ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ ΡΟΗΣ IN VITRO ΜΕ ΥΠΕΡΗΧΟΚΑΡΔΙΟΓΡΑΦΟ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΛΑΘΩΝ ΜΕΤΡΗΣΗΣ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΡΕΥΣΤΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Δ Ι Π Λ Ω Μ Α Τ Ι Κ Η Ε Ρ Γ Α Σ Ι Α : ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ ΡΟΗΣ IN VITRO ΜΕ ΥΠΕΡΗΧΟΚΑΡΔΙΟΓΡΑΦΟ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΛΑΘΩΝ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ Κ. ΤΣΑΡΟΥΧΑΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Ε.Μ.Π. ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Σ. ΤΣΑΓΓΑΡΗΣ ΑΘΗΝΑ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ 2008 1

1.1. ΓΕΝΙΚΑ... 5 1.2. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΥΠΕΡΗΧΩΝ... 5 1.3. ΔΙΑΚΡΙΤΙΚΗ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ... 6 1.4. ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ... 7 1.4.1. Απεικόνιση Α Τρόπου (A Mode Display)... 8 1.4.2. Β Τρόπος Απεικόνισης (B Mode Display I Brightness Mode Display) 10 1.4.3. Μ Τρόπος Απεικόνισης (M Mode Display)... 17 1.4.4. C Τρόπος Σάρωσης (C Mode Constant Depth Scan)... 19 1.5. ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ DOPPLER... 20 1.5.1. Γενικά... 20 1.5.2. Εξίσωση Doppler... 21 1.5.3. Χρήση Doppler για την αιματική ροή... 23 1.6. ΟΡΓΑΝΑ ΤΕΧΝΙΚΕΣ DOPPLER... 28 1.6.1. Doppler Display... 28 1.6.2. Η Επίδραση της Γωνίας... 30 1.6.3. Συστήματα Συνεχών Κυμάτων... 32 1.6.4. Παλμικός Doppler (Pulsed Doppler)... 37 1.6.5. Duplex Scan... 40 1.6.6. Συστήματα Έγχρωμης Απεικόνισης της Ροής... 40 1.6.7. Έγχρωμη Απεικόνιση Ταχύτητας (Color Velocity Imaging CVI)... 41 1.6.8. Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Έγχρωμης Απεικόνισης της Ροής... 41 1.7. ΤΕΧΝΙΚΑ ΣΦΑΛΜΑΤΑ... 42 1.7.1. Σφάλματα B Mode... 42 1.7.2. Aliasing... 43 2.1 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ IN VITRO ΣΤΟ ΠΑΡΕΛΘΟΝ... 46 2.2 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ IN VITRO ΣΤΟ ΙΑΤΡΟΒΙΟΛΟΓΙΚΟ ΚΕΝΤΡΟ ΑΚΑΔΗΜΙΑΣ ΑΘΗΝΩΝ... 51 2.3 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ IN VIVO ΙΑΤΡΟΒΙΟΛΟΓΙΚΟΥ ΚΕΝΤΡΟΥ ΑΚΑΔΗΜΙΑΣ ΑΘΗΝΩΝ... 57 2.3.1 ΑΝΑΤΟΜΙΑ ΧΟΙΡΟΥ ΓΕΝΙΚΑ... 57 2.3.2 ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ ΕΡΓΟΥ... 61 3.1 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ... 64 3.1.1 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΠΑΡΟΧΩΝ... 64 3.1.2 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΥΠΕΡΗΧΟΥ... 67 3.1.3 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΓΩΝΙΑΣ ΛΗΨΗΣ... 68 3.2 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΚΑΙ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ... 69 3.2.1 IN VITRO ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ... 69 3.2.2 IN VIVO ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ... 72 2

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα Εργασία εκπονήθηκε στον Τομέα Ρευστών της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του ΕΘΝΙΚΟΥ ΜΕΤΣΟΒΙΟΥ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟΥ. Η εργασία αποσκοπεί: Α) Στην εξοικείωση των συμμετασχόντων με τον έγχρωμο υπερηχοκαρδιογραφο Vivid 7 της GE. Β) Στον έλεγχο της αξιοπιστίας των μεθόδων έγχρωμου Doppler (Color Doppler), παλμικού Doppler και M-mode στο υπολογισμό της παροχής και την σύγκριση μεταξύ τους. Γ) Στην εύρεση πιθανών αιτιών στις αποκλίσεις των μεθόδων, έτσι ώστε οι κώδικες που αναπτύχθηκαν σε MATLAB για έγχρωμο Doppler και Μ-mode να βελτιωθούν στο μέλλον. ) Στην δημιουργία μιας αρχικής βάσης δεδομένων για τις παροχές και τις διαμέτρους που μετρούνται in vivo προεγχειρητικά σε χοίρους, που χρησιμοποιούνται σε ερευνητικό πρόγραμμα ΠΕΝΕ. Η Εργασία χωρίζεται σε τρία μέρη. Στο πρώτο μέρος γίνεται μια θεωρητική προσέγγιση του θέματος, με ανάλυση της αρχής Doppler, καθώς και των μεθόδων μέτρησης και απεικόνισης με συστήματα Doppler. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζεται η πειραματική διαδικασία, τόσο η δική μας, όσο και παλαιότερες. Στο τρίτο μέρος παρουσιάζονται κάποια αποτελέσματα και συμπεράσματα των δικών μας πειραμάτων. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Καθηγητή κ. Σ. Τσαγγάρη, καθώς και τον Υποψήφιο ιδάκτορα κ. Θ. Μάνο για την πολύτιμη βοήθειά τους και τις χρησιμότατες συμβουλές τους τόσο κατά τη διάρκεια της διεξαγωγής των πειραμάτων, όσο και μετά από αυτά. 3

