Dopplerovská sonografie (2. LF UK)

Z WikiSkript


Připomínky:

  • Fotografie přístroje jsou neaktuální. Nahraďte novými!
  • Redukujte počet indexů (pouzy ty, které měříme)
  • Excelová tabulka je příliš malá a tudíž nečitelná

-jt-


Tento článek pojednává o praktickém cvičení z biofyziky 2. LF UK.

Dopplerovská sonografie (ultrasonografie) patří mezi běžné diagnostické metody v medicíně využívané k popisu záznamu toku krve v artériích. Je také známa jako dopplerovský ultrazvuk (DUS). V tomto článku se dozvíte více o teoretických principech dopplerovské sonografie i o postupu práce během biofyzikálních praktik 2. LF UK.

Teoretická část[upravit | editovat zdroj]

Jde o moderní, bezbolestnou a dnes již dobře přístupnou vyšetřovací metodu, která využíva dva principy a to Dopplerův jev a ultrazvuk. Vynálezcem této metody byl rakouský matematik, profesor Christian Doppler (1803-1853). Každodenně se používá při vyšetřování cév krku, končetin a orgánů (například vyšetření křečových žil, trombóz, tepenných uzávěrů dolních končetin a horních končetin, cév v hlavě a mozku), ale také v porodnické a novorozenecké medicíně. Lékaři považují Dopplerovu sonografii za velký pokrok v diagnostice cévních chorob. Je zde však stále otevřená otázka, zda můžeme tuto metodu považovat za opravdu bezpečnou hlavně při využívání ultrazvuku v těhotenství.

Výhodou tohoto postupu je, že vyšetření nevyžaduje ozáření pacienta ionizovaným ani vysokoenergetickým zářením. Další výhodou je cena vyšetření, která je o mnoho nižší než cena vyšetření pomocí srovnatelných zobrazovacích metod a dále také jeho široké využití.

Nevýhoda metody je spatřována v nízké prostupnosti oblastmi s rozhraním s rozdílnými akustickými impedancemi (např. podkožní tuk, plyn ve třevě či plicní parenchym).

Ultrazvuk je druh mechanického vlnění s frekvencí vyšší než 16 kHz[1], který je pro lidské ucho neslyšitelný. Více informací o ultrazvuku naleznete zde.

Dopplerův jev[upravit | editovat zdroj]

Dopplerův efekt znázorněný pomocí výšky sirény přibližující a vzdalující se sanitky.

Dopplerův jev je jev, který spočívá ve změně frekvence a vlnové délky přijímaného signálu oproti signálu vysílanému. Jeho důvodem je nenulová vzájemná rychlost vysílače a přijímače (pozorovatele). Dopplerův jev můžeme v praxi pozorovat při změně výšky tonů vydávaných sirénou na střeše projíždějícího vozidla. Jestliže se vozidlo přibližuje, vnímáme zvuk vyšší (kratší vlnová délka, vyšší frekvence), pokud se naopak oddaluje, vnímáme zvuk nižší (delší vlnová délka, nižší frekvence). Tento jev je využíván například při měření rychlosti automobilu pomocí radaru. Dopplerův jev ovlivňuje jak vlny zvukové, tak i elektromagnetické, což je využíváno zejména v astronomii při vzájemných pohybech Země a vesmírných těles. Kratší interval znamená větší počet vln za sekundu, a tedy vyšší frekvenci. V případě světla to znamená, že spektrum vzdalující se hvězdy bude přesunuto směrem k červené barvě. [2]Využitím Dopplerova jevu lze dobře sledovat pohybující se akustické rozhraní, například pohyb srdečních chlopní.[3]

Během dopplerovské sonografie se využívá Dopplerova jevu při srážce ultrazvukové vlny se základními odrazovými strukturami v proudící krvi - erytrocyty, které fungují jako bodové zdroje rozptylu vlnění a mají za důsledek vznik kruhových vlnoploch, šířích se do všech směrů. Pro vznik dopplerovského signálu je důležitá energie ultrazvukové vlny směrující zpět ke zdroji vlnění, která je nižší než energie vysílané ultrazvukové vlny. Rozdíl mezi vysílanou frekvencí zdroje vlnění a přijímanou se nazývá dopplerovský frekvenční posun (Δf).

Δ f = \frac{2 v f {\cos {\alpha}} }{c}

c    rychlost šíření UZ v daném prostředí α     dopplerovský úhel (mezi směrem dopadajícího UZ paprsku a směrem toku) v    rychlost toku f0     vysílaná frekvence fr     přijímaná frekvence v.cosα   vektorová složka rychlosti toku rovnoběžná se směrem šíření UZ

Cílem Dopplerovských metod je měření rychlosti pohybujících se struktur. Jedná se především o měření rychlosti toku krve a v kombinaci s 2D zobrazením neinvazivní měření průtoku krve.

