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Titel: Mathematische Analyse des Dopplersignals zur quantitativen Bestimmung des Blutflusses.
Autor: Müller-Stüler, Eva-Marie
Weitere Beteiligte: Klingmüller, Volker (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2011
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2011/0432
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2011-04320
DOI: https://doi.org/10.17192/z2011.0432
DDC: Medizin, Gesundheit
Titel(trans.): Mathematical analysis of ultra sound doppler signals to quantify total blood flow.

Dokument

Schlagwörter:
blood flow, quantification, Blutfluss, Ultraschall, Doppler, Ultraschalltechnik, ultrasound, ultra sound, Farb-Doppler-Sonographie, Doppler-Sonographie

Zusammenfassung:
Radiologische Bildgebungsmethoden haben heute den Anspruch, neben einer morphologischen Darstellung auch über funktionelle quantitative Parameter, wie z. B. die Durchblutung, Aussagen zu treffen. Die Dopplersonographie ermöglichte bislang nur die Messung von Blutflussgeschwindigkeiten. Hierbei wurde entweder das Geschwindigkeitsspektrum nach einer Fast Fouriertransformation (FFT) als fortlaufende xy-Grafikhelligkeitskodiert auf dem Bildschirm des Ultraschallgerätes dargestellt oder beim farbkodierten Dopplerultraschall (FKDS) als Farbbild dem B-Bild überlagert. Beide Methoden ließen bestenfalls nur einen semiquantitativen Rückschluss auf den tatsächlichen Blutfluss zu. Kann durch eine spezielle Analyse des Dopplersignals eine Aussage über den Blutfluss gewonnen werden, sodass der Untersucher nichtinvasiv quantitative Informationen über die Durchblutung des Gewebes bekommt im Gegensatz zu den geräteeigenen semiquantitativen Parametern? Im Blut reflektieren hauptsächlich die Erythrozyten das Ultraschallsignal. In dieser Arbeit wird untersucht, in wieweit die gemessene Gesamtintensität vom Blutfluss als auch vom Hämatokrit abhängig ist. Durch die Kenntnis dieser Korrelationen sollte es auch umgekehrt möglich sein, von der gemessenen Gesamtintensität bei bekanntem Hämatokrit auf den Bruttofluss zu schließen. Dies sollte auch bei unterschiedlichen Flussprofilen möglich sein. Zunächst wurde ein Flussmodell entwickelt, das physiologische und pathophysiologische Flussprofile reproduzierbar generieren konnte. Bruttofluss und Flussprofil waren unabhängig voneinander frei einstellbar. Ein Katheter (Innendurchmesser 0,7mm) wurde in einem Bassin mit entgastem Butandiol positioniert. Butandiol hat eine dem menschlichen Gewebe ähnliche Impedanz. Als Flussmedium wurde erst der Signalkontrastverstärker SonoVue® und später Blut in unterschiedlichen Verdünnungsserien eingesetzt. Mit einer Perfusionspumpe wurde ein konstanter Fluss aufgebaut und dahinter der mikroprozessorgesteuerte Flussmodulator geschaltet. Mit diesem Flussmodell war es möglich, zuverlässige und reproduzierbare Flussprofile zu erstellen. Die Dopplersignale des Ultraschallgerätes wurden als RF-Rohdaten gespeichert und mittels des Ultrasound Research Interface® direkt hinter dem Beamformer auf einen externen Computer übertragen. Die Datenanalyse erfolgte ausschließlich in der Frequenzdomäne und wurde in der Softwareentwicklungsumgebung MATLAB® programmiert. Für die Auswertung der RF-Dateien wurde das von der UC Davis entwickelte URI-OPT® Paket für MATLAB® verwendet. Die darin enthalten Algorithmen mussten wesentlich modifiziert und weiterentwickelt werden. Auf einem PC wurde das RF-Signal offline mit einer Fast Fouriertransformation in seine spektralen Bestandteile quantitativ zerlegt und dreidimensional dargestellt. Das Dopplerspektrum wurde sowohl über den Frequenzbereich als auch über die Zeit integriert, wodurch die durchschnittliche Gesamtintensität pro Sekunde berechnet werden konnte. Diese Gesamtintensität wurde anschließend in Abhängigkeit des Hämatokrits und des Flusses gesetzt und die Signifikanz der Korrelationen bewertet. Weiter konnten Algorithmen entwickelt werden, durch die die Signale der noch vorhandenen Luftbläschen mathematisch eliminiert wurden. Diese Luftbläschen, deren Entstehen in der gesamten Kette von der Blutentnahme bis zur Messstrecke nicht vollständig verhindert werden konnten, hatten auf Grund ihrer hohen Echogenität zunächst zu einer Verfälschung der Messergebnisse geführt. Für die gemessenen Gesamtintensitäten pro Sekunde wurde die Abhängigkeit zum Hämatokrit und zum voreingestellten Bruttofluss des Modells berechnet. Hierbei zeigten sich eindeutige Korrelationen bezüglich des voreingestellten Bruttoflusses. Auf Grund der Rollenbildung der Erythrozyten ist jedoch die Intensität nicht linear korreliert zum Hämatokrit. Die Intensität des Dopplersignals ist bei einem Hämatokrit von ca. 0,15 maximal. Da der Hämatokrit bei nativen Blut zwischen 0,3 und 0,5 liegt wurde verdeutlicht, dass die Ergebnisse aus den Verdünnungsserien nicht auf physiologische Situationen zu übertragen sind. Auf Grund des Auflösens der Rollenbildung verlaufen die Regressionsgeraden der Intensität bei nativem Blut deutlich flacher als bei verdünnten Blut. Auch konnte gezeigt werden, dass das Flussprofil und die damit verbundenen Turbulenzen in der Suspension einen erheblichen Einfluss auf die gemessene Signalintensität hat. Sind jedoch Flussprofil und Hämatokrit bekannt, so ist es anhand der Erfahrungswerte trotzdem möglich, das Bruttoflussvolumen zu bestimmen. Zusammenfassend wurde im Rahmen dieser Arbeit ein kostengünstiges und verlässliches Flussmodell entwickelt, das es ermöglicht, unterschiedliche Effekte singulär auszublenden. Hierdurch ist es auch bei unterschiedlichsten Fragestellungen einsetzbar. Schließlich wurde es durch die hier gezeigten Korrelationen möglich, unter Kenntnis des Flussprofils und des Hämatokrits den Bruttodurchfluss anhand der gemessenen Intensität zu bestimmen. Aus den Ergebnissen wird gefolgert, dass die quantitative Bestimmung des Blutflusses mittels Ultraschall auf Basis der entwickelten Algorithmen durchführbar ist und es konnten Konstanten zur Berechnung abgeleitet werden. Die im Modell gemessenen Ergebnisse können nun für den klinischen Gebrauch umgesetzt werden.

