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Spektrumanalyse von Dopplersignalen M . Daffertshofer , M . Henn erici Neurologische Klinik der Uni versitat Heidelberg, Klinikum Mannhcim (Direktor : Prof. Dr. M. Hen nerici )
Dopp ler signa l spect rum a nalysis co ntai ns useful haemodynam ic information . Severa l parameters
of the spectrumcan be documented in numerics. Random interaction of the reflectors, the size of the ultrasound sa m p le vo lume and th e p rocedu re of signa l ana lysis influence the results and hence may cause misinterpretation of the data selected. Essential mec hanisms influ encing the clinician 's Doppler-sp ectrum-analysis are discussed on the basis ora series o f 59 a ngiog ra phica lly a nd so nographica lly exa mine d carotid a rte ries as well as in the ligh t o f th eoreti cal consideration s and a review of the literature. Peak frequency link ed with a batte ry of spectrum param eters acc uracy are useful to differe ntiate various degrees o f lumen narro wing. Identification or excl usion of mino r plaqu es ca nnot be achieved with sufficie nt se nsitivity and specificity.
Zusammenfassung'--
~_ _
D ie Spe ktru ma nalyse von arte riellen Do pp lers igna len entha lt diagnos tisch niitzliche In form ation en iiber di e lok alen ha rnod yn ami sch en Verhal tnisse . Variable Parameter, die das Spe kt rurn charakte risiere n. sin d d ok um en tie rbar un d q ua ntifizie rba r. Z ufiillige Wech selwirkungen der reflektierenden Stru kturen, d ie Grobe des M ellvo lumens und di e Method e de r Signalaufarbei tu ng bee influ ssen allerd ings neben a nde ren Faktoren das dar gestellte Spe ktr um und konnen zu erheb liche n Feh lern fuhren. D ieser Art ikel fa llt wese ntliche theoretisc he Mechanismen zusamme n, die bei der Registrierung und Yera rb eitung von Do p plersig nalen mit spektra la nalytisch en Methoden a uftre te n. Anha nd eine r Serie von 59 angiog ra ph isch und do p plerso nogra phisch un tersucht en Karotide n sowie durch Auswertung mehrerer publizierter Untersu chungen zur Spe ktruma na lyse, wurden d ie theoretisch en Obe rleg unge n verifizie rt un d der klinisch e Nutzen der Frequenza nalyse untersucht.
Keywords
Schliisselwcrter
Doppler so nogra phy - Spe ctr um a na lysis Carotid a rtery
Do ppl ersonogra ph ie - Frequenza na lyseArteria carotis
Einleitung Au fgrund d es nach seine m Erstbesch reiber
C. A . Doppler (1803- 1853) benannten Prin zip ist die tra nskut an e Untersuchung der Strornungsverhaltnisse in d en meisten Bereiche n des ka rd iovaskular en System s mit UItra sch all nicht-invasiv rnoglich (20, 22). Za hlreiche Untersuchunge n an den gro13en Korperarterien, insbesondere an d en hirn versorgenden Art e rien , hab en gez eigt, d all selbst mit geri nge m technischen Aufwand vo m erfa h rene n Unte rsuch er Stenos en tibe r 50 % Lum en ein en gung zuverlass ig e rkan nt und in groben Klassifikation en quantifiziert we rd en kon nen (20, 39). Die Abgrenzu ng normal er Gefiillbe funde vo n um schrieben en Plaqueb ildu ngen mit < 50 % Lume neine ng ung, di e zu lok alen Strornungsver anderungen fuhren konnen, ist allerdi ngs un sich er, da a uch ph ysiologische Varianten der laminaren Strornungsprofil e besonders an Te ilungss tellen des a rte riellen Ne tzwe rkes a uftre ten (14 ,
Ultraschall in Med. 11 (1990) 219 -226 © Georg Thieme Verlag Stuttgart - New York
28, 32) . Au llerde m ist es schw ierig, bei Wied erh olungsunte rsu chungen qu antitat ive Aussage n iibe r d ie Progredi en z d es a rteriosklerotische n Gefa fs prozesses zu machen , o hne d a ll eine detailli erte Aufa rb eit un g der Doppl ersign ale erfo lgt, Z une hme nd werde n hierzu spe kt ralanalytische Yerfa h re n ein gesetzt (6, 2 1), der en ko rrek te Int erpretati on ab er di e Kenntn is techn isch er un d ham odyn ami scher Besonderhe iten voraussetzt. Trotz wac hse nder Anwendun g sind di ese Techniken bislang nicht geniigend sta nda rd isiert - a u llerdem erschei ne n Yerbesserun gen moglich , o hne dall de r a p pa rative Au fwand d adu rch wese ntlich zu ni mml. Die vo rliege nde Arb eit besch aft igt sich mit d er Spektru mana lyse als de r z. Z. am hau figsten be nut zten M ethode d er Yerarbeitung von Dopplersign alen un d diskutiert Yort eile und Fe hlerrnog lic hke ite n ih rer Interpretation , sow eit dies aus der Sieht de r klinischen Anwendung relevant ersc hein l. Grundlagen und Methodik Ultrascha ll ka nn en twe de r kon tinuierli ch (C W- Do pp ler) - wie in den di eser Arb eit zugrunde Iiegenden Untersuchunge n - oder in kurze n repeti erenden Pulsen (PW-Do p pler) a usgestra hlt werde n. Bei de r C W-
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Spectrum Analysis of Doppler S ignals
Ultraschallin Med.n (1990) Do ppl ersonographi e wird der Ultrascha ll durch zwei benachbart e piezoelektri sche Elemente fo rtla ufe nd emittiert un d empfangen. Ube rla ppe nd e Areale des Sende- und Empfa ngswand lers reprasentieren den meist wenig foku ssierten Ursprung der Signalverschi eb un g (9). Du rch Verminderung der Sende freque nz kann ein gro fserer Ge schwi ndig keitsbereich in eine r grofseren Unters uc hungstiefe erreicht werde n. Dies fuhrt abe r d urch Verbr eiterung des Schallstra hls und durch ein lan geres Mefsvolurn en zu ei ner weitere n Reduktio n der ra urnlichen Auflosung, 1m Einze lfall muf also ein Komprorni fs je nach Lage des intere ssiere nde n Ge faba bsch nittes eingega nge n werden. Mit den iibli cherweise verwandte n dir ektion a len Mefssysternen (PW + C W) wer den 2 Au sgan gssigna le erfaflt (Quad ratur-Ausga nge) ( 15), die akustisch identisch, aber urn 90 G rad in der Phase zueina nder verschoben sind (Abb, I). Wird ein einze lnes Einga ngssig na l einma l als Sinusfun ktion und ein anderma l als Cosinusfunktio n beschriebe n, so zeigt das Vo rzeichen der Phasen beziehu ng die Richtung der Geschwind igkeitskornpo ne nten an . Der Q uad rat ura usgang ist eine wese ntliche Vor aussetzung fur die Weiterver arb eitung der Dopplersignal e mit der Spe ktra la nalyse.
Frequenzanalyse Zeita bha ngige Signale konnen als Sin usund Cosi nusfunktion in ein em Freq ue nzraum dargestellt werden . G ru ndsa tzlich muB dafiir das Signal in einem bestimmten Zeitab sch nitt konstant sein (30). Fiir die Analyse von Do pplersignalen eines pul satil en Blutflu sses ist d iese Vorau ssetzu ng nur fur einen sehr kurzen Zeitrau m von wen igen Millisekunden hinreichend anzunehme n. Deshalb werde n mit der Fourier-Tra nsfo rmation Signale iib er sehr kurze Ze itsegme nte berechnet. Die errechnete n Einze lspektre n konnen zeita bhangig aufgetragen un d ihre Am pli tude in G raustufe n oder farbm oduliert dargestellt we rde n. Die Wahl de s Ana lyseintervalls bes timmt rnabgeb lich die Auflosun gscharakteristik des Spe ktru ms : bei einem lan geren Intervall wird die Aufl osun g besser, bei einem kiirzeren schlechte r. Ublicherweise betragt die AnaIysezeit zwische n 10 msec und 40 msec, die Breite der di fferenzierb aren Spektrumkompon en ten be trag t dann zwischen 100 bzw. 25 Hz. Die Verl an gerun g der Meflzeit verbes sert also die Frequenzauflos ung. Du rch die heterogene Stromungsch arakt eristik wahrend eines Herzzyklu s kann eine lan gere Analysezeit abe r von Nachteil sein, da rasch e Frequenzversc hiebunge n zu Beginn der Systole schlechter erfalst werde n. Wiinsch en swert ist dah er eine co mpute rgestiitzte Adaption der Mellzeit. 1mGegensa tz zu den sta rre n Filte rba nkvcrfah ren bietet die Spektralan alyse nach der Fouri er-Tran sfo rma tion (FFJ) eine a usreichend sch nelle Berechnung diskreter Signa lkompo ne nte n (5, 8, II). Die Berechnung erfo lgt d igital anna hernd in Echtzeit und erlau bt inh arent eine Sep aration von Vorwarts- und Ru ckwartsflufs. Das Signa l wird in 2N d iskreten Mellpunkten (z. B. 128 oder 256) dargestellt. Bei eine r FFT mit N ~ 128 und einer MeJ3zeit von 4 msec ergibt sich eine maximal mel3bare Frequenz von 128/ 4 msec ~ 32 KH z und ein e Frequ enzauflos ung von 1/4 msec ~ 250 Hz.
