Εισαγωγή

Η μέτρηση της αιματικής ροής με τους υπερηχογραφικό Doppler διεύρυνε τις δυνατότητες μελέτης και διερεύνησης της ενδομήτριας ζωής. Για περισσότερο από 20 χρόνια το Doppler αποτελεί μια απλή, μη επεμβατική μέθοδο μέτρησης της ροής στα αγγεία του εμβρύου. Μετρήσεις της αιματικής ροής στην μητριαία αρτηρία έχουν αναφερθεί ήδη από το 1983.

Από την πρώτη εφαρμογή του διακολπικού σονογράμματος η τεχνολογία του Doppler έχει εξελιχθεί και ιδιαίτερα με το έγχρωμο, παλμικο Doppler. Η έγχρωμη απεικονιση της αιματικής ροής είναι σαφώς πιο ακριβής για την μελέτη της μητριαίας κυκλοφορίας, η οποία περιλαμβάνει πολλά, μικρής διαμέτρου αγγεία.

Το φαινόμενο Doppler

Ο Christian Johann Doppler (1803-1853) περιέγραψε το φαινόμενο αυτό μελετώντας το εκπεμπόμενο φως των άστρων. Παρατήρησε ότι το φως από ένα αστέρι που απομακρύνεται από την γη αποκτά ερυθρά απόχρωση, ενώ το φως από ένα αστέρι που πλησιάζει στη γή μια κυανή απόχρωση. Εξήγησε αυτή την παρατήρηση χρησιμοποιώντας αρχές της θεωρίας των κυμάτων και με την παραδοχή ότι το χρώμα του φωτός ποικίλει ανάλογα με τη συχνότητά του. Ο Doppler διαπίστωσε ότι υπήρχε αλλαγή στο παρατηρούμενο χρώμα (συχνότητα) αν άλλαζε η σχετική θέση της πηγής του φωτός ως προς τον παρατηρητή. Αυτή η μεταβολή στις παρατηρούμενες συχνότητες των κυμάτων από κινούμενη πηγή είναι γνωστή ως φαινόμενο Doppler.

Η εφαρμογή του φαινομένου Doppler στην υπερηχογραφία

Όταν μια πηγή ηχητικών κυμάτων και ένας παρατηρητής πλησιάζουν μεταξύ τους η παρατηρούμενη συχνότητα του ήχου αυξάνεται. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι η παρατηρούμενη συχνότητα εξαρτάται από τον αριθμό των κυμάτων που φτάνουν στον παρατηρητή στη μονάδα του χρόνου. Η μεταβολή της συχνότητας μεταξύ των εκπεμπόμενων υπερήχων και της αντανάκλασης αυτών από τα ερυθρά αιμοσφαίρια συνιστά την βασική αρχή των υπερήχων Doppler. Το μέγεθος της μεταβολής της συχνότητας εξαρτάται από την ταχύτητα της πηγής του ήχου (ερυθρών αιμοσφαιρίων) και της γωνίας μεταξύ της κατεύθυνσης της κίνησης και του παρατηρητή (γωνία ακτίνα/ροή). Αυτό διατυπώνεται με τον εξής τύπο:

Fd=2f0 v/c cosθ

• Fd η μεταβολή συχνότητας (συχνότητα Doppler)
• F0 η συχνότητα της εκπεμπόμενης δέσμης υπερήχων
• V η ταχύτητα του κινούμενου στόχου (ερυθρών αιμοσφαιρίων)
• Θ η γωνία μεταξύ της δέσμης υπερήχων και της κατεύθυνσης της κίνησης (αιματικής ροής)
• C η ταχύτητα διάδοσης του ήχου στους ιστούς (1540m/s κατά μέσο όρο)

Εικόνα 1. Με τους υπέρηχους Doppler η κίνηση του ανακλαστήρα (Scatterer) καταγράφεται ως αλλαγή φάσης στο λαμβανόμενο σήμα. Η συχνότητα Doppler μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της ταχύτητας, αν η γωνία δέσμης/ροής είναι γνωστή.

