Джон С. Пеллерито, доктор медицинских наук, FACR, FSRU, FAIUM, Джозеф Ф. Полак, доктор медицинских наук, магистр здравоохранения

Спектральный анализ

Если бы кровоток был непрерывным, а не пульсирующим, если бы кровеносные сосуды следовали прямым линиям и были одинаковыми по калибру, если бы кровь текла с одинаковой скоростью на периферии и в центре просвета и если бы сосуды были без болезней, то каждая кровь судно будет производить одну частоту доплеровского ультразвука. Однако кровоток пульсирующий , сосуды не всегда прямые и однородные по размерам, на периферии кровоток медленнее, чем в центре сосуда, просвет сосуда может быть искажен атеросклерозом и другой патологией. По этим причинам кровоток вызывает смесь доплеровских частотных сдвигов, которые меняются от момента к моменту и от места к месту в просвете сосуда. Спектральный анализ необходим для того, чтобы разобраться в путанице доплеровских частот, генерируемых кровотоком, и предоставить количественную информацию, которая имеет решающее значение для диагностики сосудистой патологии.

Допплеровский спектр

Слово спектр , происходящее от латыни, означает изображение . Вы можете думать о доплеровском спектре как об изображении доплеровских частот, генерируемых движущейся кровью. Фактически, это изображение представляет собой график, показывающий смесь доплеровских частот, присутствующих в заданном образце сосуда за короткий период времени. Ключевыми элементами доплеровского спектра являются время , частота , скорость и мощность доплеровского сигнала . Эти элементы лучше всего описать в графической форме; поэтому эта информация представлена ​​на рисунке 3-1 , а не в тексте. Пожалуйста, просмотрите этот рисунок сейчас, уделив особое внимание четырем ключевым элементам, упомянутым ранее.

РИСУНОК 3-1. Отображение доплеровского спектра. На экране дисплея отображается следующая информация ( A, Весь дисплей; B, Увеличенный доплеровский спектр). Изображение цветового потока : Сосуд, объем образца и линия зрения в допплеровском режиме отображаются на изображении цветового потока в верхней части экрана дисплея. Информация о цветовом потоке : «Цветная полоса» справа от изображения показывает взаимосвязь между направлением кровотока и цветами на изображении потока. По соглашению верхняя половина полосы показывает поток в направлении преобразователя. Это логично, поскольку на изображении эта часть полосы находится ближе всего к датчику. Нижняя половина представляет собой поток от преобразователя. В этом случае красный/оранжевый цвета соответствуют потоку в направлении датчиков, а синий/зеленый цвет указывает потоку в противоположном направлении. Изменение цвета с красного на оранжевый или с синего на зеленый означает увеличение скорости потока. Доплеровский угол : Доплеровский угол для спектрального допплера отображается в правом верхнем углу экрана дисплея, в данном случае 60°. Время : время отображается на горизонтальной оси (x) доплеровского спектра в нижней части дисплея. Линии представляют собой доли секунды, но обычно масштаб не указывается. Скорость : скорость кровотока (см/сек) отображается на вертикальной оси (y) спектра. В этом случае скорость отображается по обеим вертикальным осям. На некоторых приборах скорость отображается на одной вертикальной оси, а частота с доплеровским сдвигом (кГц) — на другой. Распределение скоростей в объеме образца иллюстрируется яркостью спектрального дисплея ( ось z ). Чтобы лучше понять концепцию оси z , изучите увеличенный спектр, показанный на рисунке B , и представьте, что спектральный дисплей состоит из крошечных квадратов, называемых пикселями (для элементов изображения). Вы не можете видеть пиксели на этом изображении, потому что они намеренно размыты, чтобы сгладить изображение. Однако пиксели существуют, и каждый соответствует определенному моменту времени и определенному сдвигу частоты или скорости. Яркость пикселя (его ось Z) пропорциональна количеству клеток крови, вызывающих этот сдвиг частоты в данный конкретный момент времени . В этом примере пиксели под звездочкой 1 ярко-белые, что означает, что большое количество клеток крови имеет соответствующую скорость (около 41 см/сек) в данный момент времени. Пиксели под звездочкой 2черные, что означает, что ни одна клетка крови (или очень мало) не имеет соответствующей скорости (около 12 см/сек) в этот момент. Пиксели под звездочкой 3 серые, что означает, что умеренное количество клеток крови в этот момент имеет соответствующую скорость (около 35 см/сек). Понятно? Если нет, прочитайте это еще раз и помните, что яркость каждого пикселя пропорциональна относительному количеству клеток крови с определенной скоростью в определенный момент времени. Поскольку яркость пикселей также показывает распределение энергии потока или мощности в каждый момент времени, отображение спектра также называют спектром мощности . Направление потока : направление потока отображается относительно базовой линии спектра. В этом случае поток к датчику отображается над базовой линией, а поток от датчика — под базовой линией. Обратите внимание, что перед числом 40 в правом нижнем углу стоит знак минус. Это связано с тем, что область ниже базовой линии соответствует потоку от преобразователя, что приведет к отрицательному доплеровскому сдвигу. Соотношение между направлением потока и базовой допплеровской линией может быть изменено оператором на противоположное, но поток к датчику всегда будет представлен положительными значениями скорости или частоты. Огибающая пиковой скорости : пиковая скорость на протяжении сердечного цикла показана синей линией, очерчивающей допплеровский спектр. На основе этого конверта в левом нижнем углу отображается числовой вывод, показывающий пиковую систолическую скорость (PSV) и минимальную диастолическую скорость (MDV). В этом случае MDV также соответствует конечно-диастолической скорости, но это не обязательно так. Прибор также автоматически рассчитывает индекс удельного сопротивления (RI) и индекс пульсации (PI), как показано ниже значений скорости. Частота повторения импульсов : примечательное число, отображаемое на дисплее, — это частота повторения импульсов (PRF). PRF для изображения цветового потока отображается слева от изображения (1000 Гц, или циклов, или импульсов в секунду). PRF для спектрального допплера намного выше (6250 Гц), как показано справа от изображения цветового потока. Это различие иллюстрирует тот факт, что изображение цветового потока основано на среднем доплеровском сдвиге частоты или скорости, тогда как спектральные доплеровские значения показаны как абсолютные значения, без усреднения. Более высокий PRF необходим для спектрального допплера, чтобы гарантировать точное отображение систолических скоростей без наложения спектров.

Спектр мощности

Спектр доплеровских частот, который вы только что рассмотрели на ^{рисунке} 3-1 ^, иногда называют спектром мощности ^1–3 , поскольку мощность или сила каждой частоты отображается яркостью пикселей . Мощность данного частотного сдвига, в свою очередь, пропорциональна количеству эритроцитов , производящих этот частотный сдвиг. Если большое количество клеток крови движутся с определенной скоростью, соответствующий доплеровский сдвиг частоты будет значительным, а пиксели, соответствующие этой частоте, будут яркими. И наоборот, если только небольшое количество ячеек вызывает определенный сдвиг частоты, пиксели, назначенные этой частоте, становятся тусклыми. Концепция спектра мощности важна для понимания визуализации потока в энергетическом допплеровском режиме, которая обсуждается далее в этой главе. Концепция энергетического доплеровского спектра хорошо проиллюстрирована на рисунке 2-29 .

Частота в зависимости от скорости

Эхо, которое отражается обратно к датчику от движущихся клеток в отобранном кровеносном сосуде, содержит только информацию о доплеровском сдвиге частоты; тем не менее, доплеровский спектр часто отображает информацию как о скорости (см/сек или м/сек), так и о частоте (кГц). Как прибор преобразует доплеровский сдвиг частоты в скорость? Это преобразование происходит, когда сонографист «информирует» дуплексный прибор о доплеровском угле , который показан на рисунке 3-2 . Если прибор «знает» доплеровский угол, он может затем рассчитать скорость кровотока по формуле Доплера (см. главу 2 ). Вы можете заметить в этой формуле, что сдвиг частоты пропорционален косинусу доплеровского угла, тэта. Когда оператор сообщает ультразвуковому аппарату об этом угле, сдвиг частоты пропорционален скорости кровотока. Вуаля! Частотный спектр становится спектром скоростей. Для получения точных измерений частоты и скорости необходим доплеровский угол 60 градусов или меньше . Если угол превышает 60°, измерения скорости ненадежны. Хотя при измерениях под большими углами ошибка выше, некоторые применения (например, исследование сонных артерий) легче выполнять под углами ближе к 60°. Обычно для обеспечения максимальной точности рекомендуется, чтобы угол допплера был меньше или равен, но не превышал 60°.

РИСУНОК 3-2. Доплеровский угол и объем образца. Почти вертикальная линия — это допплеровская линия зрения. Линия в центре кровеносного сосуда указывает ось кровотока. Угол, образованный этими двумя линиями, является доплеровским углом (θ) . Параллельные линии (стрелки) указывают длину объема доплеровской выборки.

