Кореляційні функції та спектри потужності сигналів доплерівського відгуку в ультразвукових медичних застосуваннях
Ключові слова:
ультразвук, допплерівський спектр, кольорове доплерівське картування потоків крові, енергетичний доплерівський режим, віброеластографія, пульсуючий кровоток
Анотація
У роботі в рамках континуальної моделі розсіювальних неоднорідностей отримані вирази для
кореляційних функцій та спектрів доплерівського відгуку м’яких тканин та ліній току крові,
враховуючи вплив різноманітних фізичних факторів. Для доплерівського методу дослідження
потоків крові, що широко використовується в кардіології, досліджено вплив величини радіусу
кореляції неоднорідностей та процесів дифузії на спектри, що формуються стаціонарними
потоками. Показано, що збільшення радіусу кореляції неоднорідностей та врахування їх дифузії
спричиняє додаткове розширення доплерівського спектру. Також досліджено випадок нестаціонарного руху крові , характерного для систолічної фази серцевого циклу, та встановлені
умови формування доплерівських спектрів. Для метода віброеластографії, який може бути
використаний для діагностики злоякісних новоутворень в м’яких тканинах, отримані аналітичні
вирази для кореляційних функцій і доплерівських спектрів. Виходячи з особливостей утворення
доплерівських спектрів, показана можливість диференціювання м’яких тканин за величиною
амплітуди вимушених коливань. Отримані результати дають можливість зробити висновок
відносно впливу різноманітних фізичних процесів та характеристик біологічних тканин на
доплерівські спектри і збільшити, таким чином, ефективність проведення медичних досліджень.
Завантаження
##plugins.generic.usageStats.noStats##
Посилання
1. P.J. Fish. Doppler methods // In Hill C.R. Physical principles of medical ultrasonics. – Chichester: Ellis Horwood Limited, 1986. – P. 338-376.
2. J.C. Bamber, M. Tristam. Diagnostic Ultrasound // In Webb S. The Physics of Medical Imaging. – Bristol and Philadelphia: Adam Hilger, 1988. – P. 319-388.
3. Hoskins P.R. and McDicken W.N. Colour ultrasound imaging of blood flow and tissue motion // The British journal of radiology. – 1997. – V. 70. – P. 878-890.
4. Pulkovski N., Schenk P., Maffiuletti N.A. and Mannion A.F. Tissue Doppler imaging for detecting onset of muscle activity // Muscle Nerve. – 2008. – V. 37. – P. 638-649.
5. Wells P.N.T. Ultrasonic colour flow imaging // Phys. Med. Biol. – 1994. – V. 39. – P. 2113-2145.
6. Wells P.N.T. Doppler study of the vascular system (review) // European Journal of Ultrasound. – 1998. – V. 7, N. 1. – P. 3-8.
7. Gao L., Alam S.K., Lerner R.M. and Parker K.J. Sonoelasticity imaging: theory and experimental verification // J.Acoust. Soc. Am. – 1995. – V. 97. – P. 3875-3886.
8. Gao L., Parker K.J., Lerner R.M. and Levinson S.F. Imaging of the elastic properties of tissue – a review // Ultrasound Med. Biol. – 1996. – V.22. – P. 959-977.
9. Ophir J., Alam S.K., Garra B.S., Kallel F., Konofagou E., Krouscop T.A., Merritt C.R.B., Righetti R., Souchon R., Srinivasan S. and Varghese T. Elastography: imaging the elastic properties of soft tissues with ultrasound (review article) // J. Med. Ultrasonics. – 2003. – V. 29. – P. 155-171.
10. Barannik E.A. Influence of diffraction divergence and beam width on the Doppler signal spectrum // Sov. Phys. Acoust. – 1992. – V. 38, N 2. – P.127-131.
11. Barannik E. A. The Doppler signal spectrum bandwidth at pulse radiation mode // Acoustical Physics. – 1993. – V. 39, N 5.– P.496-498.
12. Barannik E. A. The effect of ultrasound wave focusing on the mean-square width of the Doppler spectrum // Acoustical Physics. – 1994. – V. 40, N 2. – P.188-190.