Από τη σχέση αυτή γίνεται αντιληπτό ότι αν η γωνία μεταξύ της εκπεμπόμενης δέσμης υπερήχων και της ροής του αίματος είναι 900 δεν θα παρατηρηθεί καμιά μεταβολή συχνότητας (cos900 = 0), ενώ αν η γωνία είναι 00 επιτυγχάνεται μέγιστη θετική μεταβολή συχνότητας (cos00 = 1) και αν η γωνία είναι 1800 επιτυγχάνεται μέγιστη αρνητική μεταβολή συχνότητας (cos1800 = -1). Οι μεταβολές συχνοτήτων που παρατηρούνται κατά την μελέτη της αιματικής ροής στην μητροπλακουντιακή και την εμβρυϊκή κυκλοφορία υπό γωνία δέσμης/ροής 20-600 είναι εντός του ακουστικού εύρους(12kHz), άρα μπορούν να ελεγχθούν με αντίστοιχη μεταβολή ενός ηχητικού σήματος.

Εικόνα 2: Η επίδραση της γωνίας στο υπερηχογράφημα. Υψίσυχνο σήμα Doppler παρατηρείται αν η δέσμη είναι ευθυγραμμισμένη με την κατεύθυνση της ροής. Στο διάγραμμα η δέσμη Α είναι πιο ευθυγραμμισμένη από τη Β και παράγει πιο υψίσυχνο σήμα Doppler. Η γωνία δέσμης/ροής στην περίπτωση C είναι περίπου 90ο και το σήμα Doppler είναι σχεδόν μηδενικό. Η ροή στην περίπτωση D απομακρύνεται από τη δέσμη και καταγράφεται αρνητικό σήμα.

Το φάσμα των συχνοτήτων Doppler

Είναι προφανές ότι ένα μόνο ερυθροκύτταρο δεν παράγει αντανακλάσεις, καθώς το μέγεθός του είναι ένα μόνο κλάσμα του μήκος κύματος των εκπεμπόμενων υπερήχων. Η ανάκλαση των υπερηχητικών κυμάτων συνεπώς οφείλεται σε τυχαίες, τοπικές μεταβολές στην περιεκτικότητα του αίματος σε ερυθροκύτταρα. Η θεωρία παραγωγής μεταβλητών συχνοτήτων Doppler από μικρούς κινούμενους στόχους είναι πολύπλοκη. Στην προκειμένη περίπτωση τα ανακλώμενα από τα ερυθρά αιμοσφαίρια κύματα είναι ανεξάρτητα από το σχήμα τους. Επηρεάζονται μόνο από τον όγκο των ερυθροκυττάρων και τη διαφορά αντίστασης από τους παρακείμενους ιστούς. Το λαμβανόμενο σήμα Doppler επομένως περιέχει ένα εύρος συχνοτήτων που καλείται φάσμα του Doppler. Η κατανομή των συχνοτήτων στο φάσμα αυτό καθορίζεται από την αντίστοιχη κατανομή των ταχυτήτων των ερυθροκυττάρων στο αίμα (flow velocity profile).

Εικόνα 3. Κατανομή ταχυτήτων ροής

H κατανομή των ταχυτήτων ενός ρέοντος υγρού σε έναν μακρύ, ευθύ, μη διακλαδιζόμενο, με ομαλά τοιχώματα σωλήνα είναι ακτινοειδώς συμμετρική γύρω από το κέντρο του σωλήνα και ορίζεται ως στρωματική ροή (laminar flow). Καθώς η ταχύτητα του υγρού αυξάνει παρατηρούνται αλλαγές στην κατανομή ταχυτήτων. Οι αλλαγές αυτές στην κατανομή από πωματικό (plug) σε παραβολικό (parabolic) προφίλ ροής με την αύξηση της ταχύτητας οφείλονται κυρίως στο ιξώδες του υγρού και στην τριβή που αναπτύσσεται με το αγγειακό τοίχωμα. Όταν η ροή είναι παραβολική η μέση ταχύτητα είναι ίση με το μισό της μέγιστης ταχύτητας. Ενώ όταν η ροή έχει πωματικό προφίλ, η μέση ταχύτητα είναι ίση με την μέγιστη. Μεταξύ αυτών των ορίων ωστόσο υπάρχουν ενδιάμεσα προφίλ ροής ώστε η μέση ταχύτητα να κυμαίνεται μεταξύ της μισής μέγιστης και της μέγιστης τιμής.

