doppler ultrasonografi fiziği

DOPPLER ULTRASONOGRAFİ FİZİĞİ
Dr. Mustafa SEÇİL
Dokuz Eylül Üniversitesi Tıp Fakültesi Radyoloji Anabilim Dalı
Dr. Mustafa SEÇİL Doppler US Fiziği
www.mustafasecil.com
1
Ultrasonografik ses dalgaları transdüserden (prop) salınmakta, farklı ara yüzlerden yansıyarak
transdüsere dönmektedir. B-mod (gri skala) ultrasonografide görüntü oluşturulurken dönen
ekonunun yansıma miktarı (dönen dalganın amplitüdü) ve proba ulaşan ses dalgasının
gönderilmesiyle alınması arasındaki süre hesaplanmakta, dönen dalga farklı derinliklerde
farklı gri tonlarında kodlanmaktadır. Bu bilgilere ek olarak yansıyan ses dalgası, B-mod
incelemede görüntü oluşturulurken dikkate alınmayan faz, dalga boyu ve frekans bilgilerini de
içermektedir. Doppler US’da bu bilgiler kullanarak görüntü oluşturulmaktadır.
Kan birçok değişik çaptaki eritrositin oluşturduğu dağınık inhomojeniteler içeren heterojen bir
ortamdır. Gönderilen ultrasonografik ses dalgasının dalga boyu yansıtıcı yüzeyden (eritrosit)
çok büyük olduğunda, temel olay saçılmadır. Bu tip saçılma “Rayleigh-Tyndall saçılması”
olarak adlandırılır ve miktarı ses frekansının 4. dereceden üssü ile doğru orantılıdır. Bu
nedenle kullanılan transdüserin frekansı önem taşımaktadır.
Sabit dokularda ultrasonografik ses dalgasının dalga boyu (λ) ve frekansı (F), yansıma sonrası
proba ulaşan dalganın dalga boyu ve frekansı ile aynıdır. Hareketli yansıtıcı yüzeylerde ise
geri dönen ses dalgalarında frekans farklılığı meydana gelir. Bu frekans farklılığı 1842’de
Christian Johann Doppler tarafından tanımlanan “Doppler Etkisi (Doppler Kayması)” ile
açıklanmaktadır. Bu etkiye göre, kaynak ve yansıtıcı yüzey birbirlerine yaklaşıyorlarsa
yansıyan ses dalgaları boşlukta birbirine yaklaşır, dalga boyu azalır ve alıcıya yüksek bir
frekansta ulaşır. Eğer kaynak ve yansıtıcı yüzey birbirlerinden uzaklaşıyorlarsa yansıyan ses
dalgaları boşlukta uzaklaşır, dalga boyu artar ve alıcıya düşük bir frekansta ulaşır. Bu etki,
damarda ilerleyen eritrositlere uygulandığında değişik faktörler de eklenir. Frekans
farklılığının miktarı (ΔF), kan akım hızına (Vo), ses dalgasının kaynaktan çıktığı andaki
frekansına (Ft), sesin insan dokusu içerisindeki hızına (c), ultrasonografik ses dalgasının
damarın uzun eksenine olan açısına (θ) bağlı olarak değişir. Tüm bu etkiler tek bir denklemde
(Doppler eşitliği) belirtilir.
Dr. Mustafa SEÇİL Doppler US Fiziği
www.mustafasecil.com
2
ΔF = 2 x Ft x Vo x Cos θ / c
Ses dalgalarının insan dokusu içerisindeki hızı ortalama 1540 m/sn olarak varsayılır. Doppler
eşitliğinde diğer parametreler de önceden belirlenmiş durumda olduğundan frekans farkı
ağırlıklı olarak açıya bağlı olur. Teorik olarak Doppler açısının 0° olması durumunda en
yüksek frekans farkı elde edilecektir (cos 0°=1). Ancak bu pratikte mümkün değildir. Ayrıca
küçük açılarda ses dalgalarının tümünün damar duvarında yansıması nedeniyle sinyal elde
edilmesinde güçlükler ortaya çıkar. Doppler açısı 90° olduğunda cos 90° sıfıra eşit olduğu için
Doppler frekans farkı saptanmaz. Bu nedenle de akım kodlaması olmaz. 90°’ye yaklaşan
açılarda antegrad ve retrograd akımların ayırtedilme özelliği bozulduğundan bazal çizginin
altında ve üstünde eşit miktarda ayna hayali şeklinde hatalı akım bilgisi ortaya çıkar. Ayrıca
Doppler açısının 60°’yi geçtiği durumlarda açıdaki küçük değişiklikler, açının kosinüs
değerinde büyük değişikliklere neden olur. Tüm bu nedenlerle, ses dalgaları ile akım yönü
arasında 30-60°’lik açı olacak şekilde inceleme yapılması gerekmektedir.
