будут обсуждаться:

1. Цветовой поток

2. Энергетический допплер

3. Спектральный допплер.

Цветная потоковая визуализация

Цветная визуализация потока была впервые представлена ​​в середине 1980-х годов и с тех пор расширила роль ультразвука как диагностического инструмента. Он может быстро и эффективно позволить оператору определить наличие и направление кровотока в сосудах, а также выделить крупные аномалии кровообращения на анатомическом изображении в B-режиме.

Вероятно, это первый метод допплерографии, который оператор будет использовать для исследования кровотока. Визуализация цветового потока всегда используется в сочетании с визуализацией в B-режиме, и после ее активации оператору отображается интересующая область, известная как «цветовой блок», и вертикальная полоса «цветовой шкалы», которые накладываются на изображение в B-режиме. , как показано на рисунке 11.8 .

Рис. 11.8. Изображение в B-режиме с наложенной информацией о цветовом потоке. Обратите внимание, что информация о цветовом потоке отображается только в области цветового поля. Вертикальная полоса цветовой шкалы расположена в правой части дисплея.

В отличие от устройств CW Doppler, где непрерывные доплеровские лучи генерируются и передаются двумя отдельными элементами внутри преобразователя, при визуализации цветового потока используются небольшие группы элементов для передачи и приема доплеровских сигналов. Доплеровские сигналы состоят из серии коротких всплесков или импульсов ультразвука, подобных тем, которые используются при визуализации в B-режиме. Для формирования изображения цветового потока преобразователем генерируются дополнительные допплеровские ультразвуковые импульсы, которые обычно в три-четыре раза длиннее, чем те, которые используются для визуализации в B-режиме. Элементы преобразователя быстро переключаются между B-режимом и визуализацией цветового потока, чтобы создать впечатление комбинированного одновременного изображения, и это часто называют дуплексной визуализацией, где дуплекс означает «двойной».

Положение и размер этого цветного поля могут быть отрегулированы оператором в соответствии с выбранной интересующей областью для обеспечения визуального отображения с цветовой кодировкой или карты кровотока.

Цветная коробка

Цветное изображение в цветовом блоке состоит из сотен строк сканирования, каждая из которых разделена на небольшие объемы образцов, как показано на рисунке 11.9 . Обычно в каждой строке сканирования содержатся сотни объемов проб, что составляет тысячи объемов проб в цветовом поле.

Рис. 11.9. Поле цветового потока состоит из сотен строк развертки. Каждая линия сканирования состоит из сотен небольших объемов образцов, которые индивидуально детектируют обратнорассеянные допплеровские ультразвуковые сигналы.

Для каждого отдельного объема образца вдоль каждой линии сканирования рассчитывается средняя или средняя скорость доплеровского смещения. Этой средней скорости с доплеровским сдвигом, которая может быть положительной или отрицательной, присваивается цвет, который затем отображается на цветовую шкалу, состоящую из двух основных цветов. Обычно это красный цвет для сигналов с положительным доплеровским сдвигом (соответствует потоку крови, идущему к датчику) и синий для сигналов с отрицательным доплеровским сдвигом (соответствующий потоку крови от датчика). Это типичное расположение можно увидеть на рисунке 11.8 .

После обработки этой информации о направлении объему пробы присваивается оттенок или оттенок в зависимости от рассчитанной средней скорости.

Информация о цветовом потоке в цветовом блоке формируется путем последовательной обработки информации в каждом объеме образца вдоль каждой линии сканирования. Чтобы получить надежную оценку средней скорости в каждом объеме образца, требуется несколько (10 или более) последовательностей импульсов-эхо для создания каждой строки сканирования информации о цветовом потоке. Эта серия последовательностей импульс-эхо затем повторяется для следующей соседней строки сканирования и так далее, как в случае с визуализацией в B-режиме.

Следствием этого метода многократного эхо-импульса является то, что для сбора и обработки информации, необходимой для визуализации цветового потока, требуется больше времени, чем для стандартной визуализации в B-режиме. В результате изображения с цветовым потоком имеют тенденцию иметь более низкую частоту кадров, чем изображения, используемые в B-режиме.

