DOPPLER İN UYGUN KULLANIMI

BÖLÜM 1.2 DOPPLER İN UYGUN KULLANIMI Doppler US Fiziği Doppler US Tekniği Renkli Doppler Parametreleri Spektral Doppler Parametreleri Doppler Ölçümleri Hemodinami ve Doppler Spektrumu Akım Tipleri DOPPLER US FİZİĞİ Gri-skala ultrasonografide görüntü oluşturulurken dönen ekonunun yansıma şiddeti (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, bu bilgileri kullanarak görüntü oluşturmaktadır. Kan, değişik çapta çok sayıdaki kan elemanından oluşan heterojen bir ortamdır. Gönderilen ultrasonografik ses dalgasının dalga boyu yansıtıcı yüzeyden (eritrosit gibi) çok büyük olduğunda, ortaya çıkan temel fiziksel olay saçılmadır. Bu tip saçılma Rayleigh- Tyndall saçılması olarak adlandırılır ve miktarı ses frekansının 4. dereceden üssü ile doğru orantılıdır. Sabit dokularda ultrasonografik ses dalgasının dalgaboyu (λ) ve frekansı (F), yansıma sonrası proba ulaşan dalganın dalgaboyu ve frekansı ile aynıdır. Hareketli yansıtıcı yüzeylerde ise geri dönen ses dalgalarında frekans farklılığı meydana gelir. Bu frekans farklılığı 1842 de Johann Christian Doppler tarafından tanımlanan Doppler Etkisi (Doppler Kayması) ile açıklanmaktadır. Bu etkiye göre, kaynak ve yansıtıcı yüzey birbirlerine yaklaşıyorlarsa yansıyan ses dalgaları birbirine yaklaşır, dalgaboyu azalır ve alıcıya yüksek bir frekansta ulaşır. Eğer kaynak ve yansıtıcı yüzey birbirlerinden uzaklaşıyorlarsa yansıyan ses dalgaları uzaklaşır, dalgaboyu artar ve alıcıya düşük bir frekansta ulaşır. Frekans farklılığının miktarı (ΔF), kan akım hızına (V 0 ), ses dalgasının kaynaktan çıktığı andaki frekansına (F t ), 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. DOPPLER EŞİTLİĞİ 2 x F t x V 0 x Cos θ ΔF = -------------------------- c

12 TEMEL ULTRASONOGRAFİ VE DOPPLER Ses dalgalarının insan dokusu içerisindeki hızı ortalama 1540 m/sn olarak varsayılır. Doppler eşitliğindeki 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 edilir (cos 0 =1). Ancak bu durum büyük damarlar için pratikte pek mümkün değildir. Ayrıca küçük açılarda ses dalgalarının tümünün damar duvarından 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 kodlanması olmaz. Örneklemede 90 ye yaklaşan açılarda antegrad ve retrograd akımların ayırt edilme 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 değerindeki büyük değişiklikler nedeniyle ölçülen hız değerleri gerçek değerinin çok üzerinde sonuçlar verir. Tüm bu nedenlerle, ses dalgaları ile akım yönü arasında 30-60 lik açı olacak şekilde inceleme yapılması tavsiye edilmektedir. 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 damarlardaki akımın değerlendirilmesinde faydalıdır. Puls dalga formu Doppler ( Pulsed wave =PW): Ses dalgaları vurular halinde gönderilir, giden ve geri dönen ses dalgası arasında belli bir süre olması ile ortaya çıkan Doppler şifti, sesin hangi düzeyden geldiğini gösterir. Doppler bilgisinin gerçek zamanlı gri-skala görüntü ile birleştirilmesiyle dupleks 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. İncelenen derinlik arttıkça, ses dalgalarının dönüşü için daha fazla zaman gerekeceğinden PRF azaltılır. Bu da puls Doppler ile akım hız ölçümünde bir üst limit oluşturur. Nyquist Sınırı Nyquist teorisine göre periyodik bir hareketin olduğu gibi, doğru bir şekilde gözlemlenebilmesi için gözlemleme frekansı gözlenen periyodik hareketin frekansının en az iki katı olmalıdır. Doppler incelemesinde gözlemleme frekansı PRF dir. PRF nin örneklenen akımdaki Doppler frekansının iki katından daha az olması durumunda Nyquist sınırı aşılır ve akımın yönü doğru olarak belirlenemez. Bu duruma aliasing adı verilmektedir. Aliasing renkli Doppler de renk karmaşası olarak, spektral Doppler de taban çizgisinin iki tarafında kodlanan, yönü belirlenemeyen, üzerinde doğru ölçüm yapılamayan bir spektrum olarak görülür. Görüntü Oluşturma Kan elemanları her zaman aynı hızda hareket etmediklerinden değişik frekans kaymaları oluştururlar. Değişik hızlardaki hareket 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. Seçilen bölgeden geri dönen ses dalgaları ile ortaya çıkan frekans farkı, monitörde gri skala görüntünün yanında hız/zaman (cm/sn) veya frekans/zaman (khz/sn) grafiği şeklinde gerçek zamanlı olarak izlenebilir.