Несмотря на потенциальную неточность измерений, описанную в предыдущих параграфах, желательно использовать дуплексный прибор в режиме скорости, а не в режиме частоты по двум причинам. Во-первых, измерения скорости компенсируют изменения в расположении сосудов относительно поверхности кожи. Например, доплеровский сдвиг частоты, наблюдаемый в извилистой внутренней сонной артерии, может радикально отличаться от одной точки к другой, но измерения скорости с поправкой на угол будут одинаковыми по всему сосуду, несмотря на резкие изменения в ориентации сосуда относительно кожи. Во-вторых, доплеровский сдвиг частоты по своей сути связан с выходной частотой преобразователя, но измерение скорости не зависит от частоты преобразователя. Например, если выходная частота изменяется от 5 до 10 МГц, сдвиг частоты удваивается. Представьте себе клинические последствия таких изменений частоты. Если бы для определения степени стеноза использовались датчики с разными частотами, для каждого ультразвукового датчика потребовались бы разные диагностические параметры (например, 3,5, 5 или 7,5 МГц). Эта проблема устраняется, когда прибор преобразует «необработанную» информацию о частоте в данные о скорости.

Анализ слухового спектра

Человеческое ухо было инструментом спектрального анализа, первоначально использовавшимся для доплеровских исследований кровотока. Ухо — это высокоэффективный инструмент спектрального анализа, о чем свидетельствует его способность отличать голос одного человека от голоса другого. Несмотря на то, что дуплексные ультразвуковые инструменты оснащены устройствами электронного спектрального анализа, также предусмотрен звуковой доплеровский выход, позволяющий использовать возможности человеческого уха. Некоторые особенности доплеровского сигнала потока можно оценить на слух, которые трудно или невозможно отобразить электронным способом, и в результате звуковой допплеровский сигнал остается важным при ультразвуковой диагностике сосудов. Например, при стенозах сонных артерий очень высокой степени слышен характерный скулящий или свистящий звук. Однако, несмотря на свои возможности, человеческое ухо имеет три основных недостатка. Во-первых, ухо — чисто качественный прибор; во-вторых, он не оснащен бумажным выходом для постоянного хранения; и в-третьих, некоторые уши работают лучше, чем другие — некоторые не слышат очень высоких частот. Электронный спектральный анализ преодолевает эти препятствия.

Образец объема

Частотный спектр показывает информацию о кровотоке из определенного места, называемого объемом доплеровской выборки , что показано на рисунке 3-2 . Вы должны быть знакомы со следующими тремя характеристиками объема доплеровской выборки: Во-первых, это фактически объем (трехмерный), хотя на дуплексном изображении показаны только два его измерения. «Толщину» объема образца невозможно отобразить на отображении двумерного спектра, что иногда может приводить к ошибкам локализации. Допплеровские сигналы могут быть получены от сосудов, которые находятся на границе объема образца, но не отображаются на двухмерном дисплее. Например, на ультразвуковом изображении может быть видна внутренняя сонная артерия, но на самом деле вы можете получать сигналы потока от соседней внешней ветви сонной артерии. Во-вторых, фактическая форма и размер объема пробы могут несколько отличаться от линейного представления, показанного на дуплексном изображении. В-третьих, и это наиболее важно, допплеровский спектр отображает информацию о потоке только в пределах объема образца и не дает информации о потоке в других частях кровеносного сосуда, которые видны на ультразвуковом изображении. Поэтому, если объем пробы расположен неправильно, ключевая диагностическая информация может быть упущена из виду.

Направление потока

Частотный спектр показывает поток крови относительно датчика . Поток в одном направлении, к датчику, отображается над базовой линией спектра, а поток в противоположном направлении — под базовой линией. Всегда следует помнить, что направление потока определяется относительно преобразователя и не является абсолютным. Кажущееся направление потока можно изменить, повернув датчик или нажав кнопку на приборе, которая инвертирует спектр! Произвольный характер такого расположения может привести к значительной диагностической ошибке. Подсказки о правильном направлении потока можно найти, сравнив цвет (например, красный или синий) в сосуде с цветовой полосой или шкалой цветовой скорости и проверив, является ли информация о скорости в спектре положительной (в направлении датчика) или отрицательный (вдали от преобразователя). Другим методом проверки направления потока является сравнение с эталонным сосудом, направление потока которого известно (например, при работе в брюшной полости аорта является удобным эталонным сосудом).

Формы сигналов и пульсация

В артериях каждый цикл сердечной деятельности создает отчетливую «волну» в допплеровском частотном спектре, которая начинается с систолы и заканчивается в конце диастолы. Термин « форма волны» относится к форме каждой из этих волн, а эта форма, в свою очередь, определяет очень важное свойство потока, называемое пульсацией .  В общих чертах, допплеровские сигналы имеют низкую, среднюю или высокую пульсацию, как показано на рисунке 3-3 . Пожалуйста, ознакомьтесь с этим рисунком, прежде чем перейти к следующему материалу.

РИСУНОК 3-3 Пульсация. А. На низкую пульсацию указывают широкие систолические пики и постоянный прямой поток крови на протяжении всей диастолы (например, во внутренней сонной артерии). B. На умеренную пульсацию указывают высокие, резкие и узкие систолические пики и относительно небольшой диастолический поток (например, в наружной сонной артерии). C — Высокая пульсация характеризуется узкими систолическими пиками, реверсом потока в начале диастолы и отсутствием потока в конце диастолы. В этом классическом трехфазном примере первая фаза (1) — это систола, вторая фаза (2) — краткий реверс диастолического потока, а третья фаза (3) — диастолический прямой поток. Трехфазный кровоток наблюдается в нормальных артериях конечностей в состоянии покоя.

Допплеровские волны с низкой пульсацией имеют широкие систолические пики и прямой поток на протяжении всей диастолы (см. Рисунок 3-3 , А ). Сонные, позвоночные, почечные и чревные артерии у нормальных людей имеют форму волны с низкой пульсацией, поскольку эти сосуды питают системы кровообращения с низким сопротивлением потоку (низкое периферическое сопротивление). Сигналы с низкой пульсацией также являются монофазными , что означает, что поток всегда направлен вперед, а вся форма сигнала находится либо выше, либо ниже базовой линии доплеровского спектра (в зависимости от ориентации ультразвукового датчика).

Допплеровские сигналы умеренной пульсации имеют вид где-то между моделями низкого и высокого сопротивления (см. Рисунок 3-3 , B ). При умеренном сопротивлении потоку систолический пик высокий и резкий, но прямой поток присутствует на протяжении всей диастолы (возможно, прерывается ранним диастолическим разворотом потока). Примеры умеренной пульсации обнаруживаются на наружной сонной артерии и верхней брыжеечной артерии (натощак).

Допплеровские волны с высокой пульсацией имеют высокие, узкие, острые систолические пики и обратный или отсутствующий диастолический поток. Классическим примером высокой пульсации является трехфазный поток крови, наблюдаемый в артерии конечностей у отдыхающего человека (см. Рисунок 3-3 , C ). За резким систолическим пиком (первая фаза) следует кратковременный разворот потока (вторая фаза), а затем короткий прямой поток (третья фаза). Волны высокой пульсации являются особенностью систем кровообращения с высоким сопротивлением кровотоку (высоким периферическим сопротивлением).

Пульсацию и сопротивление потоку можно измерить качественно либо путем визуального осмотра сигналов доплеровского спектра, либо путем прослушивания слухового сигнала допплеровского прибора. Качественная оценка пульсации часто достаточна для клинической сосудистой диагностики, но в некоторых ситуациях (например, оценка отторжения почечного трансплантата) количественная оценка желательна. Для этой цели можно использовать различные математические формулы, но наиболее популярными измерениями являются индекс пульсации (Гослинга), индекс удельного сопротивления (Пурсело) и систолическое/диастолическое соотношение. которые показаны на рисунке 3-4 .

РИСУНОК 3-4. Измерения пульсации. А. Индекс пульсации (Гослинга). Б — показатель удельного сопротивления (Пурсело). C, Систолическое/диастолическое соотношение.

Нормальные значения измерения пульсации варьируются от одного места тела к другому. Более того, как физиология, так и патология могут изменять артериальную пульсацию. Например, нормальный паттерн высокой пульсации, наблюдаемый в артериях конечностей во время покоя, после энергичных упражнений превращается в монофазный паттерн с низким сопротивлением (поскольку капиллярные русла открываются и сопротивление потоку уменьшается). Хотя этот монофазный паттерн является нормальным после нагрузки, он явно ненормален у покоящегося пациента и в этом случае указывает на артериальную недостаточность, возникающую в результате обструкции более проксимальных артерий. Здесь следует отметить, что правильная интерпретация пульсации требует знания нормальных характеристик формы волны данного сосуда и физиологического статуса кровообращения на момент обследования. Состояние сердечной функции также важно; замедленное опорожнение желудочков, клапанный рефлюкс, клапанный стеноз и другие факторы могут существенно влиять на артериальную пульсацию.

