DOPPLER ULTRASONOGRAFİ FİZİĞİ Dr. Mustafa SEÇİL Dokuz Eylül Üniversitesi Tıp Fakültesi Radyoloji Anabilim Dalı 1
Ultrasonografik ses dalgaları transdüserden (prop) salınmakta, farklı ara yüzlerden yansıyarak transdüsere dönmektedir. B-mod (gri skala) ultrasonografide görüntü oluşturulurken dönen ekonunun yansıma miktarı (dönen dalganın amplitüdü) ve proba ulaşan ses dalgasının gönderilmesiyle alınması arasındaki süre hesaplanmakta, dönen dalga farklı derinliklerde farklı gri tonlarında kodlanmaktadır. Bu bilgilere ek olarak yansıyan ses dalgası, B-mod incelemede görüntü oluşturulurken dikkate alınmayan faz, dalga boyu ve frekans bilgilerini de içermektedir. Doppler US da bu bilgiler kullanarak görüntü oluşturulmaktadır. Kan birçok değişik çaptaki eritrositin oluşturduğu dağınık inhomojeniteler içeren heterojen bir ortamdır. Gönderilen ultrasonografik ses dalgasının dalga boyu yansıtıcı yüzeyden (eritrosit) çok büyük olduğunda, temel olay saçılmadır. Bu tip saçılma Rayleigh-Tyndall saçılması olarak adlandırılır ve miktarı ses frekansının 4. dereceden üssü ile doğru orantılıdır. Bu nedenle kullanılan transdüserin frekansı önem taşımaktadır. Sabit dokularda ultrasonografik ses dalgasının dalga boyu (λ) ve frekansı (F), yansıma sonrası proba ulaşan dalganın dalga boyu ve frekansı ile aynıdır. Hareketli yansıtıcı yüzeylerde ise geri dönen ses dalgalarında frekans farklılığı meydana gelir. Bu frekans farklılığı 1842 de Christian Johann Doppler tarafından tanımlanan Doppler Etkisi (Doppler Kayması) ile açıklanmaktadır. Bu etkiye göre, kaynak ve yansıtıcı yüzey birbirlerine yaklaşıyorlarsa yansıyan ses dalgaları boşlukta birbirine yaklaşır, dalga boyu azalır ve alıcıya yüksek bir frekansta ulaşır. Eğer kaynak ve yansıtıcı yüzey birbirlerinden uzaklaşıyorlarsa yansıyan ses dalgaları boşlukta uzaklaşır, dalga boyu artar ve alıcıya düşük bir frekansta ulaşır. Bu etki, damarda ilerleyen eritrositlere uygulandığında değişik faktörler de eklenir. Frekans farklılığının miktarı (ΔF), kan akım hızına (Vo), ses dalgasının kaynaktan çıktığı andaki frekansına (Ft), sesin insan dokusu içerisindeki hızına (c), ultrasonografik ses dalgasının damarın uzun eksenine olan açısına (θ) bağlı olarak değişir. Tüm bu etkiler tek bir denklemde (Doppler eşitliği) belirtilir. 2
ΔF = 2 x Ft x Vo x Cos θ / c Ses dalgalarının insan dokusu içerisindeki hızı ortalama 1540 m/sn olarak varsayılır. Doppler eşitliğinde diğer parametreler de önceden belirlenmiş durumda olduğundan frekans farkı ağırlıklı olarak açıya bağlı olur. Teorik olarak Doppler açısının 0 olması durumunda en yüksek frekans farkı elde edilecektir (cos 0 =1). Ancak bu pratikte mümkün değildir. Ayrıca küçük açılarda ses dalgalarının tümünün damar duvarında yansıması nedeniyle sinyal elde edilmesinde güçlükler ortaya çıkar. Doppler açısı 90 olduğunda cos 90 sıfıra eşit olduğu için Doppler frekans farkı saptanmaz. Bu nedenle de akım kodlaması olmaz. 