M. Daffertshofer. M. Hennerici Qu a d r atu r a u s g a ng S e nd e f r e que n z
vt=v coswct
Empfangsfrequen z vr- c osw ct + Af c os (wc +Wf l Af COS ( Wc-wr l
Abb. 1 SchallschemadesOuadraturausgangs .DasDopplerempfangssignal wird einmal direktundeinmal90Grad in Phase verschoben mil demSendesignal multipliziert. Ein TietpaBfiller schneicet dashochfrequente Sendesiqnal ab. Aus den90Grad in Phasezueinander verscnobenen Ausgangsspan nungen laBt sichdie Vor- und RUckfluBkomponente ditterenzieren.
Durch die spektrala nalytische Aufarbeitung ka nn der ma ximal mellbare Freq ue nzbe reich gepulste r Dopplersystem e auf die einfach e Pulsrepetitionsfreq uenz (PRF) angeho ben werde n (sog . 'O ff-set freq uen cy displ ay'). Dab ei tritt kein Fehler auf, wenn die beobachteten Ge schwindigkeite n un idirektion al sind. Leistungsdichle des S pekl rums Die berechn ete Leistung des Freque nzspektru ms han gt von der Anza hl der reflckt iercndcn Eryth rozyten abo Die Leistung kann j edoch in eine m weiten Bereich durch abschwache nde Effekte (z. B. Scha llwinkel, Gefii llwa ndve rkalkunge n, Tiefe der Untersuc hung, Gewebezusammensetzun g mit Streueffekten) von der tatsachl iche n Leistung differieren. Da riiber hinau s kon zentriert Z. B. ein par ab olisch es Flull profil mit einer niedrigen mitt leren Geschwindigke itsve rteilung die Signa lleistung (z. B. eines C W-Do ppler-Systems bei meh r recht winkli ger Ableitung) nur auf eine kleine Auswa hl von Spektrumpu nkten , wa hrend bei einer hoh eren mittl eren Ge schwi ndig keit die Signa lleistung iiber eine n weiten Bereich des Spe ktru ms vertei lt wird . Wenn d ie gesa mte Signa lleistung kon stant bleibt (gleiche Anzahl von Reflektor en bei gleiche m Absta nd vo n der Sonde) , wird d ie Dich te des Spe ktr ums abnehmen , wenn hoh ere Ge schwin digkeiten auftreten (Abb.2). Ande rerse its kann nu r eine limitiert e Anza hl von lnt en sitat auf de m Bildschirm dargestellt werde n. Urn den Dynami kbereich (hoc hste r Wert im Vergleich zu m niedri gsten ) zu erho he n, wird gewo hnlich die Amplit ude und nicht d ie Signa lleistu ng der Spe ktru mko mpo ne nte n a ufgezeichne t (Wurzel der Signalleistu ng). Die spe ktra le Amplituden verteilung ermog licht ein weite res Dopplerspe ktru m als d ie Vert eilung der Spekt ru mpower. Dieser Umsta nd mu ll be riick sichtigt werde n, bevor Beurteilungen der Spe ktrumwe ite un d Sp ektru mverteilung insbesondere im Vergleich getroffen werde n.
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Ultrascha ll in Me" . 11 (/ 9911)
su)
Mellvolumen und S pcktrumbreit--'e
a
b
Abb.2 ldealistenes Dopplerleistungsspektrummil eintacher maxirnaler Frequenz(a).Die Zahl der retlektierenden Strompartikel ergibt sichaus der Dichtedes Spektrums (Integral der Kurve)und beslimmtdamit auchdieAmplitude des Spektrurns. Bei gleicher Anzahl vonretlektrerenden Strornpartikelnaber doppelt so heber maximaier Frequenz (Speklrum b)isl die Amplitude des Spektnr ms(b)niednger.
Em ptmdhchkerts.
luoklion des MeBvOlumens
Empfangersignaleemertheoreuscnen FluBmessung Kanal A
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Kanal B
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rover anaiysrenes Signal
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... Ze it I s ee l
... Freq . IH I.!
Abb.3 Eingangsspannung einesDopplerputses in gepulstenDopplergeraten. DieOberlagerndeKurve der Ampliluden der Einzelscnwinqunqen spiegelt die Ernpfindhchxettsfunktion wider. die sichausder raumlichen Ltenacerung des Sende- uno Empfanqssrqnalkeqels ergibt.
[dB]
_
Sowoh l mit einern kontinu ier liche n als a uc h eine m gepu lste n Dop plersyste m werd en Signa lc gemessen , di e a us ein em limiti ert en drei d imensionalen Rau m sta m me n, de m sogena nnte n Mel.\volumen ( 17). Bei kon tinui erlichen Syste men wird d ie ma xima Ie Breitc des Mellvolumen s (lat e rale Au flosung, senkrecht 'Or Schallachse) du rch d ie D ime nsio n der Sen de - od er Ernpfangsstra h len b estimm t (wo bei de r Em pfa ngsstrah l meist klein er ist ), Dab ei tragi ein ec hogebe nd es Teilchen (z. II. ein Eryth rozyt) nur dann 'Om Do ppl er spekt rum bei, wen n es sich inn e rhal b d es Mefl volumen s befind et . Sow ie der Erythrozyt d as Mel3 volumen ve rlallt bzw. in d ieses eintritt, nim mt di e G esarn tintensita t der spe ktralen Ve rteilun g grad ue ll zu od er ab o Die gemessene totale ln te nsitiit d es Dop plersign al s ents pticht a ber d er Summatio n alle r indi vid uellen bewegten Refl ekto rcn . Die Freque nze n de s Dopplersigna ls Han gen vo n de r G eschw indi gkeit d er Reflektore n und von de m Weg ab , d en di ese du rch d as Mellvo lumen ne hme n. Urn di es zu ve rd eutliche n, ka nn man z ur Ver einfac h u ng eine n einzelnen Rcflckt or be trachte n, d er e ntla ng der U ltras challac hse ein Mellvolumen mit eine r hyp othetisc hen (pa rabo lischen) Fu nktio n d er Em pfind lichkeit in a xia ler Richtung durchqu ert, Die umhiill ende Funk tio n sp iegelt d ie Ernpfind iichkeitsfunktion d es Qua dra tur-Au sgan gssignals wide r (Abb, 3). Die Anza h l d er Period en betragt d ab ei 2mal di e An zahl d er Wellen liingen d es Ultrasc hallme llvolume ns. Der Fak to r 2 ha ngt von d er Method ik a b : de r Ultraschall durchque rt da s Mellvol umen 2mal (Send ung un d Em pfang), Bei eine m im Vergleich zur Wellen lan ge lan geren Mellvolumen e rgeben sic h e ntsp reche nd mehr Period en . Das a nalysierte Spektrum de s e rnpfa ngenen Signa ls urnfaflt also eine best immte Breite, nicht aber, wie ma n z. 13. bei kon stante r G eschwind igk eit eines bewegten Retl ektors e rwa rte n wiirde , nur eine Frcq uenz . Diese Breit e d es Spektrum s han gt vo n verschied ene n Faktoren ab o Man kann aber sa gen, dall de r Ein flu f des Mellvol umen s zur G eschwindig keit um gekeh rt p rop ortion al ist : we nn man beid es, di e Geschwind igkeit un d das Mellvolu me n, ve rd op pe lt, dann vera nd ert sich di e Weite d es berechneten FFr-Spekt rums n icht .
