Принципы цветовой и силовой допплерографии при ультразвуковом исследовании шеи

Рис. 6.1

Эта диаграмма иллюстрирует основную идею, лежащую в основе эффекта Допплера, который описывает ситуацию, при которой источник волн (“S”) и приемник (“R1”, “R2”, “R3” или “R4”) движутся относительно друг друга со скоростью “v” (красная стрелка). Частота, передаваемая источником, и частота, регистрируемая приемниками, как правило, различаются в зависимости от направления движения и положения источника и приемника

Разница между обнаруженной и переданной частотами называется доплеровским сдвигом и прямо пропорциональна скорости источника, описываемой уравнением Доплера :

(Из-за характера медицинского ультразвука, основанного на импульсном эхе, уравнение допплерографии, запрограммированное в ультразвуковых сканерах, включает коэффициент “2”, не отраженный в приведенном выше уравнении, что указывает на то, что допплеровские сдвиги, обнаруживаемые клинически, в два раза больше, чем предсказанные приведенным выше уравнением.) Если частота источника, угол допплерографии и скорость распространения звука в среде известны, скорость источника можно вычислить по измеренному допплеровскому смещению. Угол допплерографии определяется как угол между линией, соединяющей источник и приемник, и вектором скорости (стрелка показывает направление движения). Приемники R1 и R2 имеют доплеровские углы 0 ° и 180 ° соответственно. Они будут иметь максимально возможные доплеровские сдвиги, но противоположные знаки, один положительный и один отрицательный. Допплеровский сдвиг R1 будет положительным (поскольку частота приема > частота передачи), соответствующий скорости в направлении приемника, а допплеровские сдвиги R2 и R3 будут отрицательными. Угол допплерографии R4 равен 90 °, а допплеровский сдвиг равен нулю, как будто источник не движется. Хотя эффект допплера может включать движение любой биологической ткани или жидкости, например, струи мочеточника, поступающей в мочевой пузырь, подавляющее большинство применений клинической радиологии включают обнаружение и измерение сосудистого потока.

6.3 Режим дуплексной / спектральной допплерографии

Первоначальное использование эффекта Допплера в медицинском ультразвуковом исследовании было направлено на быстрое измерение спектра всех скоростей кровотока, присутствующих в небольшой области измерения или “объеме образца”. Этот режим называется спектральным, дуплексным или импульсно-волновым допплерографией. Он создает графическую прокрутку спектров скорости в зависимости от времени в реальном времени, при этом каждую секунду измеряется ~ 100 спектров. Выборочное измерение скорости кровотока в верхней щитовидной артерии показано на рис. 6.2. Горизонтальная ось графика — это “время” в единицах секунды, а вертикальная ось — “скорость” в единицах сантиметров в секунду (см/с). Объем образца определяется короткими желтыми линиями на двумерном (2D) цветном допплеровском изображении над спектральным графиком и позиционируется сонографистом в желаемом месте измерения на 2D-изображении. Направление ультразвукового импульса (сплошная белая линия, проходящая через объем образца) и индикатор направления кровотока (пунктирная синяя линия, проходящая через объем образца) также настраиваются сонографистом и определяют угол допплерографии, который на этом изображении отображается как 14 ° (красная стрелка).

Рис. 6.2

На этом рисунке показан пример дуплексного допплеровского изображения со спектром, полученным из верхней щитовидной артерии. Красная стрелка указывает угол допплерометрии, здесь 14°. Пунктирная белая линия показывает расчетную пиковую систолическую скорость ~ 20 см / с