Στην εμβρυϊκή κυκλοφορία η κατιούσα αορτή φυσιολογικά εμφανίζει plug ροή κατά την συστολή και παραβολική ροή κατά τη διαστολή. Η ομφαλική αρτηρία φυσιολογικά εμφανίζει παραβολική ροή καθ’ όλη τη διάρκεια του καρδιακού κύκλου. Η plug ροή αναγνωρίζεται στο Doppler καθώς όλες οι συχνότητες συγκεντρώνονται πλησίον της μέγιστης συχνότητας της καταγραφόμενης κυματομορφής. Αντίθετα σε παραβολική ροή οι καταγραφόμενες συχνότητες κατανέμονται μεταξύ του επιπέδου του φίλτρου του αγγειακού τοιχώματος και της μέγιστης συχνότητας.

Εικόνα 4. Κυματομορφή Doppler από την εμβρυϊκή κατιούσα αορτή

Εικόνα 5. Κυματομορφή Doppler από την ομφαλική αρτηρία και φλέβα. Η περιοχή κάτω από την βασική γραμμή οφείλεται στο φίλτρο αγγειακού τοιχώματος που απομακρύνει τις χαμηλές συχνότητες που προκύπτουν από την κίνηση του αγγειακού τοιχώματος

Ιδανικά στο φάσμα συχνοτήτων της κυματομορφής θα έπρεπε να υπάρχουν μόνο οι συχνότητες Doppler που παράγονται από την αξονική ταχύτητα του αίματος στο προς εξέταση αγγείο. Ωστόσο το φάσμα αυτό επιμολύνεται από άλλες συνιστώσες. Πολλές από αυτές είναι αναπόφευκτες, όπως οι αποκλίσεις της δέσμης των υπερήχων κατά τη διαδρομή της μεταξύ των ιστών ή οι μικρές φασματικές παραμορφώσεις λόγω των διαφορών στην κατεύθυνση της ταχύτητας μεταξύ των ερυθροκυττάρων. Παρόλα αυτά οι συνιστώσες αυτές ειναι δευτερεύουσες και ελάχιστα επιδρούν στο φάσμα του Doppler. Η κύρια αιτία αλλοίωσης του φάσματος είναι οι παλμικές κινήσεις του αγγειακού τοιχώματος, καθώς μπορούν και αυτές να παράγουν μεταβολές συχνότητας Doppler.

Το φίλτρο αγγειακού τοιχώματος

Οι μεταβολές Doppler από τα αγγειακά τοιχώματα έχουν μικρή συχνότητα μεγάλη όμως ένταση. Συνήθως έχουν ένα εύρος συχνοτήτων που εκτείνεται σε υψηλότερες τιμές από ότι οι αντανακλάσεις από τα ερυθροκύτταρα. Αυτό οφείλεται στο γεγονότος ότι η διαφορά αντίστασης στη διάδοση του ήχου είναι πολύ μεγαλύτερη μεταξύ αγγειακού τοιχώματος και ερυθροκυττάρων από ότι μεταξύ αυτών και του πλάσματος. Για την εξάλειψη των χαμηλών συχνοτήτων που παράγονται από τις κινήσεις του αγγειακού τοιχώματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα φίλτρο συχνοτήτων (wall thump filter). Στις πρώτες μελέτες εμβρυϊκών αγγείων εφαρμόστηκε φίλτρο 600 Hz με μεταβολή συχνότητας Doppler της τάξεως των 2 MHz. Ωστόσο φάνηκε ότι με το φίλτρο αυτό αποκόπτονται μεταβολές συχνοτήτων που προέρχονται από τα ερυθρά αιμοσφαίρια, με αποτέλεσμα το λανθασμένο υπολογισμό της μέσης συχνότητας Doppler. Σήμερα εφαρμόζονται φίλτρα 50-200 Hz. Το πιο σημαντικό σφάλμα της χρήσης φίλτρων υψηλής διαβατότητας είναι η εξάλειψη των χαμηλών συχνοτήτων που παράγονται από τις χαμηλές τελοδιαστολικές ταχύτητες.

Ροομετρητές Doppler

Είναι τα όργανα λήψης, καταγραφής και ανάλυσης των κυματομορφών Doppler.

