Допплерэхокардиография

Метод медицинской визуализации сердца

Допплеровская эхокардиография — это процедура, которая использует допплеровскую ультрасонографию для исследования сердца . ^[1] Эхокардиограмма использует высокочастотные звуковые волны для создания изображения сердца, в то время как использование допплеровской технологии позволяет определять скорость и направление кровотока , используя эффект Допплера .

Эхокардиограмма может, в определенных пределах, производить точную оценку направления кровотока и скорости крови и сердечной ткани в любой произвольной точке, используя эффект Доплера. Одним из ограничений является то, что ультразвуковой луч должен быть максимально параллелен кровотоку. Измерения скорости позволяют оценивать области и функции сердечных клапанов , любые аномальные сообщения между левой и правой сторонами сердца, любую утечку крови через клапаны ( клапанная регургитация ), вычислять сердечный выброс и вычислять соотношение E/A ^[2] (мера диастолической дисфункции ). Контрастное ультразвуковое исследование с использованием контрастных веществ с микропузырьками, заполненными газом, может использоваться для улучшения скорости или других медицинских измерений, связанных с потоком.

Преимуществом допплеровской эхокардиографии является то, что ее можно использовать для измерения кровотока в сердце без инвазивных процедур, таких как катетеризация сердца .

Кроме того, с немного другими настройками фильтра/усиления, метод может измерять скорости тканей с помощью тканевой допплеровской эхокардиографии . Сочетание скорости потока и ткани может использоваться для оценки давления наполнения левого желудочка , хотя и только при определенных условиях. ^[3]

Хотя «Допплер» стал синонимом «измерения скорости» в медицинской визуализации, во многих случаях измеряется не сдвиг частоты (допплеровский сдвиг) принятого сигнала, а сдвиг фазы (когда принимается принятый сигнал). Однако результат расчета в конечном итоге будет идентичным.

Эту процедуру часто используют для обследования сердца у детей на предмет сердечных заболеваний , поскольку ограничений по возрасту или размеру нет.

2D допплеровское картирование

В отличие от 1D допплерографии, которая может обеспечить только одномерную скорость и зависит от угла луча к потоку, ^[4] 2D оценка скорости с использованием допплеровского ультразвука способна генерировать векторы скорости с осевыми и латеральными компонентами скорости. 2D скорость полезна даже при наличии сложных условий потока, таких как стеноз и бифуркация. Существует два основных метода 2D оценки скорости с использованием ультразвука: отслеживание спеклов и векторная допплерография с перекрестным лучом, которые основаны на измерении временных сдвигов и фазовых сдвигов соответственно. ^[5]

Векторный Допплер

Векторный допплер — это естественное расширение традиционной одномерной допплеровской визуализации, основанной на сдвиге фаз. Сдвиг фаз определяется путем взятия автокорреляции между эхо-сигналами от двух последовательных срабатываний. ^[6] Основная идея векторного допплера заключается в разделении преобразователя на три апертуры: одну в центре в качестве передающей апертуры и две с каждой стороны в качестве приемных апертур. Фазовые сдвиги, измеренные от левой и правой апертур, объединяются для получения осевых и латеральных компонентов скорости. Положения и относительные углы между апертурами необходимо настраивать в соответствии с глубиной сосуда и латеральным положением интересующей области. ^[5]

Отслеживание спеклов

Отслеживание спеклов, которое является общепризнанным методом в сжатии видео и других приложениях, может использоваться для оценки кровотока в ультразвуковых системах. Основная идея отслеживания спеклов заключается в поиске наилучшего соответствия определенного спекла из одного кадра в пределах области поиска в последующих кадрах. ^[5] Декорреляция между кадрами является одним из основных факторов, ухудшающих его производительность. Декорреляция в основном вызвана разной скоростью пикселей в пределах спекла, поскольку они не движутся как блок. Это менее серьезно при измерении потока в центре, где скорость изменения скорости самая низкая. Поток в центре обычно имеет наибольшую величину скорости, называемую «пиковой скоростью». Это самая необходимая информация в некоторых случаях, таких как диагностика стеноза. ^[7] Существует в основном три метода поиска наилучшего соответствия: SAD (сумма абсолютной разности), SSD (сумма квадратичной разности) и кросс-корреляция. Предположим, что это пиксель в ядре, а это отображенный пиксель, смещенный на в области поиска. ^[8] ${\displaystyle X_{0}(i,j)}$ ${\displaystyle X_{1}(i+\alpha ,j+\beta )}$ ${\displaystyle (\alpha ,\beta )}$

SAD рассчитывается как: ${\displaystyle D(\alpha ,\beta )=\sum _{i=1}\sum _{j=1}|X_{0}(i,j)-X_{1}(i+\alpha ,j+\beta )|}$

SSD рассчитывается как: ${\displaystyle D(\alpha ,\beta )=\sum _{i=1}\sum _{j=1}(X_{0}(i,j)-X_{1}(i+\alpha ,j+\beta ))^{2}}$