DOPPLER İN UYGUN KULLANIMI 13 Resim 1.2.1. SPEKTRUMUN OLUŞMASI Elde edilen frekans kaymaları fast-fourier transform yöntemiyle zaman-frekans bilgisine dönüştürülür ve belirli t zamanında saptanan frekans miktarına göre piksellere kodlanır. Sağda büyütülerek pikselleri seçilebilir hale getirilmiş görüntüde piksel gri tonlarının farklılık gösterdiği görülüyor. Beyaz alanlar en fazla frekans kaymasını, siyah alanlar o zaman aralığında hiç frekans kayması olmadığını gösteriyor. Ara gri tonları ise frekans kaymasının miktarına göre belirleniyor. Resim 1.2.2. DOPPLER KAYMASI Renkli Doppler US görüntüsünde probun dik açıyla geldiği alanda Doppler frekans kayması sıfır olduğu için herhangi bir renk kodlaması izlenmiyor. Sağdaki renk skalasında üstte kırmızı, altta mavi renk var. Buna göre kırmızı renk proba yaklaşan akımı, mavi renk ise uzaklaşan akımı gösteriyor. Resim 1.2.3. Nakil böbrek örneğinde, bu bakı ve renk yönlerinin bu seçimiyle kırmızı renkte, proba yaklaşan akımlar arter dallarını, mavi renkte probtan uzaklaşan akımlar ven dallarını gösteriyor. Resim 1.2.4. Kırmızı renkte kodlanan bir dalın spektral örneklemesinde arteriyal akım görülüyor. Radyoloji uygulamalarında Doppler US un en sık formu renkli Doppler US görüntülemedir. Bu görüntüleme gerçekte hareketli yapılardan kaynaklanan frekans kaymalarından oluşturulmuş bir renk haritasıdır. Birçok örnekleme ile elde edilen akım bilgisi, akımın transdüsere göre yönü ve hızına göre renklendirilip, gri-skala damar görüntüsü içine yerleştirilir. Renkli Doppler US görüntüleri akım hakkında niteliksel bilgi verir. Bu nedenle pratikte çoğunlukla yalnız başına değil, grafik şeklinde niceliksel bilgi sağlayan Doppler spektrumu ile birlikte kullanılır ve bu yönteme de Renkli Dupleks Doppler Görüntüleme denir. Akımın rengini faz şifti, renk tonunu (parlaklığı) ise frekans şifti (akım hızı) belirler. Akımın yönü proba yaklaşan ve uzaklaşan olmak üzere istenen renklerle ancak genellikle kırmızı-mavi olarak gösterilir. Ekranın bir köşesinde gösterilen iki renkten üstte yer alan renk proba yaklaşan, alttaki ise uzaklaşan akımı gösterir.