Εικόνα 6: Στο διάγραμμα φαίνονται τα μέρη ενός συστήματος Doppler συνεχούς κύματος. Αρχικά ο κύριος ταλαντωτής, ο ενισχυτής και ο μεταγωγέας διαβίβασης παράγουν ένα σήμα. Το αντανακλαστικό σήμα λαμβάνεται από διαφορετικό μεταγωγέα, ενισχύεται και διοχετεύεται στον αποδιαμορφωτή. Εκεί συγκρίνεται με το αρχικό σήμα και η διαφορά συχνότητας καταγράφεται ως κυματομορφή.

Doppler συνεχούς κύματος

Η πιο απλή συσκευή ροομετρητη Doppler είναι αυτή του συνεχούς κύματος. Ο κύριος ταλαντωτής (master oscillator) παράγει μια κυματομορφή που προσδίδει στον μεταγωγέα εκπομπής (transmitting transducer) τη συχνότητα συντονισμού του. Η παραγόμενη δέσμη υπερήχων προσκρούει στους κινητούς στόχους (ερυθροκύτταρα) και προκύπτουν ανακλαστικά κύματα, μερικά από τα οποία επιστρέφουν στον μεταγωγέα λήψης (receiving transducer). Αυτά ενισχύονται και παρουσιάζονται στον αποκωδικοποιητή (demodulator) o οποίος συγκρίνει τη συχνότητα των λαμβανόμενων σημάτων με αντίγραφο των εκπεμπόμενων κυμάτων και υπολογίζει τη μεταβολή συχνότητας Doppler. Στις συνέχεια καταγράφεται αυτή η μεταβολή σε συνάρτηση με το χρόνο υπό την μορφή συνεχούς κύματος.

Στον ροομετρητή συνεχούς κύματος ένα σωματίδιο που κινείται με σταθερή ταχύτητα δια μέσου της δέσμης των υπερήχων προκαλεί συχνότητα Doppler που είναι αντιστρόφως ανάλογη με το πλάτος της δέσμης. Με άλλα λόγια όσο πιο μικρή είναι η δέσμη των εκπεμπόμενων υπερήχων τόσο πιο ευρύ είναι το φάσμα συχνοτήτων Doppler που μπορούν να παραχθούν. Η μέθοδος έχει εφαρμογή κυρίως σε μελέτη αγγείων με μεγάλη ταχύτητα ροής αίματος.

Τα πλεονεκτήματα αυτών των ροομετρητών είναι:

• δεν έχουν όριο στη μέγιστη ταχύτητα που μπορούν να μετρήσουν καθώς δεν χρησιμοποιούν απεικόνιση πραγματικού χρόνου.
• Έχουν μικρό κόστος (περίπου 15-20% της τιμής του Dublex, παλμικού Doppler)

Το κύριο μειονέκτημά τους ωστόσο είναι η αδυναμία διάκρισης της ακριβούς θέσης του κινούμενου στόχου. Στην κλινική πράξη είναι μερικές φορές αδύνατο με το Doppler συνεχούς κύματος να διακριθούν τα σήματα που προέρχονται από αγγεία διαφορετικού βάθους.

Παλμικό Doppler

Το παλμικό Doppler συνδυάζει την δυνατότητα διάκρισης θέσης ενός συστήματος παλμικών υπερήχων και τη δυνατότητα προσδιορισμού ταχύτητας ενός συστήματος Doppler.

Εικόνα 7. Αριστερα: Μεταγωγέας Doppler συνεχούς κύματος. Δεξιά: μεταγωγέας παλμικού Doppler. Διακρίνονται η ζώνη ευαισθησίας και ο όγκος δείγματος αντίστοιχα.

Ο ογκος δείγματος (sample volume)

Όγκος δείγματος μπορεί να θεωρηθεί ως μια περιοχή μπροστά από τον μεταγωγέα εκπομπής από την οποία προέρχονται τα λαμβανόμενα σήματα. Οι διαστάσεις του όγκου δείγματος καθορίζονται αξονικά από το μήκος παλμού (pulse length) και περιφερικά από το πλάτος της δέσμης (beam width). Όταν οι παλμοί διαβιβάζονται με μια δεδομένη συχνότητα δειγματοληψίας, γνωστή ως επαναληπτική συχνότητα παλμού (Pulse Repetition Frequency), ο κάθε στόχος εξετάζεται μόνο μια φορά κατα τη διάρκεια της επαναληπτικής περιόδου (pulse repetion period). Έτσι καθορίζεται και ο ρυθμός συλλογής δεδομένων και τελικά η μέγιστη συχνότητα Doppler.