Цветовая гамма

Цветовая шкала представлена ​​в виде вертикальной цветовой полосы и обычно располагается сбоку от изображения в B-режиме (см. рис. 11.8 ). Более пристальный взгляд на цветовую полосу показывает, что она состоит из двух основных цветов, каждый из которых разделен на разные оттенки или оттенки.

Так же, как и при визуализации в B-режиме, где амплитудам возвращающихся эхо-сигналов присваивается различный уровень серого для формирования изображения в B-режиме (более высоким амплитудам эхо-сигнала присваиваются более яркие уровни серого, а эхо-сигналам с низкой амплитудой назначаются более темные оттенки серого), в цвете При визуализации потока аналогично более высоким расчетным средним скоростям потока присваиваются различные оттенки красного и синего. Чем выше скорость, тем ярче назначенный оттенок или оттенок.

Рисунок 11.10 иллюстрирует типичную используемую цветовую шкалу. Как видите, он состоит из вертикальной цветовой полосы, разделенной от центра на два основных цвета. Центр стандартной цветной шкалы соответствует нулевому потоку или его отсутствию. В этом случае поток крови к датчику будет отмечен красным, а поток крови от датчика — синим. Однако в большинстве устройств эта цветовая шкала при необходимости может быть изменена оператором.

Рис. 11.10 Типичная цветовая шкала. Кровь, текущая к датчику, отображается КРАСНЫМ цветом, кровь, текущая от датчика, — СИНИМ. Более яркие оттенки указывают на более высокие скорости.

Значение угла

При любом методе допплера важен угол. Внешний вид изображения цветного потока во многом зависит от того, насколько оператор может получить достаточный угол между лучом допплеровского ультразвука и сосудом.

Датчики с криволинейной и фазированной решеткой имеют диаграмму направленности ультразвуковых лучей, которая может создавать сложные цветные изображения потока в зависимости от ориентации артерий и вен относительно допплеровского луча. Это можно увидеть на рисунке 11.11 , где представлено цветное изображение пуповины.

Рис. 11.11. Цветовая визуализация пуповины, подчеркивающая сложную картину кровотока.

Многие периферические сосуды проходят параллельно лицевой стороне линейного датчика и перпендикулярно допплеровскому лучу. Если угол доплеровского луча по отношению к сосуду составляет 90°, доплеровский сигнал будет незначительным или вообще не будет обнаружен, как показано на рисунке 11.12 . При использовании преобразователя с линейной решеткой оператор может решить эту проблему путем электронного управления доплеровским лучом. Это выполняется путем изменения угла цветового поля, как показано на рисунке 11.13 . Цель состоит в том, чтобы получить достаточно малый угол между доплеровским лучом и кровеносным сосудом, чтобы обеспечить надежные доплеровские сигналы.

Рис. 11.12. Цветовая визуализация потока, демонстрирующая отсутствие доплеровского сигнала, когда сосуд находится под углом 90° к допплеровскому лучу.

Рис. 11.13 Цветное изображение общей сонной артерии с управляемым цветовым блоком для получения достаточных углов для получения надежных допплеровских сигналов.

На практике опытный оператор изменяет подход к сканированию и направляет доплеровский луч так, чтобы получить хорошие углы между доплеровским лучом и сосудом, чтобы избежать однозначных изображений цветового потока.

Псевдонимы

Наложение псевдонимов происходит во всех приборах импульсной доплеровской допплерографии, поскольку они используют метод выборки для создания сигналов с доплеровским сдвигом.

Информация о цветовом потоке не создается непрерывно, как в случае с устройствами CW Doppler, а формируется из серии доплеровских ультразвуковых импульсов, которые передаются с заданной скоростью, известной как частота дискретизации.

Чтобы измерить множество частот с доплеровским сдвигом, присутствующих в типичных картинах кровотока, по каждой линии сканирования по очереди посылаются тысячи импульсов. Эти дискретизированные импульсы используются для создания сигнала с доплеровским сдвигом, и для точного построения сигнала с доплеровским сдвигом должно быть достаточное количество выборок в секунду.

