title: Mathematische Analyse des Dopplersignals zur quantitativen Bestimmung des Blutflusses.
title: Mathematical analysis of ultra sound doppler signals to quantify total blood flow.
Creators: name: Müller-Stüler, Eva-Marie
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: Blutfluss
Ultraschall
quantification
Doppler-Sonographie
Doppler
Farb-Doppler-Sonographie
ultrasound
Ultraschalltechnik
Medizin, Gesundheit
blood flow
ultra sound

description: 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.
description: 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.