  1. Spojité dopplerovské zobrazení - při tomto zobrazení je nutné použít odděleného vysílače a přijímače ultrazvukového vlnění vhodně akusticky oddělených
  2. Pulzní dopplerovské metody - využívají se v kombinaci s echografickými metodám.

Dopplerův jev v medicíně[upravit | editovat zdroj]

Základními odrazovými strukturami v proudící krvi jsou erytrocyty. Vzhledem k tomu, že jejich velikost je podstatně menší než vlnová délka dopadajících ultrazvukových vln, působí erytrocyty spíše jako bodové zdroje rozptylu, které dávají vznik kruhovým vlnoplochám, šířícím se všemi směry. Tyto vlny mezi sebou interferují a dochází k jejich časové i prostorové sumaci. Pro vznik dopplerovského signálu je rozhodující ta část energie ultrazvukové vlny, která se odráží zpět ke zdroji. Amplituda odražené vlny je úměrná druhé mocnině celkového počtu elementárních reflektorů (erytrocytů). Frekvence odražené vlny se v důsledku pohybu reflektorů liší od vyslané. Teče-li krev směrem ke zdroji vlnění – k ultrazvukové sondě, pak frekvence odraženého vlnění je vyšší než vysílaná frekvence, teče-li krev směrem od zdroje vlnění, frekvence je nižší. 

Skutečná rychlost toku krve závisí na dopplerovském frekvenčním posunu Δf a dopplerovském úhlu a (svíraném směrem dopplerovského svazku a směrem pohybu pohybující se struktury, např. toku krve). Úhel dopadu dopplerovského signálu vzhledem ke směru pohybu v místě měření ovlivňuje tvar spektrální rychlostní křivky. Podcenění významu dopplerovského úhlu může vést ke značným chybám při měření rychlostí, které jsou kritické při úhlech vyšších než 60o

Ukázková nízkoodporová vs. vysokoodporová křivka při Dopplerovsém měření.

Dopplerovské sonografie se využívá k jiným vyšetřením, např.: k odhalování tzv. silent bubbles,[4] které mohou být průvodním znakem dekompresní nemoci vznikající při špatných postupech během přístrojového potápění

Dopplerovské systémy[upravit | editovat zdroj]

Dopplerovské systémy jsou v současné době konstruované jako směrové. U nich je rychlost toku směrem k sondě označována jako dopředná, směrem od sondy jako zpětná. Cévy a jejich větvení kladou krevnímu proudu určitý mechanický odpor, který je analogický odporu, který kladou elektrickému proudu vodiče. Periferní cévní odpor je nepřímo úměrný 4. mocnině poloměru cévy. Geometrie cévy určuje nejen velikost periferního odporu, ale ovlivňuje při ustáleném proudění i charakter toku. Pokud rychlost v zúženém místě překročí určitou kritickou hodnotu, laminární proudění se změní v turbulentní – vířivé. Rychlostní profil se v místě turbulence oplošťuje, čímž vzniká velký rychlostní gradient v sousedství cévní stěny. V barevném obraze se turbulentní proudění projeví mozaikou obrazových strukturních jednotek různých barev, svědčící o různosměrných tocích. Na rozdíl od stacionárního proudění, při němž je tekutina uváděna do pohybu stále stejnou silou, má proudění krve v cévním systému pulsační charakter. V období systoly dochází k akceleraci toku s maximem rychlosti, v období diastoly dochází k jeho deceleraci s minimální rychlostí na konci diastoly. Souvislý pulsační tok je udržován díky pružníkovým vlastnostem aorty a některých dalších velkých cév. Tyto artérie představují krevní rezervoár a díky pružnosti svých stěn transformují v průběhu systoly dočasně část kinetické energie proudící krve v jejich pružné napětí a v diastole tuto energii opět proudící krvi vracejí. Dalším faktorem ovlivňujícím pulsační charakter toku krve a tedy i dopplerovské spektrum, je periferní cévní odpor. Podle toho rozlišujeme křivky nízkoodporové (artérie zásobující mozek a parenchymatosní orgány) a vysokoodporové (artérie zásobující kosterní svaly). 

Obvykle nezískáme skutečné rychlosti, ale pouze složky rychlosti ve směru k sondě nebo od sondy. Proto pokud bude sonda měřící průtok krve cévou umístěna kolmo na cévu, naměří nulovou rychlost. Odraz vzniká na stěně cévy a dále při průchodu krví (suspenzí krvinek) dochází k jevu rozptylu zejména na erytrocytech – množství vlnění, které se dostane zpět k sondě je malé (krev je téměř anechogenní), ale stačí k určení posunu frekvence; z něj lze odvodit rychlost toku krve i charakter proudění (laminární, turbulentní). 