Scheite lfreque nz
40
Spektrumauswcrtung
_
mlttlere Freq ue n z
30
" windo w" = f u / f o • 100
20
t.4oxlma tfreque nz ~ uuu
10
o ~_...Lt-----L---'+_ o 1000 2000
_
-+-_ _ -+-_ _-+-_ 3000
4 000
5000
[ Hz]
Abb.4 loearlsertes Dcpplerteistunqspektrurn mil Darstellungverschiedener Spektrumparameter wre Maximaltrequenz. Scheiteltrequenz unc mittlere Frequenz
221
Die spe kt rale Ve rteilung des Dopplersigna ls ist nicht nUT vo n de n zu messen den ham od yn arni sche n Bed ing unge n ( 14, 34) und der Gefaba nato mie ( 18) ab ha ng ig, so nde rn ha ngt, wie gezeigt wurd e, wese ntlich vo n G ro fsen, die durch di e Wah l de s verwa ndte n Do ppl ersyste ms (z. B. C Wo, PW-D oppl er), d er Unte rsuc h un gstechn ik (z. B. Sch allwinkel un d Ana lyseort), d es Mellvolum ens (3 8) und d er Art d er Signala u far be itung ab (z. II. Hochpa fsfilter). Aile Fa kto ren beeinfl ussen d ie inzwischen weit verbr eit eten Pa ram eter de r Spe ktra lanalyse (z. B. Maximal -, mittl er e Freq ue nz, Spe ktrumfe nster, ST I, S BI, etc.) (Abb , 4) und erschw e re n d en di rekt en Vergleich von Daten , di e in der Literatu r zur Validierun g der US-Befunde a n hand vo n Refer cn zve rfahren ( I, 2, 6, 7, 12, 21, 33) b erich tet werden .
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Spek fnl mana lyse )-'on Dopplersignalen
Ul/raschalli n M ed. JJ (1990)
M . Daffe rtshofer, M. Henn eriei
Am hiiufi gsten wird die Ma xim al frequ en z (peak fre quency) verwe ndet, d ie je nach Geriit a ls d ie m a xim ale Freque nz3 -6 dB uber d em Rauschpegel angege ben wird ode r als Freque nz di e 95-98 % des Spektrumint egrals nach obe n hin a bg re nzt, so d a l3 un ter schi edli ch e A ngaben un d die M a xim alfrequen z mehr oder wen iger mit bestimm ende Rausch a rtefakte resu ltie re n. A uc h d ie mittlere Frequenzist ein von vielen Untersuchern verwe rteter Parameter, der bei Lumeneinengungen der Karotis bei zune hmende m Stenosegrad eine n ah nlichen Verlau f wie
die maximale Frequenz aufweist. Die mittlere Frequenz kann nach unterschi edlich en Algo rithm en in de r fo lge nden A na lyse be rec h ne t we rden: f rn ax j
fmean
= \ o
f
=
((ma ll )
Power (0 * fdr ! \ Power If) * df 0
Dopplerfrequenz
un d zeigt bei Beobachtung a n un terschi edli ch en Geriite n e ntsprechen de Di ffe re nzen. Die Sc hei telfre q ue nz (mode frequency ; Freque nz hochster Ampl itude) ist ei n Para me -
ter. der einfach zu bestimmen ist und bei verschiedenen Geraten nur wenig schwankt. Dieser Parameter wird seltene r z ur Beschreibung d es Spektr ums benutzt, jedoch in vielen Indizes ein gesetzt, die mehrere quantifizierende Spekt rumparameter beriic ksichtigen. Parameter, die ci ne
Verb rei terung des Intensitiitsban des des Spektr ums besch re iben ( Window ; Spectral broad en ing ; Fenster oder Spe ktrumve rbreite rung) sind a ls Hinweis fur Stro rnungs un regelm a liigkeiten vo n ve rschiede nste n Autoren untersc hiedlich defini ert worde n und werden meist uber ei ne n bestimmten Amplitud en a bstand, en tweder prozentua l ode r in dB - da be i ist di e Arnpli tud en aufl osung eine zu be ruc ksichtige nde Fe hle rq ue lle - vo n der Sc he ite lfrequ e nz be rechnet. Sie berucksich tige n de finitio nsgemiil3z. T. auch die Ze it. Am geb riiuc h lic hste n ist d ie von Rit tgers et a l. (33 ) defi nierte Fenste rfu nktio n. Da niber hi na us giht es a uch Turbulen zin di katoren (z. B. S BI, ST I) ( I, 2, 6, 7, 25) , d ie vo n den klas sischen physikal isch en Begri ffen der Turbulen z z ure cht abweic hen un d a uc h hei ni ed rigen Reyn oldZa hle n tur bulente St ro rnungsverha ltn isse mark ie re n. Hinsic htlich der viele n so nstigen Par ameter , d ie sich klinisc h a ls we n ig pra ktika bel oder a ussagefiih ig e rwiese n haben , se i auf d ie Literatur ve rwiese n ( 1,3, 4,9, 15, 17, 25, 27, 31, 33 ,36). Eigene Erg,'e:: :bn :::i::::ss::·e: -
_
Z ur ex pe rime nte lle n Uberpruf u ng de r vo rge na nnten theoretisch en Ube rleg unge n und zur Untersu chu ng des klinisch en N utze ns einer spektra la na lytischen Auswe rtun g dop pler so nographi sch er Signa le w urde eine kle ine Serie sowo hl d opplersonograph iert er a ls a uc h a ngiogra phierter Patienten mit verschiedene n Steno segrade n unter su ch t. A ufg rund der d argelegten th eo retischen Uberlegungen wu rde dabei ve rsuc ht, di e verschiedenen Param et er d er Signa la ufnah me ko ns tan t z u hal ten. So wu rde a uf d er tec hni schen Seite die Gerii teko nstellatio n, d ie Sonde und d ie Filterein stellungen konsta nt ge ha lten und die Ver stiirkung jeweils so e ingeste llt, da l3 Ra usch a rte fakt e ebe n noch zur Darstellu ng kam en . Weiterhin wurde d ie Signala na lyse mi t eine r va ll di git alen Fo uriertra nsfo rma ti on a usgefuhrt urn Filterartefakte a usw scha lte n. Bei der
U ntersuchu ngs metho di k wurde d a rauf geachtet, dal3 unt er einem moglich st id ent isch en Wink el unte rsuch t wurde. Patienten und Methodik 59 Karotiden wurden so woh l a ng iogra p hi sch als a uch do pplersonog ra p hisc h (4-M Hz-C WDopplersona gra ph Deb irnetre Delaland e) be u rteilt. Die Angiogr aphi en wurden in konventi oneller Tech nik zur Errei chung opti male r Bild verhiiltni sse durch gefiihrt a ls selekti ve Ka ro tisd arstellungen und ohne Kenntnis des vorab erho be nen sonographischen Befundes zwe i un abh an gigen Ne urorad io loge n vorgeleg t, di e de n Ste no segrad q ua litativ un d qu antita tiv (40 ) zu best immen hatte n. Die Q uad ratu rausg angss ignale wurden auf einem Hif'i-Stereorekorder zwi sc he nges peiche rt (35) und o ff-line mit ei ne r va ll d igitalen FIT spektra la na lysiert ( Me llintervall 4 msec, Fre qu e nzaufl osu ng 250 Hz). Es wurden sawo hl die Arnpli tu d e nspek tren a n d en Wendepu nkten d es Herzzyk lus a ls a uc h d as Ze itspe ktrum dargestell t und dok um en tiert. Die systolisc he und di a stoli sch e Ma xim al frequen z, mi ttiere Freq ue nz und Sc he ite lfre q ue nz wurden vor, in und na ch einer Ste nose ebe nso wie das vo n Rittgers et a l. (33) entwikkelte 'S pe ctra l window'; window = Lfu/Lfoyon Tobis T u + 100 msec tiefste Frequenz mit einer Ampl itude 12 dB ge ringe r uls die maximale Amplitude, fo = hochste Frequenz mit einer Amplitude fu
=
12 dB unterhalb der maxim alen Amplitud e : Tn
=
Ze itpunkt der
hochsten sys to lisc he n Frequenzversc hiebung ( Lit. 33 )
d er von Arbeille et a l. ( I) er m itte lte .,ind ex d e ste nose" (STI), STt ~ 0,9 ( I - Vo l Vm) Vm = Maximale Freque nzverschieb ung. Yo = Frcquenzbereich hoch ster Power - hier visue II a bgesc hatzt : ka nn ab er a uch tiber einen Amplitudenabstand von der maximalen Power bere chnet werden - (Lit. I) un d d er vo n Dou ville et a l. ( 10) de finie rte ' Spectra l hroad en ing index ' (S B!) SBI
fmea n
=
=
I -fm ean / fm'l ~
Mittlere Frequenz : fmax
=
Maximale Frequenz(L it. 10)
w urde n sta tistisch a ufgearbei tet. Ergebnisse
Nach d en a ngiogr aphi sch en Befun d en wa re n 9 Karotid en vo llig un auffiillig, 19 zeig te n nich t-sten osierende Plaqu es bzw. geri nge Wandunregelm iilligkeiten , in 10 Fiille n lagen leichte Ste nosen (50--70 %), in 9 m itte lgrad ige (70 - 80 %) un d in 12 ha ch gr adige ( > 80 %) Ste nosen vor. Rei rein akustischer Reurteilu ng der Signale ergaben sich eine Se nsitivita t von 79 % und eine Spezifitat der
einfachen Aud ioa nal yse vo n 64 % zw ische n No rrna lbefund und hiimodyn a m isch nic ht relevantem Plaqu e. Es wurd e n a ile Ste nosen > 50 % a ls so lche erka nnt, jed och w ur de n 13 vo n 3 1 Ste nosen nicht korrekt dem angiog raphisch vo rgegebe ne n Ste nosegra d zugeo rd net.