Ускорение

Ускорение — еще одна важная характеристика потока, проявляющаяся в доплеровских спектральных формах сигналов.  В большинстве нормальных ситуаций скорость потока в артерии очень быстро увеличивается в систолу, а максимальная скорость достигается в течение нескольких сотых секунды после начала сокращения желудочков. Быстрое ускорение потока вызывает почти вертикальное отклонение доплеровской волны в начале систолы ( рис. 3-5 , А ). Однако если имеется тяжелая артериальная обструкция проксимальнее (выше) точки допплеровского исследования, ускорение систолического кровотока может существенно замедлиться, как показано на рисунках  , B и C. Количественное измерение ускорения достигается путем измерения времени ускорения и скорости ускорения (индекса), как показано на рисунке 3-6 . Эти измерения используются, например, при оценке стеноза почечной артерии.

РИСУНОК 3-5. Ускорение и демпфирование. А. Время ускорения (0,03 с) в правой почке нормальное. Б. Время ускорения увеличено (0,15 с) в левой почке из-за тяжелого стеноза проксимальной почечной артерии. ( A и B взяты у одного и того же пациента.) C. Сильно затухающая форма волны на артерии тыльной мышцы стопы, дистальнее окклюзии общей подвздошной и поверхностной бедренной артерии. Обычно этот сигнал должен выглядеть так, как показано на рисунке 3-3 , C. Ускорение сильно задерживается, и во время диастолы присутствует большой объем кровотока, что соответствует тяжелой ишемии.

РИСУНОК 3-6 Измерения ускорения: время ускорения (A) и скорость ускорения (B) .

Идентификация судна

Как вы, возможно, уже догадались, сосуды можно идентифицировать по характеристикам пульсации их формы волны.Например, допплеровские сигналы легко различают артерии нижних конечностей, которые отчетливо пульсируют, и вены, которые имеют слегка волнообразные характеристики кровотока. Допплеровские волны особенно полезны для различения внутренних и внешних сонных артерий, которые имеют низкую и умеренную пульсацию соответственно. Пульсация также имеет значение в печени для дифференциации воротных вен, печеночных вен и печеночных артерий, как обсуждалось в главе 30 .

Ламинарный и возмущенный поток

Кровь обычно течет по артериям упорядоченно: кровь в центре сосуда движется быстрее, чем кровь на периферии. Этот тип потока описывается как ламинарный , поскольку движение крови происходит по параллельным линиям.  Когда поток ламинарный, подавляющее большинство клеток крови движутся с одинаковой скоростью, а доплеровский спектр показывает тонкую линию, очерчивающую чистое пространство, называемое спектральным окном ( рис. 3-7 ).

РИСУНОК 3-7 Ламинарный поток. А. Иллюстрация параллельных линий движения клеток крови. Б — доплеровский спектр при ламинарном течении. В любое время клетки крови движутся с одинаковыми скоростями. В результате спектр представляет собой тонкую линию, заключающую в себе четко выраженное черное «окно» (W) .

При нарушенном потоке движение клеток крови менее равномерное и упорядоченное, чем при ламинарном потоке. Возмущенное течение проявляется в спектральном уширении или заполнении спектрального окна. Степень расширения спектра пропорциональна серьезности нарушения потока, как показано на рисунке 3-8 . Хотя нарушение кровотока часто указывает на сосудистое заболевание, следует признать, что нарушения кровотока встречаются и в нормальных сосудах. Изломы, изгибы и разветвления артерий могут вызывать нарушения кровотока, что довольно ярко показано на примере луковицы сонной артерии, где выраженная область обратного кровотока является нормальным явлением  ( рис. 3-9 ). Кроме того, в нормальных артериях может быть создана ложная видимость нарушенного кровотока за счет использования большого объема образца, охватывающего как область медленного потока возле стенки сосуда, так и более быстрый поток в центре сосуда.  Доплеровский спектр в таких случаях выглядит расширенным, поскольку как высокоскоростной поток в центре сосуда, так и медленный поток на периферии сосуда охватываются широким объемом образца.

РИСУНОК 3-8 Возмущенный поток. А. Иллюстрация возмущенного потока. B. На незначительное нарушение кровотока указывает расширение спектра на пике систолы и в диастолу. C. Умеренное возмущение потока вызывает заполнение спектрального окна. D. Сильное нарушение потока характеризуется спектральным заполнением, плохой четкостью спектральных границ и одновременным прямым и обратным потоком. Звуковой допплеровский сигнал имеет громкий, хриплый характер при сильном нарушении кровотока.

РИСУНОК 3-9 Нормальное бифуркационное нарушение потока. А. Реверс кровотока в луковицеобразной части общей и внутренней сонных артерий вызывает локальные изменения цвета ( стрелка , синий цвет). B. Одновременный прямой и обратный поток очевиден в выпуклой области допплеровского спектра.

Объемный расход

Современные дуплексные приборы способны измерять объем крови, протекающей через сосуд (объемный расход).  Это делается путем измерения средней скорости кровотока по всему просвету (медленный периферический поток и высокий центральный поток) в течение нескольких сердечных циклов с одновременным измерением диаметра сосуда, который математически преобразуется в площадь поперечного сечения. Зная среднюю скорость и площадь сосуда, допплеровскому прибору легко рассчитать скорость кровотока (в мл/мин), и ультразвуковой прибор делает это автоматически. Хотя возможность расчета объемного расхода доступна в дуплексных приборах уже более 20 лет, и точность измерений кажется удовлетворительной, проблемы воспроизводимости не позволяют измерениям объемного расхода использовать их в рутинных условиях в клинических условиях.

Диагностика артериальной обструкции

Теперь, когда мы рассмотрели основные понятия допплеровского спектрального анализа, мы можем обратиться к «суть дела», а именно к тому, как использовать допплеровский спектральный анализ для диагностики артериальной обструкции. В этом процессе используются пять основных категорий информации: (1) увеличение скорости стенотической зоны, (2) нарушение кровотока в постстенотической зоне, (3) проксимальные изменения пульсации, (4) дистальные изменения пульсации и (5) косвенные эффекты препятствия, такие как обеспечение.^‡ Эти категории обобщены в Таблице 3-1 , каждая из них обсуждается в следующих разделах.

ТАБЛИЦА 3-1. Спектральные характеристики артериальной обструкции

Местные эффекты

Повышенная скорость потока в стенозированном просвете

Постстенотическое нарушение кровотока

Проксимальные (вверх по течению) изменения пульсации

Повышенная пульсация

Снижение скорости в целом из-за уменьшения потока.

Дистальные (нисходящие) изменения пульсации

Замедленное систолическое ускорение

Широкий систолический пик

Увеличение диастолического кровотока (снижение периферического сопротивления)

Снижение скорости в целом

Вторичные (побочные) эффекты

Увеличение размера, скорости и объемного потока в коллатеральных сосудах.

Обратный кровоток в коллатеральных сосудах

Снижение пульсации (сопротивления потоку) в коллатеральных сосудах.

Повышенная скорость стенотической зоны

Термин «стенотическая зона» относится к суженной части просвета артерии. Для определения тяжести артериального стеноза единственным наиболее ценным результатом допплерографии является увеличение скорости в зоне стеноза. Скорость потока увеличивается в зоне стеноза, поскольку кровь должна двигаться быстрее, чтобы через суженный просвет течь в том же объеме, что и через более крупный, нормальный просвет. Увеличение скорости стенотической зоны прямо пропорционально выраженности сужения просвета.

Для определения тяжести артериальных стенозов обычно используются три измерения скорости в зоне стеноза ( рис. 3-10 ): (1) пиковая систолическая скорость (также называемая пиковой систолой), которая представляет собой самую высокую систолическую скорость в пределах стеноза; (2) конечно-диастолическая скорость (также называемая конечной диастолой), которая является самой высокой конечно-диастолической скоростью; и (3) коэффициент систолической скорости , который сравнивает пиковую систолу при стенозе с пиковой систолой проксимальнее стеноза (в нормальной части сосуда).

РИСУНОК 3-10. Местные последствия артериального стеноза. А. Высокие скорости, присутствующие в суженной части просвета артерии, создают область искажения цвета (стрелка) внутри стенозированного просвета. B. Нарушенный кровоток в постстенотической области вызывает смесь цветов (стрелка). C. Анализ допплеровского спектра показывает заметно повышенную скорость кровотока с пиковой систолической скоростью 370 см/сек и конечной диастолической скоростью 164 см/сек. D. Сильное нарушение кровотока очевидно в постстенотической области, на что указывает одновременный прямой и обратный поток, заполнение спектра и плохая четкость границ спектра.

