3D-Spektrogramm des Dopplersignals in Echtzeit[1]

Zusammenfassung

Studienziel: Die Darstellung des Dopplersignals als grauwertkodierte fortlaufende x/y-Grafik bietet nicht die volle Information des Signals - oft „hört man mehr als man sieht”. Kann die diagnostische Aussagekraft durch eine Darstellung als 3D-Spektrogramm verbessert werden und ist diese Analyse in Echtzeit ohne wesentlichen Mehraufwand möglich? Methode: Das Audiosignal des Utraschallsystems Elegra (Siemens, Erlangen) wird galvanisch getrennt dem A/D-Wandler einer Soundkarte zugeführt (Pentium-PC). Das Signal wird mit der Standard-FFT-Software (SpectraPro, SoundTechnology, Californien) analysiert. Mit dieser Konfiguration werden an einem Flussmodell und im klinischen Einsatz Erfahrungen gesammelt. Ergebnisse: Das Dopplersignal kann in Echtzeit aufbereitet und als 3D-Spektrogramm auf dem PC-Bildschirm dargestellt werden. Quantitative Merkmale wie Geschwindigkeit (Dopplerfrequenz), Flussrichtung und Intensität können abgelesen werden. Zusätzliche Informationen über die Flussqualität, ihre Veränderung im Bereich von geringen Stenosen und über Erythrozytencluster können in die Diagnostik mit einbezogen werden. Durch Zweikanal-Technik werden Hin- und Rückfluss getrennt dargestellt. Dies ist besonders hilfreich bei kleinen, eng beieinander liegenden Arterien und Venen (z. B. AV centralis retinae). Poststenotische Turbulenzen und Flussveränderungen durch Plaques werden im 3D-Spektrogramm deutlicher. Schlussfolgerung: Durch das 3D-Spektrogramm des Dopplersignals ist mit einfachen Mitteln ein Informationsgewinn über die Strömungsqualität zu erreichen. Die diagnostische Aussagekraft der Dopplersonographie wird im Vergleich zur herkömmlichen grauwertkodierten Darstellung verbessert.

Aim: Doppler signals are normally displayed as an x/y-graph. The frequency is plotted in the y-direction, and the intensity is represented by the brightness. This represents less information than is contained in the acoustic signal: often one can hear more one can see. We are investigating the question as to whether it is feasible to render the complete information visible without the use of expensive additional equipment. Method: The sound card (SB16 P & P value edition) in a Pentium-PC (200 MHz 32 MB RAM) was used as a 16 bit dual channel a/d converter and connected to the ultrasound system Sonoline Elegra (Siemens, Erlangen, Germany). We used a standard 32 bit dual channel real-time FFT-software (SpectraPro, Sound Technology, California) to display a 3D-spectrogram on the PC-screen in real-time mode. This system was first tested on a flow model both with laminar steady flow and with pulsatile flow. Following this, measurements were made of the arteries and veins in healthy volunteers. Results: In the 3D-Spectrogram the character of the flow can easily be seen. The quantitative parameters of velocity (Doppler frequency), direction and intensity of flow can be readily determined. Additional information about quality of flow, erythrocyte clusters and changes occurring in areas of slight stenoses can be used for diagnostic evaluation. The orthograde and retrograde flow are displayed separately using the dual channel technique. The arterial and venous flow in small and closely neighbouring vessels, such as the central retinal artery and vein, can easily be differentiated. The venous flow in particular is more turbulent in the 3D-spectrogram than would be expected from the normal display mode. Conclusion: The 3D-spectrogram provides much additional information in comparison with the normal Doppler spectrogram of the ultrasound system. This 3D-spectrogram can be easily obtained using inexpensive standard hard- and software.

Schlüsselwörter:

Dopplersonographie - 3D-Spektrogramm - Fast-Fourier-Transformation

Key words:

Doppler Sonography - 3D-Spectral Analysis - Fast-Fourier-Transformation

1 Die vorliegende Arbeit enthält wesentliche Ergebnisse der Dissertation von U. Faber.

Literatur

• 1 Arning C. Farbcodierte Duplexsonographie der hirnversorgenden Gefäße. Stuttgart; Georg Thieme Verlag 1996
• 2 Evans D H, McDicken W N, Skidmore R, Woodcock J P. Doppler Ultrasound - Physics, Instrumentation and Clinical Applications. Chichester; John Wiley & Sons 1989
• 3 Fan L, Evans D H. Extracting instantaneous mean frequency information from Doppler signals using the Wigner distribution function.  Ultrasound Med Biol. 1994;  20 429-443
• 4 Harris F J. On the use of windows for harmonic analysis with discrete Fourier Transformation.  Proc IEEE. 1978;  66 51-83
• 5 Hutchison K J. Doppler ultrasound spectral shape downstream of significant arterial stenosis in vivo. .  Ultrasound Med Biol. 1995;  21 447-458
• 6 Johnston K W, Kassam M, Koers J, Cobbold R S, MacHattie D. Comparative study of four methods for quantifying Doppler ultrasound waveforms from the femoral artery.  Ultrasound Med Biol. 1984;  10 1-12
• 7 Krüger U, Heise M, Rückert R, Scholz H. 3D-Darstellung von Ultraschall-Dopplersignalen.  Biomed Tech. 1996;  41 226-227
• 8 Lyrer Ph, Bont A, Marugg A, Operschall C, Radü E W. Querschnittsflächenreduktion bei A.-carotis-interna-Stenose.  Ultraschall in Med. 1999;  20 137-143
• 9 Perner M. NF-Bandfilter mit SC-Filter-ICs: Eine neue Variante.  Funkamateur. 1998;  1 67-69
• 10 Reynolds T, Appleton C P. Doppler flow velocity patterns of the superior vena cava, inferior vena cava, hepatic vein, coronary sinus, and atrial septal defect: a guide for the echocardiographer.  J Am Soc Echocardiogr. 1991;  4 503-512
• 11 Schlindwein F S, Smith M J, Evans D H. Spectral analysis of Doppler signals and computation of the normalised first moment in real time using a digital signal processor.  Med Biol Eng Comput. 1988;  26 228-232
• 12 Sigel B. A brief history of Doppler ultrasound in the diagnosis of peripheral vascular disease.  Ultrasound Med Biol. 1998;  24 169-176
• 13 Sound Technology .SpectraPro Vers 3.32, Users Guide. Campbel, CA; 1998
• 14 Vaitkus P J, Cobbold R S. A comparative study and assessment of Doppler ultrasound spectral estimation techniques. Part I: Estimation methods.  Ultrasound Med Biol. 1988;  14 661-672
• 15 Vaitkus P J, Cobbold R S, Johnston K W. A comparative study and assessment of Doppler ultrasound spectral estimation techniques. Part II. Methods and results.  Ultrasound Med Biol. 1988;  14 673-688
• 16 Zantis F P, Schnappauf O. NF-Auskoppler mit galvanischer Trennung.  Funkamateur. 1996;  9 993-994
• 17 Zuech P E, Cobbold R S, Johnston K W, Kassam M. Spectral analysis of Doppler flow velocity signals: assessment of objectives, methods, and interpretation.  Ann Biomed Eng. 1984;  12 103-116

1 Die vorliegende Arbeit enthält wesentliche Ergebnisse der Dissertation von U. Faber.