Допплерография. Цветовое допплеровское картирование

Краткие сведения

Стоит рассмотреть данный метод диагностики лишь в упрощенной и максимально доступной форме и на примере узнать, как можно получить изображение высокого качества при цветовом допплеровском картировании и спектральной допплерографии.

При встрече УЗ-волны (УЗ-импульса), генерированной датчиком, с неподвижным отражающим объектом отраженная волна (эхо-сигнал) имеет такую же частоту. Если УЗ-волна встречает на своем пути движущийся отражающий объект, например эритроциты в крови, то частота отраженной волны оказывается большей или меньшей в зависимости от того, движется объект по направлению к датчику или удаляется от него (допплеровский эффект). Это несоответствие между частотой УЗ- импульса и эхо-сигнала называется допплеровским сдвигом. Эффект Допплера лежит в основе метода допплерографии и наблюдается также в том случае, когда отражающий объект неподвижен, а движется сам датчик. Разницу между частотой посланного и отраженного УЗ-сигнала (так называемая допплеровская частота) можно выделить путем перемножения частот этих сигналов (микширование). Так получают допплеровский сигнал, частота которого при преобладающих скоростях кровотока и применяемых частотах ультразвука приходится на килогерцовый диапазон, т.е. диапазон воспринимаемых человеком звуковых частот. Поэтому при применении большинства УЗ-аппаратов существует возможность воспроизведения допплеровского сигнала через динамик. Допплеровская частота зависит от частоты посылаемого сигнала и от скорости, с которой отражающий объект движется по направлению к датчику или от него. При косом направлении УЗ-луча по отношению к траектории движения отражающего объекта учитывают только ту составляющую скорости, которая направлена к датчику или от него. При движении отражающего объекта перпендикулярно направлению УЗ-луча допплеровского сдвига не происходит.

Типы допплерографии

Различают спектральную и визуализационную допплерографию.

При спектральной допплерографии регистрируют интенсивность и частоту допплеровского сигнала, отраженного движущимися эритроцитами, и выстраивают кривую зависимости скорости от времени. С помощью допплеровского сдвига строят кривую зависимости скорости кровотока от времени, которая дает представление о распределении скоростей (например, максимальной, средней, минимальной) и направлении движения эритроцитов в исследуемом сосуде. Допплеровские сигналы регистрируют либо в непрерывном режиме (непрерывно-волновая допплерография), когда датчик имеет передающий и воспринимающий пьезоэлемент, либо в импульсном режиме (импульсно-волновая допплерография), когда один и тот же пьезоэлемент попеременно выполняет функции передатчика и приемника УЗ-импульсов. Лишь с помощью импульсно-волновой допплерографии можно по задержке сигнала, поступающего на датчик, определить глубину его возникновения. Непрерывно-волновую допплерографию, которая зарекомендовала себя как эффективный метод быстрой диагностики в ангиологии (при заболеваниях периферических сосудов) и неврологии (при поражении экстракраниальных сосудов), мы в настоящем руководстве подробно рассматривать не будем.

При визуализационной допплерографии результатом исследования является не единичная кривая, а УЗ-срез параметров кровотока (средней скорости, направления тока крови и дисперсии скорости кровотока). Различают цветовую и дуплексную допплерографию.

Для определения скорости кровотока при наличии аппарата с высоким пространственным разрешением в простейшем случае необходимый срез исследуют методом импульсно-волновой допплерографии. Однако это отнимает слишком много времени, поэтому необходим метод с оптимальными временными затратами.

В большинстве УЗ-аппаратов общее распределение скоростей вдоль линий сканирования рассчитывают с помощью нескольких (по меньшей мере, двух) следующих друг за другом эхо-сигналов, воспринимаемых с одной и той же линии сканирования, и сдвига фаз между ними. С помощью этого метода можно определить значение и направление средней скорости, а также ее дисперсии, но за более короткий промежуток времени. Только так можно достичь частоты кадров, при которой можно наблюдать пульсирующий кровоток. При цветовом допплеровском картировании рассчитанные параметры кодируют цветом и накладывают на изображение, полученное в В-режиме.

