Podstawy obrazowania USG Część 3 - Pomiary kliniczne

radiologia / radiology
artykuł / article
Podstawy obrazowania USG
Część 3 – Pomiary kliniczne
Monika Jędrzejewska, Piotr Jankowski, Bartosz Węckowski
Polskie Towarzystwo Inżynierii Klinicznej, ul. Naramowicka 219a/18, 61-611 Poznań, tel. +48 602 303 517, e-mail: [email protected]
W poprzednich częściach cyklu dotyczącego ultrasonografii omówiono podstawowe pojęcia dotyczące ultrasonografii oraz metody dopplerowskie.
W części trzeciej omówimy pomiary kliniczne reali- następnie przeliczany na powierzchni danego
obrysu.
zowane za pomocą USG:
1. Pomiary długości, np. kości udowej u płodu
Inaczej dokonuje się pomiarów w badaniach dopplerowskich. Badania te pozwalają na ocenę pręd-
lub obwodu główki w położnictwie itd.
2. Pomiary objętości, na postawie płaskich ob- kości przepływu krwi i mogą być wykonane w różrazów narządów, buduje się przybliżenie elip- nych warunkach, śródoperacyjnie lub przezskórnie.
soidalne i za pomocą odpowiednich wzorów Otrzymane dane mogą być jakościowe i ilościowe.
Badanie wykonywane śródoperacyjnie pozwala zlo-
oblicza powierzchnie i objętość.
3. Pomiary liniowe, głównie długości dokony- kalizować przetoki tętniczo-żylne, a także znaleźć
wane w prezentacji typu A i prezentacji 2D. niedrożności i zwężenia tętnic.
W przypadku badań ilościowych można obliczyć
W przypadku prezentacji 2D – to pomiar od-
ległości pomiędzy znacznikami wrysowanymi wartość częstotliwości dopplerowskiej odpowiadana obrazie monitora. Należy wyznaczyć współ- jącej prędkości przepływu krwi w tętnicy np. szyjnej
rzędne x i y dla punktów znaczników; kompu- wspólnej. Dane konieczne to: kąt zawarty pomiędzy
ter dokonuje automatycznego pomiaru odle- kierunkiem ruchu krwinek a wiązką ultradźwiękową,
prędkości krwi w skurczu i rozkurczu, częstotliwość
głości pomiędzy punktami.
Powyższe metody pomiarowe obarczone są dużą nadawanej fali oraz dana stała związana z prędkoilością składowych niepewności związanych z: do- ścią rozchodzenia się ultradźwięków w krwi. Znajokładnością wyboru przekroju narządu, wprawną mość powyższych informacji pozwala ocenić niedoręką osoby zaznaczającej punkty, ostrością krawę- mykalność oraz zwężenie zastawek serca.
Wynik badania dopplerowskiego zależy także od
dzi mierzonego narządu, brakiem okresowej kon-
troli sprzętu USG pod kątem prawidłowości obli- kształtu widma, kształtu wiązki kąta nachylenia,
czania odległości, czyli czy np. 1 cm na monitorze geometrii naczynia krwionośnego. Na charakter
widma wpływa rodzaj i natura przepływu. Zazwy-
odpowiada 1 cm w rzeczywistości.
Pomiar liniowy w przypadku prezentacji typu czaj mamy do czynienia z przepływem laminarnym
A odległości pomiędzy granicami tkanek wyznacza lub turbulentnym. Pierwszy dotyczy dużych naczyń
się z pomiaru odległości pomiędzy różnymi echami, krwionośnych, gdzie przylegające do siebie warpodobnie jak w przypadku 2D. Dalsze postępowa- stwy krwi wytracają prędkość poprzez tarcie lepkie.
Przepływ turbulentny jest następstwem przepływu
nie również przebiega podobnie.
Pomiary powierzchni i obwodów
laminarnego. Przy większych prędkościach strugi
krwi przestają płynąć równoległe do ścian naczynia
i tworzą wiry.
Pomiary powierzchni i obwodów realizowane są
Kąt nachylenia wiązki jest uważany za newralgicz-
głównie na zatrzymanym obrazie. Badany obszar ny punkt badania, ponieważ zmiana kąta nachylenia
jest obrysowywany lub zaznaczany znacznikami, głowicy do naczynia powoduje według niektórych
Inżynier i Fizyk Medyczny
4/2014
vol. 3
229
radiologia \ radiology
artykuł \ article
publikacji wystąpienie błędu pomiarowego w wysokości 10% na
wzmacniane we wzmacniaczu mocy, który jest dołączony do prze-
każde 10 stopni.
twornika nadawczego głowicy ultradźwiękowej. Następnie sygnał
Zjawisko Dopplera
wysłany powraca w postaci energii w wyniku odbicia, rozproszenia na granicy tkanek i zostaje ponownie przetworzony na sygnał
elektryczny. Sygnał ultradźwiękowy powracający charakteryzuje
Fale ultradźwiękowe rozproszone na krwinkach znajdujących się
się częstotliwością przesuniętą względem sygnału początkowe-
w naczyniach krwionośnych zmieniają swoją częstotliwość pro-
go proporcjonalnie do prędkości przepływu krwi. Bardzo mała
porcjonalnie do przepływu.