Каждый спектр получается из ~ 100 циклов импульсного эхо-сигнала с периодом ~ 10 миллисекунд (мс), при этом все импульсы проходят через объем образца в указанном направлении импульсов. Обнаруженные эхо-сигналы обычно обрабатываются с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье (FFT ) для вычисления всех компонентов спектра скоростей. Все поперечное сечение малой артерии на рис. 6.2 содержится в объеме образца, что приводит к диапазону скоростей от пикового значения, зависящего от фазы сердечного цикла, до значений, близких к нулю, которые обычно присутствуют вблизи стенок сосуда. Нежелательные низкоскоростные сигналы, вызванные медленным движением мягких тканей, могут быть удалены из спектра с помощью настенного фильтра. Этот фильтр полезен для устранения несосудистых артефактов, например, вызванных медленным движением мягких тканей вокруг сосуда. Однако сигналы от очень медленного кровотока также могут быть удалены, если настройка пристеночного фильтра слишком высока. Яркость спектрального дисплея можно регулировать с помощью регулятора доплеровского усиления. Чувствительность оси скоростей спектрального графика можно регулировать с помощью регулятора шкалы Допплера (который также регулирует частоту следования импульсов, PRF). Пиковое систолическое значение с первого полного цикла формирования сигнала оценивается как ~ 20 см / с (горизонтальная пунктирная белая линия). Дуплексная допплерография иногда используется при визуализации щитовидной железы для демонстрации артериальных сигналов, хотя конкретные измерения скорости обычно не представляют интереса. Когда необходимы наиболее точные измерения скорости, желательны допплеровские углы, максимально отличающиеся от 90 °, поскольку они приводят к наибольшим измеренным сигналам допплеровского сдвига и наименьшим ошибкам в расчетных скоростях. Допплеровские углы, равные или близкие к 90 °, приводят к очень небольшим допплеровским сдвигам и большим ошибкам в расчетной скорости из-за внутренних эффектов расширения спектра. Недостаток углов, близких к 90 °, для допплерографии может сбить с толку сонографиста, поскольку это противоречит передовой практике получения изображений в оттенках серого, где углы падения в 90 ° часто приводят к получению наиболее четких изображений. На рисунке 6.3 показан зеркальный доплеровский спектр, который может возникать при доплеровских углах, близких к 90°. Спектр зашумлен и демонстрирует низкие скорости, воспроизводимые по обе стороны от базовой линии нулевой скорости, по сравнению с правильно полученным изображением на рис. 6.2. Рисунок 6.4 иллюстрирует артефакт сглаживания, который возникает, когда максимальные измеренные компоненты скорости превышают верхние границы спектрального графика (пунктирная желтая линия) и сворачиваются, чтобы появиться в нижней части графика (сплошная желтая линия). Этот артефакт можно отличить от истинного потока, исходящего от зонда, отметив, что это всего лишь изолированный пик, который отображается ниже базовой линии, и что эта часть сигнала будет идеально “вписываться” в часть сигнала выше базовой линии. Этот дефект можно исправить, сделав шкалу скоростей менее чувствительной (что увеличивает PRF) или сместив базовую линию скорости вниз, чтобы полностью соответствовать спектрам в верхней части графика, или обоими способами, как показано на рис. 6.2.

Рис. 6.3

Приведенный здесь доплеровский спектр иллюстрирует артефакт доплеровского спектрального зеркала

Рис. 6.4

Допплеровский спектр, показанный на этом изображении, иллюстрирует артефакт сглаживания. Пунктирная желтая линия указывает на часть спектра скоростей, обрезанную из-за артефакта сглаживания, а сплошная желтая линия показывает фактическое расположение этих высокоскоростных сигналов в неправильном месте на спектральном дисплее

6.4 Обзор цветного допплеровского изображения

На рисунке 6.5 показан пример цветного допплерографического изображения типичной, нормальной правой доли щитовидной железы. Это тонкий срез томографического изображения, обычно получаемого с помощью широкополосного высокочастотного линейного матричного датчика (в данном случае линейного датчика с частотой 6-15 Мегагерц [МГц]). Цветные допплерографические изображения шеи обычно получаются со скоростью ~ 5-15 кадров в секунду (fps). Пиксели внутри цветовой рамки (желтые) отображаются либо в цвете, если обнаруживается текущая кровь, либо в оттенках серого для неподвижных мягких тканей. Скорость имеет цветовую маркировку в соответствии с цветовой полосой, показанной в левой части изображения (красная стрелка). Регулятор цветовой шкалы (который регулирует PRF) определяет чувствительность измерения скорости, и конкретные значения скорости, соответствующие верхней и нижней цветовым полосам, в этом примере равны 10 см / с и -10 см / с соответственно (красная стрелка). Цвет пикселя указывает предполагаемую среднюю скорость кровотока и направление кровотока, при этом верхняя часть цветовой полосы представляет поток к зонду (обычно красного и желтого цветов), а нижняя половина представляет поток от зонда (обычно синего цвета). В некоторых случаях пользователь может изменить цветовую шкалу, но верхняя часть цветовой шкалы всегда будет отображать поток, направленный к зонду. Нулевая скорость обозначается черной областью в центре цветовой шкалы. На концах цветной полосы показаны максимальные средние значения скорости, соответствующие каждому направлению потока. Важно понимать, что эти значения точны только для направлений потока непосредственно к зонду или от него, с допплеровским углом 0 (или 180) градусов. Поскольку направление потока и, следовательно, угол допплерографии не задаются пользователем в режиме цветной допплерографии, а направления скорости обычно различаются в плоскости изображения, значения средней скорости с цветовой кодировкой на этих изображениях обычно не считаются высокоточными. Если необходимы точные измерения скорости, следует использовать режим дуплексной допплерографии. Все пиксели за пределами цветовой рамки показаны в оттенках серого, независимо от наличия текущей крови. Режимы цветной и дуплексной допплерографии дополняют друг друга: цветное допплеровское изображение показывает менее точную информацию о скорости из нескольких точек в большой пространственной области, в то время как режим дуплексной допплерографии измеряет точную информацию о скорости в одной небольшой пространственной точке.