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Sp ektrumanalyse von Dopptersignaten
Ultraschall ill Med. II (/99IJ) 223
\
'0
'2
'1
• I (se c)
Tab. 1 Klassifikationsergebnisse der durch die FFT Signalanalysemitqualitanver Bildinterpretalion differenzierten Stenosegruppen(Normal = Keine Lumeneinengung; I = Nicnt-stenosierende Plaque;II = Ieictue Stenose 50-70%Lumenemenqunq: III = rnittlere Stenose7D-80 %Lumenemenqunq: hochgradigeStenose> 80%Lumeneinengung)zu denangiographisch ermitteuen Lumeneinengungen.
m
I l n ~ 59)
Normal
I8
II I1
7
12
1
Anqtoqraptue I Normalbefu nd < 50%Stenose 50-70%Stenose 70-80%Stenose > 80%Stenose
111
I"
!IV
va nte n Ste nosen e rmittelte sich mit eine r G renz freq uenz vo n 35 00 Hz fiir di e Ma ximal frequenz eine Se nsitivita t von 100 %. D ie Sensiti vitiit d er Fensterfu nktion het rug hin sicht lich der Erkennung vo n Plaqu es (G ren zwert ~ 32 %) 37 % und h insichtli ch der Erkenn ung von Ste no sen > 50 % Lumen einen gung (G re nzwert ~ 30 %) 68 %. De r S il l so wie de r STI sind fur ein e dirckt postste noti sch e Ahleitu ng mit Erfas sung d er Pertubationsphanom en e defini ert.
1
5
4
1
1 1
5
3 7
4
Die typi sch en Sp ektren der versc hiede nen Ste nosegru p pen, nach d en en eine visue lle Z uo rd n ung vo rge nom me n wurde , ze igt Abb . 5. D ie Klassifik at ion sergeb nisse eine r qua litati ven Au swertung der Spe ktru mb ild er zeigt Tab . J. Es wu rde n 14 vo n 3 1 Ste no sen nicht korrekt de r gena ue n Sten osegrad gruppc zugeord net. Die Sens itivitiit zur Erkc nnu ng geringgrad iger Plaques betrag t 63,2 %, di e Spezifitat 88,9 %. Bei de n qu antitati ven Ff-TPar ame te rn e rga b sich eine ma xima le Se nsitivita t bei d er Differen zierung vo n No rma lhefunden un d Plaq ues fiir di e Maximalfrequ en z (Schwellenwert ~ 3000 Hz) vo n 69 %. Unte r d er Frageste llung der Erkennu ng vo n hiimod yn ami sch rele-
Beim Nachwe is ham od ynarnisch relevan ter Stenosen betrug di e Sen sitivitat fur d en Sil l (G re nzwe rt ~ 0,73) 69 %, di e Sp ezifit at 89 %im Vergleich zur No rma lgru p pe . Der "S T I-Index " ist n icht fiir ge ringgrad ige Steno sen «30-40 %) d efin iert , konnte aher 22 von 29 Ka roti d en in di e 3 Sten osegruppi erungen > 50 %) Lum eneineng ung korrekt eino rd ne n und wa r darnit als di agn ostische r Param eter mit d er Maxim alfrequenz am d iskrirn ination sfah igsten , Ilei zwe i An alysen konnte der ' ST I' a ufgru nd d er schlec hte n Bildq ual itiit bei d em hier benutzten Syst em nicht ermittelt werde n. Urn zu pnifen . inwieweit durch mehrere Pa rameter eine besser e Trennsch ar fe zu erreichen ist, wurd en eine Diskriminan zan alyse in einer sch rittweisen Meth odik (M inimie rung d es Wilk sch en Lamhd a) du rchgefuhrt und di e Variablen nach ihrer T ren nsc ha rfe mit einem mi ni malen F-We rt vo n 4 (en ts p reche nd eine m p < 0,05) in d ie Anal yse aufge no m me n. Ais d iskriminati on sfahi gster Param eter ste llte sic h di e Maxim al frequ enz he ra us, d ie allein scho n das Wilksch e Lambda urn uber 80 % a uf 0, 198 reduziert e und ein en F-We rt von 54,8 a ufwies.
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Abb.5 Darslellung typischer Dopplerspektren (linke Seile)verschiedener angiographisch besnmmter Stenoseqrade (rechte Sette)
Ultraschall in Med.!! (/990)
M . Daffertsholer. M. Hennerici
Tab. 2 a Drsknmrnanzfunkuonen oer Gruppenrruttelwene zur Zuordnung emer Einzelmessung zu Bin e t Stenosegruppe
Drsknrmnanzlunktronen derGruppenmittelwerle
Stenoseqruppe
Funktion 1
Funktion 2
Funktion 3
Normalbelund
- 3,341
Plaque brlounq
- 2,262 1,937 2,963 2,250
-D,126 0,008
0,092 -D,038 -D029 0,196 -D,131
Stenose50- 70% Stenose70-80% Stenose > 80%
1,154 -D,319 -D,641
Tab. 2b Klassilikauonserqebnisse der mit den numerischen FFT-Parametern Maximalfrequenz. mittlere Frequenz.Scheitelfrequenz.Fensterbreite. dnterenztenen Stenoseqruopenzur anqioqraphrschen Stenoseemteuunq 71 ,1 9 %wurden korrekt klassdinen. -
-
-
-
(n = 59)
Anqtoqrapt ue
ll iskuss ion -
durch die OFgebildete Gruppen I I I II III I IV I V
I Normalbefund I8 < 50% Stenose 4 50---70 % Stenose 70---80 %Stenose > 80% Stenose
I 1 15
I
6 3
I
4 4 3
2 9
9 19 10 9 12
Tab. 3 Korrelalionskoeffizienten lur die FFT -Pararneter.verglichenmitdenauf den Angiogrammen gemessenenStenosegraden. I Maximal
Frequenz
I Frequenz M'ttlere I Scheitel- I FensterFrequenz brene (Hz]
(Hz)
relativer Stenoseqrad senlic f
a.p lokaler Stenosegrad settlrcn a-p
I
I
(%)
(Hz)
I
I
O,76ij ' 0,741 '
0,456' 0,422'
0,01 4 -D,075
-D 666' -D,702 '
0,788' 0,768'
0.476' 0,450'
0,03 0,035
-lJ,609 ' -lJ,621,
p
Spektrumanalyse von Dopplersignalen M . Daffertshofer , M . Henn erici Neurologische Klinik der Uni versitat Heidelberg, Klinikum Mannhcim (Direktor : Prof. Dr. M. Hen nerici )
Dopp ler signa l spect rum a nalysis co ntai ns useful haemodynam ic information . Severa l parameters
of the spectrumcan be documented in numerics. Random interaction of the reflectors, the size of the ultrasound sa m p le vo lume and th e p rocedu re of signa l ana lysis influence the results and hence may cause misinterpretation of the data selected. Essential mec hanisms influ encing the clinician 's Doppler-sp ectrum-analysis are discussed on the basis ora series o f 59 a ngiog ra phica lly a nd so nographica lly exa mine d carotid a rte ries as well as in the ligh t o f th eoreti cal consideration s and a review of the literature. Peak frequency link ed with a batte ry of spectrum param eters acc uracy are useful to differe ntiate various degrees o f lumen narro wing. Identification or excl usion of mino r plaqu es ca nnot be achieved with sufficie nt se nsitivity and specificity.