Пиковая систола в зоне стеноза является первым параметром допплера, который становится ненормальным по мере сужения просвета артерии. Область максимальной скорости внутри зоны стеноза может быть весьма маленькой, и по этой причине специалист по УЗИ должен «обыскивать» стенозирующий просвет с помощью объема образца, чтобы определить самую высокую скорость потока. Если не учитывать самую высокую скорость потока, степень стеноза может быть недооценена. Как показано на рисунке 3-11 , пиковая систола постепенно возрастает с прогрессирующим сужением, но в конечном итоге сопротивление потоку становится настолько высоким (при уменьшении диаметра более чем на 80%), что пиковая систола падает до нормального или даже субнормального уровня. Такое падение скорости может привести к тому, что неосторожный человек недооценит тяжесть стеноза высокой степени. Низкая скорость кровотока при стенозе очень высокой степени также может привести к ложному диагнозу артериальной окклюзии, если скорость настолько низкая, что допплеровские сигналы не обнаруживаются.

РИСУНОК 3-11. Зависимость между скоростью, потоком и размером просвета. Этот график относится конкретно к стенозу внутренней сонной артерии, но проиллюстрированные принципы применимы и к стенозам других артерий по всему телу. Обратите внимание, что пиковая систолическая скорость в стенозированном просвете внутренней сонной артерии (обозначенная как скорость ) увеличивается экспоненциально по мере уменьшения диаметра просвета (справа налево). Самые высокие скорости соответствуют уменьшению диаметра примерно на 70%. При большей тяжести стеноза пиковая систолическая скорость быстро падает до нуля (из-за быстро возрастающего сопротивления потоку). В отличие от скорости, объемный поток (обозначенный потоком ) остается стабильным до тех пор, пока диаметр просвета не уменьшится примерно на 50%. При дальнейшем уменьшении размера просвета объемный поток очень быстро падает до нуля. Наконец, обратите внимание на соотношение процентного диаметра и уменьшения площади, как показано в основании рисунка. Уменьшение диаметра на 50% соответствует уменьшению площади примерно на 70%, а уменьшение диаметра на 70% соответствует уменьшению площади примерно на 90%!

(Изменено из Spencer MP: Полноценная допплеровская диагностика. В Spencer MP, Reed JM, редакторы: Цереброваскулярная оценка с помощью допплеровского ультразвука , Гаага, Нидерланды, Мартинус Нийхофф, 1981, стр. 213, с любезного разрешения Kluwer Academic Publishers.)

Конечная диастолическая скорость (конец диастолы) в зоне стеноза обычно остается нормальной с сужением менее 50% (диаметра), поскольку в диастоле градиент давления поперек стеноза отсутствует. Однако при умеренном стенозе (уменьшение диаметра на 50–70%) на протяжении всей диастолы существует градиент давления, а конечная диастолическая скорость увеличивается пропорционально тяжести стеноза. При тяжелом стенозе (уменьшение диаметра >70%) на протяжении всей диастолы существует значительный градиент давления, а диастолическая скорость высока. Кроме того, с прогрессированием тяжести стеноза конечная диастолическая скорость увеличивается с большей скоростью, пропорционально, чем пиковая систолическая скорость, и в результате разница между пиковой систолической и конечно-диастолической скоростью уменьшается. Таким образом, конечная диастолическая скорость является особенно хорошим маркером тяжелого стеноза. ⁹

Коэффициент систолической скорости , как определено ранее, является дополнительным важным параметром для диагностики артериального стеноза. Этот параметр используется для компенсации гемодинамических переменных от пациента к пациенту, таких как функция сердца, частота сердечных сокращений, артериальное давление и растяжимость артерий. Тахикардия, например, имеет тенденцию увеличивать пик систолы в зоне стеноза, тогда как плохая функция миокарда может снижать пик систолы. Коэффициент систолической скорости позволяет пациенту выступать в качестве собственного физиологического «стандарта», поскольку пиковая систола в зоне стеноза сравнивается с пиковой систолой в нормальном сегменте артерии (например, общей сонной артерии). Коэффициент систолической скорости используется клинически в ряде случаев, включая измерение стенозов внутренних сонных, почечных артерий и артерий конечностей.

Постстенотическое нарушение кровотока

Постстенотическая зона — это область непосредственно за артериальным стенозом, в которой происходит дезорганизованный или «нарушенный» кровоток. Демонстрация нарушенного кровотока является важным диагностическим признаком. Чтобы понять, почему поток в постстенотической области нарушается, представьте себе, что поток из стенозированного просвета внезапно распространяется в гораздо более крупную постстенотическую зону, вызывая потерю ламинарного режима потока и дезорганизацию потока, что приводит к нарушению допплерографии. спектральная диаграмма, как показано на рисунках 3-8 и 3-10 , B. В некоторых случаях в постстенотической зоне возникают выраженные вихревые движения (или турбулентность), вызывающие одновременный прямой и обратный поток в допплеровском спектре. Максимальное нарушение кровотока возникает в пределах 1 см от стеноза,  а при очень тяжелых стенозах мягкие ткани, прилегающие к этой части артерии, могут вибрировать, вызывая «видимый шум» на цветных допплеровских изображениях, как показано ниже в этой главе. Примерно на 2 см дальше стеноза нарушение кровотока становится менее выраженным и спектральное уширение уменьшается. Упорядоченный ламинарный поток может быть восстановлен в пределах 3 см от стеноза, ^4, 16 , но это расстояние варьируется.

Постстенотические нарушения кровотока можно оценить визуально по шкале, как показано на рисунке 3-8 . В целом минимальные и даже умеренные нарушения кровотока имеют малое диагностическое значение, поскольку могут возникать как в нормальных, так и в аномальных сосудах. Однако серьезные нарушения кровотока обычно не встречаются в нормальных сосудах и являются важным признаком сужения артерии высокой степени или другой артериальной патологии, такой как лоскут интимы, расслоение или артериовенозная фистула. Выраженные нарушения кровотока являются «маяками», указывающими на наличие артериального заболевания. При обнаружении серьезного нарушения кровотока специалист по УЗИ должен тщательно искать соседний стеноз или другое сосудистое поражение. В некоторых случаях стеноз может быть скрыт кальцификацией бляшек (что препятствует прямой ультразвуковой визуализации), и в таких случаях постстенотическое нарушение кровотока может быть единственным признаком значительного сужения артерии.

Изменения проксимальной пульсации

Артериальная обструкция вызывает повышенную пульсацию (как определено ранее) в частях артерии проксимальнее (выше) стеноза, и поэтому этот факт может быть очень важным с диагностической точки зрения. Классический пример этого явления возникает при тяжелой обструкции внутренней сонной артерии, из-за которой допплеровский спектр общей сонной артерии имеет характеристики высокой пульсации, а не нормальный образец низкой пульсации ( рис. 3-12 ). Чтобы понять, почему пульсация увеличивается проксимальнее стеноза, представьте себе, что кровь, текущая в общей сонной артерии, движется к «клапану» внутренней сонной артерии, который закрыт на 90% или 100%, а не широко открыт. Как, по вашему мнению, будет проявляться форма волны скорости в общей сонной артерии? Во-первых, вы можете представить, что во время систолы поток будет идти вперед лишь на короткое время, а затем резко замедлится; следовательно, систолический пик будет резким и узким. Во-вторых, в диастолу кровоток будет относительно небольшим, поскольку внутриартериального давления будет недостаточно, чтобы протолкнуть кровь через закрытый клапан. В-третьих, противодавление из-за закупорки может вызвать кратковременное изменение направления кровотока в начале диастолы, что эквивалентно отраженной волне, наблюдаемой в нормальных артериях конечностей. Наконец, скорость кровотока в общей сонной артерии будет низкой на протяжении всего сердечного цикла, поскольку закрытый клапан в целом снижает кровоток. Увеличение пульсации проксимальнее стеноза может быть уменьшено при наличии коллатерального кровотока. Например, аномальная пульсация общей сонной артерии может отсутствовать, несмотря на стеноз внутренней сонной артерии высокой степени, если через наружную сонную артерию происходит большой объем коллатерального кровотока. В таких случаях коллатеральные сосуды обеспечивают альтернативный путь кровотока с низким сопротивлением и снижают уровень пульсации.

РИСУНОК 3-12. Повышенная пульсация общей сонной артерии вследствие окклюзии внутренней сонной артерии. А. В этой общей сонной артерии очевиден характер кровотока с высоким сопротивлением, состоящий из резких систолических пиков, реверса диастолического кровотока и отсутствия кровотока на протяжении большей части диастолы. Ипсилатеральная внутренняя сонная артерия окклюзирована. Б. Контралатеральная общая сонная артерия имеет нормальный кровоток.