Нормализованный коэффициент взаимной корреляции рассчитывается как: ${\displaystyle \rho (\alpha ,\beta )={\frac {\sum _{i=1}\sum _{j=1}(X_{0}(i,j)-{\bar {X_{0}}})(X_{1}(i+\alpha ,j+\beta )-{\bar {X_{1}}})}{\sqrt {(\sum _{i=1}\sum _{j=1}(X_{0}(i,j)-{\bar {X_{0}}})^{2})(\sum _{i=1}\sum _{j=1}(X_{1}(i+\alpha ,j+\beta )-{\bar {X_{1}}})^{2})}}}}$

где и являются средними значениями и соответственно. Пара, которая дает наименьшее значение D для SAD и SSD или наибольшее значение ρ для перекрестной корреляции, выбирается в качестве оценки движения. Затем скорость вычисляется как движение, деленное на разницу во времени между кадрами. Обычно для получения более точного результата берется медиана или среднее значение нескольких оценок. ^[8] ${\displaystyle {\bar {X_{0}}}}$ ${\displaystyle {\bar {X_{1}}}}$ ${\displaystyle X_{0}(i,j)}$ ${\displaystyle X_{1}(i,j)}$ ${\displaystyle (\alpha ,\beta )}$

Точность до субпикселя

В ультразвуковых системах боковое разрешение обычно намного ниже аксиального. Плохое боковое разрешение на изображении в B-режиме также приводит к плохому боковому разрешению при оценке потока. Поэтому субпиксельное разрешение необходимо для повышения точности оценки в боковом измерении. В то же время мы могли бы уменьшить частоту дискретизации вдоль аксиального измерения, чтобы сэкономить вычисления и память, если субпиксельное движение оценивается достаточно точно. Обычно существует два вида методов для получения субпиксельной точности: методы интерполяции, такие как параболическая подгонка, и методы на основе фазы, в которых пиковая задержка находится, когда фаза аналитической функции взаимной корреляции пересекает ноль. ^[9]

Метод интерполяции (параболическая аппроксимация)

Интерполяция для поиска пика

Как показано на правом рисунке, параболическая подгонка может помочь найти реальный пик функции кросс-корреляции. Уравнение для параболической подгонки в 1D: ^[4] ${\displaystyle k_{int}=k_{s}-{\frac {(R_{12}(k_{s}+1)-R_{12}(k_{s}-1))}{2(R_{12}(k_{s}+1)-2R_{12}(k_{s})+R_{12}(k_{s}-1))}}}$

где — функция взаимной корреляции, а — изначально найденный пик. затем используется для нахождения смещения рассеивателей после интерполяции. Для двумерного сценария это делается как в осевом, так и в боковом измерениях. Для повышения точности и надежности метода интерполяции можно использовать и другие методы, включая параболическую подгонку с компенсацией смещения и интерполяцию согласованного фильтра. ^[10] ${\displaystyle R_{12}}$ ${\displaystyle k_{s}}$ ${\displaystyle k_{int}}$

Метод на основе фазы

Основная идея этого метода заключается в создании синтетической боковой фазы и использовании ее для нахождения фазы, которая пересекает ноль в момент пикового запаздывания. ^[9]

Генерация боковой фазы

Правый рисунок иллюстрирует процедуру создания синтетической боковой фазы в качестве первого шага. По сути, боковой спектр разделяется на два для генерации двух спектров с ненулевыми центральными частотами. Кросс-корреляция выполняется как для сигнала вверх, так и для сигнала вниз, создавая и соответственно. ^[9] Затем боковая корреляционная функция и аксиальная корреляционная функция вычисляются следующим образом: ${\displaystyle R_{up}}$ ${\displaystyle R_{down}}$ ${\displaystyle R_{lateral}=R_{up}*R_{down}^{*};R_{axial}=R_{up}*R_{down}}$

где — комплексно сопряженное число . ${\displaystyle R_{down}^{*}}$ ${\displaystyle R_{down}}$

Они имеют одинаковую величину, и целочисленный пик находится с использованием традиционных методов кросс-корреляции. После того, как целочисленный пик находится, область 3 на 3, окружающая пик, затем извлекается с его фазовой информацией. Как для латерального, так и для осевого измерения находятся нулевые пересечения одномерной корреляционной функции при задержках другого измерения, и соответственно создается линейная линия, подобранная методом наименьших квадратов. Пересечение двух линий дает оценку двумерного смещения. ^[9]

Сравнение векторного доплеровского и спекл-трекинга

Оба метода можно использовать для 2D Velocity Vector Imaging, но Speckle Tracking будет проще распространить на 3D. Кроме того, в Vector Doppler глубина и разрешение интересующей области ограничены размером апертуры и максимальным углом между апертурами передачи и приема, в то время как Speckle Tracking обладает гибкостью чередования размера ядра и области поиска для адаптации к различным требованиям к разрешению. Однако Vector Doppler менее сложен в вычислительном отношении, чем Speckle Tracking. ^{[ необходима цитата ]}