Дуплексное УЗИ представляет собой сочетание кривой и изображения, т.е. спектральной кривой скоростей и эхограммы, полученной при УЗИ в В-режиме. Стандартное УЗИ в В-режиме применяется в радиологии, терапии и хирургии. А цветовое допплеровское картирование и дуплексное исследование являются ценным дополнением к традиционному УЗИ в В-режиме и, как показала практика, эти методы могут стать неотъемлемой частью обследования больного. В ангиологии выполнение спектральной допплерографии или цветового допплеровского картирования, а также дуплексного УЗИ стало обязательным.

Дуплексное УЗИ

При дуплексном сканировании, когда кровеносный сосуд исследуют в В-режиме (редко), или цветовом допплеровском картировании, когда направление кровотока и его скорость рассматривают на ограниченном участке среза («окно») в В-режиме, полученные сигналы кодируют различным цветом. Красным цветом обозначаются потоки, направленные к датчику, синим – от датчика. Градация цвета соответствует эффективному вектору скорости движения эритроцитов, количественную оценку которого выполняют путем сравнения с цветовой шкалой, приводимой на эхограмме. Кроме того, по распределению допплеровских сигналов во времени выводят кривую зависимости скорости кровотока от времени (спектральная допплерография). Определив, таким образом, значение скорости кровотока при данном его направлении, нажимают установочную кнопку на панели управления УЗ-аппарата. Компьютер на основании этих данных корректирует ординату (ось скорости кровотока) на графике таким образом, что на измеренные значения кровотока уже не влияет изменение утла между направлением УЗ-луча и осью сосуда («поправка на угол падения луча»). Если такая поправка невозможна (например, не удается визуализировать сосуд), указывают допплеровский сдвиг (в герцах) или гипотетическое значение скорости кровотока при одинаковом направлении кровотока и У3-луча.

Поддающийся оценке допплеровский сигнал можно получить лишь в том случае, если направление УЗ-импульсов образует с направлением сосуда угол меньше 90° (оптимально, если этот угол меньше 60°). Если направление кровотока неизвестно, его скорость практически неопределима. Тем не менее, можно построить кривую кровотока.

Допплеровские параметры

Усиление («Gain», «CD-level»): определяет чувствительность к слабым сигналам (при малом калибре исследуемого сосуда и большом расстоянии от датчика). Если усиление слишком маленькое, мелкие сосуды исследовать не удается. При слишком большом усилении появляются шумовые помехи («снежные сугробы» на спектральной кривой кровотока или пестрые включения при цветовом допплеровском картировании).

Частота повторения импульсов («PRF», «Skala»): определяет чувствительность к низко- и высокочастотным допплеровским сигналам, т.е. к слабому и сильному кровотоку. Если выбран слишком высокий параметр PRF, то слабый кровоток не регистрируется независимо от интенсивности (амплитуды) допплеровского сигнала. Низкое значение PRF при сильном кровотоке может привести к искажению допплеровского спектра скоростей (так называемый элайзинг-эффект). Суть этого феномена состоит в том, что верхняя часть систолической спектральной кривой скоростей «срезается» и отображается в нижней части кривой. При цветовом допплеровском картировании этот феномен проявляется изменением цвета в осевой части сосуда таким образом, будто кровоток в ней направлен в противоположную сторону относительно кровотока в периферической части сосуда. Причина элайзинг-эффекта состоит в том, что спектральная допплерография и цветовое допплеровское картирование являются импульсными методами исследования, при которых итоговое значение параметра складывается из суммы отдельных измеренных значений подобно тому, как при просмотре кинофильма изображение складывается из последовательности отдельных кадров. Согласно теореме отсчетов (теорема Котельникова), корректная обработка периодического процесса (каковыми являются звуковые волны, а также допплеровские сигналы) возможна лишь тогда, когда частота развертки (в данном случае – частота повторения импульсов PRF) более чем в два раза превышает частоту регистрируемых колебаний. Вернемся к аналогии с кинофильмом: в кино спицы колес фургона, когда он начинает движение, сначала вращаются в сторону движения. С увеличением скорости фургона они вдруг начинают казаться останавливающимися, затем утрачивают четкость и начинают казаться вращающимися в обратную сторону, так как частота регистрации (скорость записи) слишком низкая.