90 ye yaklaşan açılarda antegrad ve retrograd akımların ayırtedilme özelliği bozulduğundan bazal çizginin altında ve üstünde eşit miktarda ayna hayali şeklinde hatalı akım bilgisi ortaya çıkar. Ayrıca Doppler açısının 60 yi geçtiği durumlarda açıdaki küçük değişiklikler, açının kosinüs değerinde büyük değişikliklere neden olur. Tüm bu nedenlerle, ses dalgaları ile akım yönü arasında 30-60 lik açı olacak şekilde inceleme yapılması gerekmektedir. Doppler Yöntemleri: Sürekli dalga formu Doppler ( Continuous wave = CW ): Ses dalgalarını sürekli olarak alan ve veren iki adet trandüser vardır. Akımın varlığını ve yönünü saptar, ancak bunun hangi derinlikten geldiğini ve sinyalin kaynağını saptamada yetersizdir. Ucuz ve taşınabilir olması nedeniyle yatakbaşı değerlendirmelerde ve intraoperatif olarak yüzeyel damarlarda akım değerlendirmesinde faydalıdır. Puls dalga formu Doppler ( Pulsed wave = PW ): Ses dalgaları vurular halinde gönderilir. Gönderilen ve geri dönen ses dalgası arasında belli bir süre kalması ( TE ) ile ortaya çıkan Doppler şifti, sesin hangi düzeyden geldiğini gösterir. Doppler 3
bilgisinin gerçek zamanlı gri skala görüntü ile birleştirilmesi ile duplex Doppler görüntüler elde edilir. Bu sistemde proba dönen ses dalgaları hem gerçek zamanlı görüntü, hem de Doppler dalga formunun gerçekleşmesi için işlenir. Bir saniye içinde gönderilen ses dalgası pulsuna puls tekrarlama frekansı ( pulse repetition frequency = PRF ) denir. PRF en fazla 1/ TE kadar arttırılabilir. İncelenen derinlik arttıkça, ses dalgalarının dönüşü için daha fazla zaman gerekeceğinden PRF azalır. Bu da puls Doppler ile akım hızı ölçümünde üst bir limit oluşturur. Sonuç olarak yüksek akım hızları yüksek PRF değerleri ile, düşük akım hızları düşük PRF değerleri ile ölçülmelidir. Eritrositler her zaman aynı hızda hareket etmediklerinden değişik frekans şiftleri oluştururlar. Tüm eritrositlerin değişik hızlardaki hareketi transdüsere kompleks bir sinyal olarak ulaşır. Bu kompleks sinyal Fast Fourier Transform Analyzer denen bir aygıtla işlenerek basit frekans elemanlarına ayrılır. Analog Dijital Çevirici ile de dijital formata dönüştürülür. Hız bilgisini içeren spektral analizi göstermek için değişik aralıklardaki hızlar aranır ve karelere depolanır. Sonuçta değişik hızlardaki kareler biriktirilir ve zamana göre haritası çıkarılır. Sinyal segmentlerinin arka arkaya işlenmesi ile sürekli Doppler spektrumu oluşturulur. Pratikte gri skala görüntüleme ile entegre edilerek kullanılır. Doppler analizi yapılacak bölgenin lokalizasyonu, boyutu (range-gate) ve gönderilen ses dalgasının açısı gri skala görüntü üzerinde işaretlenir. Seçilen bölgeden geri dönen ses dalgaları ile ortaya çıkarılan frekans farkı, monitörde gri skala görüntünün yanında hız/zaman (cm/sn) veya frekans/zaman (khz/sn) grafiği şeklinde gerçek zamanlı olarak izlenebilir. Frekansı hıza çevirebilmek için Doppler açısı bilinmelidir. Dupleks Doppler US aslında bir M-mod (motion mode) US analoğudur ve inceleme temelde bir zamansal çözümleme (temporal rezolüsyon) yöntemidir. 4