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο 4

1.1. ΓΕΝΙΚΑ Μια ηχητική δέσμη μπορεί να θεωρηθεί συγκρίσιμη με μια δέσμη ακτίνων Χ, αν λάβουμε υπόψη το γεγονός ότι και οι δύο μεταβιβάζουν ενέργεια. Μια μεγάλη διαφοροποίηση μεταξύ τους βρίσκεται στο γεγονός ότι οι ακτίνες Χ περνούν χωρίς καμιά δυσκολία διαμέσου του κενού, σε αντίθεση με την ηχητική δέσμη, που η μετάδοσή της εξαρτάται άμεσα από την ύπαρξη κάποιου υλικού μέσου, ενώ και η ταχύτητα του ίδιου του ήχου εξαρτάται από τη φύση του μέσου. 1.2. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΥΠΕΡΗΧΩΝ Προκειμένου να παραχθεί μια δέσμη υπερήχων, χρησιμοποιούνται ορισμένες ειδικές διατάξεις που ονομάζονται μετατροπείς (transducers). Αυτές οι διατάξεις έχουν την ιδιότητα να μετατρέπουν μια μορφή ενέργειας σε μια άλλη. Στην περίπτωση των υπερήχων, οι μετατροπείς μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική (παραγωγή υπερήχων). Η παραγωγή και η ανίχνευση των υπερήχων βασίζεται στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, σύμφωνα με το οποίο εμφανίζονται ετερώνυμα φορτία στα άκρα ενός υλικού ύστερα από συμπίεση ή εφελκυσμό. Στην κατάσταση ισορροπίας, τα κέντρα συμμετρίας των θετικών και αρνητικών φορτίων συμπίπτουν κι έτσι δεν υπάρχει διαφορά δυναμικού στα άκρα του υλικού. Το φαινόμενο είναι αντιστρεπτό, δηλαδή η εφαρμογή μιας διαφοράς δυναμικού στα άκρα ενός τέτοιου υλικού έχει σαν αποτέλεσμα τη συμπίεση ή τον εφελκυσμό του. Τα υλικά που έχουν την ιδιότητα αυτή ονομάζονται πιεζοηλεκτρικά και χαρακτηρίζονται ως μεταλλάκτες. Υλικά με την ιδιότητα αυτή που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή υπερήχων είναι ο χαλαζίας, ο κρύσταλλος Rochele και διάφορα κεραμικά υλικά, όπως κράμα μολύβδου ζιρκονίου τιτανίου, στα οποία μάλιστα μπορεί να δοθεί οποιοδήποτε σχήμα. Για την παραγωγή υπερήχων εφαρμόζεται κατάλληλο εναλλασσόμενο δυναμικό στα άκρα του υλικού, που προκαλεί περιοδική μετακίνηση της επιφάνειας του υλικού, και στη συνέχεια ταλάντωση των γειτονικών μορίων 5

του αέρα. Έτσι, παράγεται το κύμα των υπερήχων. Ο πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος στα συστήματα υπερηχοτομογραφίας εντοπίζεται μέσα σε διατάξεις οι οποίες καλούνται κεφαλές. Στο πρόσθιο τμήμα της διάταξης βρίσκεται ο πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος. Η πρόσθια και η οπίσθια επιφάνεια του κρυστάλλου είναι καλυμμένες με ένα λεπτό στρώμα συνδετικού υλικού, προκειμένου να εξασφαλιστεί η καλή επαφή με τα δύο ηλεκτρόδια που θα δημιουργήσουν τη διαφορά δυναμικού για να παραμορφωθεί ο κρύσταλλος. Οι επιφάνειες του κρυστάλλου έρχονται σε επαφή με δύο χρυσά ή ασημένια ηλεκτρόδια. Το εξωτερικό ηλεκτρόδιο είναι γειωμένο προκειμένου να προστατευθεί ο εξεταζόμενος από ενδεχόμενη ηλεκτροπληξία. Το εσωτερικό ηλεκτρόδιο συνορεύει με ένα παχύ στρώμα ελαστικού απορροφητικού υλικού (backing material). Το απορροφητικό αυτό υλικό χρησιμεύει για να συντομεύει τη διάρκεια δόνησης του κρυστάλλου, κατά τη φάση παραγωγής της υπερηχητικής δέσμης και να μπορέσει έτσι ο κρύσταλλος να δεχθεί και να ανιχνεύσει άμεσα τις επιστρεφόμενες ανακλάσεις. Χωρίς τη χρήση απορροφητικού υλικού, ο χρόνος δόνησης ή διάδοσης θα ήταν πιο μεγάλος από το χρόνο και των πιο μακρινών ανακλάσεων, παρεμποδίζοντας έτσι τη σωστή καταγραφή και επεξεργασία τους. Επίσης, το backing material χρησιμεύει για την απορρόφηση των ηχητικών κυμάτων που επανακλώνται προς την κατεύθυνση του κρυστάλλου. Ένας ακουστικός μονωτής από φελλό ή καουτσούκ που περιβάλλει το σύστημα backing block κρύσταλλος, εμποδίζει τον ήχο να περάσει στο εξωτερικό κέλυφος που είναι συνήθως από σκληρό πλαστικό. 1.3. ΙΑΚΡΙΤΙΚΗ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ Όταν εσωτερικές δομές έχουν ανιχνευθεί από μια υπερηχητική δέσμη που παράγει μια εικόνα δύο διαστάσεων, η ποιότητα της εικόνας θα σχετίζεται άμεσα με τη χωρική διακριτική ικανότητα (spatial resolution) του συστήματος. Η χωρική διακριτική ικανότητα (χ.δ.ι.) στους διαγνωστικούς υπερήχους εκφράζει τη δυνατότητα του απεικονιστικού συστήματος να διαχωρίζει τα ανακλώμενα ηχητικά κύματα δύο γειτονικών ανατομικών δομών, δηλαδή είναι 6