Совмещение — это неправильная оценка сигналов с доплеровским сдвигом из-за недостаточной дискретизации, которая приводит к появлению ложного сигнала более низкой частоты с доплеровским сдвигом в дискретизированном сигнале. На рисунке 11.14 показаны сигнал с недостаточной дискретизацией и сигнал с адекватной выборкой простой синусоидальной волны.

Рис. 11.14 а) Недостаточно дискретизированный сигнал; б) адекватно дискретизированный сигнал

На рисунке 11.14a сигнал с недостаточной дискретизацией имеет более низкую частоту, чем реальный сигнал – два цикла вместо десяти периодов.

Увеличение частоты выборки, как показано на рисунке 11.14b, увеличивает количество точек данных, полученных за определенный период времени. Высокая частота дискретизации обеспечивает лучшее представление исходного сигнала, чем более медленная частота дискретизации.

Эффект сглаживания можно увидеть при просмотре фильмов, где может показаться, что колеса телеги движутся назад, а не вперед из-за низкой частоты кадров в фильме, что приводит к неправильной интерпретации движения спиц колес. Истинная скорость и правильное направление колеса видны только в том случае, если частота кадров фильма достаточно высокая.

Значение частоты повторения импульсов

Частота, то есть частота дискретизации, с которой могут отправляться эти импульсы, определяется частотой повторения импульсов системы (PRF), которую можно регулировать с помощью кнопки управления цветовой шкалой. Увеличение цветовой шкалы увеличивает PRF системы и, наоборот, уменьшение цветовой шкалы приведет к уменьшению PRF системы.

Существует верхний предел PRF системы, то есть цветовой шкалы, который ограничен временем, которое система должна ожидать, чтобы получить все возвращающиеся эхо-сигналы по каждой строке сканирования, прежде чем отправлять другую. Это связано с максимальным количеством сигналов с доплеровским сдвигом (F _d ), которые можно обнаружить. Максимальный доплеровский сдвинутый сигнал F _d , который можно измерить, ограничен и равен половине частоты повторения импульсов системы, что математически представлено ниже:

Это условие известно как предел Найквиста. Если предел Найквиста превышен, произойдет сглаживание. При возникновении псевдонимов отображаемые цвета «обтекают» шкалу цветовой шкалы, и цвета изменяются от максимального цвета в одном направлении до максимального в противоположном направлении.

Рисунок 11.15a иллюстрирует совмещение цветов, которое возникает, когда цветовая шкала установлена ​​слишком низко. Доплеровские сигналы подвергаются недостаточной дискретизации с частотой PRF = 12,5 кГц, что соответствует максимальной скорости цветовой шкалы 13,9 см/с. В этом примере внутри сосуда наблюдаются изменения цветового потока от СИНЕГО к КРАСНОМУ. Увеличение цветовой шкалы увеличивает PRF с 12,5 кГц до 14 кГц, чего достаточно для устранения сглаживания внутри изображения, как показано на рисунке 11.15b .

Рис. 11.15 а) Установлена ​​слишком низкая цветовая шкала, что приводит к искажению сигнала цветового допплера. Доплеровские сигналы субдискретизируются при PRF = 12,5 кГц. б) Цветовая шкала и ЧПИ увеличены, чтобы обеспечить адекватную выборку доплеровских сигналов, что приводит к устранению наложения спектров. Это достигается при более высоком PRF 14 кГц.

Значение глубины

Существует связь между максимальной скоростью крови, которую можно обнаружить, и максимальной глубиной исследования сосуда. По мере увеличения глубины исследования время прохождения импульса до отражателя и от него увеличивается; это, в свою очередь, снижает PRF системы. Это уменьшение PRF системы уменьшает максимальный доплеровский сдвинутый сигнал (F _d ), который может отображаться до того, как произойдет наложение спектров. В результате максимальные сигналы с доплеровским сдвигом (F _d ), которые можно измерить, уменьшаются с глубиной.