Doppler Yöntemleri:
•
Sürekli dalga formu Doppler ( Continuous wave = CW ): Ses dalgalarını sürekli olarak
alan ve veren iki adet trandüser vardır. Akımın varlığını ve yönünü saptar, ancak
bunun hangi derinlikten geldiğini ve sinyalin kaynağını saptamada yetersizdir. Ucuz
ve taşınabilir olması nedeniyle yatakbaşı değerlendirmelerde ve intraoperatif olarak
yüzeyel damarlarda akım değerlendirmesinde faydalıdır.
•
Puls dalga formu Doppler ( Pulsed wave = PW ): Ses dalgaları vurular halinde
gönderilir. Gönderilen ve geri dönen ses dalgası arasında belli bir süre kalması ( TE )
ile ortaya çıkan Doppler şifti, sesin hangi düzeyden geldiğini gösterir. Doppler
Dr. Mustafa SEÇİL Doppler US Fiziği
www.mustafasecil.com
3
bilgisinin gerçek zamanlı gri skala görüntü ile birleştirilmesi ile duplex Doppler
görüntüler elde edilir. Bu sistemde proba dönen ses dalgaları hem gerçek zamanlı
görüntü, hem de Doppler dalga formunun gerçekleşmesi için işlenir. Bir saniye içinde
gönderilen ses dalgası pulsuna puls tekrarlama frekansı ( pulse repetition frequency =
PRF ) denir. PRF en fazla 1/ TE kadar arttırılabilir. İncelenen derinlik arttıkça, ses
dalgalarının dönüşü için daha fazla zaman gerekeceğinden PRF azalır. Bu da puls
Doppler ile akım hızı ölçümünde üst bir limit oluşturur. Sonuç olarak yüksek akım
hızları yüksek PRF değerleri ile, düşük akım hızları düşük PRF değerleri ile
ölçülmelidir.
Eritrositler her zaman aynı hızda hareket etmediklerinden değişik frekans şiftleri oluştururlar.
Tüm eritrositlerin değişik hızlardaki hareketi transdüsere kompleks bir sinyal olarak ulaşır. Bu
kompleks sinyal “Fast Fourier Transform Analyzer” denen bir aygıtla işlenerek basit frekans
elemanlarına ayrılır. “Analog Dijital Çevirici” ile de dijital formata dönüştürülür. Hız bilgisini
içeren spektral analizi göstermek için değişik aralıklardaki hızlar aranır ve karelere depolanır.
Sonuçta değişik hızlardaki kareler biriktirilir ve zamana göre haritası çıkarılır. Sinyal
segmentlerinin arka arkaya işlenmesi ile sürekli Doppler spektrumu oluşturulur. Pratikte gri
skala görüntüleme ile entegre edilerek kullanılır. Doppler analizi yapılacak bölgenin
lokalizasyonu, boyutu (range-gate) ve gönderilen ses dalgasının açısı gri skala görüntü
üzerinde işaretlenir. Seçilen bölgeden geri dönen ses dalgaları ile ortaya çıkarılan frekans
farkı, monitörde gri skala görüntünün yanında hız/zaman (cm/sn) veya frekans/zaman
(kHz/sn) grafiği şeklinde gerçek zamanlı olarak izlenebilir. Frekansı hıza çevirebilmek için
Doppler açısı bilinmelidir. Dupleks Doppler US aslında bir M-mod (motion mode) US
analoğudur ve inceleme temelde bir zamansal çözümleme (temporal rezolüsyon) yöntemidir.