Изменения дистальной пульсации

Нарушения формы допплеровского сигнала, наблюдаемые дистальнее стеноза (вниз по течению), также имеют большое значение в диагностике артериального стеноза. Как отмечалось ранее в разделе об ускорении, скорость кровотока в нормальной, широко открытой артерии резко увеличивается в систолу, и систолический пик быстро достигается (см. рис. 3-5 , А ). Напротив, допплеровский сигнал дистальнее тяжелой артериальной обструкции имеет «затухающий» вид (см. рис. 3-5 , B и C ), что означает, что систолическое ускорение замедлено, систолический пик округлен, максимальная систолическая скорость ниже нормы, а диастолический поток увеличивается. Термины pulsus tardus и pulsus parvus («tardus parvus») также используются для описания этих затухающих постобструктивных волн. Тардус означает задержку достижения систолического пика, а парвус — общую низкую скорость. Существует три причины появления поздних пульсов и парвуса. Во-первых, можно представить, что кровь медленно «выдавливается» через закупоренный просвет (или крошечные коллатерали), а не «летит» по широкой трубке. Следовательно, для достижения максимальной скорости в систолу требуется больше времени, и систолическое ускорение снижается. Во-вторых, скорость потока низкая, поскольку через закупоренный сосуд проходит меньше крови. Это делает форму допплеровского сигнала в целом меньше нормальной. Наконец, ишемизированные дистальные ткани «просят» крови, капиллярные русла широко открыты. Результирующее снижение периферического сопротивления позволяет крови течь в течение диастолы даже в сосудах, которые в норме не имеют диастолического кровотока (например, артериях конечностей). Конечным эффектом всех трех факторов является появление затухающего (также называемого затухающим ) сигнала, описанного ранее. Важность этой формы волны невозможно переоценить, поскольку она ясно указывает на наличие артериальной обструкции проксимальнее места допплеровского исследования. К сожалению, эти формы волны «tardus parvus» не всегда идентифицируются дистальнее значительного стеноза или окклюзии. Другими словами, наличие этих затухающих сигналов очень специфично, но менее чувствительно для серьезных заболеваний притока.

Затухание формы сигнала из-за проксимальной обструкции можно оценить визуально, но его также можно оценить количественно путем измерения времени ускорения или индекса ускорения, а также с помощью индексов пульсации, описанных ранее в этой главе.

Вторичные (побочные) эффекты

Последним диагностическим признаком артериальной обструкции, имеющим диагностическое значение, являются изменения кровотока в коллатеральных сосудах. Артериальная обструкция обычно изменяет кровоток в коллатеральных каналах, которые могут находиться вблизи или на расстоянии от места обструкции. Эти изменения потока включают увеличение скорости, увеличение объемного потока, изменение направления потока и изменения пульсации. Например, наружная сонная артерия может стать важным коллатеральным сосудом в случае ипсилатерального или контралатерального стеноза или окклюзии внутренней сонной артерии. Аналогично, позвоночная артерия может стать побочным источником перфузии руки в случаях обструкции подключичной артерии. В таких случаях кровоток может измениться в ипсилатеральной позвоночной артерии и существенно увеличиться в контралатеральной позвоночной артерии, что, в свою очередь, сопровождается увеличением размера сосуда и скорости кровотока.

Вторичные проявления артериальной обструкции могут иметь диагностическое значение по следующим причинам: (1) они могут указывать на наличие обструктивного поражения, которое в противном случае не было бы очевидным, например, когда обратный позвоночный поток привлекает внимание к подключичному стенозу; (2) расположение коллатералей примерно указывает на уровень обструкции; и (3) изменения вторичного кровотока дают некоторые данные, хотя и ограниченные, об адекватности коллатеральной системы, позволяющей избежать обструктивного поражения. Такие изменения имеют особое значение при транскраниальной допплерографии, как описано в главе 12 .

Цветная ультразвуковая визуализация

Одним из наиболее выдающихся достижений в области ультразвуковой аппаратуры является цветная ультразвуковая визуализация, при которой изображение кровотока накладывается на стандартное ультразвуковое изображение в оттенках серого, что позволяет визуально оценить кровоток. Цветная визуализация потока является важным компонентом ультразвуковой диагностики сосудов, и по этой причине правильное использование этого метода очень важно. Цветовой поток имеет определенные особенности и ограничения, которые могут вызвать значительную диагностическую ошибку, если специалист по УЗИ недостаточно понимает этот метод и его применение. Поэтому стоит рассмотреть эту тему.

Принципы визуализации цветового потока

Существует три метода создания изображений цветового потока: цветной допплер, визуализация во временной области и энергетический допплер. Обычно мы объединяем их под общим термином «цветовой поток» , но также часто используются более конкретные термины «цветовой допплер» и «энергетический допплер» .

Цветное допплеровское картирование

Ультразвуковые приборы с оттенками серого используют только две части информации от каждого эха, возвращающегося от тела пациента: расстояние от эха до преобразователя (определяется временем прохождения ультразвукового импульса) и силу эха. Эхо-сигнал обычно содержит другую информацию, такую ​​как доплеровский сдвиг частоты, но эта информация игнорируется. Приборы цветного допплера ^{36–40 используют информацию доплеровского сдвига в дополнение к информации о времени прохождения и амплитуде, чтобы проиллюстрировать} кровоток в цвете, как показано на ^{рисунке} 3-13 . Для каждого эхосигнала, отображаемого на цветном допплеровском изображении, прибор выполняет пять определений:

1. Сколько времени потребовалось звуковому лучу, чтобы добраться до места эха и обратно? Как и во всех ультразвуковых аппаратах, это «время полета» ультразвукового луча указывает на расстояние эхоотражателя от преобразователя.

2. Насколько сильно эхо? Сила или амплитуда ультразвукового сигнала определяет, насколько ярко эхо отображается на изображении как для серой шкалы, так и для компонентов цветного допплера.

3. Имеется ли доплеровский сдвиг частоты? Если да, то эхо отображается в цвете; если нет, то он представлен оттенками серого.

4. Какова величина доплеровского сдвига частоты? Величина доплеровского сдвига пропорциональна скорости кровотока и доплеровскому углу (показано на рисунке 3-2 ). Различные уровни частоты показаны на изображении в виде разных цветовых оттенков.

5. Каково направление доплеровского сдвига? Прибор определяет, направлен ли поток к датчику или от него, отмечая, имеет ли эхо-сигнал более высокую или более низкую частоту, чем ультразвуковой луч, исходящий от датчика. Более высокая доплеровская частота означает, что поток (относительно) направлен к датчику, а более низкая доплеровская частота означает, что поток направлен от датчика. Традиционно поток в одном направлении обозначается синим цветом, а поток в другом направлении — красным. Однако при желании оператор может выбрать и другие цветовые схемы.

РИСУНОК 3-13. Приборы цветного допплера. Стационарные отражатели генерируют только информацию об амплитуде и представлены оттенками серого. Движущиеся отражатели генерируют доплеровский сдвиг частоты и показаны цветом. Различные цвета могут использоваться для отображения потока в направлении датчика (увеличенная частота доплеровского сдвига) и от датчика (уменьшенная частота доплеровского сдвига).

Обратите внимание, что на цветном допплеровском изображении отображаются как направление потока, так и скорость потока (допплеровский сдвиг) ( рис. 3-14 ). Это можно сделать двумя способами. При использовании метода смещения оттенка разные цвета используются для представления разных уровней частоты (например, с увеличением частоты/скорости цвет меняется на синий, зеленый, желтый и белый). При методе изменения оттенка отображается тот же цвет, но с увеличением частоты цвет становится светлее (например, через темно-красный, светло-красный, розовый и, наконец, белый). Некоторые сонологи предпочитают метод смещения оттенка, полагая, что он более четко отражает изменения в частотном сдвиге и может более четко демонстрировать наложение спектров, как будет рассмотрено позже.

РИСУНОК 3-14. Цветовые схемы. В приборах цветного допплера используются разнообразные цветовые схемы. А. В этой схеме постепенное увеличение частотного сдвига меняет цвет изображения от красного к розовому, затем к белому или от темно-синего к светло-голубому и к белому, в зависимости от направления потока. Б. При этой схеме цвет меняется с красного на желтый или с синего на зеленый.

Визуализация цветового потока во временной области

Изображения цветового потока, сгенерированные с помощью метода во временной области , выглядят как изображения потока, созданные с помощью ранее описанного доплеровского метода, но эти методы цветового потока на самом деле совершенно разные. При использовании метода временной области ультразвуковой прибор идентифицирует кластеры эхо-сигналов (называемые спеклами ) на ультразвуковом изображении и отмечает, насколько далеко эти кластеры перемещаются при последовательных ультразвуковых импульсах. Многократно «проверяя» эхо-кластеры на предмет движения, прибор распознает области, в которых присутствует поток. Направление и скорость потока определяются непосредственно с помощью метода временной области, отмечая, в каком направлении и с какой скоростью движутся кластеры.  Визуализация потока во временной области не широко используется производителями ультразвукового оборудования. Наиболее часто используемые методы цветового допплера — это цветной допплер и энергетический допплер.