Zusammenfassung'--
~_ _
D ie Spe ktru ma nalyse von arte riellen Do pp lers igna len entha lt diagnos tisch niitzliche In form ation en iiber di e lok alen ha rnod yn ami sch en Verhal tnisse . Variable Parameter, die das Spe kt rurn charakte risiere n. sin d d ok um en tie rbar un d q ua ntifizie rba r. Z ufiillige Wech selwirkungen der reflektierenden Stru kturen, d ie Grobe des M ellvo lumens und di e Method e de r Signalaufarbei tu ng bee influ ssen allerd ings neben a nde ren Faktoren das dar gestellte Spe ktr um und konnen zu erheb liche n Feh lern fuhren. D ieser Art ikel fa llt wese ntliche theoretisc he Mechanismen zusamme n, die bei der Registrierung und Yera rb eitung von Do p plersig nalen mit spektra la nalytisch en Methoden a uftre te n. Anha nd eine r Serie von 59 angiog ra ph isch und do p plerso nogra phisch un tersucht en Karotide n sowie durch Auswertung mehrerer publizierter Untersu chungen zur Spe ktruma na lyse, wurden d ie theoretisch en Obe rleg unge n verifizie rt un d der klinisch e Nutzen der Frequenza nalyse untersucht.
Keywords
Schliisselwcrter
Doppler so nogra phy - Spe ctr um a na lysis Carotid a rtery
Do ppl ersonogra ph ie - Frequenza na lyseArteria carotis
Einleitung Au fgrund d es nach seine m Erstbesch reiber
C. A . Doppler (1803- 1853) benannten Prin zip ist die tra nskut an e Untersuchung der Strornungsverhaltnisse in d en meisten Bereiche n des ka rd iovaskular en System s mit UItra sch all nicht-invasiv rnoglich (20, 22). Za hlreiche Untersuchunge n an den gro13en Korperarterien, insbesondere an d en hirn versorgenden Art e rien , hab en gez eigt, d all selbst mit geri nge m technischen Aufwand vo m erfa h rene n Unte rsuch er Stenos en tibe r 50 % Lum en ein en gung zuverlass ig e rkan nt und in groben Klassifikation en quantifiziert we rd en kon nen (20, 39). Die Abgrenzu ng normal er Gefiillbe funde vo n um schrieben en Plaqueb ildu ngen mit < 50 % Lume neine ng ung, di e zu lok alen Strornungsver anderungen fuhren konnen, ist allerdi ngs un sich er, da a uch ph ysiologische Varianten der laminaren Strornungsprofil e besonders an Te ilungss tellen des a rte riellen Ne tzwe rkes a uftre ten (14 ,
Ultraschall in Med. 11 (1990) 219 -226 © Georg Thieme Verlag Stuttgart - New York
28, 32) . Au llerde m ist es schw ierig, bei Wied erh olungsunte rsu chungen qu antitat ive Aussage n iibe r d ie Progredi en z d es a rteriosklerotische n Gefa fs prozesses zu machen , o hne d a ll eine detailli erte Aufa rb eit un g der Doppl ersign ale erfo lgt, Z une hme nd werde n hierzu spe kt ralanalytische Yerfa h re n ein gesetzt (6, 2 1), der en ko rrek te Int erpretati on ab er di e Kenntn is techn isch er un d ham odyn ami scher Besonderhe iten voraussetzt. Trotz wac hse nder Anwendun g sind di ese Techniken bislang nicht geniigend sta nda rd isiert - a u llerdem erschei ne n Yerbesserun gen moglich , o hne dall de r a p pa rative Au fwand d adu rch wese ntlich zu ni mml. Die vo rliege nde Arb eit besch aft igt sich mit d er Spektru mana lyse als de r z. Z. am hau figsten be nut zten M ethode d er Yerarbeitung von Dopplersign alen un d diskutiert Yort eile und Fe hlerrnog lic hke ite n ih rer Interpretation , sow eit dies aus der Sieht de r klinischen Anwendung relevant ersc hein l. Grundlagen und Methodik Ultrascha ll ka nn en twe de r kon tinuierli ch (C W- Do pp ler) - wie in den di eser Arb eit zugrunde Iiegenden Untersuchunge n - oder in kurze n repeti erenden Pulsen (PW-Do p pler) a usgestra hlt werde n. Bei de r C W-
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Spectrum Analysis of Doppler S ignals
Ultraschallin Med.n (1990) Do ppl ersonographi e wird der Ultrascha ll durch zwei benachbart e piezoelektri sche Elemente fo rtla ufe nd emittiert un d empfangen. Ube rla ppe nd e Areale des Sende- und Empfa ngswand lers reprasentieren den meist wenig foku ssierten Ursprung der Signalverschi eb un g (9). Du rch Verminderung der Sende freque nz kann ein gro fserer Ge schwi ndig keitsbereich in eine r grofseren Unters uc hungstiefe erreicht werde n. Dies fuhrt abe r d urch Verbr eiterung des Schallstra hls und durch ein lan geres Mefsvolurn en zu ei ner weitere n Reduktio n der ra urnlichen Auflosung, 1m Einze lfall muf also ein Komprorni fs je nach Lage des intere ssiere nde n Ge faba bsch nittes eingega nge n werden. Mit den iibli cherweise verwandte n dir ektion a len Mefssysternen (PW + C W) wer den 2 Au sgan gssigna le erfaflt (Quad ratur-Ausga nge) ( 15), die akustisch identisch, aber urn 90 G rad in der Phase zueina nder verschoben sind (Abb, I). Wird ein einze lnes Einga ngssig na l einma l als Sinusfun ktion und ein anderma l als Cosinusfunktio n beschriebe n, so zeigt das Vo rzeichen der Phasen beziehu ng die Richtung der Geschwind igkeitskornpo ne nten an . Der Q uad rat ura usgang ist eine wese ntliche Vor aussetzung fur die Weiterver arb eitung der Dopplersignal e mit der Spe ktra la nalyse.
Frequenzanalyse Zeita bha ngige Signale konnen als Sin usund Cosi nusfunktion in ein em Freq ue nzraum dargestellt werden . G ru ndsa tzlich muB dafiir das Signal in einem bestimmten Zeitab sch nitt konstant sein (30). Fiir die Analyse von Do pplersignalen eines pul satil en Blutflu sses ist d iese Vorau ssetzu ng nur fur einen sehr kurzen Zeitrau m von wen igen Millisekunden hinreichend anzunehme n. Deshalb werde n mit der Fourier-Tra nsfo rmation Signale iib er sehr kurze Ze itsegme nte berechnet. Die errechnete n Einze lspektre n konnen zeita bhangig aufgetragen un d ihre Am pli tude in G raustufe n oder farbm oduliert dargestellt we rde n. Die Wahl de s Ana lyseintervalls bes timmt rnabgeb lich die Auflosun gscharakteristik des Spe ktru ms : bei einem lan geren Intervall wird die Aufl osun g besser, bei einem kiirzeren schlechte r. Ublicherweise betragt die AnaIysezeit zwische n 10 msec und 40 msec, die Breite der di fferenzierb aren Spektrumkompon en ten be trag t dann zwischen 100 bzw. 25 Hz. Die Verl an gerun g der Meflzeit verbes sert also die Frequenzauflos ung. Du rch die heterogene Stromungsch arakt eristik wahrend eines Herzzyklu s kann eine lan gere Analysezeit abe r von Nachteil sein, da rasch e Frequenzversc hiebunge n zu Beginn der Systole schlechter erfalst werde n. Wiinsch en swert ist dah er eine co mpute rgestiitzte Adaption der Mellzeit. 1mGegensa tz zu den sta rre n Filte rba nkvcrfah ren bietet die Spektralan alyse nach der Fouri er-Tran sfo rma tion (FFJ) eine a usreichend sch nelle Berechnung diskreter Signa lkompo ne nte n (5, 8, II). Die Berechnung erfo lgt d igital anna hernd in Echtzeit und erlau bt inh arent eine Sep aration von Vorwarts- und Ru ckwartsflufs. Das Signa l wird in 2N d iskreten Mellpunkten (z. B. 128 oder 256) dargestellt. Bei eine r FFT mit N ~ 128 und einer MeJ3zeit von 4 msec ergibt sich eine maximal mel3bare Frequenz von 128/ 4 msec ~ 32 KH z und ein e Frequ enzauflos ung von 1/4 msec ~ 250 Hz.
