Doppler Ultrasonography

 

Doppler Ultrasonography

초음파가 이동하는 혈액 세포에서 반사될 때 도플러 효과 발생 ⇒ 반사된 음파는 입사 주파수와 다른 주파수를 가지게 됨 (Doppler shift; TR로 들어가는 방향이면 positive shift, 나가는 방향이면 negative shift)

 

사용목적: 혈류 탐지, 혈류 방향 및 속도 측정, 혈류 특성 분석, 혈전 검출, 간문맥 전신순환 단락, 혈류 및 혈압 계산

 

유형

1. Spectral Doppler (Pulsed/Continuous Wave Doppler): 시간-속도 파형 (cardiology)

2. Color Doppler: 2차원 grayscale image 위에 혈류 정보 color map으로 표시

3. Power Color Doppler: 혈류의 에너지 강도 color map overlay

4. Duplex Doppler: Pulsed/Continuous Wave Doppler & B-mode image 동시에 표시

5. Triplex Doppler: Duplex Doppler & Color Doppler

 

 

Principles of Doppler

→ 정확한 속도 계산을 위해 입사각 60도 이하로 유지

 

Pulsed Wave(PW) Doppler Ultrasonography

Range Gating

Echo가 도달하는 시간 간격을 기준으로 혈관의 깊이를 계산하고, 이 깊이에서 발생하는 에코만을 수신

Range Gate의 위치는 2차원 디스플레이에 이동 가능한 사각형 커서 형태로 표시

해당 커서는 입사 빔과 평행하게 그려진 선을 따라 이동 가능

 

Feature

깊이 구분이 가능해서 특정 깊이에서 혈류를 정확히 평가 가능

Aliasing 현상 (샘플링 주파수가 신호의 변화 속도를 충분히 빠르게 샘플링하지 못해 발생 ⇒ 도플러 초음파에서 혈류 속도가 기기의 최대 측정 범위를 초과할 때 Nyquist Frequency: f_N=PRF/2 (PRF: 펄스 반복 주파수)이 한계를 초과하면 발생)

 

Continuous Wave(CW) Doppler Ultrasonography

두 개의 결정이 있는 특수 transducer을 이용하여 한 결정은 지속적으로 음파를 송신, 한 결정은 수신

 

Features

지속적인 송수신이 이뤄지므로 에코를 기다릴 필요 없음

Beam 경로 내의 모든 움직이는 물체 (혈관, heart chamber 등)가 샘플링 되기에 깊이 구분 불가

연속적인 샘플링으로 인해 매우 높은 혈류 속도, 협착 병변 뒤 속도 측정 가능

2차원 이미징 불가

 

New Tech

Phase Array Transducer: 연속파 도플러 경로를 실시간으로, 시각적으로 확인할 수 있음

 

Interpretation of the Doppler Spectral Display

Main Concept

1. Above Baseline: 혈류가 transducer 쪽으로 이동해 echo 주파수 > 입력 주파수

2. Spectral Trace: 두껍다면  특정 시간에 다양한 속도의 혈구가 존재 ⇒ 혈관의 협착, 난류에서 발생 (Spectral Broadening)

3. Gray-Scale Brightness: 밝기는 특정 속도로 이동하는 적혈구의 수 ⇒ 밝은 영역은 많은 적혈구가 특정 속도로 이동 중임을 의미

 

PW/CW Spectrum

PW Doppler: 특정 깊이의 혈류를 샘플링 가능, Plug Flow (혈관 중심부, 벽면 속도 동일)이 있는 경우, 파형 아래에 anechoic 영역

CW Doppler: 빔 경로 내의 모든 움직이는 물체 샘플링 ⇒ 거의 항상 다양한 밝기의 echo로 채워짐

 

Blood Flow Profile

대동맥: Plug Flow

작은 혈관: Blunted parabolic flow (혈관 중심부의 혈류가 벽면보다 빠르지만, 차이가 parabolic flow보다는 적음)

정맥: Nonpulsatile Flow (심장 박동에 의해 혈류 속도가 변하지 않고 일정한 속도로 지속적으로 흐르는 혈류)

 

Related Disease

Vascular Stenosis (협착): 큰 주파수 시프트, 협착 이후의 영역에서는 난류

측정 지점 이후의 혈관 저항 증가 ⇒ 이완기 혈류 감소

 

Doppler indices

Systolic-to-Diastolic Ratio: 수축기와 이완기 혈류를 비교

Resistive Index (RI; 저항 지수): (S-D)/S

Pulsatility Index (PI; 맥동 지수): (S-D)/M; 주로 동맥에서 뚜렷하게 나타남

(Systole (S): 수축기 혈류 속도, Diastole (D): 이완기 혈류 속도, Mean (M): 평균 혈류 속도)

 