Изолиния: если, как это часто бывает при исследовании сосудов, кровоток движется преимущественно в одном направлении, то одна половина графика – либо верхняя, которая указывает на ток крови по направлению к датчику, либо нижняя, отражающая направление кровотока от датчика – остается «пустой». Поэтому в большинстве УЗ-аппаратов имеется возможность сдвинуть ось абсцисс вверх или вниз и одновременно снизить PRF. Это позволяет оптимизировать размер кривой. При таком снижении PRF, естественно, возникает элайзинг-эффект. Однако в этом случае «срезанная» верхняя часть кривой надставляется на изображении снова на то же место, где она была «срезана». Такая перестановка очень желательна для большей точности исследования.

Фильтр: при спектральной допплерографии с помощью фильтра верхних частот подавляют наиболее низкие (близкие к оси абсцисс) частоты. Эти фильтры служат, прежде всего, для устранения артефактов, обусловленных движением сосудистой стенки и связанных с пульсацией. Движения сосудистой стенки на УЗ-изображении вызывают помехи. Поэтому фильтры верхних частот называют также фильтрами пристеночного кровотока. При цветовом допплеровском картировании обойтись столь простой мерой не удается. «Фильтры» при этом исследовании представляют сложные алгоритмы, которые анализируют в реальном режиме времени весь рисунок движения крови и ткани и кодируют кровоток без одновременного кодирования движения окружающих тканей. Существует большое разнообразие фильтров – для периферических и мелких сосудов, а также для сосудов брюшной полости.

Контрольный объем («Gate», «Messfenster») обозначает контрольный объем ткани, в котором проводят измерение допплеровских параметров.

Угол («Angle»): высококачественные линейные датчики благодаря электронному регулированию могут эмитировать УЗ-луч в косом направлении, что облегчает исследование сосудов, которые располагаются параллельно поверхности кожи. Если такая функция у датчика отсутствует, фирмы-изготовители часто предлагают клиновидные силиконовые насадки для датчиков, позволяющие искусственно создать угол между рабочей поверхностью датчика и сосудом.

УЗ-аппараты имеют и многие другие функции в зависимости от типа аппарата и фирмы-изготовителя. С их помощью при цветовом допплеровском картировании можно, например, менять:

• пространственное разрешение;

• скорость воспроизведения изображения;

• цветовой спектр.

Цветовое допплеровское картирование

В то время как спектральная допплерография предназначена для точного анализа кровотока в определенном участке сосуда с помощью кривой скорость-время, цветовое допплеровское картирование имеет целью получение, прежде всего, УЗ-изображения. При этом методе исследования регистрируют допплеровский сигнал в сосуде (в том числе в случае, когда сам сосуд при УЗИ в В-режиме не визуализируется) в его анатомической позиции, определяют направление и скорость кровотока, кодируют его цветом и накладывают на соответствующий участок УЗ-изображения, полученного в В-режиме. По сравнению со спектральной допплеровской кривой скорости кровотока физиологические данные, получаемые с одного цветового пятна, очень скудные, так как в контрольном объеме кодируется только средняя скорость кровотока при допущении, что направление кровотока совпадает с направлением УЗ-луча. Поправка на угол падения УЗ-луча, как при спектральной допплерографии, невозможна и к тому же нецелесообразна, учитывая, что часто одно УЗ-изображение охватывает различные сосуды с разной скоростью кровотока. Однако расчеты при цветовом допплеровском картировании несравнимо сложнее, чем при спектральной допплерографии.

Как получают изображение при цветовом допплеровском картировании?

При спектральном допплеровском картировании УЗ-луч посылают в определенную анатомическую область. Из отраженных допплеровских сигналов оценивают лишь те, которые регистрируются в определенном временном интервале (временное окно) после посылки УЗ-луча, все другие импульсы отбрасывают. На основании интервала между посылкой УЗ-импульсов и восприятием допплеровских сигналов, а также временного окна определяют локализацию допплеровских сигналов.

