Допплер-эхокардиография

Допплер-эхокардиография
Допплер-эхокардиография
	Митральный клапан
МеШ	Д015150
Код ОПС-301	3-052
	[ править в Викиданных ]

Допплер-эхокардиография — это процедура, которая использует допплеровскую ультрасонографию для исследования сердца . ^[1] Эхокардиограмма с использует высокочастотные звуковые волны для создания изображения сердца, а использование доплеровской технологии позволяет определить скорость и направление кровотока помощью эффекта Доплера .

Эхокардиограмма может, в определенных пределах, дать 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 оценить площади и функцию сердечных клапанов , любые аномальные сообщения между левой и правой половинами сердца, любую утечку крови через клапаны ( клапанная регургитация ), рассчитать сердечный выброс и соотношение Е/А. ^[2] (показатель диастолической дисфункции ). Ультразвуковое контрастирование с использованием газонаполненных микропузырьковых контрастных веществ можно использовать для улучшения скорости или других медицинских измерений, связанных с потоком.

Преимущество допплеровской эхокардиографии состоит в том, что ее можно использовать для измерения кровотока в сердце без инвазивных процедур, таких как катетеризация сердца .

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

Хотя «доплеровский сдвиг» стал синонимом «измерения скорости» в медицинской визуализации, во многих случаях измеряется не частотный сдвиг (доплеровский сдвиг) принятого сигнала, а фазовый сдвиг (когда полученный сигнал поступает). Однако результат расчета будет идентичным.

Эту процедуру часто используют для исследования сердца детей на наличие заболеваний сердца , поскольку нет требований к возрасту или размеру.

2D-допплерография

В отличие от 1D-допплеровской визуализации, которая может обеспечить только одномерную скорость и зависит от угла луча к потоку, ^[4] Двухмерная оценка скорости с использованием допплеровского ультразвука позволяет генерировать векторы скорости с осевыми и поперечными компонентами скорости. Двухмерная скорость полезна даже при наличии сложных условий потока, таких как стеноз и бифуркация. Существует два основных метода двумерной оценки скорости с использованием ультразвука: отслеживание спеклов и векторный допплер скрещенных лучей, которые основаны на измерении временных и фазовых сдвигов соответственно. ^[5]

Векторный допплер

Векторный допплер является естественным продолжением традиционной одномерной допплерографии, основанной на фазовом сдвиге. Фазовый сдвиг находится путем определения автокорреляции между эхо-сигналами от двух последовательных импульсов. ^[6] Основная идея векторного допплера состоит в том, чтобы разделить датчик на три апертуры: одну в центре в качестве передающей апертуры и две с каждой стороны в качестве приемных апертур. Фазовые сдвиги, измеренные от левого и правого апертур, объединяются, чтобы получить осевую и поперечную компоненты скорости. Положения и относительные углы между отверстиями должны быть настроены в соответствии с глубиной сосуда и боковым положением интересующей области. ^[5]

Отслеживание пятен

Отслеживание спеклов, которое является хорошо зарекомендовавшим себя методом сжатия видео и других приложений, может использоваться для оценки кровотока в ультразвуковых системах. Основная идея отслеживания спеклов состоит в том, чтобы найти наилучшее совпадение 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 внутри спекла, поскольку они не движутся как блок. Это менее серьезно при измерении расхода в центре, где скорость изменения скорости наименьшая. Поток в центре обычно имеет наибольшую величину скорости, называемую «пиковой скоростью». В некоторых случаях, например, при диагностике стеноза, это наиболее необходимая информация. ^[7]В основном существует три метода поиска наилучшего соответствия: SAD (сумма абсолютной разницы), SSD (сумма квадратичной разницы) и перекрестная корреляция. Предполагать $X_{0}(i,j)$ это пиксель в ядре и $X_{1}(i+\alpha ,j+\beta )$ отображаемый пиксель сдвинут на $(\alpha ,\beta )$ в регионе поиска. ^[8]