A: 최대 수축기 속도(or 주파수), B: 말기 이완기 속도(or 주파수), M: 평균 속도(or 주파수)

Color Doppler

Pulsed Wave Doppler 기술 사용해 gate에서 주파수 변위 정보를 얻고 적혈구의 신호를 색상으로 표시하여 2차원

B-mode grayscale image에 중첩

 

Color Representation

방향: 붉은색은 transducer을 향한 흐름, 푸른색은 transducer에서 멀어지는 흐름

속도: 색상 막대에서 아래쪽 색상은 낮은 속도, 위쪽 색상은 높은 속도 의미

 

Velocity variance color bar

평균 속도뿐만 아니라 혈류의 변동성도 보여줌으로써 혈역학적 상태를 보여줌

 

Power Doppler

평균 주파수 shift 대신 Doppler 신호의 통합된 power, energy, 또는 intensity를 표시

적혈구의 농도가 신호의 intensity가 결정

 

 

Power Doppler vs Color Doppler

Power Doppler	Color Doppler
(-) Lack of velocity information (-) Motion sensitivity (-) Slower frame rate (+) Sensitivity (느린 혈류, 작은 깊은 혈관 적합) (+) No aliasing (+) Angle independence (+) Improved SNR	(-) Sensitivity (-) Aliasing artifact (-) Angle dependence (+) Velocity (+) Direction

 

 

Instrumentation

Mechanical Sector Scanner

Crystal을 움직여 이미지를 생성하되 도플러 평가 수행 시, Crystal 움직임 멈춰 2차원 image 얻음

만약, transducer이나 환자의 움직임이 있을 경우, doppler gate를 재배치 해야함

 

Array Scanner

압전소자를 특수하게 배열한 scanner을 사용하여 이미징 펄스 사이에 도플러 펄스를 삽입하여 거의 동시에 이미지와 혈류 정보를 얻을 수 있음 ⇒ 움직이는 부품이 없기 때문에 도플러 데이터 수집 동안 샘플 볼륨을 원하는 위치에 유지하는 것이 훨씬 쉬움

 

Cf) Imaging Pulse vs Doppler Pulse

Imaging Pulse: 일반적으로 매우 짧은 펄스, 2-15MHz의 고주파수, 비교적 낮은 PRF, Doppler Pulse보다 낮은 출력 intensity

Doppler Pulse: 긴 펄스, 주파수 대역은 비슷하나 최적화 목적이 다름, 매우 높은 PRF, 높은 출력 intensity

PRF ∝detectable velocity ∝1/sensitivity

 

 

Doppler Controls

Basic Controls

Switches for the desired type of doppler (PW, CW, color doppler, power doppler)

Doppler cursor, sample volume or gate, angle correction, gain, Doppler transducer frequency, pulse repetition frequency (scale), color maps, baseline adjustment, priority, wall filter, persistence, and various postprocessing maps

 

Beginning Doppler Exam

a) 도플러 빔 indicator을 track ball로 목표 혈관에 맞춤

b) PW 도플러의 경우 gate를 vessel lumen에 배치하고 크기를 적절히 조정

c) Angle cursor을 혈관에 완전히 평행하게 조정

d) 장치는 기본 PRF로 설정되고 도플러가 활성화되면 스펙트럼 파형이 나타나 들을 수 있는 신호 발생, 만약 신호가 없다면 PRF를 낮춰 spectrum tracing이 나타나도록 하며 반대로 신호가 과부화 (aliasing)가 되면 PRF를 높여 sensitivity를 낮춤

e) CW 도플러의 경우 gate가 없기 때문에 도플러 빔 indicator만 배치

 

Cf)

Wall Filter: 느린 혈류나 주변 조직의 움직임으로 인한 잡음 제거

Angle Correction: 도플러 빔과 혈관의 각도를 조정

 

Using Color Doppler

gate를 배치한 후, color map이 나오는지 확인, 없으면 PRF 조정

Doppler Cursor을 혈관과 정확히 정렬하는 것이 중요; 많은 경우 혈관이 평행보다는 수직에 가까워 약하거나 신호 존재 X

 

Motion Artifact

Patient restlessness, respiratory and cardiac motion, gastrointestinal peristalsis 등이 color doppler map에서 색상이 번쩍이거나 불규칙하게 나타나는 현상인 flash artifact 생성

 

Gain

B-mode와 독립적인 전용 gain 제어가 있어 artifactual speckle이 발생하기 직전까지 gain 증가

Gain이 충분하지 않으면 스펙트럼 신호와 컬러가 없을 수 있으며 너무 큰 gain을 이용하면 artifact 발생

 

 

Pulse Repetition Frequency (PRF)