Radyoloji uygulamalarında Doppler US un en sık formu RDUS görüntülemedir. Bu gerçekte hareketli yapılardan kaynaklanan frekans şiftlerinden oluşturulmuş bir renk haritasıdır. Bu yöntemde akıma ait Doppler bilgisi, dokuya gönderilen puls çizgisi boyunca birçok düzeyden (range-gate) alınırsa, multi-gate Doppler yapılmış olur. Bu şekilde birçok örnekleme ile elde edilen akım bilgisi, akımın transdüsere göre yönü ve hızına göre renklendirilip, gri skala damar görüntüsü içine yerleştirilirse Renkli Doppler Görüntüleme elde edilir. RDUS görüntüleri akım hakkında kalitatif bilgi verir. Bu nedenle pratikte çoğunlukla yalnız başına değil, grafik şeklinde Doppler spektrumu ile birlikte kullanılır ve bu yönteme de Renkli Dupleks Doppler Görüntüleme denir. RDUS aslında bir spektral görüntülemedir. Ancak spektral değerler grafikle değil, renklerle gösterilir. Akımın rengini faz şifti, renk tonunu (parlaklığı) ise frekans şifti (akım hızı) belirler. Yüksek hızlarda akım daha parlaktır. Bu ilişki özellikle poststenotik akım hızlanmalarında ve akustik koşullar uygun olmadığında önem kazanır. Renk parlaklığı ayrıca ses dalgası ve damar arasındaki açı değişikliklerinden de etkilenir. 90 lik açıda kırmızı ve mavi segmentlerin birleşmesi sinyal kaybı ile sonuçlanır. Bu durum parsiyel oklüziv trombüs ile karıştırılabilir ve bu açıdan dikkatli olmak gerekir. Ayrıca günümüzün dupleks ultrasonografi cihazlarında renk düzenlemesi tek bir tuşla ters çevrilebilir veya tümü ile değiştirilebilir. Sonuç olarak, RDUS da çok geniş bir alan incelenerek gerçek zamanlı görüntü oluşturulur ve saptanan ortalama frekans şiftidir. RDUS kantitatif değil kalitatif bir yöntemdir. Bu nedenle akım değerlendirilmesinde ve stenozun derecelendirilmesinde mutlaka dupleks Doppler yöntemi ile birlikte kullanılmalıdır. Doppler US ile elde edilen akım bilgileri 3 başlık altında toplanabilir: 1. Kalitatif o Akım varlığı ve yönü o Akım karakteristiği 2. Kantitatif 5
o Akım hızı o Akım volümü 3. Yarı-kantitatif o Pik sistolik / diastol sonu hız indeksi o Rezistif indeks ( RI ) = VPik sistolik VEnd diastolik / VPik sistolik o Pulsatilite indeksi ( PI ) = VPik sistolik VEnd diastolik / VOrtalama Power Doppler Ultrasonografi (PDUS) Görüntünün, inceleme alanından elde olunan sinyallerin gücü doğrultusunda oluşturulduğu yeni geliştirilen bir Doppler uygulamasıdır. Renkli Doppler US da görüntüyü oluşturmada temel prensip Doppler şifti iken PDUS de Doppler sinyallerinin gücüdür. Renkli Doppler görüntülerde akımın yön bilgisi korunur ve akım yönü trandüsere göre değiştiğinde, rengi de değişir. Fakat power Doppler görüntülemede Doppler sinyalindeki hız ve yön bilgisi kullanılmaz, sadece Doppler kaymasının intensitesi ile görüntü oluşturulur. Doppler sinyalindeki güç, hareket eden ve Doppler kayması oluşturan eritrositlerin toplam sayısına bağlıdır. Bu eritrositlerin değerlendirilmesinde açı değiştirildiğinde Doppler kayması değişir ancak gücü değişmez. Ortalama frekans kaymasının sıfır olması gücün de sıfır olduğunu göstermez. PDUS, dupleks ve RDUS uygulamalarından farklı olarak Doppler açısına bağlı değildir. Bu nedenle aliasing ortadan kalkmıştır. Ayrıca RDUS incelemelerinde önemli bir sorun oluşturan gürültü PDUS da daha az problem meydan getirir, çünkü Doppler sinyalindeki herhangi bir gerçek akım gürültü ile karşılaştırıldığında daha fazla güce sahiptir ve PDUS incelemelerinde 6