Энергетическая допплеровская визуализация потока

Третий метод цветной потоковой визуализации широко используется в сосудистой диагностике и называется энергетической допплеровской визуализацией потока , или сокращенно энергетической допплерографией . Как следует из названия, это доплеровский метод, но он отличается от ранее описанной стандартной цветной допплеровской визуализации тем, что мощность или интенсивность доплеровского сигнала измеряется и отображается в цвете, а не доплеровский сдвиг частоты как таковой. ⁴² Другими словами, прибор определяет, насколько силен доплеровский сдвиг во всех местах поля изображения, и отображает места, где сила доплеровского сигнала превышает пороговый уровень ( рис. 3-15 ). Используемый здесь термин « мощность » имеет то же значение, что и термин «спектр доплеровской мощности», описанный ранее в этой главе. По сравнению со стандартной цветной доплеровской визуализацией, энергетическая допплерография  считается более чувствительной при обнаружении кровотока и менее зависимой от угла допплера. Эти преимущества означают, что можно визуализировать сосуды меньшего размера и сосуды с низкой скоростью кровотока; более того, даже перфузию тканей можно оценить в ограниченной степени. Повышенная чувствительность энергетического допплеровского картирования достигается за счет более широкого использования динамического диапазона доплеровского сигнала, чем это возможно при стандартной цветной допплеровской визуализации. Можно использовать больший динамический диапазон, поскольку шуму, который подавляет стандартное цветное допплеровское изображение, можно назначить однородный цвет фона (например, светло-голубой). Следовательно, все, что представляет шум, имеет синий цвет ( рис. 3-15 , C ), а все, что представляет поток, — другого цвета (обычно золотого). Более того, наложение спектров не влияет на энергетическую допплеровскую визуализацию. Даже часть сигнала с псевдонимами (обертыванием) (см. главу 2 ) имеет мощность и может отображаться как поток. Новые устройства позволяют получать цветные/энергетические изображения, сочетающие направленность цветного допплера с чувствительностью энергетического допплера.

РИСУНОК 3-15. Иллюстрации энергетического допплера. А: Почечные сосуды видны с поразительной детализацией, включая мелкие сосуды коркового вещества почки (стрелки) . Обратите внимание на отсутствие информации о направлении потока; все сосуды желтые, хотя кровоток в некоторых сосудах направлен к корковому веществу (артериям), а в других — к воротам почки (венам). B. Количественная спектральная информация может быть получена в режиме энергетического доплера. C. На этом энергетическом допплеровском изображении сосудов черепа используется синий фон, что улучшает обнаружение потока, поскольку шум преобразуется в однородный синий цвет. При использовании цветного допплера шум размывает границы сосудов.

Энергетическая допплерография имеет одно дополнительное преимущество, которое делает ее особенно ценной для использования с агентами, усиливающими ультразвуковое эхо (см. главу 4 ). Энергетическая допплерография менее подвержена цветению , чем стандартная цветная допплерография. Цветение — это распространение цвета за пределы кровеносного сосуда, которое происходит, когда усиление допплеровского сигнала слишком велико. Цветение является особой проблемой, когда для улучшения обнаружения кровотока используется агент, усиливающий эхо (ультразвуковое контрастное вещество). Внутривенная инъекция средства, усиливающего эхо, значительно увеличивает интенсивность допплеровского сигнала, вызывая чрезмерное усиление и сильное цветение. При энергетической допплеровской визуализации цветение не происходит из-за способа определения потока-отсутствия потока. ⁴² Таким образом, энергетическая допплерография может быть предпочтительным методом ультразвуковой визуализации с усилением эхосигнала.

Несмотря на свои потенциальные преимущества перед цветным допплером, энергетический допплер имеет два основных ограничения. Во-первых, частота кадров может быть ниже, чем у цветного допплера, что делает этот метод визуализации менее ценным для быстро движущихся сосудов, быстро движущихся пациентов (особенно детей) и областей, подверженных дыхательным или сердечным движениям. Во-вторых, энергетический допплер не дает информации о направлении потока! (Помните, что отображается мощность доплеровского сигнала, а не доплеровский сдвиг как таковой.) Без измерения доплеровского сдвига невозможно определить направление потока.

Преимущества цветной потоковой визуализации

Оставив технические детали позади, давайте рассмотрим визуализацию цветового потока с клинической точки зрения: где цветовой поток помогает, а где возникают проблемы? Иными словами, каковы возможности и ограничения ультразвукового исследования цветового потока?

Техническая эффективность

Возможно, самым большим преимуществом цветной потоковой визуализации является техническая эффективность. При обнаружении движущейся крови сосуд «загорается», даже если сосуд слишком мал, чтобы его можно было различить на изображении в оттенках серого. Поскольку сосуды выделяются ярким цветом, их можно обнаружить и отслеживать гораздо легче, чем с помощью инструментов с оттенками серого. Более того, основные суждения о кровотоке можно относительно легко сделать с помощью цветной визуализации кровотока. Сонограф может быстро определить наличие потока, направление потока и наличие очаговых нарушений потока. Эти возможности расширили возможности применения дуплексной сонографии. Например, с помощью цветной потоковой визуализации можно с относительной легкостью быстро и относительно легко исследовать длинные сегменты сосудов, такие как сосудистый шунтирующий трансплантат. Кроме того, цветная визуализация потока облегчает исследование сосудов, которые трудно изучить с помощью изображений в оттенках серого, таких как икроножные вены и почечные артерии.

Помощь в разборе анатомии брюшной полости

Еще одним преимуществом цветной визуализации потока является упрощенная дифференциация сосудистых и несосудистых структур, что особенно полезно при исследовании брюшной полости. С точки зрения радиолога, одним из наиболее очевидных применений является выяснение анатомии ворот печени. Желчные протоки, не имеющие кровотока, можно визуально отличить от сосудов ворот печени; кроме того, печеночную артерию и воротную вену можно отличить визуально по характеристикам кровотока.

Оценка потока во всем просвете

Основным преимуществом цветной визуализации потока является изображение кровотока во всех сегментах сосудов, а не только в пределах объема допплеровского образца. Поскольку особенности потока видны на большой площади, локализованные нарушения потока легко заметны и их с меньшей вероятностью можно упустить из виду, чем при использовании дуплексных методов с использованием серой шкалы. Сонографист немедленно получает информацию о местоположении любого нарушения кровотока, что ускоряет обследование и позволяет быстро оценить длинные сегменты сосудов на предмет обструкции и другой патологии.

Визуальное измерение просвета сосудов

По сравнению с УЗИ в оттенках серого, цветная визуализация потока облегчает определение остаточного просвета в стенозированных или расширенных сосудах ^43, 44 , позволяя визуально (не допплеровски) измерить открытые сегменты ( рис. 3-16 ). Однако прямое визуальное измерение стеноза остается проблематичным из-за извилистости сосудов, размытия цвета, внеосевых измерений и акустических теней от кальцинированных бляшек.

РИСУНОК 3-16. Улучшенная оценка остаточного просвета. Остаточный просвет ( стрелка ) четко визуализируется на этом изображении цветового потока, что потенциально повышает точность измерений.

Дифференциация тяжелого стеноза и окклюзии

Способность цветной визуализации потока, и особенно энергетической допплерографии, обнаруживать низкоскоростной поток в крошечном остаточном просвете, облегчает дифференциацию окклюзии артерии и близкой окклюзии с «струйкой» остаточного потока ( рис. 3-17 ). Личный опыт показывает, что в этом отношении важна цветная визуализация потока, а исследования сонных артерий показали улучшенные результаты для обнаружения потока в почти окклюзированных внутренних сонных артериях. 

РИСУНОК 3-17. Небольшой остаточный просвет. Крошечный остаточный просвет внутренней сонной артерии (ВСА) не был бы виден без цветной визуализации. ОСА, общая сонная артерия.

Ограничения визуализации Color Flow

Вот и все преимущества технологии цветового потока, большинство из которых быстро становятся очевидными при использовании. Теперь об ограничениях, которые могут иметь неблагоприятные диагностические последствия, если их не понимает специалист по УЗИ. Многие из перечисленных здесь ограничений также возникают при использовании трехмерной (3D) визуализации цветового потока, которая обсуждается далее в этой главе.

Информация о потоке является качественной

Очень важно понимать, что информация о цветовом потоке является качественной , а не количественной.  Для этого есть три причины.

Во-первых, изображение цветового потока основано на среднем доплеровском сдвиге внутри сосуда, а не на пиковом доплеровском сдвиге. Напомним, что количественные измерения доплеровского спектра основаны на пиковых доплеровских сдвигах, а не на среднем сдвиге. Средний доплеровский сдвиг бесполезен для фактической оценки стеноза; вам нужны пиковые значения. Кроме того, средний доплеровский сдвиг снижается из-за возмущений потока (турбулентности).