η ικανότητα του συστήματος να διακρίνει δύο γειτονικούς ανακλαστήρες με αρκετά μεγάλο συντελεστή ανάκλασης. Για παράδειγμα, δύο κηλίδες έντονα ηχοαντανακλαστικές που βρίσκονται πολύ κοντά η μία στην άλλη, είναι δυνατόν κατά την απεικόνισή τους να «ενωθούν», δηλαδή να απεικονίζονται ως μια πεπλατυσμένη κηλίδα. Η ελάχιστη απόσταση που μπορούν να απέχουν, ώστε να απεικονίζονται ως χωριστές οντότητες χαρακτηρίζει τη χ. δ. ι. του συστήματος. Ουσιαστικά με αυτόν τον τρόπο εκφράζεται η δυνατότητα του απεικονιστικού συστήματος να διακρίνει λεπτομέρειες μικρών διαστάσεων. Στην υπερηχοτομογραφία, η χ. δ. ι. έχει τέσσερις συνιστώσες: την αξονική διακριτική ικανότητα (axial resolution), την πλάγια διακριτική ικανότητα (lateral resolution), τη διακριτική ικανότητα όγκου (διακριτική ικανότητα στις τρεις διαστάσεις του υλικού μέσου), οι οποίες όλες εξαρτώνται από διάφορες παραμέτρους των ακουστικών παλμών ή της υπερηχητικής δέσμης, καθώς και τη διακριτική ικανότητα αντίθεσης (contrast resolution). 1.4. ΜΕΘΟ ΟΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ Η υπερηχητική εικόνα είναι στην ουσία μια ηλεκτρονική εικόνα, η οποία δημιουργείται από τις πληροφορίες, οι οποίες μεταφέρονται από τις ανιχνευόμενες ανακλάσεις. Η εξέλιξη της υπερηχητικής απεικόνισης άρχισε σιγά σιγά με την εμφάνιση ενός στατικού μονοδιάστατου τρόπου απεικόνισης (A Mode), βελτιώθηκε κάπως όταν ο παράγων χρόνος προσαρμόσθηκε στην όλη διαδικασία (TM Mode) και έκανε τεράστια άλματα προόδου με την απεικόνιση δύο διαστάσεων (B- Mode) και με την απεικόνιση διαβαθμίσεων του γκρίζου (gray scale imaging). Αυτή η αλματώδης εξέλιξη στην υπερηχογραφική απεικόνιση, οφείλεται αποκλειστικά και μόνο στην παράλληλη εξέλιξη της τεχνολογίας. Στην πραγματικότητα, μέθοδοι απεικόνισης όπως οι παραπάνω δείχνουν «απαρχαιωμένοι» μπροστά στα σύγχρονα τεχνολογικά επιτεύγματα (ψηφιακοί μετατροπείς σάρωσης, 3 D απεικόνιση κ.λ.π) αλλά θα πρέπει να σημειωθεί ότι ακόμα και αυτές οι υπερσύγχρονες μέθοδοι στηρίζουν τη 7

λειτουργία τους στις ίδιες «απλές» αρχές των παλαιότερων τρόπων απεικόνισης. 1.4.1. Απεικόνιση Α Τρόπου (A Mode Display) Αποτελεί και την αφετηρία για την εξέλιξη των υπόλοιπων τρόπων απεικόνισης. Εδώ, οι ανιχνευόμενες ανακλάσεις απεικονίζονται μονοδιάστατα ως εξέχουσες, από μια οριζόντια βασική γραμμή (base line), κορυφές (peaks) ΣΧ. 1.1: Α-ΤΡΟΠΟΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ [1] 1: ΚΕΦΑΛΗ ΥΠΕΡΗΧΩΝ 2: ΕΚΠΕΜΠΟΜΕΝΗ ΗΧΟΑΝΑΚΛΑΣΤΙΚΗ ΕΣΜΗ 3: ΗΧΟΑΝΑΚΛΑΣΤΙΚΕΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΕΣ 4: ΕΠΙΣΤΡΕΦΟΜΕΝΗ ΗΧΩ 5: ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ Η βασική γραμμή αντιπροσωπεύει τον άξονα διεύθυνσης της δέσμης και είναι βαθμονομημένη σε cm. Το ύψος της κάθε κορυφής είναι ανάλογο της έντασης της ανακλώμενης δέσμης στην οποία αντιστοιχεί, δηλαδή για έντονες ανακλάσεις υπάρχει μεγάλο ύψος κορυφών. Η συγκεκριμένη θέση μιας κορυφής επί της οριζόντιας βασικής γραμμής παρέχει το βάθος, στο οποίο βρίσκεται η ανατομική δομή επί της επιφάνειας της οποίας έγινε η ανάκλαση του ηχητικού παλμού. Η απεικόνιση αυτής της ακολουθίας κορυφών, ονομάζεται υπερηχογράφημα Α τρόπου. 8

Στην ορολογία της Φυσικής, το ύψος των κορυφών καλείται πλάτος (Amplitude) και η ονομασία A Mode αποτελεί σύντμηση των όρων Amplitude Mode ή Amplitude Modulation ( ιαμόρφωση πλάτους). Πιο συγκεκριμένα, η διαδικασία που ακολουθείται για τη δημιουργία μιας εικόνας Α τρόπου είναι η εξής: Όταν ένας ηλεκτρικός παλμός εφαρμόζεται στον μετατροπέα, μια κορυφή εμφανίζεται στην οθόνη για να σηματοδοτήσει την έναρξη του ηχητικού παλμού. Καθώς η υπερηχητική δέσμη διαπερνά το μέσο, ένα ποσοστό της ανακλάται προς το μετατροπέα από τις επιφάνειες των ανατομικών δομών. Το βάθος στο οποίο βρίσκεται κάθε δομή απεικονίζεται στην οθόνη και είναι ανάλογο του χρόνου που απαιτείται, από την ανακλώμενη δέσμη για να επιστρέψει και να ανιχνευθεί από το μετατροπέα. Θεωρώντας ως ταχύτητα για τον ήχο τα 1540 m/sec (στους μαλακούς ιστούς), υπολογίζεται ότι ο ήχος εκτελεί μια διαδρομή 1 cm σε 6,5μsec. Γνωρίζοντας τώρα ότι η ανίχνευση μιας ανάκλασης απαιτεί μια «κυκλική τροχιά» (εκπομπή παλμού ανάκλαση ανίχνευση), υπολογίζεται ότι μια ανάκλαση που ανιχνεύθηκε στα 13 μsec προέρχεται από βάθος 1cm. Εάν οι ανατομικές δομές είναι ακίνητες και ο μετατροπέας είναι επίσης ακίνητος μεταξύ παλμών (όπως συνηθίζεται), τότε οι «κορυφές των ανακλάσεων» ενός παλμού θα επιπροβάλλονται με αυτές του προηγούμενου και κατά κάποιο τρόπο θα τις αναιρούν. Αυτό συμβαίνει επειδή δε χρησιμοποιείται κανενός είδους μνήμη για την αποθήκευση των σημάτων. Ο μόνος τρόπος καταγραφής όλων των διαδοχικών παλμών είναι η χρησιμοποίηση φωτογραφικού φιλμ ή χαρτιού. Στην απεικόνιση Α τρόπου ο κύριος σκοπός είναι να μετρηθούν το βάθος στο οποίο βρίσκονται οι δομές οι οποίες ανιχνεύονται, καθώς και η απόσταση μεταξύ τους. Λίγη σημασία δίνεται στο πλάτος των κορυφών (ένταση ανακλάσεων). Στην εφαρμογή του Α τρόπου ανίχνευσης χρησιμοποιούνται δύο μετατροπείς, ο ένας ως πομπός και ο άλλος ως δέκτης. Η διαγνωστική ακρίβεια του Α τρόπου ανίχνευσης εξαρτάται ισχυρά από την αξονική διακριτική ικανότητα, δηλαδή άμεσα από το χωρικό μήκος παλμού και τη συχνότητα του παλμού. 9