Рис. 6.5

На этом рисунке показан пример цветного допплеровского изображения правой доли нормальной щитовидной железы. Красная стрелка указывает значение цветовой шкалы и цветовую полосу

6.5 Получение цветного допплеровского изображения

Рисунок 6.6 иллюстрирует некоторые ключевые аспекты процесса получения цветного допплеровского изображения. Поскольку эти изображения состоят из анатомической информации в оттенках серого и информации о средней скорости в цветовой кодировке, используются два разных набора ультразвуковых импульсов. «Импульсы в оттенках серого” направлены параллельно краям изображения (черная стрелка). Эти импульсы используют самую высокую доступную частоту передачи, которая может проникать на заданную глубину изображения. Для охвата всего поля зрения и получения 2D-изображения в оттенках серого используется полный набор импульсов в оттенках серого. “Импульсы скорости” направляются параллельно краям цветовой рамки, указанной сонографистом (желтая стрелка). Цветовой блок можно регулировать для получения доплеровских углов, которые лучше демонстрируют поток, и в этом случае оттенки серого и импульсы скорости не будут параллельны друг другу. Частоты передачи импульсов speed обычно значительно ниже, чем те, которые используются для импульсов в оттенках серого, чтобы свести к минимуму влияние ослабления на очень слабые эхо-сигналы, отраженные от крови. Частоты передачи для обоих наборов импульсов можно регулировать.

Рис. 6.6

Цветное допплеровское изображение, показывающее, что цветная рамка состоит из массива объемов допплеровских образцов (желтая сетка, не нанесена в масштабе). Также показаны направления импульсов в оттенках серого (черная стрелка) и скорости (желтая стрелка)

Как показано на рис. 6.6, цветовую рамку можно визуализировать в виде массива объемов допплеровских образцов. Набор из ~ 10 импульсов направляется вниз по каждому столбцу объемов образцов (“цветовая линия”) для определения средней скорости в каждом из них по сравнению с ~ 100 импульсами, используемыми для каждого спектра в дуплексном режиме, как обсуждалось ранее. Этого ограниченного набора данных импульсного эха недостаточно для определения всех составляющих скорости (например, максимальной скорости), но алгоритмы автокорреляции могут быть использованы для определения среднего значения скорости, направления, дисперсии и мощности. Однако ограниченное количество скоростных импульсов на цветовую линию позволяет получать более высокую частоту кадров цветовой допплерографии. Плотность импульсов скорости в цветовой рамке также снижена по сравнению с импульсами в оттенках серого, что способствует более высокой частоте кадров цветовой допплерографии. Однако это также приводит к ограничению пространственного (бокового) разрешения цвета. Наборы импульсов скорости используются для опроса всех цветовых линий в полноцветном поле, таким образом оценивая среднюю скорость во всех местах внутри цветового поля. В зависимости от частоты кадров цветной допплерографии и частоты сердечных сокращений пациента за каждый сердечный цикл может быть получено ~ 3-15 кадров, поэтому на последовательности цветных допплерографических изображений могут наблюдаться пульсирующие изменения кровотока.