Преимущества и ограничения визуализации цветового потока

Преимущества

• Дает общее представление о потоке в регионе.

• Указывает направление потока

• Выявляет области турбулентных скоростей потока и аномалий.

• Указывает на отсутствие кровотока в окклюзированных сосудах.

Ограничения включают в себя

• Информация о расходе ограничена средней скоростью.

• Плохое временное разрешение — частота кадров может быть низкой при глубоком сканировании.

• С учетом псевдонимов

• В зависимости от угла.

Энергетический допплер

Энергетический допплер также называют энергетическим допплером, амплитудным допплером и допплеровской ангиографией. Это метод визуализации цветового потока, который отображает величину, то есть мощность обратного доплеровского сигнала, а не скорости потока с доплеровским сдвигом. Мгновенная мощность сигнала, содержащаяся в доплеровском сигнале, рассчитывается и накладывается на изображение в B-режиме, как показано на рисунке 11.16 . Его эффект заключается в создании карты областей перфузии путем отображения амплитуды эритроцитов в определенной области.

Рис. 11.16. Энергетическое допплеровское изображение бифуркации сонной артерии.

Энергетический допплер не отображает относительную скорость и направление кровотока, как в случае с цветовой визуализацией потока. Энергетический допплер использует единую цветовую шкалу и сопоставляет увеличение силы сигнала с увеличением яркости. Его часто используют в сочетании с усреднением кадров для повышения чувствительности к низким расходам и скоростям.

Энергетический допплер имеет ряд преимуществ перед цветной визуализацией, в том числе:

• быть более чувствительным к потоку и обнаруживать низкие потоки. Отображение мощности обратного рассеяния не зависит от угла.

• не подвержен псевдонимам, поскольку не используется метод выборки

• обеспечение лучшего обнаружения границ, например, вокруг артериальных бляшек.

Но у него есть недостатки:

• отсутствие отображения информации о направлении скорости потока

• очень плохое временное разрешение – используется высокая степень усреднения кадров

• чрезвычайная чувствительность к движению – это означает, что для получения хороших изображений датчик необходимо держать неподвижно.

Спектральный или импульсно-волновой допплер

Спектральная допплерография, также называемая импульсно-волновой (PW) допплерографией, сочетается с методами визуализации B-режима и цветового потока и позволяет оценивать кровоток в очень небольшой области, известной как объем образца. Этот метод известен как стробирование диапазона.

При первоначальном запуске спектральной допплерографии одна ось доплеровского луча накладывается на изображение B-режима и цветового потока, как показано на рисунке 11.17 . Размер и положение объема образца можно регулировать в любом месте вдоль оси доплеровского луча, и эта информация отображается на мониторе. Положение объема образца определяет, где вдоль допплеровского луча будут исследоваться скорости кровотока. Размер объема образца определяет, какая часть сосуда исследуется. Для исследований артерий объем образца располагается в центре сосуда, а размер объема образца устанавливается равным примерно от половины до одной трети диаметра сосуда.

Рис. 11.17. Изображение компонентов на экране при активации спектрального допплера. Выделение оси доплеровского луча, объема образца и курсора коррекции угла. Размер и положение объема пробы всегда отображаются на экране.

Когда объем образца правильно расположен над интересующей точкой, активируется спектральный допплеровский дисплей, предоставляющий информацию о скорости кровотока.

Сам доплеровский луч можно перемещать по изображению в B-режиме и следовать по траектории линий сканирования изображения в B-режиме для датчика с секторной решеткой, как показано на рисунке 11.17 . При использовании линейных датчиков доплеровский луч можно управлять, что позволяет оператору добиться необходимого угла между доплеровским лучом и исследуемым кровеносным сосудом. Пример этого показан на рисунке 11.18 .

Рис. 11.18. Пример линейного преобразователя, электронно управляющего как цветным, так и спектральным доплеровским лучом для получения достаточного угла между доплеровским лучом и кровеносным сосудом для надежной допплеровской оценки.