Ο εξοπλισμός που απαιτείται για συστήματα Α τρόπου ανίχνευσης είναι σχετικά φθηνός, εύκολος στη χρήση και ανθεκτικός. Παρόλα αυτά, μια και η ακρίβεια μέτρησης του βάθους είναι εξαιρετικής σημασίας, απαιτείται πολύ συχνός ποιοτικός έλεγχος. Έτσι, προμηθευόμενοι ένα στρώμα από νερό ή πολυεστέρα πάχους 2,5 cm (ισοδύναμο περίπου με 2cm ιστού), είναι δυνατό να έχουμε ένα όργανο για τον ποιοτικό έλεγχο σε καθημερινή βάση. Στη σημερινή πραγματικότητα, η απεικόνιση Α τρόπου σπάνια χρησιμοποιείται. 1.4.2. Β Τρόπος Απεικόνισης (B Mode Display I Brightness Mode Display) Στην απεικόνιση Α τρόπου, το ύψος των κορυφών είναι ανάλογο με την ένταση της ανακλώμενης δέσμης. Αν αυτή η κορυφή «συμπιεσθεί» στο μέγεθος μιας κουκίδας στην οθόνη ενός παλμογράφου, τότε η ένταση της φωτεινότητας της κουκίδας θα είναι ανάλογη της έντασης της ανακλώμενης δέσμης, ενώ η θέση της κουκίδας θα εξακολουθεί να ορίζει τη θέση της ανακλαστικής επιφάνειας. Αυτού του είδους η απεικόνιση ονομάζεται απεικόνιση Β τρόπου (B Mode Display). ΣΧ. 1.2: Β-ΤΡΟΠΟΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ [1] 10

Η παραπάνω απεικόνιση, όπως γίνεται εύκολα κατανοητό, απεικονίζει τη θέση των ανακλαστικών επιφανειών κατά τη διεύθυνση και μόνο της δέσμης. Έτσι έχουμε μόνο μια περιορισμένη άποψη για το σε ποιο βάθος βρίσκεται η επιφάνεια αυτή στο σύνολό της. Στην προκειμένη περίπτωση, δηλαδή, θα μπορούσε να προσομοιασθεί η κεφαλή των υπερήχων ως η λαβή, ενώ η δέσμη υπερήχων, ως η λεπίδα ενός μαχαιριού, που κόβει (απεικονίζει) μια λεπτή εγκάρσια φέτα του σώματος του ασθενούς. Κάθε μια τέτοια εγκάρσια φέτα ονομάζεται γραμμή σάρωσης (scan line). Η μέθοδος απεικόνισης Β τρόπου από μόνη της έχει περιορισμένη εφαρμογή στη διάγνωση με υπέρηχους. Αν όμως η θέση και η διεύθυνση της υπερηχητικής δέσμης αναγνωρίζεται με κάποιον ηλεκτρομηχανικό τρόπο από το σύστημα απεικόνισης, καθώς και οι διαδοχικές γραμμές σάρωσης μονιμοποιούνται πάνω στην οθόνη ενός παλμογράφου μεταβλητής διατήρησης μνήμης, τότε θα εμφανισθεί μια εικόνα (αυτή του οργάνου που σαρώνεται), η οποία οφείλεται σε αυτή τη συνάθροιση των διαδοχικών γραμμών σάρωσης (Σχ. 1.3) ΣΧ. 1.3: α) ΒΑΣΙΚΗ ΣΥΝΘΕΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ Β-ΤΡΟΠΟΥ β) ΣΥΝΘΕΤΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ Β-ΤΡΟΠΟΥ [1] 11

Αυτού του είδους η απεικόνιση ονομάζεται σύνθετη απεικόνιση Β τρόπου (compound B mode display), αν και ευρύτερα είναι καθιερωμένος ο όρος Β σάρωση (B scan). Όπως έχει αναφερθεί, η εικόνα παρουσιάζεται στην οθόνη ενός παλμογράφου μεταβλητής διατήρησης μνήμης, γεγονός που έχει το πλεονέκτημα ότι επιτρέπει να παρακολουθείται ο σχηματισμός της εικόνας από τις διαδοχικές γραμμές σάρωσης μέχρι το τέλος αυτής και για μεγάλο χρονικό διάστημα (10 min) μετά από την ολοκλήρωσή της. Το μεγάλο μειονέκτημα όμως των συμβατικών παλμογράφων είναι ότι δεν είναι δυνατόν να αναπαράγουν τις διάφορες αποχρώσεις του γκρι, που αντιστοιχούν σε ενδιάμεσες διαφορετικές εντάσεις ανακλάσεων. Γι αυτό και οι κατασκευαστές αντικατέστησαν την οθόνη του παλμογράφου με οθόνη ηλεκτρονικού υπολογιστή, στου οποίου τη μνήμη αποθηκεύονται οι γραμμές σάρωσης υπό τη μορφή ψηφιακών δεδομένων (Σχ. 1.4 και Σχ. 1.5) ΣΧ. 1.4: ΣΑΡΩΣΗ - ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ Β-ΤΡΟΠΟΥ [1] 1: ΠΗΓΗ ΕΚΠΟΜΠΗΣ (ΜΕΤΑΛΛΑΚΤΗΣ), 1β: ΕΣΜΗ ΣΑΡΩΣΗΣ 2: ΕΣΜΗ (ΠΟΡΕΙΑ ΗΧΗΤΙΚΩΝ ΠΑΛΜΩΝ 3: ΑΣΘΕΝΗΣ (ΑΝΑΤΟΜΙΚΕΣ) 4: ΟΘΟΝΗ-ΓΡΑΜΜΕΣ ΣΑΡΩΣΗΣ 5: PIXELS (α. ΟΘΟΝΗ ΜΕ ΛΙΓΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΣΑΡΩΣΗΣ, β. ΟΘΟΝΗ ΜΕ ΠΟΛΛΕΣ ΓΡΑΜΜΕΣ ΣΑΡΩΣΗΣ, γ. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΙΚΟΝΑ ΜΕ PIXELS 12