После получения всех оттенков серого и эхо-сигналов скорости для изображения сканер должен проанализировать все места внутри цветного блока, чтобы определить, присутствует ли текущая кровь. Если это так, отображается информация о скорости, закодированная цветом. В противном случае предполагается наличие мягких тканей и отображается информация в оттенках серого. Этот алгоритм распознавания крови и тканей учитывает множество переменных, которые могут включать среднюю скорость, отклонение скорости, спектральную мощность и амплитуду эхо-сигнала. Различные аспекты процесса распознавания крови и тканей часто интегрированы с элементами управления, которые пользователь системы может настроить для уменьшения артефактов и оптимизации внешнего вида изображения, например, настенный фильтр, усиление цвета и приоритет записи цвета.

6.6 Ограничения и артефакты цветовой допплерографии

Существует несколько ограничений цветовой допплерографии, которые могут негативно повлиять на использование этого режима при сканировании щитовидной железы. Одно ограничение, о котором уже упоминалось, связано с низкой частотой кадров. Частота кадров цветовой допплерографии наиболее сильно зависит от ширины и глубины цветового поля. На рисунке 6.7 показаны два примера изображений с разными размерами цветового поля. Меньший цветовой блок на рис. 6.7a обеспечивает частоту кадров 10 кадров в секунду, в то время как больший цветной блок на рис. 6.7b снижает ее до 7 кадров в секунду. Артефакт сглаживания, описанный ранее для дуплексной допплерографии, также может возникать в режиме цветовой допплерографии, как показано на рис. 6.8. Сглаживание отображается в виде цветных областей, которые включают сочетание цветов с обеих сторон цветовой полосы, как видно на сосуде, указанном красной стрелкой (а также на других сосудах) на рис. 6.8а. Снижение чувствительности цветовой шкалы может снизить частоту сглаживания, в результате чего сосуды будут иметь одинаковый цвет, как показано красной стрелкой на рис. 6.8b. Выпадение цвета относится к ситуациям, когда цвет в сосуде должен быть продемонстрирован, но отсутствует. Это может быть вызвано несколькими факторами. Если угол допплерографии для некоторых сосудов составляет около 90 °, обнаруженные допплеровские сдвиги частоты будут небольшими и будут соответствовать низким скоростям в обоих направлениях, как показано на рис. 6.3 для дуплексного допплеровского режима. Среднее значение этих сигналов скорости будет очень близко к нулю, что свидетельствует об отсутствии кровотока, поэтому цвет может отсутствовать в этом месте расположения сосуда. Неправильно настроенные элементы управления сканированием, такие как усиление цвета (аналогично спектральному допплеровскому усилению, рассмотренному ранее), цветовая шкала (чувствительность цветового отображения) и настенный фильтр (который удаляет низкоскоростные компоненты с цветного дисплея, как описано ранее для дуплексной допплерографии), могут вызвать отсутствие цветового сигнала. Примеры потери цвета, вызванные неправильными настройками контроля, показаны на рис. 6.9. На рис. 6.9а представлено правильно полученное изображение, в то время как на рис. 6.9b–d демонстрируют снижение потока из-за высокого значения цветовой шкалы, низкого коэффициента усиления цвета и высокого значения фильтра стенки соответственно. Замедленный кровоток и мелкие сосуды особенно подвержены выпадению цвета. Артефакт цветения, также называемый цветное кровотечение описывает ситуацию, при которой цвет от сосуда распространяется за пределы сосудистого пространства на стенку сосуда и другие мягкие ткани. Этот дефект обычно возникает из-за неправильно настроенных элементов управления сканированием, включая усиление цвета, приоритет записи цвета (который преимущественно окрашивает пиксели с низкой амплитудой эхо-сигнала, подобной крови) и настенный фильтр. Пример цветового кровотечения, вызванного неправильно увеличенным коэффициентом усиления цвета, показан на рис. 6.10b по сравнению с правильно полученным изображением на рис. 6.10a. Наконец, артефакт вспышки обычно рассматривается как одна или несколько больших цветных областей, появляющихся над мягкими тканями или гипоэхогенными затененными областями изображения. Этот артефакт вызван резким движением пациента или зонда или вибрацией тканей (например, вызванной разговором пациента). Примеры артефакта вспышки показаны на рис. 6.11. На рисунке 6.11a показано правильно полученное изображение, а на рис. 6.11b–d показаны примеры артефактов вспышки, вызванных кашлем пациента, глотанием пациента и разговором пациента соответственно. Современные сканеры могут обеспечивать специальное управление “фильтром вспышки”, чтобы уменьшить частоту появления этого артефакта.