zemin gürültüsünü ortadan kaldırarak kendini gösterir. Her ne kadar akım duyarlılığındaki bu iyileşme cihaz ve durum bağımlı olsa da, sonuçları RDUS incelemelerinden daha iyidir. Yöntemin en önemli dezavantajı da harekete aşırı duyarlı olmasıdır. Bu durum öncelikle PDUS un saptanan en küçük amplitüddeki harekete dahi aşırı derecede duyarlı olmasından kaynaklanır. Bu nedenle de kan akımını yumuşak doku hareketinden ayırt etmek güç olabilir. Ancak ek olarak daha kompleks yumuşak doku hareketini baskılayıcı yöntemlerin kullanılması ile ilgili çalışmalar umut vericidir. Sonuç olarak PDUS, RDUS ile varlığı ve özellikleri güçlükle gösterilebilen damar içi akımların değerlendirilmesi gereken bir çok klinik durumda kullanılabilir. İskemi alanlarından azalmış akımın belirlenmesi, inflamatuar hiperemi veya tümöral anjiogeneziste artmış ve düzensiz akım patternlerini ve tedaviye bağlı vasküler değişikliklerin ortaya konmasında oldukça yararlıdır. 7
KAYNAKLAR 1. Kabakcı N. Renal kitlelerin ayırıcı tanısında power Doppler ultrasonografi ve SHU 508A (Levovist) in kombine kullanımı. Dokuz Eylül Üniversitesi Tıp Fakültesi Radyoloji Anabilim Dalı Uzmanlık Tezi 2004, s.29-34. 2. Rumack CM, Wilson SR, Charboneau JW. Diagnostic Ultrasound. 2nd ed. St.Louis: Mosby-Year Book,1999:357-371. 3. Hangiandreou NJ. AAPM/RSNA physics tutorial for residents. Topics in US: B-mode US: basic concepts and new technology. Radiographics. 2003 Jul-Aug;23(4):1019-33. 4. Hofer M. Teaching Manual of Color Duplex Sonography. Stuttgart, Germany : Georg Thieme Verlag, 2001: 13-16. 5. Boote EJ. AAPM/RSNA physics tutorial for residents: topics in US: Doppler US techniques: concepts of blood flow detection and flow dynamics. Radiographics. 2003 Sep-Oct;23(5):1315-27. 6. Rubin JM. Power Doppler. Eur Radiol. 1999;9 Suppl 3:S318-22. 7. Rubin JM, Bude RO, Carson PL, Bree RL, Adler RS. Power Doppler US: a potentially useful alternative to mean frequency-based color Doppler US. Radiology. 1994 Mar;190(3):853-6. 8. Martinoli C, Pretolesi F, Crespi G, Bianchi S, Gandolfo N, Valle M, Derchi LE. Power Doppler sonography: clinical applications. Eur J Radiol. 1998 May;27 Suppl 2:S133-40. 9. Aytaçlar S. Doppler Temel Fizik Prensipler, Teknik gelişmeler. 17. Türk Radyoloji Kongresi Renkli Doppler US Kitabı: İstanbul, 2000: 5-20. 10. Oyar O, Gülsoy UK. Tıbbi Görüntüleme Fiziği 2003: 197-230 11. Tuncel E, Adapınar B. Doppler US Fiziği. 5. Ulusal Ultrasonografi Kongresi Doppler Kurs Kitabı. Bursa: 1995: 1-13. 12. Erden İ. Renkli Doppler US fizik prensipleri, sınırlamaları, hata kaynakları. T.Klinik Tıp Bilimleri 11, 1991: 326-350 8