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

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

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

где ${\bar {X_{0}}}$ и ${\bar {X_{1}}}$ это средние значения $X_{0}(i,j)$ и $X_{1}(i,j)$ соответственно. $(\alpha ,\beta )$ В качестве оценки движения выбирается пара, которая дает наименьшее значение D для SAD и SSD или наибольшее значение ρ для взаимной корреляции. Затем скорость рассчитывается как движение, разделенное на разницу во времени между кадрами. Обычно для получения более точного результата берется медиана или среднее значение нескольких оценок. ^[8]

Субпиксельная точность

В ультразвуковых системах латеральное разрешение обычно намного ниже осевого разрешения. Плохое латеральное разрешение изображения в B-режиме также приводит к плохому латеральному разрешению при оценке потока. Следовательно, субпиксельное разрешение необходимо для повышения точности оценки в поперечном измерении. Тем временем мы могли бы уменьшить частоту дискретизации по осевому измерению, чтобы сэкономить вычисления и память, если движение субпикселя оценивается достаточно точно. Обычно существует два типа методов получения точности субпикселя: методы интерполяции, такие как параболическая аппроксимация, и методы, основанные на фазе, в которых пиковая задержка находится, когда фаза аналитической функции взаимной корреляции пересекает ноль. ^[9]

Метод интерполяции (параболическая аппроксимация)

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

где $R_{12}$ - функция взаимной корреляции и $k_{s}$ — первоначально найденный пик. $k_{int}$ затем используется для определения смещения рассеивателей после интерполяции. Для 2D-сценария это делается как в осевом, так и в поперечном измерениях. Для повышения точности и надежности метода интерполяции можно использовать некоторые другие методы, включая параболическую аппроксимацию с компенсацией смещения и интерполяцию согласованным фильтром. ^[10]

Фазовый метод

Основная идея этого метода состоит в том, чтобы создать синтетическую боковую фазу и использовать ее для поиска фазы, которая пересекает ноль при пиковой задержке. ^[9]

На рисунке справа показана процедура создания синтетической латеральной фазы в качестве первого шага. По сути, боковой спектр разделяется на две части, чтобы создать два спектра с ненулевыми центральными частотами. Взаимная корреляция выполняется как для восходящего сигнала, так и для нисходящего сигнала, создавая $R_{up}$ и $R_{down}$ соответственно. ^[9] Затем функция боковой корреляции и функция осевой корреляции рассчитываются следующим образом: $R_{lateral}=R_{up}*R_{down}^{*};R_{axial}=R_{up}*R_{down}$

где $R_{down}^{*}$ представляет собой комплексное сопряжение $R_{down}$ .

Они имеют одинаковую величину, а целочисленный пик находится с использованием традиционных методов взаимной корреляции. После обнаружения целочисленного пика извлекается область размером 3 на 3, окружающая пик, с информацией о его фазе. Как для поперечного, так и для осевого размеров находятся пересечения нуля одномерной корреляционной функции при задержках другого измерения, и соответствующим образом создается линейная линия наименьших квадратов. Пересечение двух линий дает оценку двумерного смещения. ^[9]

Сравнение векторного допплера и отслеживания спеклов

Оба метода можно использовать для 2D-изображения вектора скорости, но отслеживание спеклов было бы проще расширить до 3D. Кроме того, в векторном допплере глубина и разрешение интересующей области ограничены размером апертуры и максимальным углом между апертурами передачи и приема, в то время как спекл-трекинг обладает гибкостью, позволяющей чередовать размер ядра и области поиска для адаптации. к различным требованиям разрешения. Однако векторный допплер менее сложен в вычислительном отношении, чем отслеживание спеклов. ^{[ нужна ссылка ]}