M. Daffertshofer. M. Hennerici Qu a d r atu r a u s g a ng S e nd e f r e que n z
vt=v coswct
Empfangsfrequen z vr- c osw ct + Af c os (wc +Wf l Af COS ( Wc-wr l
Abb. 1 SchallschemadesOuadraturausgangs .DasDopplerempfangssignal wird einmal direktundeinmal90Grad in Phase verschoben mil demSendesignal multipliziert. Ein TietpaBfiller schneicet dashochfrequente Sendesiqnal ab. Aus den90Grad in Phasezueinander verscnobenen Ausgangsspan nungen laBt sichdie Vor- und RUckfluBkomponente ditterenzieren.
Durch die spektrala nalytische Aufarbeitung ka nn der ma ximal mellbare Freq ue nzbe reich gepulste r Dopplersystem e auf die einfach e Pulsrepetitionsfreq uenz (PRF) angeho ben werde n (sog . 'O ff-set freq uen cy displ ay'). Dab ei tritt kein Fehler auf, wenn die beobachteten Ge schwindigkeite n un idirektion al sind. Leistungsdichle des S pekl rums Die berechn ete Leistung des Freque nzspektru ms han gt von der Anza hl der reflckt iercndcn Eryth rozyten abo Die Leistung kann j edoch in eine m weiten Bereich durch abschwache nde Effekte (z. B. Scha llwinkel, Gefii llwa ndve rkalkunge n, Tiefe der Untersuc hung, Gewebezusammensetzun g mit Streueffekten) von der tatsachl iche n Leistung differieren. Da riiber hinau s kon zentriert Z. B. ein par ab olisch es Flull profil mit einer niedrigen mitt leren Geschwindigke itsve rteilung die Signa lleistung (z. B. eines C W-Do ppler-Systems bei meh r recht winkli ger Ableitung) nur auf eine kleine Auswa hl von Spektrumpu nkten , wa hrend bei einer hoh eren mittl eren Ge schwi ndig keit die Signa lleistung iiber eine n weiten Bereich des Spe ktru ms vertei lt wird . Wenn d ie gesa mte Signa lleistung kon stant bleibt (gleiche Anzahl von Reflektor en bei gleiche m Absta nd vo n der Sonde) , wird d ie Dich te des Spe ktr ums abnehmen , wenn hoh ere Ge schwin digkeiten auftreten (Abb.2). Ande rerse its kann nu r eine limitiert e Anza hl von lnt en sitat auf de m Bildschirm dargestellt werde n. Urn den Dynami kbereich (hoc hste r Wert im Vergleich zu m niedri gsten ) zu erho he n, wird gewo hnlich die Amplit ude und nicht d ie Signa lleistu ng der Spe ktru mko mpo ne nte n a ufgezeichne t (Wurzel der Signalleistu ng). Die spe ktra le Amplituden verteilung ermog licht ein weite res Dopplerspe ktru m als d ie Vert eilung der Spekt ru mpower. Dieser Umsta nd mu ll be riick sichtigt werde n, bevor Beurteilungen der Spe ktrumwe ite un d Sp ektru mverteilung insbesondere im Vergleich getroffen werde n.
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220
Ultrascha ll in Me" . 11 (/ 9911)
su)
Mellvolumen und S pcktrumbreit--'e
a
b
Abb.2 ldealistenes Dopplerleistungsspektrummil eintacher maxirnaler Frequenz(a).Die Zahl der retlektierenden Strompartikel ergibt sichaus der Dichtedes Spektrums (Integral der Kurve)und beslimmtdamit auchdieAmplitude des Spektrurns. Bei gleicher Anzahl vonretlektrerenden Strornpartikelnaber doppelt so heber maximaier Frequenz (Speklrum b)isl die Amplitude des Spektnr ms(b)niednger.
Em ptmdhchkerts.
luoklion des MeBvOlumens
Empfangersignaleemertheoreuscnen FluBmessung Kanal A
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Kanal B
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rover anaiysrenes Signal
I. ~
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l mml
... Ze it I s ee l
... Freq . IH I.!
Abb.3 Eingangsspannung einesDopplerputses in gepulstenDopplergeraten. DieOberlagerndeKurve der Ampliluden der Einzelscnwinqunqen spiegelt die Ernpfindhchxettsfunktion wider. die sichausder raumlichen Ltenacerung des Sende- uno Empfanqssrqnalkeqels ergibt.
[dB]
_
Sowoh l mit einern kontinu ier liche n als a uc h eine m gepu lste n Dop plersyste m werd en Signa lc gemessen , di e a us ein em limiti ert en drei d imensionalen Rau m sta m me n, de m sogena nnte n Mel.\volumen ( 17). Bei kon tinui erlichen Syste men wird d ie ma xima Ie Breitc des Mellvolumen s (lat e rale Au flosung, senkrecht 'Or Schallachse) du rch d ie D ime nsio n der Sen de - od er Ernpfangsstra h len b estimm t (wo bei de r Em pfa ngsstrah l meist klein er ist ), Dab ei tragi ein ec hogebe nd es Teilchen (z. II. ein Eryth rozyt) nur dann 'Om Do ppl er spekt rum bei, wen n es sich inn e rhal b d es Mefl volumen s befind et . Sow ie der Erythrozyt d as Mel3 volumen ve rlallt bzw. in d ieses eintritt, nim mt di e G esarn tintensita t der spe ktralen Ve rteilun g grad ue ll zu od er ab o Die gemessene totale ln te nsitiit d es Dop plersign al s ents pticht a ber d er Summatio n alle r indi vid uellen bewegten Refl ekto rcn . Die Freque nze n de s Dopplersigna ls Han gen vo n de r G eschw indi gkeit d er Reflektore n und von de m Weg ab , d en di ese du rch d as Mellvo lumen ne hme n. Urn di es zu ve rd eutliche n, ka nn man z ur Ver einfac h u ng eine n einzelnen Rcflckt or be trachte n, d er e ntla ng der U ltras challac hse ein Mellvolumen mit eine r hyp othetisc hen (pa rabo lischen) Fu nktio n d er Em pfind lichkeit in a xia ler Richtung durchqu ert, Die umhiill ende Funk tio n sp iegelt d ie Ernpfind iichkeitsfunktion d es Qua dra tur-Au sgan gssignals wide r (Abb, 3). Die Anza h l d er Period en betragt d ab ei 2mal di e An zahl d er Wellen liingen d es Ultrasc hallme llvolume ns. Der Fak to r 2 ha ngt von d er Method ik a b : de r Ultraschall durchque rt da s Mellvol umen 2mal (Send ung un d Em pfang), Bei eine m im Vergleich zur Wellen lan ge lan geren Mellvolumen e rgeben sic h e ntsp reche nd mehr Period en . Das a nalysierte Spektrum de s e rnpfa ngenen Signa ls urnfaflt also eine best immte Breite, nicht aber, wie ma n z. 13. bei kon stante r G eschwind igk eit eines bewegten Retl ektors e rwa rte n wiirde , nur eine Frcq uenz . Diese Breit e d es Spektrum s han gt vo n verschied ene n Faktoren ab o Man kann aber sa gen, dall de r Ein flu f des Mellvol umen s zur G eschwindig keit um gekeh rt p rop ortion al ist : we nn man beid es, di e Geschwind igkeit un d das Mellvolu me n, ve rd op pe lt, dann vera nd ert sich di e Weite d es berechneten FFr-Spekt rums n icht .