Вторая причина того, что информация о цветовом потоке является качественной, — это отсутствие доплеровской коррекции угла . Ранее мы указывали на важность коррекции доплеровского угла для точных спектральных доплеровских измерений. Поэтому легко понять, что отсутствие угловой коррекции вносит существенный вклад в качественный характер изображения цветового потока. Цвета, обозначающие высокую скорость, можно увидеть на судне, которое круто ныряет от датчика, хотя скорости в этом судне на самом деле не очень высоки.

Наконец, информация о цветовом потоке показывает только несколько уровней частоты . Визуализация цветового потока, по сути, представляет собой визуальную форму доплеровского анализа спектра, но это очень грубая форма, в которой видны только несколько больших частотных «шагов». Эти несколько шагов дают лишь общее представление об изменении скорости потока.

Поскольку изображения цветного потока являются качественными, для получения количественных данных о потоке по-прежнему необходимо использовать допплеровский спектральный анализ (импульсный допплеровский анализ) ( рис. 3-18 ). Однако количественные данные о потоке можно получить с помощью дисплея цветового потока с помощью некоторых систем визуализации цветового потока во временной области, но эти инструменты не получили широкого распространения.

РИСУНОК 3-18. Информация о цветовом потоке является качественной, а не количественной. А. Похоже, что скорость потока в этой сонной артерии повышена из-за артефакта наложения в просвете сосуда. B. Спектральная допплерография с коррекцией по углу показывает, что пиковая систолическая скорость не повышена (73,59 см/сек).

Низкая частота повторения импульсов и частота кадров

Инструменту цветового потока необходимо обработать огромный объем данных для создания каждого пикселя (элемента изображения) и каждого кадра изображения. Обработка этих данных требует времени, что может значительно ухудшить как полутоновые, так и цветные допплеровские изображения. Эта проблема возникает главным образом из-за уменьшения частоты повторения импульсов (PRF) (количества импульсов, отправляемых в секунду) и частоты кадров (количества раз в секунду, когда изображение на мониторе обновляется). Визуализация B-потока, обсуждаемая позже, не подпадает под эти ограничения разрешения изображения.

Деградация изображения при работе цветового потока проявляется в следующих формах: (1) потеря пространственного разрешения; (2) большая тенденция к доплеровскому сглаживанию, которое может вызвать ложное представление высокоскоростного потока; (3) пониженное временное разрешение, ограничивающее возможность визуализировать быстро движущиеся сердечные или сосудистые события (например, движение сердечного клапана может быть менее четко видно при сканировании в цветном потоке, чем при сканировании в оттенках серого); и (4) видимое мерцание изображения, когда частота кадров падает ниже 15 кадров в секунду. (В этот момент человеческий глаз больше не «размывает» ультразвуковые изображения в движущуюся картинку.) 

Обнаружение кровотока зависит от угла

Кровоток не обнаруживается с помощью цветных допплеровских аппаратов в сосудах, перпендикулярных лучу ультразвука. (Устройства цветной и спектральной допплерографии в этом отношении схожи.) Ложноположительный диагноз сосудистой окклюзии может возникнуть, если сосуд расположен приблизительно перпендикулярно ультразвуковому лучу, как показано на рисунке 3-19 . Это особенно серьезная проблема с преобразователями с изогнутой решеткой. (Попробуйте визуализировать сосуды с помощью изогнутой решетки, и вы поймете, что мы имеем в виду.)

РИСУНОК 3-19 Ложное отсутствие потока. Похоже, что кровоток в правой печеночной вене (звездочка) отсутствует , поскольку этот сосуд перпендикулярен лучу зрения в цветном допплеровском режиме.

Направление потока произвольное

Очень важно помнить, что цвет сосуда на цветном изображении потока не является абсолютным показателем направления потока. Цвет назначается относительно преобразователя ( Рисунок 3-20 ; см. Рисунок 3-14 ). Оператор может изменить цветовую схему (например, артерии синие, вены красные), просто изменив ориентацию датчика или нажав кнопку. Чтобы определить истинное направление потока, оператор должен внимательно наблюдать за ориентацией интересующего сосуда относительно датчика, проверить направление потока с помощью импульсной допплерографии или обратиться к сосуду, направление потока которого известно (например, аорта, если вы работаете в брюшной полости).

РИСУНОК 3-20. Направление потока цвета указано относительно преобразователя. Две печеночные вены синие, а одна красная, что означает, что направление потока в красном сосуде противоположно направлению потока в синих сосудах. На самом деле поток во всех сосудах направлен к нижней полой вене (стрелки) , но поток в красном сосуде направлен относительно датчика (верхняя часть изображения), тогда как поток в других сосудах относительно удален от датчика.

Цвет может скрыть сосудистую патологию

Если элементы управления инструментом отрегулированы неправильно, информация о цветовом потоке имеет тенденцию «расплываться» на окружающем полутоновом изображении ( рис. 3-21 ). Важная сосудистая патология, включая бляшки и венозные тромбы, может быть скрыта за налетом. Как упоминалось позже, отсутствие цветения является желательной особенностью визуализации B-потока.

РИСУНОК 3-21 Цвет скрывает налет. A. Цветное размытие скрывает бляшки на сонных артериях (стрелки) . B. Бляшка видна оптимально при выключенном цветовом потоке.

Цветная вспышка

При визуализации цветового потока все, что движется в поле зрения относительно датчика, отображается в цвете. В брюшной полости перистальтические движения, движения сердца или передаваемые пульсации от магистральных сосудов могут вызывать появление цветных пятен на ультразвуковом изображении, называемых цветной вспышкой , которые могут затенять большие части поля зрения, включая интересующие структуры. Проблема цветных вспышек особенно заметна в верхней части живота из-за движения сердца.

Странный случай видимого шума

Видимый шум — это своеобразный, но полезный феномен потока ( рис. 3-22 ), который можно увидеть с помощью цветной визуализации потока. Виден монтаж цвета в мягких тканях, прилегающих к кровеносному сосуду, в результате вибрации стенки сосуда и окружающих мягких тканей. Вибрация стенки, в свою очередь, вызвана сильным нарушением потока внутри сосуда. Частоты низкого уровня производятся в прилегающих мягких тканях, которым инструмент присваивает цвет. Видимый шум чаще всего связан с артериовенозными фистулами, но также встречается при артериальных стенозах и псевдоаневризмах.

РИСУНОК 3-22. Видимый шум. Вибрации мягких тканей вызывают цветовой монтаж рядом со стенозированной внутренней сонной артерией.

Видимый шум предполагает тяжелый стеноз артерии, но при интерпретации этих данных следует проявлять осторожность, поскольку иногда могут возникать серьезные нарушения кровотока при отсутствии значительного стеноза. Термин «видимый шум» употребляется неправильно, поскольку шум — это звук, который не виден. Тем не менее, нам нравится этот термин, потому что вибрация тканей, наблюдаемая при визуализации цветового потока, также приводит к тому, что шум можно услышать с помощью стетоскопа.

Оптимизация качества изображения Color Flow

Изображение цветового потока получается на основе относительно слабых отражений от эритроцитов. Из-за слабости этих эхо-сигналов возможность продемонстрировать поток с помощью ультразвука особенно чувствительна к настройкам инструмента. Следующие технические приемы, обобщенные в Таблице 3-2 , следует использовать, когда трудно получить адекватное изображение цветового потока. Те же процедуры применимы и к трехмерной визуализации цветового потока.

1. Диапазон скоростей: проверьте, настроен ли инструмент на правильный диапазон скоростей. Если прибор настроен на определение артериальной скорости, он нечувствителен к венозной скорости, и наоборот. Отрегулируйте PRF или диапазон скоростей до уровня, подходящего для интересующего судна.

2. Доплеровский угол. Помните, что доплеровский угол существенно влияет на изображение цветового потока. Интенсивность изображения цветового потока уменьшается по мере того, как угол допплера приближается к 90°; то есть ультразвуковой луч перпендикулярен кровеносному сосуду. Итак, когда поток в сосуде отсутствует, спросите: «Есть ли у меня подходящий доплеровский угол?» Если нет, переместите рамку цветового потока или датчик, чтобы улучшить угол допплера.

3. Поле зрения. Учитывайте глубину резкости, показанную на изображении. Используйте ровно столько глубины, сколько вам нужно! Большая глубина требует более длительного прохождения ультразвуковых импульсов, что уменьшает ЧПИ и количество импульсов на квадратный сантиметр ткани и увеличивает время обработки сигнала. Конечным результатом является снижение способности отображать поток (а также ухудшение качества изображения в оттенках серого).

4. Размер цветной коробки: учитывайте размер цветной коробки. По тем же причинам, которые были указаны ранее для поля зрения , информация импульсного эха становится все более «разбавленной» по мере увеличения цветового поля. Лучше всего использовать небольшую цветную коробку, особенно при исследовании сосудов глубоко внутри тела.