Курсор коррекции угла, расположенный в центре объема образца, используется для оценки угла зондирования между сосудом и доплеровским лучом и должен быть отрегулирован так, чтобы совпадать с направлением кровотока в сосуде для расчета абсолютных скоростей кровотока на основе обнаруженных значений. Допплеровский сдвиг сигналов.

Путем коррекции угла оператор передает ультразвуковой системе фактическое значение θ в уравнении Доплера. Как только θ станет известно, уравнение Доплера можно использовать для расчета фактической скорости кровотока. Точные и надежные значения скорости потока в спектральном допплеровском режиме достигаются при углах θ между доплеровским лучом и направлением кровотока, которые не превышают 60°.

Цветная визуализация кровотока, которая отображает кровоток на гораздо большей площади, используется в сочетании со спектральной допплерографией, выделяя области нарушенного или турбулентного кровотока для оценки спектральной допплерографии.

Спектральная допплерография в сочетании с B-режимом в реальном времени и визуализацией цветового потока известна как триплексная визуализация. Когда оператор использует триплексную визуализацию, сбор и обработка данных распределяются между всеми тремя режимами. Это снижает общую частоту кадров изображения и частоту доплеровской выборки, что, в свою очередь, ограничивает диапазон измерения скорости кровотока.

Оптимальные оценки спектральной допплерографии достигаются, когда B-режим и режимы визуализации цветового потока временно заморожены, что позволяет использовать больше времени для быстрой спектральной допплеровской обработки.

Генерация спектральных PW-доплеровских сигналов

Спектральная допплерография аналогична визуализации цветового потока в том смысле, что она использует метод выборки для создания спектрально-допплеровских сдвинутых сигналов. Как и в случае с визуализацией в B-режиме, небольшая группа элементов внутри преобразователя действует как передатчик и приемник доплеровского ультразвука, передавая регулярные короткие импульсы спектральных доплеровских сигналов, из которых обрабатываются полученные доплерово-смещенные сигналы. Однако спектральный допплер излучает только один луч, в отличие от цветного допплера, который требует множества соседних лучей для формирования изображения цветового потока. Импульсы, генерируемые для спектральной допплерографии, отличаются от импульсов, используемых для визуализации в B-режиме, и, как правило, имеют длину, обычно 6–10 циклов.

Обработка и отображение импульсно-волнового доплеровского сигнала

Спектральная допплерография дает более подробную информацию о кровотоке, чем цветная визуализация потока, и способна отображать изменения и распределение скоростей кровотока в течение сердечного цикла. Спектральный доплеровский сигнал содержит всю эту информацию.

Доплеровские сигналы обрабатываются с помощью спектрального анализа, чтобы обеспечить более содержательный и полезный способ визуального представления информации о доплеровской скорости. Спектральный анализ разбивает доплеровские сигналы, полученные в объеме образца, на диапазон частотных составляющих, которые преобразуются в диапазон скоростей потока. Процесс спектрального анализа можно рассматривать как аналог использования призмы для разделения видимого света на отдельные компоненты, то есть на его цветовой спектр, как показано на рисунке 11.19 .

Рис. 11.19. Призма, разделяющая свет на отдельные компоненты, аналогична процессу, используемому при спектральном анализе.

На рисунке 11.20 показана типичная кривая спектрального анализа бедренной артерии, время вдоль горизонтальной оси и скорости потока (рассчитанные на основе допплеровских сигналов) вдоль вертикальной оси. Вертикальная ось разделена на две, чтобы можно было отображать как положительные, так и отрицательные сигналы с доплеровским сдвигом. Базовая линия относится к нулевому расходу. Оператор может регулировать как шкалу скорости, так и базовую линию, чтобы гарантировать оптимальное отображение спектральных сигналов.

Рис. 11.20 Спектральная форма волны бедренной артерии, отображающая время по горизонтальной оси и скорости кровотока по вертикальной оси.

Третья ось спектральной трассы соответствует мощности обратного рассеяния доплеровского сдвинутого сигнала при каждой скорости. Это просто отображается как яркость, как показано на рисунке 11.21 .