При цветовом допплеровском картировании «лишние» допплеровские сигналы не отбрасывают. Посылают УЗ-импульс, а затем оценивают серию следующих друг за другом временных окон. В результате вдоль траектории УЗ-луча получают целый набор отдельных допплеровских сигналов, каждый из которых возникает на определенной глубине. В зависимости от разрешающей способности датчика и мощности УЗ-аппарата значения глубины отстоят друг от друга не более чем на 1 мм.

Однако при многократном повторении этого процесса, но с боковым смещением УЗ-луча (при сканировании секторным датчиком - с изменением его направления) получают «шахматный» растр (при секторном датчике – веерообразный). Для каждой ячейки (каждого измеряемого объема) этого растра имеется соответствующий отдельный допплеровский сигнал, который после кодирования накладывают на изображение, полученное в В-режиме. Это «сырое» изображение недостаточно обработано, имеет «мозаичный» вид и лишь после компьютерного сглаживания (интерполяции) из него получают цветовое допплеровское изображение с присущим ему качеством.

Посылая луч допплеровских импульсов, регистрируют серию допплеровских сигналов, параллельно получая одно изображение в В-режиме. Понятно, что частота изображений уменьшается по сравнению с одним лишь изображением в В-режиме, так как для прохождения через ткани необходимо определенное время. Степень уменьшения зависит, прежде всего, от богатства палитры цветов, а, следовательно, от фрагмента изображения, который отбирается для цветового изображения. Чем богаче цветовая палитра, тем больше УЗ-импульсов необходимо послать, а затем зарегистрировать и обработать допплеровские сигналы, и тем больше времени затрачивается на получение одного полноценного изображения. Для увеличения частоты изображений цветовую палитру уменьшают, насколько это возможно. Остальная часть УЗ-изображения остается черно-белой.

Принято обозначать оттенками красного цвета кровоток, направленный к датчику, а оттенками синего цвета – кровоток, направленный от датчика. При косом направлении сосуда для определения кровотока учитывается только вертикальная составляющая вектора скорости. Отдельные оттенки цвета соответствуют различной скорости вдоль этой составляющей. Ее значение определяют путем сравнения с цветовой шкалой. Число, которое обычно приводится вверху и внизу цветовой шкалы, обозначает ту скорость, которая закодирована наиболее ярким оттенком цвета соответственно верхней или нижней части цветовой шкалы. Оно равно также наибольшей скорости, которая при выбранной частоте повторения импульсов (PRF) может быть определена без искажения. При больших скоростях цветовое кодирование нарушается: в частности, кровоток может «изменить направление» на обратное. Некоторые фирмы-производители УЗ-аппаратов вверху и внизу цветовой шкалы вместо скоростей указывают допплеровский сдвиг, исходя из того, что направление сосуда и, следовательно, ошибка, связанная с изменением угла падения УЗ-луча, не могут быть учтены. Тем не менее, принято считать, что в этом случае следует определить хотя бы порядок значения скорости; данные о скоростях, которые находятся вне цветовой шкалы, также представляют определенную ценность. Для цветовой шкалы в большинстве аппаратов имеется набор различных цветов, из которых врач, проводящий исследование, может по своему усмотрению выбрать любой. Только следует по возможности не нарушать принятого отображения «красный цвет - сверху». Тем, кто считает, что артерии, как в руководствах по анатомии, всегда должны быть изображены красным цветом, следует помнить, что такое изображение нежелательно не только потому, что ретроградный ток появляется в артериях в пульсовом цикле, но в первую очередь потому, что специалисту утомительно каждый раз обращаться к цветовой шкале, приступая к исследованию.

Красным цветом принято изображать кровоток, направленный к датчику. Желательно придерживаться такого обозначения.

Уже много лет пользуется большой популярностью энергетическое допплеровское картирование – разновидность цветового допплеровского картирования.