Оценка объемного расхода

Оценка скорости с помощью обычного допплера требует знания угла луча к потоку ( угла наклона ) для получения разумных результатов для регулярных потоков и плохо справляется с оценкой сложных структур потока, например, вызванных стенозом и/или бифуркацией. Оценка объемного расхода требует интегрирования скорости по поперечному сечению сосуда с предположениями о геометрии сосуда, что еще больше усложняет оценку расхода. 2D-допплеровские данные можно использовать для расчета объемного расхода в определенных плоскостях интегрирования. ^[11] Плоскость интегрирования выбирается перпендикулярной лучу, а доплеровская мощность (генерируемая из энергетического доплеровского режима ультразвуковой допплерографии ) может использоваться для различения компонентов, находящихся 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 представляли собой 2D-изображения, и высококвалифицированные специалисты должны были правильно ориентировать датчик и выбирать положение внутри тела для получения изображения с помощью лишь нескольких сложных визуальных сигналов. Полное измерение трехмерных векторов скорости делает возможным использование многих методов постобработки. На основе трехмерного поля скоростей можно не только измерить объемный расход в любой плоскости, но также можно рассчитать другую физическую информацию, такую как напряжение и давление. Однако измерить сложный кровоток для получения векторов скорости довольно сложно из-за высокой скорости сбора данных и необходимых для этого огромных вычислений. Таким образом, метод плоских волн является многообещающим, поскольку он может генерировать очень высокую частоту кадров. ^[12]

См. также

Ссылки

^ «Эхокардиограмма» . МедлайнПлюс . Проверено 15 декабря 2017 г.
^ [1] Абдул Латиф Мохамед, Джун Юн, Джамиль Масияти, Ли Лим, Сзе Чек Ти. Распространенность диастолической дисфункции у пациентов с артериальной гипертонией, направленных на эхокардиографическую оценку функции левого желудочка. Малайзийский журнал медицинских наук, Vol. 11, № 1, январь 2004 г., стр. 66-74.
^ Оммен, СР; Нисимура, РА; Эпплтон, Коннектикут; Миллер, ФА; О, Джей Кей; Редфилд, ММ; Таджик, Эй-Джей (10 октября 2000 г.). «Клиническая полезность допплер-эхокардиографии и тканевой допплерографии для оценки давления наполнения левого желудочка: сравнительное исследование одновременной допплеровской катетеризации» . Тираж . 102 (15): 1788–1794. дои : 10.1161/01.CIR.102.15.1788 . ПМИД 11023933 . Проверено 12 июля 2012 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Дж. А. Дженсен, Оценка скорости крови с помощью ультразвука, подход к обработке сигналов, Нью-Йорк: издательство Кембриджского университета, 1996.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ПС а. Л. Л. Эбигейл Свилленс, «Двумерная оценка скорости крови с помощью ультразвука: отслеживание спеклов по сравнению с векторным доплером скрещенных лучей на основе моделирования потока в модели бифуркации сонной артерии», Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты, стр. 327-338, 2010.
^ RSC Cobbold, Основы биомедицинского ультразвука, Oxford University Press, 2007.
^ Г. Ройтерн, М. Гертлер, Н. Борнштейн, М. Сетте, Д. Эванс, А. Хетцель, М. Капс, Ф. Перрен, А. Разумовский, Т. Шиогай, Э. Титианова, П. Траубнер, Н. Венкетасубраманиан, Л. Вонг и М. Ясака, «Оценка стеноза сонной артерии с использованием ультразвуковых методов», «Инсульт», Журнал Американской кардиологической ассоциации, том. 43, стр. 916-921, 2012.
^ Перейти обратно: ^а ^б Дж. Луо и Э. Э. Конофагоу, «Оценка быстрого движения и деформации», на симпозиуме по ультразвуку, 2010 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д X. Чен, М. Дж. Зохди, С. Ю. Емельянов и М. О'Доннелл, «Локальное отслеживание спеклов с использованием синтетической боковой фазы», IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, vol. 51, нет. 5, стр. 540-550, 2004.
^ X. Лай и Х. Торп, «Методы интерполяции для оценки временной задержки с использованием метода взаимной корреляции для измерения скорости крови», Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрикам и контролю частоты, том. 46, нет. 2, стр. 277–290, 1999.
^ Перейти обратно: ^а ^б М. Ричардс, О. Крипфганс, Дж. Рубин, А. Холл и Дж. Фаулкс, «Оценка среднего объемного расхода в условиях пульсирующего потока», Ультразвук в медицине. и биол., вып. 35, стр. 1880–1891, 2009.
^ Дж. Удесен, Ф. Гран, К. Хансен, Дж. Дженсен, К. Томсен и М. Нильсен, «Визуализация вектора скорости крови с высокой частотой кадров с использованием плоских волн: моделирование и предварительные эксперименты», Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и Управление частотой, вып. 55, нет. 8, стр. 1729–1743, 2008.