Scheite lfreque nz
40
Spektrumauswcrtung
_
mlttlere Freq ue n z
30
" windo w" = f u / f o • 100
20
t.4oxlma tfreque nz ~ uuu
10
o ~_...Lt-----L---'+_ o 1000 2000
_
-+-_ _ -+-_ _-+-_ 3000
4 000
5000
[ Hz]
Abb.4 loearlsertes Dcpplerteistunqspektrurn mil Darstellungverschiedener Spektrumparameter wre Maximaltrequenz. Scheiteltrequenz unc mittlere Frequenz
221
Die spe kt rale Ve rteilung des Dopplersigna ls ist nicht nUT vo n de n zu messen den ham od yn arni sche n Bed ing unge n ( 14, 34) und der Gefaba nato mie ( 18) ab ha ng ig, so nde rn ha ngt, wie gezeigt wurd e, wese ntlich vo n G ro fsen, die durch di e Wah l de s verwa ndte n Do ppl ersyste ms (z. B. C Wo, PW-D oppl er), d er Unte rsuc h un gstechn ik (z. B. Sch allwinkel un d Ana lyseort), d es Mellvolum ens (3 8) und d er Art d er Signala u far be itung ab (z. II. Hochpa fsfilter). Aile Fa kto ren beeinfl ussen d ie inzwischen weit verbr eit eten Pa ram eter de r Spe ktra lanalyse (z. B. Maximal -, mittl er e Freq ue nz, Spe ktrumfe nster, ST I, S BI, etc.) (Abb , 4) und erschw e re n d en di rekt en Vergleich von Daten , di e in der Literatu r zur Validierun g der US-Befunde a n hand vo n Refer cn zve rfahren ( I, 2, 6, 7, 12, 21, 33) b erich tet werden .
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Spek fnl mana lyse )-'on Dopplersignalen
Ul/raschalli n M ed. JJ (1990)
M . Daffe rtshofer, M. Henn eriei
Am hiiufi gsten wird die Ma xim al frequ en z (peak fre quency) verwe ndet, d ie je nach Geriit a ls d ie m a xim ale Freque nz3 -6 dB uber d em Rauschpegel angege ben wird ode r als Freque nz di e 95-98 % des Spektrumint egrals nach obe n hin a bg re nzt, so d a l3 un ter schi edli ch e A ngaben un d die M a xim alfrequen z mehr oder wen iger mit bestimm ende Rausch a rtefakte resu ltie re n. A uc h d ie mittlere Frequenzist ein von vielen Untersuchern verwe rteter Parameter, der bei Lumeneinengungen der Karotis bei zune hmende m Stenosegrad eine n ah nlichen Verlau f wie
die maximale Frequenz aufweist. Die mittlere Frequenz kann nach unterschi edlich en Algo rithm en in de r fo lge nden A na lyse be rec h ne t we rden: f rn ax j
fmean
= \ o
f
=
((ma ll )
Power (0 * fdr ! \ Power If) * df 0
Dopplerfrequenz
un d zeigt bei Beobachtung a n un terschi edli ch en Geriite n e ntsprechen de Di ffe re nzen. Die Sc hei telfre q ue nz (mode frequency ; Freque nz hochster Ampl itude) ist ei n Para me -
ter. der einfach zu bestimmen ist und bei verschiedenen Geraten nur wenig schwankt. Dieser Parameter wird seltene r z ur Beschreibung d es Spektr ums benutzt, jedoch in vielen Indizes ein gesetzt, die mehrere quantifizierende Spekt rumparameter beriic ksichtigen. Parameter, die ci ne
Verb rei terung des Intensitiitsban des des Spektr ums besch re iben ( Window ; Spectral broad en ing ; Fenster oder Spe ktrumve rbreite rung) sind a ls Hinweis fur Stro rnungs un regelm a liigkeiten vo n ve rschiede nste n Autoren untersc hiedlich defini ert worde n und werden meist uber ei ne n bestimmten Amplitud en a bstand, en tweder prozentua l ode r in dB - da be i ist di e Arnpli tud en aufl osung eine zu be ruc ksichtige nde Fe hle rq ue lle - vo n der Sc he ite lfrequ e nz be rechnet. Sie berucksich tige n de finitio nsgemiil3z. T. auch die Ze it. Am geb riiuc h lic hste n ist d ie von Rit tgers et a l. (33 ) defi nierte Fenste rfu nktio n. Da niber hi na us giht es a uch Turbulen zin di katoren (z. B. S BI, ST I) ( I, 2, 6, 7, 25) , d ie vo n den klas sischen physikal isch en Begri ffen der Turbulen z z ure cht abweic hen un d a uc h hei ni ed rigen Reyn oldZa hle n tur bulente St ro rnungsverha ltn isse mark ie re n. Hinsic htlich der viele n so nstigen Par ameter , d ie sich klinisc h a ls we n ig pra ktika bel oder a ussagefiih ig e rwiese n haben , se i auf d ie Literatur ve rwiese n ( 1,3, 4,9, 15, 17, 25, 27, 31, 33 ,36). Eigene Erg,'e:: :bn :::i::::ss::·e: -
_
Z ur ex pe rime nte lle n Uberpruf u ng de r vo rge na nnten theoretisch en Ube rleg unge n und zur Untersu chu ng des klinisch en N utze ns einer spektra la na lytischen Auswe rtun g dop pler so nographi sch er Signa le w urde eine kle ine Serie sowo hl d opplersonograph iert er a ls a uc h a ngiogra phierter Patienten mit verschiedene n Steno segrade n unter su ch t. A ufg rund der d argelegten th eo retischen Uberlegungen wu rde dabei ve rsuc ht, di e verschiedenen Param et er d er Signa la ufnah me ko ns tan t z u hal ten. So wu rde a uf d er tec hni schen Seite die Gerii teko nstellatio n, d ie Sonde und d ie Filterein stellungen konsta nt ge ha lten und die Ver stiirkung jeweils so e ingeste llt, da l3 Ra usch a rte fakt e ebe n noch zur Darstellu ng kam en . Weiterhin wurde d ie Signala na lyse mi t eine r va ll di git alen Fo uriertra nsfo rma ti on a usgefuhrt urn Filterartefakte a usw scha lte n. Bei der
U ntersuchu ngs metho di k wurde d a rauf geachtet, dal3 unt er einem moglich st id ent isch en Wink el unte rsuch t wurde. Patienten und Methodik 59 Karotiden wurden so woh l a ng iogra p hi sch als a uch do pplersonog ra p hisc h (4-M Hz-C WDopplersona gra ph Deb irnetre Delaland e) be u rteilt. Die Angiogr aphi en wurden in konventi oneller Tech nik zur Errei chung opti male r Bild verhiiltni sse durch gefiihrt a ls selekti ve Ka ro tisd arstellungen und ohne Kenntnis des vorab erho be nen sonographischen Befundes zwe i un abh an gigen Ne urorad io loge n vorgeleg t, di e de n Ste no segrad q ua litativ un d qu antita tiv (40 ) zu best immen hatte n. Die Q uad ratu rausg angss ignale wurden auf einem Hif'i-Stereorekorder zwi sc he nges peiche rt (35) und o ff-line mit ei ne r va ll d igitalen FIT spektra la na lysiert ( Me llintervall 4 msec, Fre qu e nzaufl osu ng 250 Hz). Es wurden sawo hl die Arnpli tu d e nspek tren a n d en Wendepu nkten d es Herzzyk lus a ls a uc h d as Ze itspe ktrum dargestell t und dok um en tiert. Die systolisc he und di a stoli sch e Ma xim al frequen z, mi ttiere Freq ue nz und Sc he ite lfre q ue nz wurden vor, in und na ch einer Ste nose ebe nso wie das vo n Rittgers et a l. (33) entwikkelte 'S pe ctra l window'; window = Lfu/Lfoyon Tobis T u + 100 msec tiefste Frequenz mit einer Ampl itude 12 dB ge ringe r uls die maximale Amplitude, fo = hochste Frequenz mit einer Amplitude fu
=
12 dB unterhalb der maxim alen Amplitud e : Tn
=
Ze itpunkt der
hochsten sys to lisc he n Frequenzversc hiebung ( Lit. 33 )
d er von Arbeille et a l. ( I) er m itte lte .,ind ex d e ste nose" (STI), STt ~ 0,9 ( I - Vo l Vm) Vm = Maximale Freque nzverschieb ung. Yo = Frcquenzbereich hoch ster Power - hier visue II a bgesc hatzt : ka nn ab er a uch tiber einen Amplitudenabstand von der maximalen Power bere chnet werden - (Lit. I) un d d er vo n Dou ville et a l. ( 10) de finie rte ' Spectra l hroad en ing index ' (S B!) SBI
fmea n
=
=
I -fm ean / fm'l ~
Mittlere Frequenz : fmax
=
Maximale Frequenz(L it. 10)
w urde n sta tistisch a ufgearbei tet. Ergebnisse
Nach d en a ngiogr aphi sch en Befun d en wa re n 9 Karotid en vo llig un auffiillig, 19 zeig te n nich t-sten osierende Plaqu es bzw. geri nge Wandunregelm iilligkeiten , in 10 Fiille n lagen leichte Ste nosen (50--70 %), in 9 m itte lgrad ige (70 - 80 %) un d in 12 ha ch gr adige ( > 80 %) Ste nosen vor. Rei rein akustischer Reurteilu ng der Signale ergaben sich eine Se nsitivita t von 79 % und eine Spezifitat der
einfachen Aud ioa nal yse vo n 64 % zw ische n No rrna lbefund und hiimodyn a m isch nic ht relevantem Plaqu e. Es wurd e n a ile Ste nosen > 50 % a ls so lche erka nnt, jed och w ur de n 13 vo n 3 1 Ste nosen nicht korrekt dem angiog raphisch vo rgegebe ne n Ste nosegra d zugeo rd net.