DOPPLER İN UYGUN KULLANIMI 25 DOPPLER ÖLÇÜMLERİ Doppler spektrumu, parametrelere dikkat edilerek uygun şekilde elde edildiğinde tanıya yardımcı niceliksel bilgi sağlar. Spektrumun hız ve zaman olmak üzere iki temel bileşeni vardır. Bu iki bileşen spektrum üzerinde doğrudan ölçülebilir. Hız cm/sn ya da m/sn olarak, zaman da sn birimiyle ifade edilir. Hız - Spektrumun düşey bileşenini oluşturur ve herhangi bir noktadan ölçülebilir. Standart hale gelmiş olan, arteriyal akımlarda sistolün tepe yaptığı nokta ve diyastolün dip yaptığı noktadaki ölçümlerdir. Belirli bir zaman aralığı seçilerek bu dönemdeki ortalama hız da hesaplanabilir. Zaman - Spektrumun yatay bileşenini oluşturur. Zamana ait ölçümlerde en az iki noktanın belirlenmesi gereklidir. Zamanla ilişkili ölçümler arasında sistolün başından tepe yaptığı noktaya çıkma süresi (akselerasyon zamanı), sistolik tepeden diyastol başına inme zamanı (sistolik deselerasyon zamanı), diyastol başından sonuna inme zamanı (diyastolik deselerasyon zamanı) ve kalp hızı ölçümleridir. Akım Hacmi - Bir lümendeki debi kesit alanı ile geçen sıvının hızının çarpımı ile hesaplanır. Doppler ile elde edilen hız verisi ile örneklenen damarın çapı verildiğinde cihaz o bölgeden birim zamanda geçen kan miktarını hesaplayabilir. Hız verisi maksimum, minimum ya da ortalama hız olarak seçilebilir. Birimi ml/dk dır. Kesit alanı yarıçapın karesi şeklinde hesaplandığından çap ölçümündeki küçük hatalar ölçümde büyük sapmalara neden olur. Bu nedenle akım hacmi çok güvenilir bir ölçüm değildir. Rezistif İndeks, Pulsatilite İndeksi, Sistol-Diyastol Oranı - Hız ölçümleri daha önce belirtildiği gibi açıya bağımlıdır ve uygulayıcının hatalarına çok açıktır. Bu sınırlılığı gidermek ve ölçümleri açıdan bağımsız hale getirmek için bazı ölçüm parametreleri geliştirilmiştir. Bunların başında rezistif indeks, pulsatilite indeksi ve sistol-diastol oranı gelmektedir. Bu ölçümler oran oldukları için açıyla değişmezler ve birimleri yoktur. Bu ölçümlerde sistolün tepe yaptığı noktadaki hız ve diyastol sonu hız değerleri temel alınan noktalardır. Resim 1.2.28. ARTERİYAL AKIMIN SİSTOL VE DİYASTOL BİLEŞENLERİ Sistol ve diyastolün spektrum üzerindeki görünümü. Sistolün sivri noktasından sonraki çentiklenme (mid-sistolik çentik) ve sistolün sonu ile diyastolün başındaki çentiklenme (diyastolik çentik) olağan akımda yer alan bileşenlerdir. Resim 1.2.29. AKIM HIZLARI, REZİSTİF İNDEKS, PULSATİLİTE İNDEKSİ Sistolün tepe yaptığı ilk sivri nokta tepe sistolik hız (pik sistolik hız; maksimum hız; V max ) olarak tanımlanır (sarı ok). Diyastolün sonu ile sistolün başındaki nokta diyastol sonu hızın ölçüldüğü alandır (end-diyastolik hız; minimum hız; V min ) (mavi ok).