Внешние ссылки

[1] «Эхокардиограмма» . МедлайнПлюс . Проверено 15 декабря 2017 г.

[Mohamed-2] [1] Абдул Латиф Мохамед, Джун Юн, Джамиль Масияти, Ли Лим, Сзе Чек Ти. Распространенность диастолической дисфункции у пациентов с артериальной гипертонией, направленных на эхокардиографическую оценку функции левого желудочка. Малайзийский журнал медицинских наук, Vol. 11, № 1, январь 2004 г., стр. 66-74.

[3] Оммен, СР; Нисимура, РА; Эпплтон, Коннектикут; Миллер, ФА; О, Джей Кей; Редфилд, ММ; Таджик, Эй-Джей (10 октября 2000 г.). «Клиническая полезность допплер-эхокардиографии и тканевой допплерографии для оценки давления наполнения левого желудочка: сравнительное исследование одновременной допплеровской катетеризации» . Тираж . 102 (15): 1788–1794. дои : 10.1161/01.CIR.102.15.1788 . ПМИД 11023933 . Проверено 12 июля 2012 г.

[JAJ-4] Перейти обратно: ^а ^б Дж. А. Дженсен, Оценка скорости крови с помощью ультразвука, подход к обработке сигналов, Нью-Йорк: издательство Кембриджского университета, 1996.

[PSA-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с ПС а. Л. Л. Эбигейл Свилленс, «Двумерная оценка скорости крови с помощью ультразвука: отслеживание спеклов по сравнению с векторным доплером скрещенных лучей на основе моделирования потока в модели бифуркации сонной артерии», Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты, стр. 327-338, 2010.

[RSC-6] RSC Cobbold, Основы биомедицинского ультразвука, Oxford University Press, 2007.

[GRM-7] Г. Ройтерн, М. Гертлер, Н. Борнштейн, М. Сетте, Д. Эванс, А. Хетцель, М. Капс, Ф. Перрен, А. Разумовский, Т. Шиогай, Э. Титианова, П. Траубнер, Н. Венкетасубраманиан, Л. Вонг и М. Ясака, «Оценка стеноза сонной артерии с использованием ультразвуковых методов», «Инсульт», Журнал Американской кардиологической ассоциации, том. 43, стр. 916-921, 2012.

[JLE-8] Перейти обратно: ^а ^б Дж. Луо и Э. Э. Конофагоу, «Оценка быстрого движения и деформации», на симпозиуме по ультразвуку, 2010 г.

[XCM-9] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д X. Чен, М. Дж. Зохди, С. Ю. Емельянов и М. О'Доннелл, «Локальное отслеживание спеклов с использованием синтетической боковой фазы», IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, vol. 51, нет. 5, стр. 540-550, 2004.

[XLH-10] X. Лай и Х. Торп, «Методы интерполяции для оценки временной задержки с использованием метода взаимной корреляции для измерения скорости крови», Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрикам и контролю частоты, том. 46, нет. 2, стр. 277–290, 1999.

[MRO-11] Перейти обратно: ^а ^б М. Ричардс, О. Крипфганс, Дж. Рубин, А. Холл и Дж. Фаулкс, «Оценка среднего объемного расхода в условиях пульсирующего потока», Ультразвук в медицине. и биол., вып. 35, стр. 1880–1891, 2009.

[12] Дж. Удесен, Ф. Гран, К. Хансен, Дж. Дженсен, К. Томсен и М. Нильсен, «Визуализация вектора скорости крови с высокой частотой кадров с использованием плоских волн: моделирование и предварительные эксперименты», Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и Управление частотой, вып. 55, нет. 8, стр. 1729–1743, 2008.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]