amplituda ech rozproszonych na krwinkach wymaga wzmocnie-
v=
cf d
2 f n cosθ
nia w odbiorniku. Następnie sygnał zostaje poddany demodulacji
kwadratowej, czyli pomnożeniu odebranego sygnału przez dwa
cosθ –kąt zawarty pomiędzy kierunkiem ruchu krwinki a wiąz- sygnały referencyjne o częstotliwościach nadanej fali różniącej się
ką ultradźwiękową,
f
fn
fd
c
– częstotliwość,
fazą o 90⁰. Taki schemat odpowiada opóźnieniu jednego sygnału
referencyjnego względem drugiego o ¼ okresu fali.
– częstotliwość fali nadawczej,
Drugim możliwym sposobem wyznaczenia prędkości przepły-
– częstotliwość dopplerowska,
wu jest pomiar średniej częstotliwości dopplerowskiej w liczni-
– prędkość rozchodzenia się fali w ośrodku.
ku. Licznik zlicza ilość przejść badanego sygnału przez poziom
zerowy. Aparatura fali ciągłej jest bardzo przydatna – szybkie
Zależność ta znalazła zastosowanie w aparaturze dopplerowskiej USG i pomiarach przepływów krwi.
Częstotliwość dopplerowska będąca interesującym nośnikiem
informacji jest do uzyskania po delikatnym przekształceniu. Waż-
wykonanie pomiarów, prosta obsługa, lecz za jej pomocą rejestruje się przepływ we wszystkich naczyniach objętych wiązką
ultradźwiękową, co powoduje, że jest nieprzydatna w przypadku przestrzennego obrazowania.
ne jest, aby zwrócić szczególną uwagę na kąt padania wiązki, po-
Metody impulsowe
nieważ błąd i zwiększenie kąta padania wiązki mają duży wpływ
na błąd pomiaru. Dla przykładu 5% odchylenia od zadanego kąta
generuje błąd pomiaru częstotliwości dopplerowskiej o 15%.
Aby wykonać pomiar na wybranej głębokości, należy zastosować
W urządzeniach dopplerowskich częstotliwość fali to 2-20
metody impulsowe. Przetworniki są pobudzane do drgań krótkimi
MHz. Najczęściej wykorzystywane są one do badań naczyń
impulsami. Po odbiciu fali od krwinki powraca ona do przetwornika,
głębokich, mózgowych i w położnictwie do oceny serca płodu.
lecz ze względu na to, że odbicie nastąpiło na różnych głębokościach,
Częstotliwość 20 MHz wykorzystuje się w przypadku badań
fale te powracają w różnym czasie. Metoda ta znalazła zastosowa-
śródoperacyjnych, natomiast do naczyń podskórnych używa się
nie w pomiarach profili prędkości przepływu krwi oraz pojemności
częstotliwości około 8 MHz.
minutowej serca i ocenie przepływów śródczaszkowych.
Fala ultradźwiękowa, wytworzona przez przetwornik, wnika
do ośrodka, gdzie ulega odbiciom, rozproszeniom oraz ugięciom
Zasada działania
na cząsteczkach krwi i tkanek. Energia fali rozproszonej jest nie-
Przetwornik wysyła krótkie impulsy o częstotliwości
cie elektryczne o zmiennej amplitudzie. W pierwszej kolejności
pomiędzy poszczególnymi impulsami wynosi TP. Odległość po-
sygnały te ulegają wzmocnieniu wymuszonemu, a dopiero póź-
między przetwornikiem a obiektem równa jest x, zatem droga,
niej są przetwarzane na napięcie proporcjonalne do przepływu
jaką musi przebyć sygnał, jest równa 2 x. Prędkość rozchodzenia
krwi. Aby ocenić przesunięcie dopplerowskie mierzone przez
się ultradźwięków jest opisana jako c. Jeżeli obiekt porusza się
detektor częstotliwości, należy ocenić wartości częstotliwość
w kierunku przetwornika z prędkością v, to droga 2x oraz czas
ech fe oraz częstotliwość fali nadanej f n .
przejścia impulsów t maleją, pokonując tę drogę.
fe ma znak ujemny lub dodatni, w zależności od kierunku pły-
fd = fn ± fe
Niezależnie od kierunku przepływu, widmo sygnału musi
znajdować się na dodatniej osi częstotliwości. Nie jest możliwe
t = 2x/c
nięcia krwinek. Przesunięcie dopplerowskie jest zatem równe:
Wraz ze zmianą czasu zmienia się faza odbieranego sygnału.
