Podstawy obrazowania USG

ultrasonografia \ ultrasonography
artykuł \ article
Podstawy obrazowania USG
– część 2
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 metodach dopplerowskich wykorzystuje się informację zakodowaną w postaci zmiany częstotliwości fali odbitej względem fali nadanej. Równoczesne stosowanie przetwornika impulsowo-echowego czasu rzeczywistego i przetwornika
dopplerowskiego, umożliwia obserwację ruchu badanego narządu i dokonywanie pomiarów dynamicznych. Wprowadzenie do obrazowania koloru dodatkowo
umożliwia zmniejszenie błędów związanych z techniką pomiaru. Wśród metod
dopplerowskich wyróżnia się metodę fali ciągłej i metodę impulsową.
W metodzie fali ciągłej nadajnik wysyła falę ciągłą. w zależności od głębokości, na której zostały odbite.
Fala rozproszona na poruszających się krwinkach Pociąga to za sobą odpowiednio dużą zmianę fazy
zmienia swoją częstotliwość w stosunku do często- odbieranego echa. Pomiar opóźnienia ech – zmiany
tliwości fali nadanej. Uzyskuje się w ten sposób in- ich fazy i częstotliwości – pozwala obliczyć prędkość
formację o średniej prędkości przepływu krwi. Nie krwinek na różnych głębokościach.
pozwala ona na pomiar średnicy naczynia krwio-
Metoda ciągła
nośnego ani na pomiar głębokości jego położenia
pod skórą. Metoda ta dostarcza łączną informację
o wszystkich strukturach leżących na drodze wiąz- Kryształ znajdujący się z jednej strony sondy służy do
ki ultradźwiękowej. Szacuje się, że końcowy wynik ciągłego w czasie wysyłania ultradźwięków, a drugi
pomiaru prędkości przepływu krwi tą metodą obar- kryształ pełni funkcję odbiornika. Emiter wysyła przez
cały czas impulsy napięciowe o częstotliwości f0 do
czony jest 15-procentowym błędem.
Najstarsze ultrasonografy dopplerowskie emitują kryształu nadawczego, który emituje ultradźwięki
falę ultradźwiękową w sposób ciągły. Wszystkie krwin- w określony kąt. Drugi kryształ rejestruje cały czas
ki poruszające się w naczyniach krwionośnych w ob- echa o częstotliwości f1 wytwarzane. Sygnały napięszarze objętym działaniem sondy, są źródłem fal odbi- ciowe są wzmacniane w odbiorniku i po odpowiedniej
tych, ale tylko część wraca do detektora odbiorczego. ich obróbce przez demodulator podawane jako syCzęstotliwość fal odbitych rośnie wraz ze wzrostem gnały akustyczne o częstotliwościach dopplerowskich
prędkości krwinek poruszających się w kierunku sondy (słyszalnych dla człowieka) na słuchawki.
ultradźwiękowej. Można obliczyć średnią i maksymalną prędkość krwinek w badanym naczyniu. W latach
Metoda fali impulsowej
70-tych poprzedniego wieku w badaniach klinicznych
zastosowano aparaturę emitującą falę ultradźwięko- W metodzie fali impulsowej fala odbita od krwinek
wą w sposób impulsowy. W tych aparatach mamy zna- i od ścianek naczynia powraca do nadajnika w czasie
ną określoną falę ultradźwiękową o określonej często- przerwy w jego pracy. Znając kąt pomiędzy kierunkiem
tliwości w postaci krótkich impulsów o znanym czasie propagacji fali a osią naczynia krwionośnego, prędkość
trwania impulsu i stałej przerwie między impulsami. fali i czas przejścia impulsu pomiędzy przednią i tylną
W taki sposób „dawkowania” zyskujemy dodatkowe ścianą naczynia, można obliczyć jego średnicę. Przyjinformacje – prócz przesunięcia dopplerowskiego, muje się, że niedokładność tego pomiaru związana
określa się także długość przerw pomiędzy impulsami. z długością wysyłanych impulsów ultradźwiękowych
Metoda ta znalazła zastosowanie do pomiaru przepły- (około 0,7 mm w tkance miękkiej) wynosi około 10%.