Dr. Mustafa SEÇİL Doppler US Fiziği
www.mustafasecil.com
4
Radyoloji uygulamalarında Doppler US’un en sık formu RDUS görüntülemedir. Bu gerçekte
hareketli yapılardan kaynaklanan frekans şiftlerinden oluşturulmuş bir renk haritasıdır. Bu
yöntemde akıma ait Doppler bilgisi, dokuya gönderilen puls çizgisi boyunca birçok düzeyden
(range-gate) alınırsa, multi-gate Doppler yapılmış olur. Bu şekilde birçok örnekleme ile elde
edilen akım bilgisi, akımın transdüsere göre yönü ve hızına göre renklendirilip, gri skala
damar görüntüsü içine yerleştirilirse “Renkli Doppler Görüntüleme” elde edilir. RDUS
görüntüleri akım hakkında kalitatif bilgi verir. Bu nedenle pratikte çoğunlukla yalnız başına
değil, grafik şeklinde Doppler spektrumu ile birlikte kullanılır ve bu yönteme de “Renkli
Dupleks Doppler Görüntüleme” denir. RDUS aslında bir spektral görüntülemedir. Ancak
spektral değerler grafikle değil, renklerle gösterilir. Akımın rengini faz şifti, renk tonunu
(parlaklığı) ise frekans şifti (akım hızı) belirler. Yüksek hızlarda akım daha parlaktır. Bu ilişki
özellikle poststenotik akım hızlanmalarında ve akustik koşullar uygun olmadığında önem
kazanır. Renk parlaklığı ayrıca ses dalgası ve damar arasındaki açı değişikliklerinden de
etkilenir. 90°’lik açıda kırmızı ve mavi segmentlerin birleşmesi sinyal kaybı ile sonuçlanır. Bu
durum parsiyel oklüziv trombüs ile karıştırılabilir ve bu açıdan dikkatli olmak gerekir. Ayrıca
günümüzün dupleks ultrasonografi cihazlarında renk düzenlemesi tek bir tuşla ters çevrilebilir
veya tümü ile değiştirilebilir. Sonuç olarak, RDUS’da çok geniş bir alan incelenerek gerçek
zamanlı görüntü oluşturulur ve saptanan ortalama frekans şiftidir. RDUS kantitatif değil
kalitatif
bir
yöntemdir.
Bu
nedenle
akım
değerlendirilmesinde
ve
stenozun
derecelendirilmesinde mutlaka dupleks Doppler yöntemi ile birlikte kullanılmalıdır.
Doppler US ile elde edilen akım bilgileri 3 başlık altında toplanabilir:
1. Kalitatif
o Akım varlığı ve yönü
o Akım karakteristiği
2. Kantitatif
Dr. Mustafa SEÇİL Doppler US Fiziği
www.mustafasecil.com
5
o Akım hızı
o Akım volümü
3. Yarı-kantitatif
o Pik sistolik / diastol sonu hız indeksi
o Rezistif indeks ( RI ) = VPik sistolik – VEnd diastolik / VPik sistolik
o Pulsatilite indeksi ( PI ) = VPik sistolik – VEnd diastolik / VOrtalama
Power Doppler Ultrasonografi (PDUS)
Görüntünün, inceleme alanından elde olunan sinyallerin gücü doğrultusunda oluşturulduğu
yeni geliştirilen bir Doppler uygulamasıdır. Renkli Doppler US’da görüntüyü oluşturmada
temel prensip Doppler şifti iken PDUS’de Doppler sinyallerinin gücüdür. Renkli Doppler
görüntülerde akımın yön bilgisi korunur ve akım yönü trandüsere göre değiştiğinde, rengi de
değişir. Fakat power Doppler görüntülemede Doppler sinyalindeki hız ve yön bilgisi
kullanılmaz, sadece Doppler kaymasının intensitesi ile görüntü oluşturulur.
Doppler sinyalindeki güç, hareket eden ve Doppler kayması oluşturan eritrositlerin toplam
sayısına bağlıdır. Bu eritrositlerin değerlendirilmesinde açı değiştirildiğinde Doppler kayması
değişir ancak gücü değişmez. Ortalama frekans kaymasının sıfır olması gücün de sıfır
olduğunu göstermez.