Рис. 11.21. Кривая спектрального анализа, показывающая изменение скоростей в течение сердечного цикла. Яркость соответствует мощности обратного рассеяния доплеровского сдвинутого сигнала при каждой скорости.

Спектральный анализ выполняется бортовым компьютером ультразвукового аппарата с использованием математического метода, известного как быстрое преобразование Фурье (БПФ), и каждую секунду выдает от 100 до 200 строк обработанных данных. Системы PW Doppler способны обрабатывать информацию достаточно быстро, чтобы создавать спектральные доплеровские сигналы в реальном времени, и, как следствие этого, быстрая обработка, как говорят, имеет хорошее временное разрешение.

Псевдонимы

Поскольку спектральный допплер использует метод выборки для опроса и сбора информации о скорости кровотока, он подвержен наложению спектров. Как обсуждалось в разделе «Визуализация цветового потока», наложение псевдонимов регулируется доплеровской PRF системы, которую можно регулировать с помощью элемента управления «масштабом» спектрального доплера. Максимальная скорость, которую можно измерить, прямо пропорциональна половине значения PRF. Чем выше частота повторения доплеровских импульсов, тем выше скорость доплеровского смещения, которую можно измерить. PRF также связан с положением (т.е. глубиной) объема образца. Чем глубже объем образца расположен в изображении B-режима, тем ниже значение PRF из-за ограничений по времени, т. е. системе приходится дольше ждать, чтобы получить отраженные доплеровские импульсы от объема образца, который расположен глубоко внутри изображения. а не тот, который расположен рядом с датчиком. Взаимосвязь между PRF, максимальной измеряемой скоростью и глубиной объема образца представлена ​​в Таблице 11.3 .

Таблица 11.3 . Демонстрация взаимосвязи между PRF, максимальной измеримой скоростью и глубиной образца.

ДЕЙСТВИЕ	ПОСЛЕДСТВИЕ
По мере увеличения PRF	Максимально измеримое увеличение скорости
По мере уменьшения PRF	Максимальная измеримая скорость уменьшается
По мере увеличения глубины объема образца	PRF снижается	Максимальная измеримая скорость уменьшается
По мере уменьшения глубины объема образца	PRF увеличивается	Максимально измеримое увеличение скорости

Эффекты наложения спектров показаны на рисунке 11.22 , и их не всегда можно устранить, поскольку не всегда возможно иметь PRF значительно выше, чем сигнал с доплеровским сдвигом. Однако эти эффекты можно свести к минимуму, настроив следующие элементы управления:

• Увеличить шкалу вертикальной спектральной скорости, что, в свою очередь, увеличит PRF системы.

• Смещение нулевой базовой линии спектра PW, что возможно только в том случае, если поток существенно направлен в одном направлении.

• Уменьшите передаваемую частоту (F _t ), поскольку уравнение Доплера показывает, что частота с доплеровским сдвигом (F _d ) пропорциональна F _t , поэтому уменьшение F _t приведет к снижению значения F _d.

• Уменьшите угол (θ) между доплеровским лучом и сосудом.

Рис. 11.22 Пример алиасинга и исправления алиасинга. а) Формы сигналов со сглаживанием охватывают шкалу скорости, в результате чего пики отображаются ниже базовой линии. б) Избегание наложений с использованием той же самой спектральной формы сигнала достигается за счет увеличения частоты повторения импульсов, т. е. увеличения шкалы скорости.

Преимущества и недостатки спектральной допплерографии

Преимущества

• Исследует поток на одном объекте

• Хорошее временное разрешение – дает подробный анализ распределения скоростей кровотока в сердечном цикле.

• Может производить расчеты скорости потока.

Недостатки

• Использует метод выборки и, следовательно, подвержен псевдонимам.

• Ограничение максимальной скорости, которую можно измерить – регулируется PRF.

• В зависимости от угла.

Таблица 11.4 суммирует и сравнивает эти три доплеровских режима.

Таблица 11.4. Сравнение и сводка режимов допплеровской визуализации потока.