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222
Sp ektrumanalyse von Dopptersignaten
Ultraschall ill Med. II (/99IJ) 223
\
'0
'2
'1
• I (se c)
Tab. 1 Klassifikationsergebnisse der durch die FFT Signalanalysemitqualitanver Bildinterpretalion differenzierten Stenosegruppen(Normal = Keine Lumeneinengung; I = Nicnt-stenosierende Plaque;II = Ieictue Stenose 50-70%Lumenemenqunq: III = rnittlere Stenose7D-80 %Lumenemenqunq: hochgradigeStenose> 80%Lumeneinengung)zu denangiographisch ermitteuen Lumeneinengungen.
m
I l n ~ 59)
Normal
I8
II I1
7
12
1
Anqtoqraptue I Normalbefu nd < 50%Stenose 50-70%Stenose 70-80%Stenose > 80%Stenose
111
I"
!IV
va nte n Ste nosen e rmittelte sich mit eine r G renz freq uenz vo n 35 00 Hz fiir di e Ma ximal frequenz eine Se nsitivita t von 100 %. D ie Sensiti vitiit d er Fensterfu nktion het rug hin sicht lich der Erkennung vo n Plaqu es (G ren zwert ~ 32 %) 37 % und h insichtli ch der Erkenn ung von Ste no sen > 50 % Lumen einen gung (G re nzwert ~ 30 %) 68 %. De r S il l so wie de r STI sind fur ein e dirckt postste noti sch e Ahleitu ng mit Erfas sung d er Pertubationsphanom en e defini ert.
1
5
4
1
1 1
5
3 7
4
Die typi sch en Sp ektren der versc hiede nen Ste nosegru p pen, nach d en en eine visue lle Z uo rd n ung vo rge nom me n wurde , ze igt Abb . 5. D ie Klassifik at ion sergeb nisse eine r qua litati ven Au swertung der Spe ktru mb ild er zeigt Tab . J. Es wu rde n 14 vo n 3 1 Ste no sen nicht korrekt de r gena ue n Sten osegrad gruppc zugeord net. Die Sens itivitiit zur Erkc nnu ng geringgrad iger Plaques betrag t 63,2 %, di e Spezifitat 88,9 %. Bei de n qu antitati ven Ff-TPar ame te rn e rga b sich eine ma xima le Se nsitivita t bei d er Differen zierung vo n No rma lhefunden un d Plaq ues fiir di e Maximalfrequ en z (Schwellenwert ~ 3000 Hz) vo n 69 %. Unte r d er Frageste llung der Erkennu ng vo n hiimod yn ami sch rele-
Beim Nachwe is ham od ynarnisch relevan ter Stenosen betrug di e Sen sitivitat fur d en Sil l (G re nzwe rt ~ 0,73) 69 %, di e Sp ezifit at 89 %im Vergleich zur No rma lgru p pe . Der "S T I-Index " ist n icht fiir ge ringgrad ige Steno sen «30-40 %) d efin iert , konnte aher 22 von 29 Ka roti d en in di e 3 Sten osegruppi erungen > 50 %) Lum eneineng ung korrekt eino rd ne n und wa r darnit als di agn ostische r Param eter mit d er Maxim alfrequenz am d iskrirn ination sfah igsten , Ilei zwe i An alysen konnte der ' ST I' a ufgru nd d er schlec hte n Bildq ual itiit bei d em hier benutzten Syst em nicht ermittelt werde n. Urn zu pnifen . inwieweit durch mehrere Pa rameter eine besser e Trennsch ar fe zu erreichen ist, wurd en eine Diskriminan zan alyse in einer sch rittweisen Meth odik (M inimie rung d es Wilk sch en Lamhd a) du rchgefuhrt und di e Variablen nach ihrer T ren nsc ha rfe mit einem mi ni malen F-We rt vo n 4 (en ts p reche nd eine m p < 0,05) in d ie Anal yse aufge no m me n. Ais d iskriminati on sfahi gster Param eter ste llte sic h di e Maxim al frequ enz he ra us, d ie allein scho n das Wilksch e Lambda urn uber 80 % a uf 0, 198 reduziert e und ein en F-We rt von 54,8 a ufwies.
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Abb.5 Darslellung typischer Dopplerspektren (linke Seile)verschiedener angiographisch besnmmter Stenoseqrade (rechte Sette)
Ultraschall in Med.!! (/990)
M . Daffertsholer. M. Hennerici
Tab. 2 a Drsknmrnanzfunkuonen oer Gruppenrruttelwene zur Zuordnung emer Einzelmessung zu Bin e t Stenosegruppe
Drsknrmnanzlunktronen derGruppenmittelwerle
Stenoseqruppe
Funktion 1
Funktion 2
Funktion 3
Normalbelund
- 3,341
Plaque brlounq
- 2,262 1,937 2,963 2,250
-D,126 0,008
0,092 -D,038 -D029 0,196 -D,131
Stenose50- 70% Stenose70-80% Stenose > 80%
1,154 -D,319 -D,641
Tab. 2b Klassilikauonserqebnisse der mit den numerischen FFT-Parametern Maximalfrequenz. mittlere Frequenz.Scheitelfrequenz.Fensterbreite. dnterenztenen Stenoseqruopenzur anqioqraphrschen Stenoseemteuunq 71 ,1 9 %wurden korrekt klassdinen. -
-
-
-
(n = 59)
Anqtoqrapt ue
ll iskuss ion -
durch die OFgebildete Gruppen I I I II III I IV I V
I Normalbefund I8 < 50% Stenose 4 50---70 % Stenose 70---80 %Stenose > 80% Stenose
I 1 15
I
6 3
I
4 4 3
2 9
9 19 10 9 12
Tab. 3 Korrelalionskoeffizienten lur die FFT -Pararneter.verglichenmitdenauf den Angiogrammen gemessenenStenosegraden. I Maximal
Frequenz
I Frequenz M'ttlere I Scheitel- I FensterFrequenz brene (Hz]
(Hz)
relativer Stenoseqrad senlic f
a.p lokaler Stenosegrad settlrcn a-p
I
I
(%)
(Hz)
I
I
O,76ij ' 0,741 '
0,456' 0,422'
0,01 4 -D,075
-D 666' -D,702 '
0,788' 0,768'
0.476' 0,450'
0,03 0,035
-lJ,609 ' -lJ,621,
p