Оценка объемного расхода

Оценка скорости с помощью обычного допплера требует знания угла наклона луча к потоку ( угла наклона ) для получения разумных результатов для обычных потоков и плохо справляется с оценкой сложных схем потока, таких как те, которые вызваны стенозом и/или бифуркацией. Оценка объемного потока требует интегрирования скорости по поперечному сечению сосуда с предположениями о геометрии сосуда, что еще больше усложняет оценки потока. Данные 2D допплера могут использоваться для расчета объемного потока в определенных плоскостях интегрирования. ^[11] Плоскость интегрирования выбирается перпендикулярной лучу, а мощность допплера (генерируемая из режима мощного допплера допплеровского ультразвука ) может использоваться для различения компонентов, которые находятся внутри и снаружи сосуда. Этот метод не требует предварительного знания угла допплера, профиля потока и геометрии сосуда. ^[11]

Обещание 3D

До недавнего времени ультразвуковые изображения были двумерными и зависели от высококвалифицированных специалистов, которые должным образом ориентировали зонд и выбирали положение внутри тела для получения изображения с помощью лишь нескольких сложных визуальных подсказок. Полное измерение трехмерных векторов скорости делает возможными многие методы постобработки. Измеряется не только объемный поток через любую плоскость, но и другая физическая информация, такая как напряжение и давление, может быть рассчитана на основе трехмерного поля скорости. Однако довольно сложно измерить сложный кровоток, чтобы получить векторы скорости, из-за высокой скорости сбора данных и массивных вычислений, необходимых для этого. Таким образом, метод плоских волн является многообещающим, поскольку он может генерировать очень высокую частоту кадров. ^[12]

Смотрите также

• Раздел медицинской ультрасонографии : Допплерография
• Эхокардиография
• Американское общество эхокардиографии
• Кристиан Допплер

Ссылки

1. "Эхокардиограмма". MedlinePlus . Получено 2017-12-15 .
2. [1] Абдул Латиф Мохамед, Джун Йонг, Джамил Масияти, Ли Лим, Сзе Чек Ти. Распространенность диастолической дисфункции у пациентов с гипертонией, направленных на эхокардиографическую оценку функции левого желудочка. Малазийский журнал медицинских наук, т. 11, № 1, январь 2004 г., стр. 66-74
3. Ommen, SR; Nishimura, RA; Appleton, CP; Miller, FA; Oh, JK; Redfield, MM; Tajik, AJ (10 октября 2000 г.). «Клиническая полезность допплеровской эхокардиографии и тканевой допплерографии при оценке давления наполнения левого желудочка: сравнительное одновременное исследование допплеровской катетеризации». Circulation . 102 (15): 1788–1794. doi : 10.1161/01.CIR.102.15.1788 . PMID  11023933 . Получено 12 июля 2012 г. .
4. JA Jensen, Оценка скорости кровотока с использованием ультразвука, подход обработки сигнала, Нью-Йорк: Cambridge University Press, 1996.
5. PS a. LL Эбигейл Суилленс, «Двумерная оценка скорости крови с помощью ультразвука: отслеживание спеклов по сравнению с векторной допплерографией с перекрестными лучами на основе моделирования потока в модели бифуркации сонной артерии», Труды IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрикам и управлению частотой, стр. 327–338, 2010.
6. RSC Cobbold, Основы биомедицинского ультразвука, Oxford University Press, 2007.
7. G. Reutern, M. Goertler, N. Bornstein, M. Sette, D. Evans, A. Hetzel, M. Kaps, F. Perren, A. Razumovky, T. Shiogai, E. Titianova, P. Traubner, N. Venketasubramanian, L. Wong и M. Yasaka, «Оценка стеноза сонной артерии с использованием ультразвуковых методов», Stroke, Журнал Американской кардиологической ассоциации, т. 43, стр. 916-921, 2012.
8. J. Luo и EE Konofagou, «Оценка быстрого движения и деформации», в симпозиуме по ультразвуку, 2010.
9. X. Chen, MJ Zohdy, SY Emelianov и M. O'Donnell, «Отслеживание боковых спеклов с использованием синтетической боковой фазы», ​​IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrcs and Frequency Control, т. 51, № 5, стр. 540-550, 2004.
10. X. Lai и H. Torp, «Методы интерполяции для оценки временной задержки с использованием метода кросс-корреляции для измерения скорости крови», IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrcs and Frequency Control, т. 46, № 2, стр. 277-290, 1999.
11. M. Richards, O. Kripfgans, J. Rubin, A. Hall и J. Fowlkes, «Оценка среднего объемного расхода в условиях пульсирующего потока», Ultrasound in Med. & Biol., т. 35, стр. 1880-1891, 2009.
12. J. Udesen, F. Gran, K. Hansen, J. Jensen, C. Thomsen и M. Nielsen, «Высокочастотная визуализация скорости вектора крови с использованием плоских волн: моделирование и предварительные эксперименты», IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, т. 55, № 8, стр. 1729-1743, 2008.

Внешние ссылки

• Базовое УЗИ, эхокардиография и допплерография для врачей
• Учебник по эхокардиографии Бониты Андерсон
• Эхокардиография (УЗИ сердца)
• Допплеровское исследование - Введение
• Принцип Доплера и изучение сердечных потоков