Τα μέρη του συστήματος παλμικού Doppler

Στην περίπτωση του παλμικού Doppler, αν και ο κύριος ταλαντωτής master oscillator) παράγει ένα ημιτονοειδές κύμα στη συχνότητα συντονισμού του μετατροπέα, η πύλη μετάδοσης (transmission gate) επιτρέπει τη μετάβαση μερικών κύκλων μιά μόνο φορά κάθε επαναληπτική περίοδο παλμού (PRP). Η πύλη καθυστέρησης (delay gate) παράγει μια χρονική καθυστέρηση που χρησιμοποιείται για τη λήψη σημάτων από ένα επιλεγμένο βάθος. Οι αντανακλάσεις που επιστρέφουν συλλέγονται έπειτα με το άνοιγμα της πύλης σειράς (range gate) και τροφοδοτούνται σε έναν αποδιαμορφωτή (demodulator) που συγκρίνει τη λαμβανόμενη συχνότητα με τη διαβιβασθείσα συχνότητα. Κάθε αντανάκλαση που λαμβάνεται παράγει ένα σήμα στον αποδιαμορφωτή που αποθηκεύεται μέχρι την λήψη της επόμενης αντανάκλασης. Με αυτή την αποκαλούμενη τεχνική "λήψης και αποθήκευσης" (“sample and hold”) παράγεται μια ομαλή κυματομορφή που πρέπει να φιλτραριστεί για να αποβληθεί η συχνότητα δειγματοληψίας ή επαναληπτική συχνότητα παλμού.

Εικόνα 8. Τα μέρη ενός συστήματος παλμικού Doppler

Περιορισμοί ταχύτητας

Το ανώτερο όριο μεταβολής της συχνότητας που μπορεί να ανιχνευθεί από το παλμικό Doppler περιορίζεται από τη διαδικασία δειγματοληψίας. H κυματομορφή Doppler πρέπει να αναδημιουργηθεί από μια σειρά δειγμάτων που λαμβάνονται σε τακτά χρονικά διαστήματα και η μέγιστη συχνότητα Doppler που μπορεί να ανιχνευθεί είναι μισή της επαναληπτικής συχνότητας παλμού (Nyquist θεωρία). Σε περίπτωση που η συχνότητα των λαμβανόμενων σημάτων είναι υψηλότερη η κυματομορφή δεν μπορεί να αναδημιουργηθεί σωστά και εμφανίζεται ένα φαινόμενο γνωστό ως aliasing. Πρόκειται για το ίδιο φαινόμενο κατά το οποίο οι ρόδες οχημάτων φαίνονται να περιστρέφονται προς τα πίσω στο κινηματογράφο ή στην οθόνη της τηλεόρασης.

Περιορισμοί εμβέλειας - ταχύτητας

Εκτός από τους περιορισμούς μέγιστης ταχύτητας, τα συστήματα παλμικού Doppler υπάγονται επίσης και σε περιορισμό της μέγιστης εμβέλειας. Οι περιορισμοί εμβέλειας εμφανίζονται επειδή είναι απαραίτητη η καθυστέρηση, μέχρι να παραληφθούν τα ανακλαστικά κύματα από τον πιο απόμακρο στόχο, στη διαβίβαση του επόμενου παλμού. Αυτό έχει επιπτώσεις στη μέγιστη ταχύτητα επειδή όσο βαθύτερος είναι ο στόχος τόσο χαμηλότερη είναι η επαναληπτική συχνότητα παλμού (PRF) και τόσο χαμηλότερη η μέγιστη ανιχνεύσιμη ταχύτητα αίματος. Τα κύρια αγγεία του εμβρύου βρίσκονται περίπου σε βάθος 15 cm από την επιφάνεια του κοιλιακού τοιχώματος της μητέρας και οι μέγιστες συστολικές ταχύτητες που καταγράφονται από την κατιούσα αορτή πλησιάζουν τα 1.5 m/s. Άρα με γωνίες ανάκλασης 45-550 η μέγιστη PRF είναι 5-7.5 kHz σε συχνότητες υπερήχων 2-3 MHz. Για PRF>2.5 kHz μπορεί να συνδυαστεί η απεικόνιση πραγματικού χρόνου με το παλμικό Doppler, αρκεί να «παγώνει» η εικόνα ώστε να καταγράφονται τα σήματα Doppler. Πολλά συστήματα έχουν δυνατότητα ανανέωσης της εικόνας πραγματικού χρόνου μια φορά ανά δευτερόλεπτο, ενώ άλλα μπορούν να εμφανίζουν συγχρόνως την εικόνα πραγματικού χρόνου και τις κυματομορφές Doppler.