13. Barannik E. A. Optimum resolution of pulsed Doppler systems // Acoustical Physics. – 1997. – V. 43, N 4. – P.453-457.
14. Barannik E.A. Pulsed Doppler flow-line spectrum for focused transducers with apodized apertures // Ultrasonics. – 2001. – V. 39, N 2. – P.311-317.
15. Bastos C.A.C., Fish P.J., Steel R. and Vaz F. Doppler power spectrum from a Gaussian sample volume // Ultrasonics. – 2000. – V. 37, N. 4. – P. 623-632.
16. Tompson R.S. and Aldis G.K. Flow spectra from power density calculations for pulsed Doppler // Ultrasonics. – 2002. – V. 40, N. 1-8. – P. 835-841.
17. Censor D. et al Theory of ultrasound Doppler spectra velocimetry for arbitrary beam and flow configurations // IEEE Trans. on Biomed. Eng. – 1988. – V. 35, N. 9. – P. 740-751.
18. Guidi G., Newhouse V.L. and Tortoli P. Doppler spectrum shape analysis based on the summation of flow-line spectra // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr. – 1995. – V. 42, N. 5. – P. 907-915.
19. Newhouse V. L. and Reid J. Invariance of the Doppler bandwidth with flow displacement in the illuminating field // J. Acoust. Soc. Amer. – 1991. – V. 90, N. 5. – P. 2595-2601.
20. E.O. Attinger. Pulsatile Blood Flow. – New York: McGraw-Hill Book Company, 1964. – P. 30-32, 433-439.
21. Wu S.J. and Shung K.K. Cyclic Variation of Doppler Power from whole blood under pulsatile flow // Ultrasound Med. Biol. – 1996. – V. 22, N. 7 – P. 883-894.
22. Bamber J.C., Barbone P.E., Bush N.L., Cosgrove D.O., Doyley M.M., Fuechsel F.G., Meaney P.M., Miller N.R., Shiina T. and Tranquant F. Progress in freehand Elastography of the breast // IEICE Trans on Information and Systems. – V. 85-D(1). – 2002. – P. 5-14.
23. Parker J.K., Huang S.R., Musulin R.A., and Lerner R.M. Tissue response to mechanical vibrations for "sonoelasticity imaging" // Ultrasound Med. Biol. – 1990. – V. 16, N. 3. – P. 241-246.
24. Krouskop Т.А., Dougherty D.R. and Levinson S.F. A pulsed Doppler ultrasonic system for making noninvasive measurements of the mechanical properties of soft tissues // J. Rehabil. Res. and Dev. – 1987. – V. 24, N. 2. – P. 1-8.
25. Huang S.R., Lerner R.M., Parker K.J. On estimating the amplitude of harmonic vibration from the Doppler spectrum of reflected signals // J. Acoust. Soc. Am. – 1990. – V. 88, N. 6. – P. 2702-2712.
26. Huang S.R., Lerner R.M., and Parker K.J. Time domain Doppler estimators of the amplitude of vibrating targets // J. Acoust. Soc. Am. – 1992. – V. 91, N. 2. – P. 965-974.
27. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Электродинамика сплошных сред. – М.: Наука, 1982. – 621с.
28. Hill C.R. and Bamber J.C. Methology for Clinical Investigation // In C.R. Hill et al. Physical principles of medical ultrasonic (2nd edition). – Hoboken: John Wiley & Sons, 2004. – P. 303-335.
29. Sarvazyan A.P., Rudenko O.V., Swanson S.D., Fowlkes J.B., and Emelianov S.Y. Shear wave elasticity imaging: a new ultrasonic technology of medical diagnostics // Ultrasound Med. Biol. – 1998. – V. 24. – P. 1419-1435.
30. D. Brandwood. Fourier Transforms in Radar and Signal Processing. – Boston, London: Artech House, 2003. – P. 26.
31. А.Г.Свешников, А.Н.Тихонов. Теория функций комплексной переменной. – М.: Наука, 1967. – 304 с.