При этом методе кодируют не скорость кровотока и его направление, а амплитуду допплеровского сигнала. Преимущества этого метода исследования особенно ярко проявляются при «неблагоприятных» ситуациях. Например, когда угол между УЗ-лучом и направлением сосуда далек от оптимального, так как амплитуда сигнала зависит от угла падения УЗ-луча. Однако энергетическое допплеровское картирование не заменяет цветовое.

Энергетическое допплеровское картирование

Энергетическое допплеровское картирование (синонимы: «энергетический допплер», «УЗ-ангиография») является разновидностью цветового допплеровского картирования, но превосходит его по информативности и мощности и сулит просто фантастические возможности. При более сдержанном отношении к этому методу лучше говорить о «цветовом допплеровском УЗИ с кодированием амплитуды сигнала». Речь идет о разновидности метода, при которой кодируют не допплеровское смещение, зависящее от скорости, а амплитуду допплеровского сигнала, точнее - площадь под гистограммой зависимости амплитуда-частота. Амплитуда сигнала зависит от количества рассеивающих частиц в исследуемом объеме. Такими рассеивающими частицами в крови являются не отдельные эритроциты, а, как правило, случайно образующиеся агломерации клеток. Преимущество энергетического допплеровского картирования состоит в том, что оно, в отличие от цветового кодирования, не зависит от угла между УЗ-лучом и направления сосуда, из-за которого сосуд оказывается насыщенно окрашенным и в тех случаях, когда ориентирован перпендикулярно падающему на него УЗ-лучу.

Отношение сигнал/шум высокое и зависит от того, как осуществляется обработка сигнала. Мелкие сосуды со слабым кровотоком с помощью данного метода удается лучше исследовать. Сведения, имеющиеся в литературе по этому вопросу, противоречивы. Какой из методов – традиционный или с цветовым кодированием амплитуды сигнала – более информативен, зависит также от фирмы-производителя УЗ-аппарата. Недостаток цветового допплеровского картирования с кодированием амплитуды сигнала состоит, прежде всего, в том, что во время исследования часто появляются артефакты, связанные с движением датчика, и скорость построения изображения относительно мала. В целом, метод можно считать ценным дополнением к цветовому допплеровскому картированию. Он особенно информативен при использовании в ангиологии, его можно применять также на фоне введения больному ЭКВ. Однако не следует упрекать в отсталости тех, кто еще не овладел данным методом исследования или применяет его редко.

Общую сонную артерию необходимо исследовать линейным датчиком с рабочей частотой 7 МГц (при исследовании в В-режиме) и/или 5 МГц (при допплерографии), располагая его вдоль артерии. До настоящего времени для данного исследования не установлены допплеровские параметры. Аппарат переводят в режим цветового допплеровского картирования и подбирают цветовую шкалу.

Методика дуплексного УЗИ

Чтобы вывести спектральную кривую скоростей, сосуд необходимо сначала исследовать методом цветового допплеровского картирования. С его помощью можно выявить стеноз артерии. Если при исследовании в В-режиме визуализировать сосуд не удалось (например, в паренхиме почки), переведите аппарат в режим спектральной допплерографии, не выполняя цветового допплеровского картирования. Кроме того, можно ввести поправку на возможное изменение угла между УЗ-лучом и сосудами.

В некоторых УЗ-аппаратах измерение методом спектральной допплерографии можно проводить с одновременным выведением изображения в режиме цветового допплеровского картирования. Это простое на первый взгляд исследование становится возможным за счет уменьшения скорости построения изображения: она составляет лишь несколько изображений в секунду. Поэтому неудивительно желание получить сначала отдельно изображения в В-режиме, в режиме цветового допплеровского картирования и спектральной допплерографии, и лишь затем «объединить» их. Однако полученный результат, как правило, больше сбивает с толку, чем помогает. Многие специалисты предпочитают с помощью переключателя переходить из одного режима исследования в другой, например, пока режим спектральной допплерографии активирован, режим цветового допплеровского картирования остается выключенным до тех пор, пока он снова не понадобится. Можно попеременно устанавливать снова исследуемый объем и выводить спектральную кривую скоростей. Правда, при переключении режимов исследования датчик может сместиться.