단위 시간당 방출되는 초음파 펄스의 수로 PRF를 velocity scale 또는 scale이라 부름

높은 PRF (6kHz or 8kHz): 대동맥, 신장, 경동맥 및 기타 동맥과 같은 고속 혈류가 있는 혈관의 평가에 사용

낮은 PRF (250 ~ 2000Hz): 장기 parenchymal 혈관과 작은 혈관을 시각화 하지만,  aliasing, motion artifact에 취약

 

Doppler Transducer Frequency

B-mode 주파수와 독립적으로 선택할 수 있으며 doppler sensitivity는 높은 주파수에서 향상되지만 attenuation 증가되어 깊은 침투 제한 ⇒ 침투할 수 있는 가장 높은 주파수를 사용, 높은 주파수에서 품질이 좋지 않다면 낮은 주파수 사용 가능

 

Baseline Control

Doppler baseline을 조정하면 PRF나 transducer의 주파수를 변경하지 않고 aliasing을 없앨 수 있음

Upper Baseline: Positive doppler shift가 aliasing이 발생하기 전에 표시될 수 있도록

Lower Baseline: Negative doppler shift가 aliasing이 발생하기 전에 표시될 수 있도록

 

Persistence

초음파 이미지의 프레임 평균화 ⇒ 이미지에 history가 추가된다! 이미지 경계 부드러운 증가, 노이즈 감소, 혈류를 더 명확하게 볼 수 있음 (노이즈 감소)

짧은 시간 안에 여러 사진의 평균화 과정이 이뤄져 시간 해상도가 감소하고 빠르게 변화는 혈류 패턴 (hemodynamic) 관찰하기 어렵지만 느린 혈류에서는 유리

 

Color White Priority

필요에 따라 gray scale image, doppler image 어디 중점 둘 지 선택 가능

 

Wall Filters

천천히 움직이는 반사체 (혈관)에서 발생하는 고진폭, 저주파 echo제거 천천히 움직이는 혈류에서 발생하는 저진폭, 고주파 에코를 가리지 않도록, 주로 50~100Hz

 

Important Doppler Artifacts

1. Aliasing Artifact

고속 혈류를 정확하게 기록하기에 도플러 샘플링 속도가 너무 느릴 때 (Nyquist limit 초과)

Nyquist Limit을 초과하면 도플러 신호의 고주파수 부분이 baseline의 반대편에 잘못된 신호로 나타남

⇒ 실제 도플러 이동보다 훨씬 낮은 주파수 + Negative shift로 표시

 

 

 

2. Range Ambiguity Artifact

Doppler Sampling 주파수가 너무 높아 다음 펄스가 전송되기 전에 모든 에코가 반환되지 않는 경우 발생 (Depth discrimination partially lost)

⇒ Primary Sample Volume 외부에서도 sampling 이뤄짐 (Ghost Sample Volumes)

 

Solution

1. Ghost sampling site를 다른 혈관 외부에 위치시켜 Primary Sample Volume 내에서만 혈류 정보 제한

2. Doppler Beam의 입사각을 90도에 가깝게 조정하여 주파수 shift를 줄일 수 있지만, 60도가 넘어가면 속도 결정에 있어 오류가 큼

3. 저주파 transducer 사용

 

3. Twinkling Artifact

Color flow Doppler signal에 강하게 반사하는 hyperechoic structures (.e.g Calculi)이며, 표면이 거칠거나 불규칙할 때 발생 (구성 성분은 무관)

실제로, 방광 결석은 소변 검사보다 결석의 존재 더 잘 감지 가능

 

Safety of Diagnostic Ultrasound

1. Acoustic Cavitation

초음파가 액체 매질 내에서 기포를 형성하거나 기존 기포를 진동시키는 현상

도플러 초음파나 초음파 치료기기에서는 높은 강도의 초음파가 사용되는데, 이때 비열 효과 (열이 아닌 기계적인 효과)로 인해 세포 손상, 세포 활성화, 혈류 역학 변화 등을 일으킬 수 있음.

 

2. Stable Cavitation

낮은 초음파 강도에서 작은 기포가 초음파의 주기적인 압력 변화에 따라 진동하여 기포 주변의 액체에 작은 규모의 흐름을 유도

 

3. Inertial Cavitation

높은 초음파 강도에서 기포가 급격히 커졌다가 붕괴하며 고온과 고압이 순간적으로 발생할 수 있으며, 이는 주변 조직에 큰 기계적 힘을 가할 수 있음

 

4. ALARA(As Low As Reasonably Achievable)

초음파 검사에서는 잠재적 위험을 최소화하기 위해 가능한 한 낮은 강도의 초음파를 사용하고, 노출 시간을 최소화

특히, Doppler 초음파는 다른 초음파 작동 모드보다 더 긴 펄스 지속 시간, 더 높은 PRF 사용하여 조직 가열 가능