32. A. Erdelyi. Asymptotic Expansions. – New York: Dover Publications, 1956. – P. 39.
33. Justin J., Kitamura H. and Sigel B. Roles of hematocrit and fibrinogen in red cell aggregation determined by ultrasonic scattering properties // Ultrasound Med. & Biol. – 1995. – V. 21, N. 6. – P. 827-832.
34. Fontaine I., Bertrand M., and Cloutier G. A system-based approach to modeling the ultrasound signal backscattered by red blood cells // Biophysical Journal. – 1999. – V. 77. – P. 2387-2399.
35. Shung K.K., Cloutier G. and Lim C.C. The effect of hematocrit, shear rate, and turbulence on ultrasonic Doppler spectrum from blood // IEEE transactions in biomedical engineering. – 1992. – V. 39, N. 5. – P. 462-469.
36. W.S. Furneaux. Human Physiology. – New Delhi: B. Jain Publishers, 2004. – P. 119.
37. Meiselman H.J., Neu B., Rampling M.W. and Baskurt O.K. RBC aggregation: laboratory data and models // Indian Journal of Experimental Biology. – 2007, – V. 45. – P. 9-17.
38. J.-F. Stoltz, M. Singh, P. Riha. Hematorheology in practice. – Amsterdam: IOS Press, 1999. – 128 p.
39. Wu S.J., Shung K.K. and Brasseur J.G. In situ measurement of Doppler power vs. flow turbulence intensity in red cell suspensions // Ultrasound Med. Biol. – 1998. – V. 24. – P. 1009-1021.
40. Bascom J., Cobbold R.C., Routh H.F. and Johnston K.W. On the Doppler signal from steady flow asymmetrical stenosis model: effects of turbulence // Ultrasound Med. Biol. – 1993. – V. 19, N. 3. – P. 197-210.
41. Lifang Wang, Yufeng Zhang, Dingkang Wang, Nafeng Su, Chengyan Du. Simulation Model for Doppler Ultrasound Signals from Pulsatile Blood Flow in Stenosed Vessels // International Conference on BioMedical Engineering and Informatics, 2008. – V. 2. – P. 339-343.
42. Cloutier G., Allard L. and Durand L.G. Change in ultrasonic Doppler Backscattered Power downstream of concentric and eccentric stenosed under pulsatile flow // Ultrasound Med. Biol. – 1996. – V. 21. – P. 59-70.
43. Л.Д. Ландау, Е.М.Лифшиц. Гидродинамика. – М.: Наука, 1986. – 736с.
44. Foster F.K., Garbini J.L. and Jorgensen J.E. Hemodynamic turbulence measurements using ultrasound techniques // Proceedings of the 4th Annual New England Bioengineering Conference. – New Haven, May 7-8 1976, ed S Saha Pergamon Press, 1976, pp. 253-256.
2. J.C. Bamber, M. Tristam. Diagnostic Ultrasound // In Webb S. The Physics of Medical Imaging. – Bristol and Philadelphia: Adam Hilger, 1988. – P. 319-388.
3. Hoskins P.R. and McDicken W.N. Colour ultrasound imaging of blood flow and tissue motion // The British journal of radiology. – 1997. – V. 70. – P. 878-890.
4. Pulkovski N., Schenk P., Maffiuletti N.A. and Mannion A.F. Tissue Doppler imaging for detecting onset of muscle activity // Muscle Nerve. – 2008. – V. 37. – P. 638-649.
5. Wells P.N.T. Ultrasonic colour flow imaging // Phys. Med. Biol. – 1994. – V. 39. – P. 2113-2145.
6. Wells P.N.T. Doppler study of the vascular system (review) // European Journal of Ultrasound. – 1998. – V. 7, N. 1. – P. 3-8.
7. Gao L., Alam S.K., Lerner R.M. and Parker K.J. Sonoelasticity imaging: theory and experimental verification // J.Acoust. Soc. Am. – 1995. – V. 97. – P. 3875-3886.
8. Gao L., Parker K.J., Lerner R.M. and Levinson S.F. Imaging of the elastic properties of tissue – a review // Ultrasound Med. Biol. – 1996. – V.22. – P. 959-977.