Εικόνα 9. a. Κυματομορφές με aliasing φαινόμενο. Παρατηρείται απότομη διακοπή των συστολικών κορυφών, οι οποίες συνέχονται κάτω από την βασική γραμμή του ηχογραφήματος. b. Διόρθωση με αύξηση της επαναληπτικής συχνότητας παλμού (PRF).

Παρουσίαση των σημάτων Doppler

Τα σήματα Doppler αναπαριστώνται ως κυματομορφές με δύο συνιστώσες: το μέγεθος της μεταβολής συχνότητας (κάθετος άξονας) και το χρόνο (οριζόντιος άξονας). Αν και ένα μονήρες σήμα Doppler μπορεί να απεικονιστεί με αυτόν τον τρόπο συνήθως εμφανίζονται οι μεταβολές ενός ολόκληρου φάσματος συχνοτήτων σε συνάρτηση προς το χρόνο.

Εικόνα 10: Η κατανομή των συχνοτήτων στο φάσμα του Doppler.

Οι ιδιότητες του φάσματος συχνοτήτων Doppler είναι καθοριστικός παράγοντας της λειτουργικότητας της μεθόδου. Χρησιμοποιώντας, για παράδειγμα, ένα probe υπερήχων 2,5 MHz για τη μελέτη της εμβρυϊκής αορτής με μια γωνία περίπου 40°, το φάσμα Doppler θα αναμενόταν να εκτείνεται μέχρι μια συχνότητα περίπου 6 kHz που αντιστοιχεί σε μια μέγιστη ταχύτητα περίπου 1,6 m/s κατά τη διάρκεια της μέγιστης συστολικής φάσης. Επιπλέον, το αίμα θα επιτάχυνε από σχεδόν πλήρη ηρεμία στο τέλος της διαστολής μέχρι αυτήν την μέγιστη ταχύτητα σε ένα χρονικό διάστημα λιγότερο από 0,1 s. Ο αναλυτής συχνότητας σημάτων Doppler πρέπει επομένως να είναι σε θέση να προσαρμόσει τις συχνότητες μέχρι 10 kHz και πρέπει να είναι ικανός να ανανεώνει την ανάλυση με ρυθμό τουλάχιστον 100 φάσματα ανά δευτερόλεπτο. Εντούτοις, εάν χαμηλότερες υπερηχητικές συχνότητες χρησιμοποιηθούν για να ερευνηθεί το πιο αργά κινούμενο φλεβικό αίμα θα ήταν καλύτερο να χρησιμοποιηθούν χαμηλότερες συχνότητες ανάλυσης ώστε να επιτευχθεί καλύτερη ανάλυση της ταχύτητας. Συνεπώς ένας μεταβλητός αναλυτής συχνότητας θα ήταν πιο χρήσιμος όπου απαιτείται η μελέτη πολλαπλών στόχων.

Φασματική ανάλυση σε πραγματικό χρόνο

Ο σε πραγματικό χρόνο αναλυτής φάσματος είναι ένα όργανο που μετρά την ισχύ όλων των συχνοτήτων που περιλαμβάνονται στο σήμα Doppler. Επιπλέον χωρίζει τα θετικά (όταν η ροή του αίματος είναι προς το μετατροπέα) και ανάστροφα σήματα σε χωριστά κανάλια. Το σήμα Doppler ψηφιοποιείται και σαρώνεται γρήγορα (200 φορές ανά δευτερόλεπτο) από ένα φίλτρο που μετρά την ισχύ κάθε μεμονωμένης συχνότητας. Η μέθοδος αυτή είναι γνωστή ως γρήγορος μετασχηματισμός κατά Φουριέ (Fast Fourier Transform). Τα χαρακτηριστικά ενός αναλυτή που είναι σημαντικά στο χρήστη είναι η ταχύτητα της λειτουργίας και ο αριθμός των ξεχωριστών συχνοτήτων που μπορούν να αναλυθούν. Στη μαιευτική απαιτείται ένας χρόνος δειγματοληψίας 5 ms (200 ανά δευτερόλεπτο) με ανάλυση συχνότητας τουλάχιστον 64 bins ανά κανάλι.