wu na wybranej głębokości. Fale odbite od krwinek Na podstawie znajomości częstotliwości fali nadanej
po powrocie do sondy są opóźnione względem siebie i odbitej wyznacza się prędkość przepływu wybranej
140
vol. 3
3/2014
Inżynier i Fizyk Medyczny
ultrasonografia / ultrasonography
artykuł / article
warstwy krwi. Metoda ta daje zatem możliwość analizy rozkładu
może być zintegrowana ze standardowym obrazem w prezentacji
prędkości przepływu krwi w przekroju naczynia krwionośnego.
B. Metoda CDI nie pozwala jednak uwzględnić zależności często-
Sonda (głowica) wyposażona jest w jeden kryształ piezoelektrycz-
tliwości dopplerowskiej od kąta między kierunkiem rozchodzenia
ny. W całym cyklu pracy kryształ ten nadaje impuls i następnie służy
się wiązki ultradźwiękowej a osią naczynia. Z tego też względu
jako odbiornik ultradźwięków. Wykorzystując zależność czasu po-
naczynia, na które wiązka pada prostopadle, będą prezentowa-
wrotu echa od głębokości, na jakiej to echo powstało, urządzenie
ne na ekranie tak, jak gdyby krew w nich nie płynęła, tzn. jedynie
przekazuje jedynie sygnały pochodzące z tzw. bramki. Rozdzielenie
z użyciem stopniowanej skali szarości (częstotliwość dopplerowska
sygnału odbiorczego między dwa kanały służy określeniu kierunku
zmierzona przez urządzenie jest bowiem w takim przypadku równa
przepływu. Szybka transformacja Fouriera pozwala określić rozkład
0). Właśnie z tego powodu urządzenia do kodowania kolorem mają
prędkości w bramce i pozwala go przedstawić na ekranie monito-
możliwość tzw. sterowania wiązką. Polega ona na uzupełnieniu
ra w postaci dopplerowskiej jako sumę elementarnych sygnałów
podstawowego kierunku wnikania wiązki ultradźwiękowej do ciała
o różnych częstotliwościach i natężeniach.
pacjenta o dodatkowe – zwykle dwa – kierunki. Metoda kodowania
Metoda kodowana kolorem
kolorem pozwała również uwidocznić turbulencję w naczyniach.
Uzyskuje się to przez dodawanie zieleni do dwu podstawowych
barw. Im większa jest wariancja prędkości (a więc im większy jest
Metoda kodowania kolorem pozwala uzyskać informację o pręd-
jej rozrzut, będący z kolei pewną miarą turbulentności przepływu),
kości krwi przepływającej w naczyniach, która może być przedsta-
tym więcej dodaje się tej zieleni.