26 TEMEL ULTRASONOGRAFİ VE DOPPLER Resim 1.2.30. ZAMANLA BAĞLANTILI ÖLÇÜM- LER Akselerasyon zamanı sistolik tepe noktasına kadar geçen süredir. Sistolün ve diyastolün iniş zamanları deselerasyon olarak tanımlanır. Resim 1.2.31. AKIM HACMİ ÖLÇÜMÜ Cihaz, spektrumdan elde edilen hız verisi ile renk penceresinde görülen damar duvar çapını kullanarak örneklenen alandaki akım hacmini hesaplayabilir. SIK KULLANILAN SPEKTRAL DOPPLER ÖLÇÜMLERİ Açıya Bağımlı Tepe sistolik hız (Pik sistolik hız) (Vmax) Diyastol sonu hız (End-diyastolik hız) (Vmin) Ortalama hız (Vmean) Akım Hacmi Akselerasyon indeksi = Tepe sistolik hız Tepe sistolik hıza ulaşma süresi Basınç gradienti = 4 x Hız 2 Açıdan Bağımsız Akselerasyon zamanı (t) = Tepe sistolik hıza ulaşma süresi Rezistif İndeks (Rİ) = (Tepe sistolik hız Diyastol sonu hız) Tepe sistolik hız Pulsatility Index (PI) = (Tepe sistolik hız Diyastol sonu hız) Ortalama hız Sistol-Diyastol Oranı (S/D) = Tepe sistolik hız Diyastol sonu hız

DOPPLER İN UYGUN KULLANIMI 27 HEMODİNAMİ VE DOPPLER SPEKTRUMU Kan akımı, kalp gibi güçlü bir pompanın ötelemesiyle belirli bir basınç gradienti boyunca gerçekleşir. Sistolik kan basıncı aortta 120 mmhg, santral venöz sistemde 0-5 mmhg dir. Bu basınç gradienti kapiller yataktaki perfüzyonun temel belirleyicisidir. Kanın damar içerisindeki akışını belirleyen fizik faktörler akışkanlar için tanımlanmış Poiseuille eşitliği ile ifade edilir. Bu eşitliğin hemodinamiye hakim olabilme için genel hatlarıyla bilinmesinde yarar vardır. Bir damarda iki nokta arasındaki basınç farkı viskozite, damar uzunluğu ve akım oranı ile doğru, damar yarıçapı ile ters orantılıdır. POİSEUİLLE EŞİTLİĞİ 8 μ L Q ΔP = ------------------------ π r 4 ΔP : Basınç farkı μ : Kanın viskozitesi L : Damar uzunluğu Q : Akım oranı π : 3,14 r : Damar yarıçapı Damar direnci damar çap ve kan viskozitesi ile bağlantılıdır. Bir dizi matematiksel hesaplamalarla Poiseuille eşitliğinden çıkarılan ve pratikte kullanılan en önemli bilgi şudur: Basınç= Akım x Direnç (P=Q x R) Bir damar sisteminde oluşan basınç artışı, akım miktarının, damar direncinin ya da her ikisinin birden artış göstermesinin sonucudur. Bir alana giden kan miktarındaki artış o alanda basınç artışına neden olur. Bunun tipik örneği hiperdinamik tipteki portal hipertansiyondur. Basıncın sabit tutulabildiği durumlarda akım ile direnç ters orantılı olduğundan artan akım direnç azalmasına neden olur. Bunun tipik örneği de arteriovenöz fistüllerdir. Akım artışı olduğunda direnç parametreleri düşüş gösterir. Kronik böbrek yetmezliği gibi parankim direncini arttıran faktörler (sistemik kan basıncı değişmemesi durumunda) organa giden kan akımında azalmaya neden olur. Pratikte karşılaşılan bu ve benzeri pek çok hemodinamik değişiklik bu basit eşitliğin bilinmesiyle çözülebilir. Eşitlikten çıkarılabilecek pratik bilgiler şunlardır: - Damar daralmasında çap ve yarıçap azalır, basınç farkı dördüncü kuvveti oranında artar. Hız artışının temel nedeni budur. - Akım oranı, yani birim zamandaki akım miktarı arttığında basınç farkı artar. Resim 1.2.32. KAN AKIMI Laminar akımda duvara yakın bölgede akım hızı daha yavaş, orta alanda daha hızlıdır. Damar dallanma bölgelerinde ya da laminar akımı bozan ancak Reynolds sayısının kritik değeri aşmadığı ve türbülansın oluşmadığı düzensiz akıma bozulmuş laminar akım adı verilir. Akımın çok hızlandığı durumlarda Reynolds sayısı aşıldığında akım türbülan hale gelir.