МедУнивер - MedUniver.com Все разделы сайта Видео по медицине Книги по медицине Форум консультаций врачей  
Рекомендуем:
Кардиология:
Кардиология
Основы кардиологии
Аритмии сердца
Артериальная гипертензия - гипертония
ВСД. Нейроциркуляторная дистония
Детская кардиология
Сердечная недостаточность
Инфаркт миокарда
Ишемическая болезнь сердца
Инфекционные болезни сердца
Кардиомиопатии
Болезни перикарда
Фонокардиография - ФКГ
Электрокардиография - ЭКГ
ЭхоКС (ЭхоКГ, УЗИ сердца)
Бесплатно книги по кардиологии
Пороки сердца:
Врожденные пороки сердца
Приобретенные пороки сердца
Форум
 

Технические основы импульсно-волновой спектральной допплер-эхокардиографии

а) Принцип Допплера. В 1842 г. австрийский физик Христиан Допплер впервые описал названный впоследствии его именем феномен изменения частоты волны при движении источника сигнала по отношению к наблюдателю. Он заметил красное смещение (более низкие частоты) спектра свечения космических объектов, удаляющихся от Земли, тогда как в спектре свечения объектов, приближающихся к Земле, было выявлено синее смещение (более высокие частоты). Этот физический принцип справедлив для всех колебаний. Для акустики это означает, что для источников или отражателей звука, двигающихся по направлению к слушателю, также следует ожидать повышения частоты, а для удаляющихся объектов - понижения. При этом смещение частоты прямо пропорционально скорости движения источника колебаний по отношению к наблюдателю.

Эхокардиографическое измерение скорости в режиме импульсно-волнового и непрерывноволнового спектрального допплеровского сканирования происходит как раз по этому принципу. Изображение скоростей на плоскости в цветокодированной форме в обиходе также обозначается как «допплерография» («цветовая допплерография», «энергетическая допплерография»), однако обычно в этих методиках сравниваются фазовые сдвиги нескольких последовательных ультразвуковых импульсов при помощи аутокорреляционного анализа.

б) Отправка и прием сигнала. Для эхокардиографического измерения скорости в импульсно-волновом режиме датчик посылает ультразвуковой импульс, который затем отражается от крови и от ткани. Расстояние «датчик - рефлектор», которое волна проходит дважды, в сочетании со скоростью распространения волны определяет время обращения ультразвукового сигнала. В режиме непрерывноволновой допплер-ЭхоКГ эта информация не учитывается: в датчике два разных кристалла одновременно и непрерывно посылают и принимают ультразвуковые колебания. При импульсно-волновом допплеровском сканировании одни и те же кристаллы поочередно используются как излучатели и как приемники, поэтому отражения ультразвуковых импульсов воспринимаются только в течение определенного временного окна. Выбором интервала между излученным сигналом и временным окном восприятия сигнала можно задать глубину изучаемой области, а изменением длительности временного окна - ее размер. Эта область называется «контрольным объемом» (англ, «sample volume»).

Технические основы импульсно-волновой спектральной допплер-эхокардиографии
Принцип Допплера. Ультразвуковые колебания частоты f0, отраженные от движущегося объекта, испытывают изменение частоты Δf.
Наложение испущенного и отраженного ультразвуковых сигналов обусловливает колебания амплитуды, частота которых называется допплеровским сдвигом и соответствует разнице частот испущенного и отраженного сигналов.
Поскольку направление ультразвукового луча и направление движения объекта лишь изредка совпадают, то измеренная скорость vg меньше фактической скорости vt на множитель cos а, что можно скорректировать, как показано на рисунке.
В формуле Допплера с соответствует средней скорости распространения ультразвука в ткани.

в) Обработка сигнала. Обработка сигнала начинается с усиления и демодуляции полученных ультразвуковых колебаний. При этом посланный и принятый сигнал накладываются. Результирующая волна соответствует смещению частоты, произошедшему с ультразвуковым сигналом из-за движения рефлектора («допплеровский сдвиг»). Это смещение частоты не только прямо пропорционально скорости движения рефлектора, но и зависит от использованной частоты испускаемых колебаний. Рефлектор, двигающийся со скоростью 1 м/с, при исходной частоте ультразвукового сигнала 2 МГц вызовет смещение примерно на 2,6 кГц, а при исходной частоте 3 МГц - уже на 3,9 кГц.