Рис. 6.7

На этих двух рисунках показано влияние размера и глубины цветовой рамки на частоту кадров цветовой допплерографии. Изображения в (a) и (b) имеют частоту кадров 10 и 7 кадров в секунду соответственно

Рис. 6.8

Сглаживание цветовой допплерографии показано на (a). На панели (b) этот артефакт исправлен путем увеличения цветовой шкалы. Красные стрелки на обеих панелях указывают на одну и ту же сосудистую структуру, показанную на каждом из изображений

Рис. 6.9

На (b), (c) и (d) показано отсутствие цвета, вызванное неправильной настройкой элементов управления изображением. Панель (a) показывает правильно полученное изображение для сравнения. В (b) цветовая шкала установлена слишком высоко (до значения 25 см / с). На (c) значение усиления цвета слишком низкое, в то время как на (d) значение пристеночного фильтра слишком высокое

Рис. 6.10

Артефакт цветового размывания (или кровоизлияния), вызванный неправильной настройкой регулятора усиления цвета, показан на (b) по сравнению с правильно полученным изображением на (a)

Рис. 6.11

Артефакт вспышки показан на (b), (c) и (d), вызванный кашлем, глотанием и разговором пациента соответственно. Панель (a) показывает изображение без артефактов для сравнения

6.7 Допплерография в силовом режиме

Допплерография в силовом (или энергетическом) режиме — это разновидность цветной допплерографии, которая иногда используется, особенно когда требуется повышенная чувствительность к наличию медленного кровотока. На рисунке 6.12a показан пример изображения с силовой допплерографией вместе с соответствующим цветным допплерографическим изображением на рис. 6.12b. Силовое допплеровское изображение не содержит информацию о скорости в виде цветового кода, как в цветовом допплеровском режиме, а скорее кодирует мощность допплеровского спектра. Спектральная мощность вычисляется с помощью алгоритма автокорреляции (используется также для вычисления средней скорости в режиме цветовой допплерографии). Значение мощности связано с количеством движущейся крови, присутствующей в каждом месте изображения, и не включает никакой информации о средней скорости или направлении потока. Это можно увидеть, сравнив цветные пиксели на изображениях в цветном и силовом режимах на рис. 6.12. Цветовая полоса, показанная на изображении в режиме power, также отражает это различие и демонстрирует только оранжево-желтую цветовую схему. Поскольку направление потока не показано на изображениях в режиме power, артефакт сглаживания также не будет показан. Шумовые свойства сигнала мощности способствуют улучшению визуализации сигналов с низкой скоростью, а чувствительность дополнительно повышается за счет увеличения количества циклов импульсного эха на изображение и повышения уровня усреднения кадров. Последние изменения также приводят к снижению частоты кадров при силовой допплерографии по сравнению с цветной допплерографией и делают режим power более подверженным появлению артефактов вспышки . Повышенная чувствительность к замедленному кровотоку позволяет проводить допплерографию в режиме power mode для более надежной визуализации сосудов, даже когда угол допплерографии близок к 90 °. Изображение в режиме power на рис. 6.12 действительно демонстрирует большую васкулярность по сравнению с соответствующим изображением в цветном режиме, но, как и при всех сравнениях изображений в этой главе, важно понимать, что изображение сосудистой сети будет иметь некоторую вариабельность из-за движения дыхания и вариабельности фазы сердечного цикла. Хотя первоначально допплерография была введена для улучшения общей чувствительности к медленному кровотоку, наблюдаемые преимущества энергетической допплерографии по сравнению с цветной допплерографией в современных системах ультразвуковой визуализации, как правило, различаются в зависимости от коммерческих продуктов. Гибридные режимы, такие как направленная силовая допплерография, также доступны на некоторых сканерах.

Рис. 6.12

Пример допплеровского изображения в силовом (или энергетическом) режиме показан на (a), по сравнению с соответствующим цветным допплеровским изображением, показанным на (b)