Доплерівські спектри для стаціонарних та динамічних ультразвукових полів
Анотація
У цiй роботi наведено огляд фiзичних i методологiчних пiдходiв до опису спектра ультразвукового допплерiвського сигналу в бiологiчних середовищах. Узагальнено результати щодо формування спектральних характеристик для стацiонарного зондувального поля за рiзних типiв руху розсiювачiв, а також розглянуто розвиток моделi для випадку динамiчно змiнної функцiї чутливостi ультразвукової системи. Особливу увагу придiлено режимам синтетичної апертури, динамiчного фокусування та
когерентного пласкохвильового компаундингу. Показано, що в системах пласкохвильової вiзуалiзацiї спектр допплерiвського сигналу визначається не лише властивостями руху середовища, а й просторово-часовим способом формування допплерiвського вiдгуку. Також узагальнено результати щодо просторової роздiльної здатностi в режимi пласкохвильового компаундингу та проаналiзовано зв’язок мiж геометрiєю вимiрювального об’єму, функцiєю чутливостi й спектральними параметрами. Окреслено
перспективи подальшого розвитку цих пiдходiв, зокрема для застосувань у зсувнохвильовiй еластографiї.
Завантаження
Посилання
D.G. Paeng, C.A. Lee, and C. Imtiaz, Principles of Doppler ultrasound and emerging blood flow imaging,” Ultrasonography, 44(6), 409–424 (2025). https://doi.org/10.14366/usg.25152
N. Tsedendamba, Y. Song, E.-Y. Park, and J. Kim, ”Review of Linear-Array-Transducer-Based Volumetric Ultrasound Imaging Techniques and Their Biomedical Applications,” Bioengineering, 12(9), 906 (2025). https://doi.org/10.3390/bioengineering12090906
M.U. Aziz, J.R. Eisenbrey, A. Deganello, M. Zahid, K. Sharbidre, P. Sidhu, and M.L. Robbin, ”Microvascular Flow Imaging: A State-of-the-Art Review of Clinical Use and Promise,” Radiology, 305(2), 250–264 (2022). https://doi.org/10.1148/radiol.213303
R. Seddiki, T. Mirault, J. Sitruk, N. Mohamedi, E. Messas, M. Pernot, J. Baranger, and G. Goudot, ”Advancements in Noncontrast Ultrasound Imaging for Low-Velocity Flow: A Technical Review and Clinical Applications in Vascular Medicine,” Ultrasound in Medicine & Biology, 51(7), 1035–1042 (2025). https://doi.org/10.1016/j.ultrasmedbio.2025.03.001
J.Y. Gao, and C. Hou, ”Progresses and clinical application of super-resolution ultrasound imaging: a narrative review,” The Ultrasound Journal, 17(1), 29 (2025). https://doi.org/10.1186/s13089-025-00432-6
J.A. Jensen, S.I. Nikolov, K.L. Gammelmark, and M.H. Pedersen, ”Synthetic aperture ultrasound imaging,” Ultrasonics, 44(Suppl. 1), e5–e15 (2006). https://doi.org/10.1016/j.ultras.2006.07.017
G. Montaldo, M. Tanter, J. Bercoff, N. Benech, and M. Fink, ”Coherent plane-wave compounding for very high frame rate ultrasonography and transient elastography,” IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 56(3), 489–506 (2009). https://doi.org/10.1109/TUFFC.2009.1067
J. Viti, H.J. Vos, N. de Jong, F. Guidi, and P. Tortoli, ”Detection of Contrast Agents: Plane Wave Versus Focused Transmission,” IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 63(2), 203–211 (2016). https://doi.org/10.1109/TUFFC.2015.2504546
D. Jang, J. Park, J.H. Song, T.K. Song, and H. Yoon, ”Investigation of ultrasound plane-wave imaging for optimal synthetic focusing,” Scientific Reports, 16(1), 1057 (2025). https://doi.org/10.1038/s41598-025-30595-0
Y. Pan, X. Wang, Y. Qiang, N. Wang, R. Liu, G. Yang, Z. Zhang, X. He, Y. Yu, H. Zheng, and W. Qiu, ”A New Method of Plane-Wave Ultrasound Imaging Based on Reverse Time Migration,” IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 71(5), 1628–1639 (2024). https://doi.org/10.1109/TBME.2023.3346194