Τα βασικότερα πλεονεκτήματα αυτού του τρόπου αποθήκευσης παρουσίασης είναι: α) Η δυνατότητα απεικόνισης αποχρώσεων του γκρι στην οθόνη του υπολογιστή, δηλαδή αντιστοιχία σε κάθε ανάκλαση μιας αριθμητικής τιμής που, ταυτόχρονα, αντιπροσωπεύει την ένταση της ανάκλασης αυτής, καθώς και μια απόχρωση στην κλίμακα του γκρι (Gray Scale). β) Η δυνατότητα επέμβασης στην ποιότητα ποσότητα των δεδομένων που είναι αποθηκευμένα στην ψηφιακή μνήμη. Τέτοιου είδους επεμβάσεις μπορεί να έχουν τη μορφή: i) Τεχνητής αύξησης των γραμμών σάρωσης με στόχο την αισθητική και μόνο βελτίωση της εικόνας. Η αύξηση αυτή μπορεί να γίνει με απεικόνιση κάθε γραμμής δύο φορές. ii) Ένα άλλο είδος τεχνητής αύξησης των γραμμών σάρωσης λέγεται γραμμική παρεμβολή (interpolation). Εδώ σχηματίζονται νέες γραμμές που παρεμβάλλονται μεταξύ δύο πραγματικών γραμμών. Οι κηλίδες των γραμμών αυτών έχουν ενδιάμεσες αποχρώσεις του γκρι σε σχέση με τις αντίστοιχες κηλίδες των δύο προκείμενών του γραμμών. iii) Επέμβαση στη δυναμική περιοχή (dynamic range) της εικόνας. Στις περισσότερες τεχνικές απεικόνισης Β τρόπου, ο μετατροπέας τοποθετείται πάνω στο δέρμα του ασθενούς με την παρεμβολή κάποιου ενδιάμεσου μέσου υλικού (coupling gel) προκειμένου να μην παρεμβληθεί αέρας και έτσι να εξασφαλισθεί η ικανοποιητική μεταφορά ενέργειας μεταξύ μετατροπέα και δέρματος. Αυτή η μέθοδος λέγεται σάρωση επαφής (contact scanning). 13

ΣΧ. 1.5: BLOCK ΙΑΓΡΑΜΜΑ ΣΑΡΩΣΗΣ Β-ΤΡΟΠΟΥ ΜΕ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΤΟΜΗΣ [1] Κατά τη διάρκεια της σάρωσης επαφής, ο μετατροπέας μπορεί είτε να παραμείνει σε ένα σημείο και να κάνει μια παλινδρομική κίνηση μπροστά πίσω επιτυγχάνοντας έτσι τη σάρωση ενός και μόνο τομέα (simple sector scan) (Σχ. 1.6), είτε σε συνδυασμό με την παλινδρομική κίνησή του, να εκτελεί και μια γραμμική κίνηση κατά μήκος μιας διαδρομής πάνω στο σώμα του ασθενούς, δηλαδή να εκτελεί μια σύνθετη σάρωση επαφής (compound contact scan) (Σχ. 1.6). Αυτή η σύνθετη κίνηση είναι απαραίτητη γιατί διάφορες ανατομικές δομές στο ανθρώπινο σώμα παρουσιάζουν στην επιφάνειά τους ποικίλες γωνιώσεις, από τις οποίες ανακλώνται τα υπερηχητικά κύματα. Αν η γωνία πρόσπτωσης της δέσμης στην ανακλαστική επιφάνεια είναι μεγαλύτερη από 3 0, τότε το ποσοστό της ανακλώμενης δέσμης δεν είναι ικανό προκειμένου να δημιουργηθεί εικόνα. Ενώ, αντίθετα, με τη σύνθετη κίνηση που περιγράφηκε 14

παραπάνω μπορεί να «καλυφθεί» μια δομή υπό κάθε γωνία. Άλλοι τρόποι σάρωσης είναι η γραμμική σάρωση (linear scan) και η σάρωση τόξου (arc scan) (Σχ. 1.6). ΣΧ. 1.6: ΤΡΟΠΟΙ ΚΙΝΗΣΗΣ ΤΗΣ ΥΠΕΡΗΧΟΤΟΜΟΓΡΑΦΙΚΗΣ ΚΕΦΑΛΗΣ ΓΙΑ ΛΗΨΗ ΕΙΚΟΝΩΝ Β-ΤΡΟΠΟΥ [1] Κατά τη διάρκεια της δημιουργίας της εικόνας, η χωρική τοποθέτηση μιας συγκεκριμένης ανακλάσεως σε σχέση με μια άλλη επιτυγχάνεται με τη βοήθεια κάποιου μικρού ηλεκτρονικού υπολογιστή, ο οποίος τροφοδοτείται με πληροφορίες που προέρχονται από το βραχίονα και συγκεκριμένα από τη θέση του στον οποίο είναι προσαρμοσμένος ο μετατροπέας. Αυτός ο βραχίονας ορίζει τρεις γωνίες (Σχ. 1.7) που από την τιμή τους καθορίζεται η διεύθυνση της υπερηχητικής δέσμης. Η τιμή αυτών των γωνιών καθορίζεται με τη βοήθεια ποτενσιόμετρων καθώς η ηλεκτρική αντίσταση των ποτενσιόμετρων αλλάζει με την αλλαγή της θέσης του βραχίονα βάθους, από τον οποίο προέρχεται η ανιχνευόμενη ανάκλαση που καθορίζεται από τη χρονική καθυστέρηση, όπως και στον Α τρόπο. 15

ΣΧ. 1.7: α. ΗΜΙΤΟΝΟΕΙ Η ΚΑΙ ΣΥΝΗΜΙΤΟΝΟΕΙ Η ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΑ ΓΙΑ ΜΕΤΡΗΣΗ ΓΩΝΙΑΣ β. ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΑ ΓΙΑ ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΠΟΣΤΑΣΗΣ [1] Όταν ο μετατροπέας μετατοπίζεται από μια θέση Α σε μια θέση Β (Σχ. 1.8), ο υπολογιστής υπολογίζει τις γωνίες και τις χρονικές καθυστερήσεις, προκειμένου να τοποθετηθούν οι ανιχνευόμενες ανακλάσεις στο σωστό σημείο της οθόνης. Έτσι, και αν ακόμα η ανάκλαση που αφορά την ίδια επιφάνεια ανιχνεύεται υπό δύο τελείως διαφορετικές τοποθετήσεις του μετατροπέα, ο υπολογιστής την τοποθετεί πάντα στο ίδιο σημείο της οθόνης. ΣΧ. 1.8: ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΣ ΘΕΣΗΣ ΑΝΑΚΛΑΣΗΣ [1] Μερικοί κατασκευαστές εφαρμόζουν διαφορετικούς τρόπους για τη μέτρηση των τριών γωνιών. Οι δύο βασικότερες μέθοδοι είναι: 16