Η σε πραγματικό χρόνο φασματική ανάλυση είναι ουσιαστική στη μαιευτική, δεδομένου ότι τα σήματα Doppler είναι συχνά σύνθετα και περιέχουν συχνότητες που προέρχονται από περισσότερα από ένα αγγεία. Υπό τον όρο ότι ο χρήστης μπορεί να δει το φάσμα που προκύπτει σε πραγματικό χρόνο, τα προβλήματα αυτά μπορούν να επιλυθούν. Το πιο σημαντικό ωστόσο είναι, ο χρήστης να είναι σε θέση να κρίνει εάν το σήμα που επιλέγεται από τον αναλυτή ισχύει ή εάν η ανάλυση πρέπει να απορριφθεί λόγω λανθασμένης τεχνικής, δεδομένου ότι οι περισσότεροι αναλυτές λειτουργούν αυτόματα.

Υπολογισμοί με βάση τη μέγιστη συχνότητα

Οι αυτόματοι υπολογισμοί που εκτελούνται από τον αναλυτή έχουν συνήθως ως βάση τη μέγιστη συχνότητα σήματος. Η διαδικασία αναγνώρισης της μέγιστης συχνότητας σηματος απαιτεί κυματομορφές με υψηλή αναλογία σήματος/θόρυβο. Όταν η μέγιστη συχνότητα προσδιοριστεί προβάλλεται συνήθως επάνω από την κυματομορφή έτσι ώστε ο χρήστης μπορεί να κρίνει εάν είναι σωστή. Στην συνέχεια ακολουθεί ο προσδιορισμός των δεικτών S:D, RI και PI, που περιγράφονται παρακάτω, της ταχύτητας και του όγκου ροής.

Dublex, παλμικό Doppler

Αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούν έναν μεταγωγέα πραγματικού χρόνου (συνήθως με 3.5 MHz linear array) και έναν μεταγωγέα Doppler (με συχνότητα είτε 2.0 είτε 4.0 ΜΗz). Τα κυκλώματα συγχρονισμού ανιχνευτών παρέχουν μια περίοδο σάρωσης για κάθε γραμμή και μια πρόσθετη περίοδο για επίδειξη του ηλεκτρονικού σήματος. Για την απεικόνιση της κυματομορφής Doppler σε εικόνα δύο διαστάσεων που λαμβάνεται από τον σαρωτή πραγματικού χρόνου (real-time scanner) απαιτείται μια ακόμη περίοδος 1 ms και η παρεμβολή ενός διακόπτη πολυπλεξίας σήματος (switch multiplexer) μεταξύ του σαρωτή και του παλμογράφου. Καθώς το παλμικό Doppler και η απεικόνιση πραγματικού χρόνου παρεμβαίνουν το ένα στο άλλο όταν χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα, μόνο μία μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Η λειτουργούσα ακολουθία (operating sequence) επομένως τροποποιείται έτσι ώστε η ακολουθία ελέγχου μνήμης (memory control sequence) έχει μια ενδιάμεση θέση μεταξύ του πραγματικού χρόνου και του παγώματος πλαισίων. Σε αυτή τη θέση (που καλείται auto-update) η «παγωμένη» εικόνα ανασυντίθεται ηλεκτρονικά μια φορά κάθε δευτερόλεπτο ενώ το παλμικό Doppler σβήνει στιγμιαία. Έτσι επιτυγχάνεται συνεχής έλεγχος της καταγραφόμενης κυματομορφής Doppler και της θέσης του υπό εξέταση αγγείου. Η ακολουθία αυτή ενεργοποιείται από τον ποδοδιακόπτη frame-freeze του σαρωτή πραγματικού χρόνου. Σε χαμηλές επαναληπτικές συχνότητες παλμού (PRF), μικρότερες από 2.5 kHz μπορούν να συνδυαστούν ταυτόχρονα το Doppler και η απεικόνιση πραγματικού χρόνου, ωστε να προκύψει ένα σύγχρονο σήμα. Τέτοια όργανα χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της ταχύτητας του αίματος στα αγγεία του εμβρύου, όπως η κατιούσα αορτή, η μέση εγκεφαλική αρτηρία και η νεφρική αρτηρία.