L.C. Neves, F.M. Ribas, J.M. Maia, A.J. Zimbico, A.A. Assef, and E.T. Costa, ”Improving Ultrasound B-Mode Image Quality with Coherent Plane-Wave Compounding Using Adaptive Beamformers Based on Minimum Variance,” Sensors, 25(5), 1306 (2025). https://doi.org/10.3390/s25051306
S. Afrakhteh and L. Demi, ”Coherent Plane Wave Compounding combined with Euclidean distance transform for high frame rate and high contrast ultrafast imaging,” Ultrasonics, 156, 107759 (2025). https://doi.org/10.1016/j.ultras.2025.107759
J.S. Honer and R.J. McGough, ”Fast and Accurate Plane Wave and Color Doppler Imaging with the FOCUS Software Package,” Sensors, 25(14), 4276 (2025). https://doi.org/10.3390/s25144276
L. Basavarajappa, R. R, R. Tushar, and A.K. Thittai, ”Toward Real-Time GPU Implementation of Diverging Beam With Synthetic Aperture TechniqueWith Non-linear Beamforming for a Curvilinear Array,” Ultrasound Imaging, (2025). https://doi.org/10.1177/01617346251406540
B.A. Herrema, N.J. Eshkalak, andN. Bottenus, ”Improved Spatiotemporal Resolution in Echocardiography Using Mixed Geometry Imaging Sequences,” IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 71(4), 438–447 (2024). https://doi.org/10.1109/TUFFC.2024.3364051
C.-C. Shen and C.-L. Huang, ”Improvement in Multi-Angle Plane Wave Image Quality Using Minimum Variance Beamforming with Adaptive Signal Coherence,” Sensors, 24(1), 262 (2024). https://doi.org/10.3390/s24010262
Y. Xu, B. Li, J. Luo, X. Liu, and D. Ta, ”Frame rate improvement in coherent plane-wave compounding using null subtraction imaging,” AIP Advances, 14(6), 065001 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0201371
J. Foiret, X. Cai, H. Bendjador, et al., ”Improving plane wave ultrasound imaging through real-time beamformation across multiple arrays,” Scientific Reports, 12, 13386 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16961-2
M. Hashemseresht, S. Afrakhteh, and H. Behnam, ”High-resolution and high-contrast ultrafast ultrasound imaging using coherent plane wave adaptive compounding,” Biomedical Signal Processing and Control, 73, 103446 (2022). https://doi.org/10.1016/j.bspc.2021.103446
S. Afrakhteh and H. Behnam, ”Coherent Plane Wave Compounding Combined With Tensor Completion Applied for Ultrafast Imaging,” IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 68(10), 3094–3103 (2021). https://doi.org/10.1109/TUFFC.2021.3087504
R. Paridar, and B.M. Asl, ”Frame rate improvement in ultrafast coherent plane wave compounding,” Ultrasonics, 135, 107136 (2023). https://doi.org/10.1016/j.ultras.2023.107136
C. Golfetto, I.K. Ekroll, H. Torp, L. Lovstakken, and J. Avdal, ”Retrospective Transmit Beamforming and Coherent Plane-Wave Compounding for Microvascular Doppler Imaging: A Comparison Study,” IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 68(4), 1105–1116 (2021). https://doi.org/10.1109/TUFFC.2020.3033719
C.-C. Shen, and Y.-C. Chu, ”DMAS Beamforming with Complementary Subset Transmit for Ultrasound Coherence-Based Power Doppler Detection in Multi-Angle Plane-Wave Imaging,” Sensors, 21(14), 4856 (2021). https://doi.org/10.3390/s21144856
X. Yan, Y. Qi, Y. Wang, and Y. Wang, ”High Resolution, High Contrast Beamformer Using Minimum Variance and Plane Wave Nonlinear Compounding with Low Complexity,” Sensors, 21(2), 394 (2021). https://doi.org/10.3390/s21020394
K. Miura, H. Shidara, T. Ishii, K. Ito, T. Aoki, Y. Saijo, and J. Ohmiya, ”Image quality improvement in single plane-wave imaging using deep learning,” Ultrasonics, 145, 107479 (2025). https://doi.org/10.1016/j.ultras.2024.107479
N. Chennakeshava, B. Luijten, O. Drori, M. Mischi, Y.C. Eldar, and R.J.G. van Sloun, ”High Resolution PlaneWave Compounding Through Deep Proximal Learning,” in: 2020 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS) (2020). https://doi.org/10.1109/IUS46767.2020.9251399