α) Η χρησιμοποίηση γραμμικών ποτενσιομέτρων και β) Η χρησιμοποίηση οπτικό ψηφιακών καταγραφέων (optical digital encoders), οι οποίοι παράγουν σήματα τα οποία μεταβάλλονται με τη μεταβολή της θέσης και της διεύθυνσης του μετατροπέα. 1.4.3. Μ Τρόπος Απεικόνισης (M Mode Display) Αν ο μετατροπέας τοποθετηθεί στο μπροστινό τμήμα του θώρακα, έτσι ώστε να στοχεύει την καρδιά και να λειτουργήσει σύμφωνα με τον Α τρόπο απεικόνισης, τότε η εικόνα που θα δημιουργηθεί θα απαρτίζεται από έναν αριθμό κορυφών, από τις οποίες μερικές είναι ακίνητες, ενώ άλλες κινούνται μπροστά πίσω παλινδρομικά κατά τη διεύθυνση του άξονα των Χ (Σχ. 1.9α). Οι ακίνητες κορυφές αντιπροσωπεύουν ακίνητες ανακλαστικές επιφάνειες και το «πλάτος» αυτών των κορυφών είναι ανάλογο της έντασης της ανακλώμενης δέσμη. Οι κινούμενες κορυφές, από την άλλη μεριά, αντιπροσωπεύουν ανακλαστικές επιφάνειες που βρίσκονται σε κίνηση σε σχέση με το μετατροπέα. Το εύρος της κίνησης της κάθε μίας A Mode κορυφής αντιπροσωπεύει και το μέγεθος της μετατόπισης της αντίστοιχης ανακλαστικής επιφάνειας (Σχ. 1.9α). ΣΧ. 1.9: α. Α-MODE β. B-MODE γ. M-MODE [1] Αν οι κορυφές του Α τρόπου σάρωσης μεταφραστούν σε μια γραμμή σάρωσης Β τρόπου, τότε η εικόνα που θα προκύψει θα αποτελείται από μια 17

σειρά κουκίδων, άλλων ακίνητων και άλλων κινούμενων, σε αντιστοιχία με τις «Α κορυφές» (Σχ. 1.9β). Από μόνες τους οι κουκίδες του Β τρόπου σάρωσης, δίνουν την πληροφορία για την κίνηση ή όχι κάποιων ανακλαστικών επιφανειών, κατά τα άλλα όμως, δεν μπορεί να ελεγχθεί ούτε η επαναληψιμότητα, ούτε το εύρος της κίνησης της κάθε επιφάνειας και σε σχέση με γειτονικές επιφάνειες. Τέτοιου είδους εκτιμήσεις είναι όντως πολύ συχνά χρήσιμες. Για να υπάρξει η δυνατότητα τέτοιων μετρήσεων, πρέπει να επιτευχθεί κάποιου είδους απεικόνιση συναρτήσει του χρόνου. Αυτό επιτυγχάνεται αν ταυτόχρονα με την απεικόνιση της γραμμής Β τρόπου σάρωσης, υπάρχει και μετατόπιση με σταθερή ταχύτητα κατά τη διεύθυνση του άξονα των Ψ ενός φωτοευαίσθητου χαρτιού ή κάποιου άλλου καταγραφικού μέσου. Με αυτόν τον τρόπο, για κάθε χιλιοστό του άξονα των Ψ καταγράφεται και μια διαφορετική Β γραμμή σάρωσης, μια και η μορφή αυτής μεταβάλλεται συναρτήσει του χρόνου λόγω της κίνησης των ανακλαστικών επιφανειών (Σχ. 1.9γ). Στα πιο σύγχρονα συστήματα, όπου το ρόλο του καταγραφικού μέσου παίζει η οθόνη του ηλεκτρονικού υπολογιστή, το A scan απεικονίζεται στον άξονα των Ψ (διεύθυνση δέσμης ο Ψ άξονας) και η κίνηση του καταγραφικού μέσου (οθόνης) γίνεται κατά τη διεύθυνση του άξονα των Χ (Σχ. 1.10). Αυτός ο τρόπος υπερηχητικής απεικόνισης ονομάζεται Μ τρόπος (M Mode, Motion Mode). Επίσης αναφέρεται και ως ΤΜ τρόπος (Time Motion Mode) και UCH (Ultrasonic Cardiography, Υπερηχητικό Καρδιογράφημα), μια και η κύρια εφαρμογή του αφορά την παρακολούθηση της κίνησης της καρδιάς (π.χ. καρδιακές βαλβίδες). 18

ΣΧ. 1.10: BLOCK ΙΑΓΡΑΜΜΑ Μ-ΤΡΟΠΟΥ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ [1] 1.4.4. C Τρόπος Σάρωσης (C Mode Constant Depth Scan) Τέλος, ένας λιγότερο γνωστός τρόπος απεικόνισης είναι η λεγόμενη σάρωση σταθερού βάθους (constant depth scanning), όπου ένα ηλεκτρονικά απομονωμένο ποσοστό του Α scan σήματος απεικονίζεται σε μια οθόνη μεταβλητής φωτεινότητας, προκειμένου να αναδειχθεί ένα συγκεκριμένο επίπεδο μέσα στο σώμα του ασθενούς. Η μέθοδος αυτή επιτρέπει τη χρησιμοποίηση μετατροπέων μεγάλης διαμέτρου ισχυρά εστιασμένους, καθώς και η εικόνα που δημιουργείται αφορά δομές που είναι μέσα στο εστιακό επίπεδο. Έτσι, γίνεται δυνατή η απεικόνιση δομών με μέγιστη διακριτική ικανότητα (καλύτερο contrast, λόγω απομόνωσης της περιοχής ενδιαφέροντος). Ένα μεγάλο μειονέκτημα της μεθόδου είναι ότι οι δομές εκτός του απεικονιζόμενου πεδίου εξασθενούν την ανακλώμενη δέσμη και έτσι ο υπολογισμός των στοιχείων από τον Η/Υ για το σχηματισμό της εικόνας αργεί (Σχ. 1.11). 19