9. Ophir J., Alam S.K., Garra B.S., Kallel F., Konofagou E., Krouscop T.A., Merritt C.R.B., Righetti R., Souchon R., Srinivasan S. and Varghese T. Elastography: imaging the elastic properties of soft tissues with ultrasound (review article) // J. Med. Ultrasonics. – 2003. – V. 29. – P. 155-171.
10. Barannik E.A. Influence of diffraction divergence and beam width on the Doppler signal spectrum // Sov. Phys. Acoust. – 1992. – V. 38, N 2. – P.127-131.
11. Barannik E. A. The Doppler signal spectrum bandwidth at pulse radiation mode // Acoustical Physics. – 1993. – V. 39, N 5.– P.496-498.
12. Barannik E. A. The effect of ultrasound wave focusing on the mean-square width of the Doppler spectrum // Acoustical Physics. – 1994. – V. 40, N 2. – P.188-190.
13. Barannik E. A. Optimum resolution of pulsed Doppler systems // Acoustical Physics. – 1997. – V. 43, N 4. – P.453-457.
14. Barannik E.A. Pulsed Doppler flow-line spectrum for focused transducers with apodized apertures // Ultrasonics. – 2001. – V. 39, N 2. – P.311-317.
15. Bastos C.A.C., Fish P.J., Steel R. and Vaz F. Doppler power spectrum from a Gaussian sample volume // Ultrasonics. – 2000. – V. 37, N. 4. – P. 623-632.
16. Tompson R.S. and Aldis G.K. Flow spectra from power density calculations for pulsed Doppler // Ultrasonics. – 2002. – V. 40, N. 1-8. – P. 835-841.
17. Censor D. et al Theory of ultrasound Doppler spectra velocimetry for arbitrary beam and flow configurations // IEEE Trans. on Biomed. Eng. – 1988. – V. 35, N. 9. – P. 740-751.
18. Guidi G., Newhouse V.L. and Tortoli P. Doppler spectrum shape analysis based on the summation of flow-line spectra // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr. – 1995. – V. 42, N. 5. – P. 907-915.
19. Newhouse V. L. and Reid J. Invariance of the Doppler bandwidth with flow displacement in the illuminating field // J. Acoust. Soc. Amer. – 1991. – V. 90, N. 5. – P. 2595-2601.
20. E.O. Attinger. Pulsatile Blood Flow. – New York: McGraw-Hill Book Company, 1964. – P. 30-32, 433-439.
21. Wu S.J. and Shung K.K. Cyclic Variation of Doppler Power from whole blood under pulsatile flow // Ultrasound Med. Biol. – 1996. – V. 22, N. 7 – P. 883-894.
22. Bamber J.C., Barbone P.E., Bush N.L., Cosgrove D.O., Doyley M.M., Fuechsel F.G., Meaney P.M., Miller N.R., Shiina T. and Tranquant F. Progress in freehand Elastography of the breast // IEICE Trans on Information and Systems. – V. 85-D(1). – 2002. – P. 5-14.
23. Parker J.K., Huang S.R., Musulin R.A., and Lerner R.M. Tissue response to mechanical vibrations for "sonoelasticity imaging" // Ultrasound Med. Biol. – 1990. – V. 16, N. 3. – P. 241-246.
24. Krouskop Т.А., Dougherty D.R. and Levinson S.F. A pulsed Doppler ultrasonic system for making noninvasive measurements of the mechanical properties of soft tissues // J. Rehabil. Res. and Dev. – 1987. – V. 24, N. 2. – P. 1-8.
25. Huang S.R., Lerner R.M., Parker K.J. On estimating the amplitude of harmonic vibration from the Doppler spectrum of reflected signals // J. Acoust. Soc. Am. – 1990. – V. 88, N. 6. – P. 2702-2712.
26. Huang S.R., Lerner R.M., and Parker K.J. Time domain Doppler estimators of the amplitude of vibrating targets // J. Acoust. Soc. Am. – 1992. – V. 91, N. 2. – P. 965-974.
27. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Электродинамика сплошных сред. – М.: Наука, 1982. – 621с.
28. Hill C.R. and Bamber J.C. Methology for Clinical Investigation // In C.R. Hill et al. Physical principles of medical ultrasonic (2nd edition). – Hoboken: John Wiley & Sons, 2004. – P. 303-335.
29. Sarvazyan A.P., Rudenko O.V., Swanson S.D., Fowlkes J.B., and Emelianov S.Y. Shear wave elasticity imaging: a new ultrasonic technology of medical diagnostics // Ultrasound Med. Biol. – 1998. – V. 24. – P. 1419-1435.
30. D. Brandwood. Fourier Transforms in Radar and Signal Processing. – Boston, London: Artech House, 2003. – P. 26.
31. А.Г.Свешников, А.Н.Тихонов. Теория функций комплексной переменной. – М.: Наука, 1967. – 304 с.
32. A. Erdelyi. Asymptotic Expansions. – New York: Dover Publications, 1956. – P. 39.
33. Justin J., Kitamura H. and Sigel B. Roles of hematocrit and fibrinogen in red cell aggregation determined by ultrasonic scattering properties // Ultrasound Med. & Biol. – 1995. – V. 21, N. 6. – P. 827-832.
34. Fontaine I., Bertrand M., and Cloutier G. A system-based approach to modeling the ultrasound signal backscattered by red blood cells // Biophysical Journal. – 1999. – V. 77. – P. 2387-2399.
35. Shung K.K., Cloutier G. and Lim C.C. The effect of hematocrit, shear rate, and turbulence on ultrasonic Doppler spectrum from blood // IEEE transactions in biomedical engineering. – 1992. – V. 39, N. 5. – P. 462-469.
36. W.S. Furneaux. Human Physiology. – New Delhi: B. Jain Publishers, 2004. – P. 119.
37. Meiselman H.J., Neu B., Rampling M.W. and Baskurt O.K. RBC aggregation: laboratory data and models // Indian Journal of Experimental Biology. – 2007, – V. 45. – P. 9-17.
38. J.-F. Stoltz, M. Singh, P. Riha. Hematorheology in practice. – Amsterdam: IOS Press, 1999. – 128 p.
39. Wu S.J., Shung K.K. and Brasseur J.G. In situ measurement of Doppler power vs. flow turbulence intensity in red cell suspensions // Ultrasound Med. Biol. – 1998. – V. 24. – P. 1009-1021.
40. Bascom J., Cobbold R.C., Routh H.F. and Johnston K.W. On the Doppler signal from steady flow asymmetrical stenosis model: effects of turbulence // Ultrasound Med. Biol. – 1993. – V. 19, N. 3. – P. 197-210.
41. Lifang Wang, Yufeng Zhang, Dingkang Wang, Nafeng Su, Chengyan Du. Simulation Model for Doppler Ultrasound Signals from Pulsatile Blood Flow in Stenosed Vessels // International Conference on BioMedical Engineering and Informatics, 2008. – V. 2. – P. 339-343.
42. Cloutier G., Allard L. and Durand L.G. Change in ultrasonic Doppler Backscattered Power downstream of concentric and eccentric stenosed under pulsatile flow // Ultrasound Med. Biol. – 1996. – V. 21. – P. 59-70.
43. Л.Д. Ландау, Е.М.Лифшиц. Гидродинамика. – М.: Наука, 1986. – 736с.
44. Foster F.K., Garbini J.L. and Jorgensen J.E. Hemodynamic turbulence measurements using ultrasound techniques // Proceedings of the 4th Annual New England Bioengineering Conference. – New Haven, May 7-8 1976, ed S Saha Pergamon Press, 1976, pp. 253-256.
Цитовано
Як цитувати
Skresanova, I. V., & Barannik, E. A. (1). Кореляційні функції та спектри потужності сигналів доплерівського відгуку в ультразвукових медичних застосуваннях. Біофізичний вісник, 2(25). вилучено із https://periodicals.karazin.ua/biophysvisnyk/article/view/2769
Розділ
Медична фізика
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