Έγχρωμο Doppler

Εικόνα 11: Η απεικόνιση των ομφαλικών αγγείων με έγχρωμο Doppler.

Η χαρτογράφηση ροής χρώματος συνίσταται στην προσθήκη ενός έγχρωμου χάρτη στην εικόνα πραγματικού χρόνου που λαμβάνεται με υπερηχογράφημα B-mode. Σε κάθε καρέ υπολογίζεται η μέση συχνότητα Doppler και αναπαριστάται με επιλογή αντίστοιχου χρώματος. Η μέση συχνότητα Doppler συνήθως υπολογίζεται σε μια στοιχειώδη μονάδα (pixel) ροής χρώματος ως ένας μέσος όρος χώρου.

Διάφοροι χάρτες χρώματος είναι διαθέσιμοι στα σύγχρονα μηχανήματα έγχρωμου Doppler αλλά ένα κοινό σχέδιο αντιπροσωπεύει τη ροή προς το μετατροπέα ως κόκκινο και τη ροή μακριά όπως μπλε. Το μέγεθος της μέσης συχνότητας Doppler μέσα σε ένα pixel ροής χρώματος αντιπροσωπεύεται συνήθως από τη δύναμη του χρώματος ή κορεσμός χρώματος (colour saturation).

Το μεγάλο πλεονέκτημα της χαρτογράφησης ροής χρώματος είναι ότι το σήμα στηρίζεται μόνο στην παρουσία ενός σήματος Doppler έτσι ώστε τα μικρά αιμοφόρα αγγεία, για παράδειγμα εκείνα στον εμβρυϊκό κύκλο του Willis, μπορούν να απεικονιστούν ακόμα κι αν δεν απεικονίζονται στην εικόνα πραγματικού χρόνου, λόγω περιορισμένης ανάλυσης. Λάθη στην ερμηνεία του σήματος μπορούν εντούτοις να εμφανιστούν, καθώς για κάθε pixel ροής χρώματος σε μια ενιαία γραμμή ανίχνευσης λαμβάνονται δείγματα από τους εκπεμπόμενους παλμούς. Ως εκ τούτου, η θεωρία Nyquist ισχύει και εάν η μέγιστη συχνότητα Doppler είναι μεγαλύτερη από τη μισή επαναληπτική συχνότητα παλμού (PRF) εμφανίζεται aliasing. Το φαινόμενο αυτό οδηγεί σε διείσδυση του μπλε χρώματος στους τομείς της πολύ υψηλής ροής προς το probe (περιοχή κόκκινου χρώματος).

Εικόνα 12: Περίπτωση aliasing σε εικόνα έγχρωμου Doppler.

Η χαρτογράφηση ροής χρώματος εξαρτάται από τη γωνία ανάκλασης, ως εκ τούτου το αίμα που κινείται με την ίδια ταχύτητα μπορεί να εμφανιστεί με διαφορετικά χρώματα στα διαφορετικά μέρη ενός κυρτού αγγείου, όπως το αορτικό τόξο. Επιπλέον, η απουσία χρώματος δεν δείχνει απαραιτήτως την απουσία ροής δεδομένου ότι κανένα χρώμα δεν θα εμφανιστεί εάν η δέσμη υπερήχων είναι κάθετη στο αγγείο.

Βιβλιογραφία

1. P. Chudleigh, J.M. Pearce, S. Campell. Obstetric Ultrasound-How, Why and When. Second edition. Churchill Livingstone. 1992 p: 270-286
2. C.Dean. Doppler ultrasound: principles and practice. In “Doppler in Obstetrics” by Kypros Nicolaides, Giuseppe Rizzo, Kurt Hecker and Renato Ximenes, 2002
3. T. Golaszewski, J. Deutinger, G Bernaschek. Physiology of Doppler flow in maternal vessels during pregnancy. In “Color Doppler Sonography in Gynecology and Obstetrics” by W. Schmidt, A. Kurjak.

Μυλωνάς Σπυρίδων, Φοιτητής Ιατρικής Σχολής
Β’ Μαιευτική και Γυναικολογική Κλινική Πανεπιστημίου Αθηνών
Αρεταίειο Νοσοκομείο
Διευθυντής: Καθηγητής Γ. Κ. Κρεατσάς