ΣΧ. 1.11: C ΤΡΟΠΟΣ ΣΑΡΩΣΗΣ ΚΑΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ [1] 1.5. ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ DOPPLER 1.5.1. Γενικά Το φαινόμενο Doppler είναι πολύ γνωστό στην καθημερινή ζωή. Όταν, για παράδειγμα, ένας παρατηρητής στέκεται σε ένα σημείο πάνω σε αυτοκινητόδρομο, παρατηρεί ότι ο τόνος του ήχου που προέρχεται από τη μηχανή ενός διερχόμενου αυτοκινήτου αλλάζει από υψηλός σε χαμηλός, καθώς το αυτοκίνητο πλησιάζει τον παρατηρητή και μετά απομακρύνεται. Η μηχανή προκαλεί τον ίδιο ήχο καθώς περνάει, όμως ο παρατηρητής παρατηρεί αλλαγή στον τόνο που εξαρτάται από την ταχύτητα του οχήματος και την κατεύθυνσή του. Στο Σχ.1.12 φαίνονται οι αλλαγές στη συχνότητα μιας πηγής ήχου που πλησιάζει και στη συνέχεια απομακρύνεται, σε σχέση με τον παρατηρητή. 20

ΣΧ.1.12: ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ DOPPLER [2] Η πρώτη περιγραφή των φυσικών αρχών που χρησιμοποιούνται στους υπερήχους Doppler αποδίδονται στον Αυστριακό μαθηματικό Johann Christian Doppler, που έζησε στο πρώτο μισό του 19 ου αιώνα. Οι αρχικές περιγραφές του Doppler αναφέρονταν σε αλλαγές του μήκους κύματος του φωτός με εφαρμογή στην αστρονομία. Το 1842 παρουσίασε μια εργασία όπου διετύπωσε ότι συγκεκριμένες ιδιότητες του φωτός που εκπέμπεται από τα αστέρια εξαρτώνται από τη σχετική κίνηση του παρατηρητή και της πηγής του φωτός. Πρότεινε ότι η έγχρωμη εμφάνιση μερικών άστρων οφείλεται στη σχετική τους κίνηση προς τη γη, τα γαλάζια κινούμενα προς τη γη, τα κόκκινα απομακρυνόμενα από αυτή. Οι διατυπώσεις αυτές επεκτάθηκαν και βρήκαν άριστη εφαρμογή στα ηχητικά κύματα και σήμερα η αρχή Doppler χρησιμοποιείται σε συστήματα ραντάρ στη μετεωρολογία για τον εντοπισμό καταιγίδων και τη μέτρηση της ταχύτητά τους, καθώς και στην αστυνομία για τη μέτρηση της ταχύτητας των οχημάτων. 1.5.2. Εξίσωση Doppler Το φαινόμενο Doppler χρησιμοποιείται για την ανίχνευση, μελέτη και παρουσίαση κινούμενων επιφανειών. Το ανακλώμενο κύμα έχει διαφορετική συχνότητα από το αρχικό και μελετάται σε σχέση με αυτό το χαρακτηριστικό του. Η συχνότητά του συγκρίνεται με την αρχική και η διαφορά τους είναι 21

μέτρο της ταχύτητας της κινούμενης επιφάνειας. Η διαφορά συχνοτήτων ν δίνεται από τη σχέση: 2vυ cosθ Δ v = (1.1) u όπου v η κεντρική συχνότητα του κύματος πριν τη σκέδαση (Ηz), υ η σχετική ταχύτητα μεταλλάκτη κινούμενης επιφάνειας (π.χ. ερυθροκυττάρων), u η ταχύτητα του ήχου στον ιστό, θ η γωνία μεταξύ δέσμης υπερήχων και διεύθυνσης κίνησης της επιφάνειας (π.χ. ερυθροκυττάρων). Η αύξηση ή η ελάττωση της συχνότητας είναι δείκτης της διεύθυνσης κίνησης, αν δηλαδή η επιφάνεια πλησιάζει ή απμακρύνεται από το μεταλλάκτη αντίστοιχα. ΣΧ. 1.13: Η ΕΠΙΣΤΡΕΦΟΜΕΝΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΕΙΝΑΙ ΥΨΗΛΟΤΕΡΗ ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΡΧΙΚΗ ΟΤΑΝ Ο ΣΤΟΧΟΣ ΚΙΝΕΙΤΑΙ ΠΡΟΣ ΤΗΝ ΠΗΓΗ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΚΑΙ ΧΑΜΗΛΟΤΕΡΗ ΣΤΗΝ ΑΝΤΙΘΕΤΗ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ [2] Για τη περιοχή των συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται στην Ιατρική και την περιοχή των ταχυτήτων του ήχου στους ιστούς του ανθρώπινου σώματος, το ν βρίσκεται στη περιοχή των ακουστικών συχνοτήτων (περίπου μέχρι 15Hz). 22

1.5.3. Χρήση Doppler για την αιματική ροή Η αιματική ροή στην καρδιά και στα μεγάλα αγγεία έχει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, τα οποία μπορούν να μετρηθούν με τη χρήση όργανα Doppler σχεδιασμένα για ιατρική χρήση. Με σκοπό την κατανόηση των προτύπων των αιματικών ροών στην καρδιά, είναι απαραίτητο να αναγνωρίζει κανείς τη διαφορά μεταξύ στρωτής και τυρβώδους ροής. Η στρωτή ροή είναι εκείνη η οποία πραγματοποιείται κατά μήκος δύο ομαλών παράλληλων «πλακών», έτσι ώστε όλα τα ερυθρά αιμοσφαίρια μιας περιοχής να κινούνται με περίπου την ίδια ταχύτητα και με τη ίδια κατεύθυνση. ΣΧ. 1.14: ΣΤΡΩΤΗ ΚΑΙ ΤΥΡΒΩ ΗΣ ΡΟΗ [2] Λόγω της τριβής, η ροή είναι πάντοτε λίγο πιο μικρή κοντά στα τοιχώματα του αγγείου. Με τους παλμούς της καρδιάς τα ερυθροκύτταρα επιταχύνουν και επιβραδύνουν συνεχώς. Στα περισσότερα σημεία του κυκλοφορικού συστήματος η ροή είναι στρωτή και σπάνια ξεπερνάει την ταχύτητα των 1.5m/sec. Αντίθετα, η τυρβώδης ροή είναι παρούσα όταν υπάρχει εμπόδιο που έχει σαν αποτέλεσμα τη διατάραξη της κανονικής στρωτής ροής. Αυτό προκαλεί αλλαγή της κανονικής κίνησης των ερυθροκυττάρων κάνοντάς την ανοργάνωτη και προκαλώντας δίνες και στροβιλισμούς διαφόρων ταχυτήτων και κατευθύνσεων. Παρεμπόδιση της ροής συνήθως προκαλεί και σε κάποια αύξηση της ταχύτητας Έτσι η τυρβώδης ροή χαρακτηρίζεται από άτακτες κατευθύνσεις της ροής σε συνδυασμό με πολλές διαφορετικές ταχύτητες των ερυθροκυττάρων. Αν το εμπόδιο στην κίνηση είναι σημαντικό, κάποια από τα 23