PDUS, dupleks ve RDUS uygulamalarından farklı olarak Doppler açısına bağlı değildir. Bu
nedenle aliasing ortadan kalkmıştır. Ayrıca RDUS incelemelerinde önemli bir sorun oluşturan
gürültü PDUS’da daha az problem meydan getirir, çünkü Doppler sinyalindeki herhangi bir
gerçek akım gürültü ile karşılaştırıldığında daha fazla güce sahiptir ve PDUS incelemelerinde
Dr. Mustafa SEÇİL Doppler US Fiziği
www.mustafasecil.com
6
zemin gürültüsünü ortadan kaldırarak kendini gösterir. Her ne kadar akım duyarlılığındaki bu
iyileşme cihaz ve durum bağımlı olsa da, sonuçları RDUS incelemelerinden daha iyidir.
Yöntemin en önemli dezavantajı da harekete aşırı duyarlı olmasıdır. Bu durum öncelikle
PDUS’un saptanan en küçük amplitüddeki harekete dahi aşırı derecede duyarlı olmasından
kaynaklanır. Bu nedenle de kan akımını yumuşak doku hareketinden ayırt etmek güç olabilir.
Ancak ek olarak daha kompleks yumuşak doku hareketini baskılayıcı yöntemlerin
kullanılması ile ilgili çalışmalar umut vericidir.
Sonuç olarak PDUS, RDUS ile varlığı ve özellikleri güçlükle gösterilebilen damar içi
akımların değerlendirilmesi gereken bir çok klinik durumda kullanılabilir. İskemi alanlarından
azalmış akımın belirlenmesi, inflamatuar hiperemi veya tümöral anjiogeneziste artmış ve
düzensiz akım patternlerini ve tedaviye bağlı vasküler değişikliklerin ortaya konmasında
oldukça yararlıdır.
Dr. Mustafa SEÇİL Doppler US Fiziği
www.mustafasecil.com
7
KAYNAKLAR
1. Kabakcı N. Renal kitlelerin ayırıcı tanısında power Doppler ultrasonografi ve SHU
508A (Levovist)’in kombine kullanımı. Dokuz Eylül Üniversitesi Tıp Fakültesi
Radyoloji Anabilim Dalı Uzmanlık Tezi 2004, s.29-34.
2. Rumack CM, Wilson SR, Charboneau JW. Diagnostic Ultrasound. 2nd ed. St.Louis:
Mosby-Year Book,1999:357-371.
3. Hangiandreou NJ. AAPM/RSNA physics tutorial for residents. Topics in US: B-mode
US: basic concepts and new technology. Radiographics. 2003 Jul-Aug;23(4):1019-33.
4. Hofer M. Teaching Manual of Color Duplex Sonography. Stuttgart, Germany : Georg
Thieme Verlag, 2001: 13-16.
5. Boote EJ. AAPM/RSNA physics tutorial for residents: topics in US: Doppler US
techniques: concepts of blood flow detection and flow dynamics. Radiographics. 2003
Sep-Oct;23(5):1315-27.
6. Rubin JM. Power Doppler. Eur Radiol. 1999;9 Suppl 3:S318-22.
7. Rubin JM, Bude RO, Carson PL, Bree RL, Adler RS. Power Doppler US: a potentially
useful alternative to mean frequency-based color Doppler US. Radiology. 1994
Mar;190(3):853-6.
8. Martinoli C, Pretolesi F, Crespi G, Bianchi S, Gandolfo N, Valle M, Derchi LE.
Power Doppler sonography: clinical applications. Eur J Radiol. 1998 May;27 Suppl
2:S133-40.
9. Aytaçlar S. Doppler Temel Fizik Prensipler, Teknik gelişmeler. 17. Türk Radyoloji
Kongresi Renkli Doppler US Kitabı: İstanbul, 2000: 5-20.
10. Oyar O, Gülsoy UK. Tıbbi Görüntüleme Fiziği 2003: 197-230
11. Tuncel E, Adapınar B. Doppler US Fiziği. 5. Ulusal Ultrasonografi Kongresi Doppler
Kurs Kitabı. Bursa: 1995: 1-13.
12. Erden İ. Renkli Doppler US fizik prensipleri, sınırlamaları, hata kaynakları. T.Klinik
Tıp Bilimleri 11, 1991: 326-350
Dr. Mustafa SEÇİL Doppler US Fiziği
www.mustafasecil.com
8