wiana za pomocą kolorowej „mapy” przekroju danej żyły czy też
Doppler mocy
innego naczynia krwionośnego. Idea ta jest stosowana w kolorowej ultrasonografii dopplerowskiej, określanej też w literaturze
jako metoda CDI (Color Doppler Imaging). W metodzie tej wiele bra-
Doppler mocy jest to całkowita ocena energii sygnału dopple-
mek dopplerowskich (elementarnych obszarów zainteresowania,
rowskiego. W metodzie tej można zwiększać czułość detekcji
z których sygnały dopplerowskie są sparowane przez urządzenie)
przepływu. Znalazło to zastosowanie przy niewielkich średni-
może być jednocześnie rozmieszczanych w całym badanym prze-
cach naczyń krwionośnych oraz przy odległych naczyniach. Me-
kroju. Urządzenie oblicza następnie średnią prędkość przepływu
toda ta pozwala uwidocznić przepływ niezależnego przebiegu
w każdej z takich bramek, a potrzebne do tego informacje można
naczyń (naczynia kręte), nie można jednak określić kierunku
uzyskiwać – podobnie jak w prezentacji B – na podstawie analizy
przebiegu prędkości przepływu. Sonoangiografia odwzorowuje
wytwarzanych w danym przekroju (warstewce ciała) przez układ
anatomiczny przebieg naczyń, jest czulsza od metody kolorowe-
sekwencyjnie włączanych i wyłączanych przetworników. Najpierw
go kodowania prędkości, zwłaszcza w obrazowaniu drobnych
jest sekwencyjnie tworzony obraz typu B, tzn., że dany przekrój
naczyń. Może służyć jako weryfikacja, gdy w jednej objętości
sondują pojedyncze wiązki ultradźwiękowe, informacja zaś o am-
pomiarowej znajduje się kilka małych naczyń, w których krew
plitudach ech wytworzonych we wszystkich liniach obrazu jest
płynie w różnych kierunkach i z różną prędkością.
przechowywana po odpowiedniej obróbce, w macierzy obrazu
Obecnie udoskonaleniem dopplera mocy jest technika ob-
(w postaci cyfrowej). Następnie urządzenie przystępuje do anali-
razowania zwana MVI (MicroVascular Imaging). Pozwala ona na
zy prędkości przepływów w badanym przekroju. Ponieważ echa
wizualizację przepływów w mikrokrążeniu.
wytwarzane na erytrocytach mają stosunkowo małe amplitudy,
Bibliografia
dlatego też w każdy „pasek” danego przekroju odpowiadający
pojedynczej linii obrazu typu B jest wysyłana cała seria impulsów,
otrzymywane zaś z tego informacje są niejako sumowane przez
urządzenie. Po odpowiedniej obróbce danych są zapisywane w odrębnej macierzy obrazu informacje o średnich prędkościach w poszczególnych elementach objętości (bramkach dopplerowskich),
1. A. Nowicki: Wstęp do ultrasonografii – podstawy fizyczne i instru-
mentacja, Medipage, Warszawa 2003.
2. F. Jaroszczyk: Biofizyka medyczna, Wydawnictwo Uczelniane
Akademii Medycznej im. Karola Marcinkowskiego, 1993.
a także o wariancjach prędkości, (która jest miarą „rozrzutu” tej
3. M. Nałęcz (red.): Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000
prędkości). Mimo iż w omawianej metodzie bierze się pod uwagę
– fizyka medyczna, 9, 2000, Akademicka Oficyna Wydawnicza
kolorowy monitor, obraz typu B jest na nim przedstawiany jako
EXIT.
obraz czarno-biały w stopniowanej skali szarości. Informacja zaś
4. M. Nałęcz (red.): Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000
o prędkości przepływu krwi jest – w celu jej odróżnienia od infor-
– obrazowanie biomedyczne, 8, 2000, Akademicka Oficyna Wy-
macji o czasach powrotu i amplitudach ech, a więc o „topografii”
dawnicza EXIT.
przekroju – przedstawiana w kolorze. Przepływy w kierunku głowi-
5. Bogdan Pruszyński (red.): Diagnostyka obrazowa. Podstawy
cy są przy tym przedstawiane na czerwono, przepływy zaś odwrot-
teoretyczne i metody badań, wydanie I Wydawnictwo Lekarskie
ne – na niebiesko. Ponadto natężenie danej barwy zależy od wartości prędkości przepływu krwi: im szybciej ona płynie, tym natężenie
to jest większe. W ten sposób informacja o prędkości przepływu
Inżynier i Fizyk Medyczny
3/2014
vol. 3
PZWL, Warszawa 2000.
6. R. Tadeusiewicz i P. Augustyniak (red.): Podstawy Inżynierii Bio-
medycznej, 1, Wydawnictwo AGH, Kraków 2009.
141