T. Miller, N. Chambara, M.T.C. Ying, and M.Y.C. Pang, ”Using ultrafast angio planewave ultrasensitive and conventional doppler imaging techniques to assess intramuscular blood perfusion in older adults,” BMC Medical Imaging, 24(1), 324 (2024). https://doi.org/10.1186/s12880-024-01495-y
K.L. Lai, M.C. Tsai, and P.C. Li, ”Ultrafast Doppler Imaging for Early Detection of Synovitis in Rheumatoid Arthritis,” Ultrasound in Medicine & Biology, 50(4), 484–493 (2024). https://doi.org/10.1016/j.ultrasmedbio.2023.12.007
G. Ivanac, A. Bulum, A.B. Jagnji´c, et al., ”Advantages of Ultrafast ultrasound in the screening for renal artery disease,” Journal of Ultrasonography, 24(97), 1–6 (2024). https://doi.org/10.15557/jou.2024.0016
M.B. Nguyen, N. Zhang, L.L. Mertens, et al., ”Noninvasive assessment of myocardial perfusion using ultrafast ultrasound: clinical study for congenital heart disease,” European Heart Journal – Imaging Methods and Practice, 3(1), qyaf007 (2025). https://doi.org/10.1093/ehjimp/qyaf007
G. Ma, L. Chen, Y. Wang, et al., ”Application of microvascular ultrasound-assisted thyroid imaging report and data system in thyroid nodule risk stratification,” Insights into Imaging, 15(1), 230 (2024). https://doi.org/10.1186/s13244-024-01806-5
J. Ji, E. Tang, Y. Wang, and X. Shi, ”The Clinical Application of Superb Microvascular Imaging in Evaluating Thyroid Related Diseases: A Systematic Review,” Journal of Clinical Ultrasound, 53(2), 336–342 (2025). https://doi.org/10.1002/jcu.23863
W. Li, Z. Ge, S. Cai, et al., ”Diagnostic value of greyscale ultrasound combined with superb microvascular imaging in thyroid nodules: a systematic review and meta-analysis,” Quantitative Imaging in Medicine and Surgery, 15(1), 440–454 (2025). https://doi.org/10.21037/qims-24-1195
X. Hou, Z. Li, Y. Liu, J. Gao, and T. Song, ”Diagnostic value of super-resolution ultrasound imaging in differentiating benign and malignant BI-RADS-4 breast lesions,” Frontiers in Oncology, 15, 1662492 (2025). https://doi.org/10.3389/fonc.2025.1662492
S. Sabeti, N.B. Larson, J.C. Boughey, et al., ”Ultrasound-based quantitative microvasculature imaging for early prediction of response to neoadjuvant chemotherapy in patients with breast cancer,” Breast Cancer Research, 27(1), 24 (2025). https://doi.org/10.1186/s13058-025-01978-y
Y. Zuo, Y. Zhan, J. Zhou, et al., ”Prediction of pathological complete response to neoadjuvant chemotherapy for invasive breast cancers based on longitudinal ultrasound and superb microvascular imaging: a single-center retrospective study,” PeerJ, 13, e20171 (2025). https://doi.org/10.7717/peerj.20171
O. Tokur, S. Aydin, F. Kilinc, et al., ”Diagnostic value of super microvascular imaging in differentiating axillary lymph nodes: semi-quantitative and qualitative approach in primary breast cancer and suspicious axillary nodes,” BMC Cancer, 25(1), 1705 (2025). https://doi.org/10.1186/s12885-025-14936-w
S. Xia, Q. Hua, Y. Song, et al., ”Super-resolution ultrasound imaging of intranodal lymphatic sinuses for predicting sentinel lymph node metastasis in breast cancer: a preliminary study,” European Radiology, 35(10), 6079–6088 (2025). https://doi.org/10.1007/s00330-025-11520-5
E.A. Barannik, ”Pulsed Doppler flow-line spectrum for focused transducers with apodized apertures,” Ultrasonics, 39(4), 311–317 (2001). https://doi.org/10.1016/S0041-624X(01)00059-2
P.J. Fish, ”Doppler methods,” in: Physical Principles of Medical Ultrasonics, edited by C.R. Hill, (Ellis Horwood, Chichester, 1986), Chap. 11, pp. 338–376.