5. Мощность и усиление. Определите, являются ли выходная мощность прибора, усиление с временной компенсацией и усиление цвета оптимальными. Недостаточная мощность или усиление могут привести к получению неадекватной информации о цветовом потоке.

6. Приоритет цвета: проверьте, правильно ли настроен приоритет шкалы серого по сравнению с цветом. Большинство (если не все) инструментов цветового потока позволяют оператору определить, чему уделяется больше внимания: полутоновому или цветному изображению. Если приоритет отдается полутоновому изображению, то страдает цветное изображение, и наоборот. Если у вас возникли проблемы с обнаружением потока, сместите приоритет обработки изображения в сторону цвета.

7. Контроль удара: проверьте, не удаляет ли контроль удара слишком много информации о цветовом потоке. Под контролем ударов понимается электронная фильтрация, которая удаляет цветовые артефакты, создаваемые пульсацией сердца или сосудов. В небольших периферических сосудах контроль пульса не требуется, и его следует устанавливать на настолько низком уровне, насколько это практически возможно.

8. Настенный фильтр: проверьте настройку настенного фильтра. Если настенный фильтр установлен слишком высоко, низкочастотные сигналы, генерируемые потоком с низкой скоростью, устраняются. Настенный фильтр предназначен для устранения низкочастотного шума, но если он установлен слишком высоко, он также удаляет информацию о потоке. Это не является проблемой при высокоскоростном кровотоке, но может стать серьезной проблемой при обнаружении венозного кровотока или при оценке мелких паренхиматозных артерий.

9. Очень медленный поток. Наконец, помните, что поток может быть слишком медленным для визуализации цветового потока. Энергетическая допплерография или спектральная допплерография могут быть более чувствительны к наличию медленного кровотока, чем стандартная цветная допплерография, и может быть полезно переключиться на эти методы, когда сосуд кажется окклюзированным.

ТАБЛИЦА 3-2. Что следует проверить, если вы не можете обнаружить кровоток

Диапазон скоростей (PRF)

Доплеровский угол

Поле зрения

Размер цветной коробки

Усиление цвета

Энергетический допплер

Приоритет цвета

Контроль ударов

Настенный фильтр

Поток слишком медленный?

PRF, частота повторения импульсов.

Трехмерная сосудистая визуализация

Достижения в области компьютерных технологий и конструкции датчиков сделали трехмерную ультразвуковую визуализацию реальностью ^49–53 ( рис . 3-23 ⁾ . Хотя алгоритмы реконструкции, используемые в современных аппаратах 3D-УЗИ, не так сложны, как те, которые используются для компьютерной томографии или магнитно-резонансной томографии, они подходят для клинического использования, и использование 3D-УЗИ продолжает расти. Большинство исследований были сосредоточены на акушерских, кардиологических и гинекологических применениях. Клинических исследований, в которых оценивалось применение 3D-УЗИ на сосудах, немного. Области текущих исследований включают бифуркацию сонных артерий и стеноз сонных артерий, эндоваскулярные применения, заболевания внутричерепных сосудов, ремоделирование шунтов и аневризмы брюшной аорты.

РИСУНОК 3-23 Трехмерное ультразвуковое изображение. Большое изображение вверху затенено, чтобы показать трехмерность, присущую этому изображению бифуркации сонной артерии. Три поля внизу показывают разные двухмерные перспективы, основанные на сохраненных трехмерных данных. Ориентацию обеспечивает навигатор (стрелка) . Цветные рамки вокруг двумерных изображений соответствуют плоскостям сечения, видимым в навигаторе.

Трехмерное представление ультразвуковых данных может быть выполнено с помощью имеющихся в продаже ультразвуковых систем. Автономные графические рабочие станции также можно использовать для создания, просмотра и хранения наборов 3D-данных. Эти наборы данных могут быть получены путем объединения стопок двумерных срезов для создания объема ткани. Совсем недавно трехмерную ультразвуковую информацию можно было получить напрямую, путем сбора объема данных, генерируемых путем перемещения, наклона или вращения датчика по интересующей области.

Существует несколько вариантов просмотра 3D-данных. Изображения могут отображаться как набор последовательных изображений, которые можно просматривать вручную с помощью трекбола или клавиатуры. Для сравнения можно одновременно отображать несколько плоскостей, включая аксиальные, сагиттальные и корональные изображения. Кроме того, информацию можно рассматривать как набор объемных данных, подчеркивающий различные характеристики тканей или кровотока. Интерактивный просмотр данных позволяет исследователю вращать объем в любой плоскости или разрезе, прокручивать отдельные срезы и вычитать поверхностную или нежелательную информацию. Трехмерное исследование в реальном времени (также известное как четырехмерная визуализация) в настоящее время доступно в клинических ультразвуковых отделениях. Будущие модификации программного обеспечения позволят проводить виртуальное обследование кровеносных сосудов в режиме реального времени.

Преимущества 3D-УЗИ включают возможность получения анатомических изображений, которые невозможно получить при двухмерной визуализации. Исследователь может переформатировать объем данных изображения в разных плоскостях изображения, чтобы извлечь информацию, скрытую вышележащими тканями или артефактами. Кроме того, можно получить поверхностное (или прозрачное) отображение данных. Также доступен автономный просмотр наборов данных о пациентах. В существующих системах доступен перерасчет измерений скорости и оценка различных плоскостей изображения при артериальном стенозе после того, как пациент покинул зону ультразвукового исследования.

Существует несколько ограничений, которые замедлили широкое распространение 3D-УЗИ. Переформатирование и анализ 3D-данных занимают много времени. Артефакты, связанные с движением, рассеянием, затуханием и цветными вспышками, серьезно ухудшают качество 3D-доплеровской информации. Современные рабочие станции, позволяющие анализировать данные 3D-ультразвукового исследования, дороги и не всегда совместимы с современными системами архивирования изображений. Наконец, также сложно хранить и извлекать 3D-ультразвуковую информацию с помощью некоторых системных технологий архивирования изображений.

Визуализация потока в B-режиме

Визуализация потока в B-режиме ^54–56 ( сокращенно B-поток) — это один из новейших методов визуализации потока, доступных на медицинских ультразвуковых инструментах ^. Как следует из названия, B-flow показывает кровоток в полутоновом изображении или B-режиме и не является допплеровским методом. Как текущая кровь, так и окружающие неподвижные структуры показаны оттенками серого ( рис. 3-24 ). При визуализации B-потока широкополосные импульсы, закодированные в цифровой форме, передаются и отражаются от движущихся клеток крови. Возвращающиеся эхо-сигналы декодируются и фильтруются, чтобы повысить чувствительность обнаружения движущихся рассеивателей и отличить кровь от ткани. Поскольку это не доплеровский метод, информация о скорости или частоте не предоставляется, а спектральный анализ не применяется. Это чисто визуальный, неколичественный метод определения кровотока.

РИСУНОК 3-24 Ультразвуковое исследование B-потока. A. Это изображение B-потока по длинной оси точно показывает размер стенозированного просвета внутренней сонной артерии (стрелки) . B. Размер просвета сильно преувеличен при визуализации цветового потока из-за цветения и других артефактов.

Вероятно, наиболее полезным аспектом B-потока является точное определение границы между текущей кровью и стенкой сосуда. Поскольку это не метод доплеровской визуализации, проблемы размытия и чрезмерного усиления сигналов потока, упомянутые ранее, не применимы. Кроме того, технология B-потока не ухудшает пространственное или временное разрешение изображения в B-режиме, как в случае с визуализацией цветового потока. Таким образом, устраняется тенденция цветового допплера затемнять стенку сосуда и бляшку. В поверхностных артериях, таких как сонные артерии, наличие, степень и тяжесть бляшек в артериях выявляются более четко с помощью B-потока, чем с помощью цветной допплерографии или даже стандартной сонографии в B-режиме. Потенциально B-flow может прояснить изображение неровных поверхностей бляшек, возникающих в результате изъязвлений бляшек, что в значительной степени повысит его ценность для визуализации сонных артерий. В венозной системе небольшие тромбы глубоких вен хорошо демонстрируются при B-потоке как дефекты наполнения, которые можно отличить от текущей крови. С помощью этого метода также легко обнаружить венозную недостаточность и недостаточность клапанов. Наконец, B-поток полезен для демонстрации сложных состояний кровотока, как это наблюдается при шунтировании, артериовенозных фистулах, псевдоаневризмах и диализных трансплантатах, где артефакты цветного допплера могут скрывать информацию о кровотоке.

Поскольку B-поток основан на усилении очень слабых эхо-сигналов от эритроцитов, он ограничивается затуханием ультразвука, что ограничивает изображение глубоких сосудов, особенно тех, в которых кровь движется быстро. Таким образом, B-поток особенно хорошо работает при визуализации поверхностных сосудов.