РЕЖИМ ДОППЛЕРОВСКОГО ПОТОКА	ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ
Цветная потоковая визуализация	• Дает общее представление о потоке в регионе. • Определяет скорости турбулентного потока • Информация о расходе ограничена средней скоростью. • Плохое временное разрешение — частота кадров может быть низкой при глубоком сканировании. • С учетом псевдонимов • В зависимости от угла
Энергетический допплер	• Чувствителен к низким расходам • Нет информации о направлении • Очень плохое временное разрешение – чувствительно к движению датчика. • Не зависит от угла
Спектральный допплер	• Исследует поток на одном объекте • Хорошее временное разрешение – дает подробный анализ распределения скоростей кровотока в сердечном цикле. • Может производить расчеты скорости потока • С учетом псевдонимов • Ограничение максимальной скорости, которую можно измерить – регулируется PRF. • В зависимости от угла

ДОПЛЕРОВСКИЕ АРТЕФАКТЫ

Псевдонимы

Сглаживание является наиболее распространенным доплеровским артефактом и встречается во всех приборах импульсной допплерографии, поскольку они используют метод выборки для создания сигналов с доплеровским сдвигом. Псевдоним — это неправильная оценка сигналов с доплеровским сдвигом из-за недостаточной выборки. При возникновении наложения отображаемые сигналы доплеровского сдвига «обертывают» шкалу доплеровской скорости, а сигналы с доплеровским сдвигом изменяются от максимальной скорости в одном направлении до максимальной в противоположном направлении. На рисунках 11.15 и 11.22 показано влияние наложения спектров на цветные и спектральные допплеровские изображения.

Допплеровское зеркальное изображение

Этот тип артефакта можно увидеть как при спектральной допплерографии, так и при визуализации цветового потока.

Этот зеркальный артефакт можно увидеть на спектральных доплеровских кривых, где электронное дублирование спектральной информации отображается ниже нулевой базовой линии, как показано на рисунке 11.23 . Обычно это происходит из-за того, что коэффициент усиления доплеровского приемника установлен слишком высоко.

Рис. 11.23 . Демонстрация артефакта спектрального доплеровского зеркала из-за слишком высокого коэффициента усиления приемника.

Цветные изображения также могут создавать зеркальные артефакты, и их обычно можно увидеть там, где сосуд находится над сильно отражающей поверхностью. На рис. 11.24 показано зеркальное изображение подключичной артерии, полученное в результате множественных отражений от плевры над легким, где присутствует граница между мягкими тканями и воздухом, вызывающая сильные отражения.

Рис. 11.24 Цветное изображение подключичной артерии с зеркальным изображением ниже плевры.

Флэш-артефакт

И в цветовом допплеровском режиме, и в энергетическом допплеровском режиме используются фильтры для подавления сигналов, исходящих от неподвижных или почти неподвижных тканей. Однако большие движения тканей, вызванные, например, тяжелым дыханием или быстрым движением датчика, могут вызвать значительные вспышки цвета на больших участках изображения цветового потока. Некоторые машины имеют алгоритмы подавления движения, позволяющие уменьшить этот артефакт вспышки. Это показано на рисунке 11.25 .

Рис. 11.25 . Демонстрация цветных вспышек на изображении, вызванных быстрыми движениями датчика или тканей при дыхании.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

• Эффект Доплера можно применять в ультразвуковой диагностике для обнаружения движения внутренних структур и движения кровотока.

• Доступен целый ряд допплеровских инструментов: от простых портативных устройств CW до более сложных и совершенных аппаратов доплеровской визуализации.

• Приборы доплеровской визуализации используют эффект Доплера для обработки информации, которая может отображать движение, направление и скорость кровотока.

• Доплеровские сигналы подвержены угловой зависимости.

• Визуализация цветового потока и спектральная допплерография используют метод выборки для построения доплеровских сигналов и, как следствие этого, подвержены наложению спектров.

• При использовании допплеровских ультразвуковых инструментов могут возникать артефакты, в том числе сглаживание, зеркальное отображение и артефакты вспышки.