Summary:
Modern radiologic imaging aims to give quantitative parameters, e. g. blood circulation, as well as morphological representation. But until now Doppler sonography could only measure blood flow velocities: The received Doppler signals are processed using the Fast Fourier Transformation (FFT). The amplitudes of the resulting velocity spectra are either encoded as brightnesses and plotted as a function of time and frequency shift to provide a two-dimensional spectral display or the average Doppler shift is encoded as a color and superimposed to the B-mode image (Color Doppler). Both methods only allowed a semi quantitative conclusion on the actual blood flow. Can a statement be made through the use of special analysis of the blood flow, by providing the examiner with non-invasive quantitative information about the blood circulation in tissue, in contrast to semi-quantitative parameters of the ultra sound system? Since the signals are mainly backscattered by the red blood cells, this work wants to examine how far the measured intensity is dependent on the blood flow or on the hematocrit. By knowing the correlation it should be possible to calculate in reverse the gross flow by measuring the intensity and the hematocrit. This should also be possible with different flow profiles. First a flow model was developed, which was able to generate physiological and pathophysiological flow profiles with independently adjustable gross flows and flow profiles. A catheter (calibre 0.7 mm) was positioned in a basin of outgased Butanediol. Butanediol has a similar impedance to human tissue. Blood in different diluted states was used as a flow medium, as well as the contrast agent SonoVue ®. A steady flow was created by a perfusion pump behind which a microprocessor controlled flow modulator was used. With this flow model it was possible to produce reliable and reproducible flow profiles. The Doppler ultrasound signals were saved as raw rf-data, and were transferred directly behind the beam former onto an external computer via the use of the Ultrasound Research Interface®. Data analysis happened only within the frequency domain and was programmed with MATLAB®. The rf-data was evaluated with the URI-OPT-Package® for MATLAB developed by UC Davis. The included algorithms were considerably modified and further improved. The rf-signal was off-line processed into its frequency spectrum on a PC using the fast Fourier transformation and displayed 3-dimensionally. The Doppler spectrum was integrated through its frequency field as well as over time. This enabled the calculation of the entire intensity of all Doppler frequencies per time. Finally, the correlation significance of the intensity to the hematocrit and the flow was assessed. Air bubbles could falsify the measured result through their high echogenicity and since it was not entirely possible to eliminate all of them further algorithms were established to mathematically eliminate their backscattered signals. For the measured entire intensity, the dependency on the hematocrit and on the pre-installed gross flow was calculated. It showed a significant correlation with the pre-installed gross flow, but because of the rouleaux formation of the red blood cells the intensity was not linearly correlated to the hematocrit. It was shown that the intensity of the Doppler signal is maximized at a hematocrit of about 0.15. The result could not be transferred from diluted series to physiological situations, since the hematocrit of native blood lies between 0.3 and 0.5. When blood is diluted the rouleaux formation breaks up, therefore the regression lines of the intensity of native blood is distinctively flatter. It was also shown that the flow profile, and accordingly the turbulence in the suspension, has a significant impact on the measured intensity of the Doppler signal. If, however, the flow profile and hematocrit are known it was possible to categorize the gross flow volume due to empirical values. Additionally, this work showed an affordable and reliable flow model, which enabled to cut out different effects. Because of this it can be used for various different problems. Provided the flow profile and hematocrit are known, it was possible to use the here shown correlations to ascertain the gross flow by its measured intensity. From these results it was concluded it is possible to determine the quantity of blood circulation via ultrasound on the basis of the here developed algorithms. Constants for calculation were derived and the shown measured results of the model can be now used in clinical work situations.


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