Поскольку в пределах контрольного объема обычно находится не один рефлектор с одной постоянной скоростью, а множество двигающихся с несколько различными скоростями рефлекторов, то возникает не один допплеровский сигнал с одной-единственной частотой, а смесь частот - «допплеровский спектр». Допплеровский спектр анализируется при помощи математической методики, отображающей энергию сигнала в зависимости от частоты (быстрое преобразование Фурье, FFT). Спектральный анализ сигналов из одного контрольного объема производится примерно 200 раз в секунду. Отдельные спектры переводятся в шкалу оттенков серого и в виде «полосочек» наносятся на изображение, что и дает известную характерную кривую импульсноволнового допплера.

Технические основы импульсно-волновой спектральной допплер-эхокардиографии
Допплеровский спектр. В пределах контрольного объема обычно находится несколько рефлекторов (отражающих поверхностей).
Поэтому итоговый допплеровский сигнал состоит из смеси частот. При частотном анализе получается колоколообразный спектр частот, который можно охарактеризовать при помощи следующих параметров: средняя частота (средняя скорость) М, энергия сигнала («power», сила отражения ультразвука, количество рефлекторов) и дисперсия сигнала (ширина спектра).
SI - интенсивность сигнала, PRF - частота повторения импульсов.
Технические основы импульсно-волновой спектральной допплер-эхокардиографии
Частотный спектр допплеровского сигнала при каждом сканировании кодируется оттенками серого.
Чем выше доля сигналов определенной частоты в спектре (т.е. чем выше доля рефлекторов с определенной скоростью движения), тем светлее оттенок серого для этой частоты.
Составленные одна к другой, эти полосочки и дают типичную картину спектральной кривой.

г) Предел Найквиста, искажение (aliasing). Чтобы иметь возможность корректно распознать колебания определенной частоты, их необходимо сканировать сигналами как минимум вдвое большей частоты (предел Найквиста). Следовательно, в описанном выше случае допплеровского смещения на 2,6 кГц требуется частота повторения ультразвуковых импульсов («Pulse Repetition Frequency», PRF) не менее 5,2 кГц. Другими словами, каждые 192 μc необходимо посылать и принимать один ультразвуковой импульс. Но это означает, что ультразвуковой импульс должен за это время пройти путь «датчик - рефлектор - датчик». Таким образом, при скорости движения колебаний в ткани 1540 м/с получается максимальная глубина 14,8 см, на которой еще можно корректно определить скорости до 1 м/с сигналами с испускаемой частотой 2 МГц. Т.е. предел измерения скорости и глубина измерения взаимно лимитируют друг друга. Чтобы была возможность равноценного отображения скоростей в обоих направлениях, диапазон поддающихся измерению скоростей нужно еще поделить на два направления.

Если фактическая скорость выходит за границы этого диапазона (превышает предел Найквиста), то допплеровская частота определяется ошибочно и возникает так называемое искажение (aliasing). При этом в режиме импульсно-волнового допплеровского сканирования кривая обрезается с одной стороны допплеровского спектра и возникает с противоположной стороны. В режиме цветового допплеровского сканирования искажение можно распознать по внезапному изменению цвета с красного на синий.

В режиме тканевой допплер-ЭхоКГ при правильных настройках прибора почти всегда можно избежать искажения, поскольку скорости движения миокарда редко превышают 20-30 см/с. Напротив, при измерении кровотока из-за превышения предела Найквиста нередко приходится отказываться от определенного контрольного объема и переходить из режима импульсно-волнового допплеровского сканирования в режим HPRF- или непрерывноволнового допплеровского исследования.

Технические основы импульсно-волновой спектральной допплер-эхокардиографии
Искажение (aliasing). Чтобы сохранить информацию о глубине исследуемых подвижных объектов, необходимо, чтобы посылка и прием сигналов происходили только в определенные временные интервалы («временные окна», PW-допплерография, цветовая допплерография).
Если частота повторения импульсов (PRF) минимум в два раза превышает частоту итогового допплеровского сигнала (fDopp), эта последняя частота будет отображена корректно (предел Найквиста).
Как только частота повторения импульсов опускается ниже, корректное отображение частоты допплеровского сигнала более невозможно.
Технические основы импульсно-волновой спектральной допплер-эхокардиографии
Искажение (aliasing):
а - Кривая PW-допплерографии кажется «обрезанной», а отсутствующий фрагмент появляется на другом крае шкалы.
б - В цветовом представлении искажение можно распознать по резкому переходу от красных тонов к синим (стрелка).
в - При реконструировании кривых по данным цветовой допплерографии искажение в зависимости от алгоритма может быть ошибочно отображено в виде изгиба кривой, направленного в противоположную истинному движению сторону (стрелка).

- Также рекомендуем "Технические основы цветовой допплерографии"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 19.12.2019

Медунивер - поиск Мы в Telegram Мы в YouTube Мы в VK Мы в Instagram Форум консультаций врачей Контакты, реклама
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.