W czasie pomiędzy kolejnymi impulsami wartość przemieszczenia się obiektu jest duża, co powoduje dużą zmianę odbieranego
echa. Częstotliwość dopplerowska przybiera zatem postać:
rozróżnianie znaku częstotliwości dopplerowskiej, a zatem kierunku przepływu na tym etapie technologicznym.
230
fn . Czas
wielka. Ciśnienie fali wywołuje na przetworniku zmienne napię-
fd = 2 fn
v
c
Istnieje możliwość wzmocnienia sygnału dopplerowskiego
Wytwarzany sinusoidalny sygnał elektryczny o częstotliwości fn
we wzmacniaczu akustycznym. Ten schemat jest stosowany
obniżany jest przez dzielnik częstotliwości kilkaset razy do przyda-
w detektorach przepływu krwi oraz detektorach tętna płodu.
nej częstotliwości powtarzania fp, z jaką są wysyłane impulsy son-
Istnieją mierniki przepływu krwi rozróżniające kierunek przepły-
dujące. Z tą też częstotliwością są formowane krótkie prostokątne
wu. Oscylatory generują częstotliwości 2, 4 lub 8 MHz, a sygnały są
impulsy o czasie t modulujące sinusoidalny sygnał z generatora.
vol. 3
4/2014
Inżynier i Fizyk Medyczny
radiologia / radiology
artykuł / article
Ostatecznie otrzymujemy na wyjściu z modulatora ciąg impulsów prostokątnych powtarzanych z okresem T i wypełnionych sinusoidą o częstotliwości fn . Kolejnym etapem jest wzmocnienie sygnału przez wzmacniacz mocy. Sygnał transmitowany jest do
przetwornika nadawczo-odbiorczego. W przetworniku impulsy elektryczne zamieniane są w drgania i wysyłane do ośrodków. Echo od różnych tkanek powraca w różnym
czasie do przetwornika (w zależności od głębokości) pomiędzy kolejnymi impulsami
nadawczymi. Przesunięcie dopplerowskie jest mierzone w krótkich odcinakach czasu.
Regulacja bramki próbkującej odbywa się w taki sposób, aby umożliwić odczyt z interesującej operatora głębokości; dodatkowe niewykorzystywane pomiary tłumione
są w filtrze. Należy jednak pamiętać o kryterium Nyquista, zgodnie z którym zakres
prędkości mierzonych za pomocą impulsów techniki dopplerowskiej jest ograniczony
do maksymalnej częstotliwości równej połowie częstotliwości nadanych impulsów.
Warunkiem poprawnie wykonanego pomiaru jest powrót echa zanim zostanie
wysłany następny impuls nadawczy:
d max <
c
2 fp
Z twierdzenia próbkowania należy spełnić warunek:
f d max <
1
fd
2
Oba przeciwstawne warunki są ujęte w jedną definicję maksymalnej prędkości
mierzonej dla danego zasięgu:
d max vmax, <
c2
8 fn
fn –częstotliwość fali nadanej,
c –prędkość rozchodzenia się ultradźwięków.
Powyższy warunek jest istotny w przypadku pomiaru prędkości przepływu
w tętnicach szyjnych.
W przypadku ograniczenia do długości bramki próbkującej obszaru wiązki
ultradźwiękowej dokonuje się pomiaru zwanego objętością pomiarową. Wymiar
poprzeczny objętości zależy od aktywnej powierzchni przetwornika oraz kształtu
wiązki ultradźwiękowej. Pomiar z kolei zależy przede wszystkim od czasu trwania
impulsu i bramki próbkującej.
Bibliografia
1. M. Jędrzejewska, P. Jankowski, B. Węckowski: Podstawy obrazowania USG. Część 1,
Inżynier i Fizyk Medyczny, 3, 2014, 59-65.
2. M. Jędrzejewska, P. Jankowski, B. Węckowski: Podstawy obrazowania USG. Część 2,
Inżynier i Fizyk Medyczny, 4, 2014, 140-141.
3. A. Nowicki: Wstęp do ultrasonografii – podstawy fizyczne i instrumentacja, Medipage,
Warszawa 2003.
4. F. Jaroszczyk: Biofizyka medyczna, Wydawnictwo Uczelniane Akademii Medycznej
im. Karola Marcinkowskiego, 1993.
5. M. Nałęcz (red.): Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000 fizyka medyczna,
Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, 9, 2000.
6. M. Nałęcz (red.): Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000 – obrazowanie bio-
medyczne, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, 8, 2000.
7. B. Pruszyński (red.): Diagnostyka obrazowa. Podstawy teoretyczne i metody badań,
wydanie 1, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2000.
8. R. Tadeusiewicz, P. Augustyniak (red.): Podstawy Inżynierii Biomedycznej, 1, Wydaw-
nictwo AGH, Kraków 2009.
9. E. Dmoch-Gajzlerska: USG dla położnych, wydanie 1, Wydawnictwo PZWL, Warsza-
wa 2014.
Inżynier i Fizyk Medyczny
4/2014
vol. 3
231