ερυθροκύτταρα μπορεί να κινούνται σε ταχύτητες κατά πολύ υψηλότερες από το κανονικό φτάνοντας τα 7m/sec. Η τυρβώδης ροή είναι συνήθως ένα μη φυσιολογικό φαινόμενο για το αίμα και θεωρείται ένδειξη κάποιας υποβόσκουσας καρδιοαγγειακής παθολογίας. Αφύσικες λοιπόν ροές χαρακτηρίζονται εν γένει από τυρβώδη φαινόμενα και αύξηση της ταχύτητας. Σαν παράδειγμα μπορεί κανείς να θεωρήσει την αιματική ροή στην ανιούσα αορτή κατά τη διάρκεια της συστολής. Αν η αορτή και η αορτική βαλβίδα είναι φυσιολογικές, τότε η ροή είναι στρωτή. Ωστόσο, η παρουσία μιας βαλβιδικής στένωσης θα αποκαλούσε τυρβώδη ροή. Στο σχήμα 1.15 φαίνεται ότι ένα στενωμένο αορτικό στόμιο διακόπτει τις παράλληλες γραμμές της φυσιολογικής στρωτής ροής. ΣΧ. 1.15: ΠΑΡΑ ΕΙΓΜΑ ΣΤΡΩΤΗΣ ΡΟΗΣ ΣΕ ΑΟΡΤΙΚΗ ΒΑΛΒΙ Α (ΕΠΑΝΩ) ΚΑΙ ΙΑΤΑΡΑΓΜΕΝΗΣ ΤΥΡΒΩ ΟΥΣ ΡΟΗΣ (ΚΑΤΩ) [2] Τα συμβατικά διδιάστατα συστήματα υπερήχων εκπέμπουν ήχο υψηλών συχνοτήτων μέσα στους ιστούς. Σε ένα υπερηχογράφημα ένας δεδομένος παλμός μεταδίδεται μέσα στο σώμα και στη συνέχεια ανακλάται πίσω από διάφορους ιστούς. Καθώς η ταχύτητα του ήχου στον ιστό είναι γνωστή (περίπου 1540m/sec), ένα σύστημα υπερήχων μπορεί να περιμένει 24

για έναν συγκεκριμένο χρόνο για τον εκπεμπόμενο παλμό να φτάσει στον στόχο (χρόνος Χ) και μετά να επιστρέψει πίσω ο (χρόνος 2Χ) και ο δεδομένος ο στόχος θα ληφθεί και θα καταγραφεί. Σε πολύπλοκα δισδιάστατα συστήματα αυτή η εναλλασσόμενη διαδικασία επαναλαμβάνεται με μια ποικιλία κατευθύνσεων χιλιάδες φορές το δευτερόλεπτο. Οι καλύτερες εικόνες από υπέρηχο δημιουργούνται όταν ο στόχος είναι η κατακόρυφος ή κατοπτρικός στα ηχητικά κύματα. Η συχνότητα είναι ένα θεμελιώδες χαρακτηριστικό κάθε κυματικού φαινομένου συμπεριλαμβανομένου και του ήχου και αναφέρεται στον αριθμό των κυμάτων που περνούν από ένα συγκεκριμένο σημείο σε ένα δευτερόλεπτο (Σχήμα 1.16). Περιγράφεται σε μονάδες κύκλων ανά δευτερόλεπτο ή Hertz. Έτσι στο πάνω μέρος του σχήματος 1.16 φαίνεται ένα παράδειγμα κυματομορφής των 10 Hz, ενώ κάτω φαίνεται μία των 5 Hz. Ο υπέρηχος εκπέμπεται σε κυματομορφές γνωστών συχνοτήτων. ΣΧ. 1.16: Ο ΗΧΟΣ ΕΚΠΕΜΠΕΤΑΙ ΣΕ ΚΥΜΑΤΑ ΓΝΩΣΤΩΝ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ [2] Η υπερηχογραφία Doppler από την άλλη, εξαρτάται ολοκληρωτικά από τη μέτρηση της σχετικής συχνότητας του επιστρεφόμενου υπέρηχου. 25

Στηριζόμενα στις σχετικές αλλαγές των επιστρεφόμενων συχνοτήτων Τα συστήματα Doppler μετρούν τα παρακάτω χαρακτηριστικά: κατεύθυνση, ταχύτητα και διαταραχές. Αυτό επιτρέπει στους εξεταστές να διαφοροποιούν τις φυσιολογικές από τις μη φυσιολογικές ροές και σε ορισμένες περιπτώσεις τα χαρακτηριστικά αυτά βοηθούν στο να κρίνουν τη σοβαρότητα των μη φυσιολογικών ροών. Οι συχνότητες γίνονται αντιληπτές από την ένταση (pitch) του ήχου του ηχητικού σήματος. Ο βαθμός της έντασης του ήχου είναι ανάλογος με τη συχνότητα του: καθώς αυξάνει η συχνότητα ενός ηχητικού κύματος, η ένταση του ήχου γίνεται πιο υψηλή και αντίστροφα. Τα συστήματα Doppler εξαρτώνται από τις αλλαγές στη συχνότητα του μεταδιδόμενου υπέρηχου. Οι αλλαγές αυτές προκαλούνται από τη συνάντηση του κύματος με τα κινούμενα ερυθροκύτταρα. Το σχήμα 1.17 δείχνει έναν μετατροπέα στα αριστερά ο οποίος εκπέμπει υπερήχους με μία δεδομένη συχνότητα προς τα δεξιά στους ιστούς. Τα μεταδιδόμενα ηχητικά κύματα συναντούν μια ομάδα από ερυθροκύτταρα που κινούνται προς τον μετατροπέα και ανακλώνται πίσω σε συχνότητα υψηλότερη από εκείνη των αρχικά μεταδιδόμενων κυμάτων, δημιουργώντας μια θετική αλλαγή Doppler (positive Doppler shift). Το αντίθετο συμβαίνει όταν τα ερυθροκύτταρα κινούνται αντίθετα, με αποτέλεσμα τα ηχητικά κύματα να επιστρέφουν με χαμηλότερη συχνότητα (negative Doppler shift). 26