E. Barannik, and I. Skresanova, ”Correlation functions and power spectra of Doppler response signals in ultrasonic medical applications,” Ultrasonics, 52(5), 676–684 (2012). https://doi.org/10.1016/j.ultras.2012.01.014
E.A. Barannik, and O.S. Matchenko, ”The influence of the dynamic change of ultrasound system sensitivity function on the spectra of Doppler response signals,” East European Journal of Physics, (2016). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2016-2-08
I.V. Sheina, O.B. Kiselov, and E.A. Barannik, ”Power Spectra of DopplerResponse Signals from Biological Objects Using Synthetic Aperture Ultrasound,” East European Journal of Physics, 4, 5–12 (2020). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2020-4-01
I.V. Sheina, and E.A. Barannik, ”Resolution of the Ultrasound Doppler System Using Coherent Plane-Wave Compounding Technique,” East European Journal of Physics, 1, 116–122 (2022). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2022-1-16
E.A. Barannik, and M.O. Hrytsenko, ”Spectra of Ultrasound Doppler Response Using Plane-Wave Compounding Technique,” East European Journal of Physics, 1, 476–484 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-1-52
E.A. Barannik, and M.O. Hrytsenko, ”Ultrasound Doppler System’s Resolution Using Coherent Plane-Wave Compounding Technique,” East European Journal of Physics, 1, 350–356 (2025). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-1-43
J. McLaughlin, D. Renzi, K. Parker, and Z. Wu, ”Shear wave speed recovery using moving interference patterns obtained in sonoelastography experiments,” The Journal of the Acoustical Society of America, 121(4), 2438–2446 (2007). https://doi.org/10.1121/1.2534717
S. Kazemirad, S. Bernard, S. Hybois, A. Tang, and G. Cloutier, ”Ultrasound Shear Wave Viscoelastography: Model-Independent Quantification of the Complex Shear Modulus,” IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 63(9), 1399–1408 (2016). https://doi.org/10.1109/TUFFC.2016.2583785
S. Cui, G. Cloutier, M.-H. Roy Cardinal, H. Savoji, and P. Maghoul, ”Simultaneous viscoelastic characterization of soft tissues based on shear wave ultrasound dispersion and multi-scale wavelet cross-correlation analysis,” Mechanical Systems and Signal Processing, 237, 112890 (2025). https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2025.112890
M. Correia, T. Deffieux, S. Chatelin, J. Provost, M. Tanter, and M. Pernot, ”3-D elastic tensor imaging in weakly transversely isotropic soft tissues,” Physics in Medicine & Biology, 63, 155005 (2018). https://doi.org/10.1088/1361-6560/aacfaf
M. Osika, and P. Kijanka, ”Ultrasound Shear Wave Propagation Modeling in General Tissue-Like Viscoelastic Materials,” Ultrasound in Medicine & Biology, 50(4), 627–638 (2024). https://doi.org/10.1016/j.ultrasmedbio.2024.01.008
E. Gonz´alez-Mateo, F. Camarena, and N. Jim´enez, et al., ”Real-time ultrasound shear wave elastography using a local phasegradient method,” Computer Methods and Programs in Biomedicine, (2025). https://doi.org/10.1016/j.cmpb.2024.108529
R. Almasi, M.W. Urban, and P. Kijanka, ”Local phase velocity imaging with wavenumber filter banks for ultrasound shear wave elastography,” Computer Methods and Programs in Biomedicine, 269, 108894 (2025). https://doi.org/10.1016/j.cmpb.2025.108894
Авторське право (c) 2026 Є.О. Баранник, М.О. Гриценко
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
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).