Spektrální dopplerovská křivka umožňuje semikvantitativní analýzu krevního toku a posouzení hemodynamiky. Pro odpovědné posouzení hemodynamických změn je nezbytné určit některé parametry dopplerovských spektrálních křivek. Patří sem maximální systolická rychlost S, minimální diastolická rychlost D, poměr S/D (systolic/diastolic ratio), akcelerační index AI (acceleration index), akcelerační čas AT (acceleration time), pulsační index PI (pulsatility index) a odporový index RI (resistivity index, resistance index). Tyto parametry mají velkou diagnostickou cenu za předpokladu, že měření je dostatečně přesné. Velmi důležité je správné nastavení tzv. dopplerovského úhlu, tj. úhlu mezi směrem toku a doplerovským svazkem. Význam těchto kvantitativních parametrů vynikne při jejich komplexním zhodnocení s přihlédnutím k anamnéze a aktuálnímu klinickému stavu pacienta. Isolované použití jen jediného parametru může ale vést k diagnostickému omylu. Po označení průběhu rychlostní křivky přístroj vypočítá uvedené hodnoty automaticky. 

Definice některých parametrů[upravit | editovat zdroj]

Maximální systolická rychlost S – maximální rychlost v systole. Většinou tato rychlost odpovídá časnému systolickému píku (ESP – early systolic peak).

Minimální diastolická rychlost D (telediastolická rychlost) – rychlost toku na konci diastoly.

Mean velocity Vmean, okamžitá nebo za časový úsek. Určení okamžité hodnoty je většinou založeno na analýze dopplerovského spektra – rychlosti jsou váženy amplitudami ech, která jsou určena počtem červených krvinek podílejících se na vzniku ech. Průměrná rychlost za časový úsek je pak průměrem okamžitých rychlostí za časový úsek, obvykle alespoň jeden srdeční cyklus.

Poměr S/D (systolic/diastolic ratio) – poměr maximální systolické rychlosti S a rychlosti toku na konci diastoly D.

Odporový index RI (resistivity index, resistance index) – rozdíl maximální systolické rychlosti S a rychlosti toku na konci diastoly D, dělený maximální systolickou rychlostí S. Zvyšování periferního odporu vede ke snižování diastolické rychlosti a hodnota odporového indexu se zvyšuje. Odporový index může poskytnout informace o periferním odporu i v částech vyšetřovaného povodí, které nejsou přístupny přímému pozorování.

Pulzační index PI (pulsatility index), tepový index – rozdíl maximální systolické rychlosti S a rychlosti toku na konci diastoly D, dělený průměrnou rychlostí (mean velocity, Vmean); vyjadřuje energii pulzačně proudící krve. Pro jednotlivé artérie má poněkud odlišné hodnoty a jeho diagnostický význam není zatím ještě zcela doceněn.

Srdeční frekvence HR (heart rate) je počet srdečních stahů za časovou jednotku, nejčastěji za minutu. HR = 1/T, kde T je délka srdeční periody.

Obecně lze dopplerovské měření provádět ve dvou módech.

Systémy s nemodulovanou nosnou vlnou[upravit | editovat zdroj]

Jiným názvem spojité (kontinuální) dopplerovské zobrazení – (CW; continuous wave). Mají vyšetřovací sondu se dvěma elektroakustickými měniči, z nichž jeden funguje trvale jako vysílač, druhý jako přijímač. Oba měniče bývají vůči sobě skloněny ve velmi tupém úhlu tak, aby se oba svazky, vysílaný i přijímaný, překrývaly v tzv. citlivé oblasti, která je poměrně dlouhá (i několik cm). Vysílač s jedním měničem spojitě generuje akustický signál, nelze ho proto přepínat do režimu přijímače. Pro rychlosti toku krve je frekvenční posun ve slyšitelné oblasti, dopplerovské průtokoměry jsou vybaveny akustickým výstupem. Vzhledem k tomu, že jsou zachycovány signály toku vycházejících z různých hloubek, není možné odlišit rychlosti toku v jednotlivých cévách. Přístroje jsou jednoduché a cenově dostupné, nelze ale zobrazit uspořádání a umístění sledovaných cév, jejich překryv atd. Metoda se používá především ke sledování toku krve v končetinách.

Systémy s impulsně modulovanou nosnou vlnou[upravit | editovat zdroj]

Zkratkou pro tyto systémy je PW, podle anglického pulsed wave. Vysílající měnič vysílá v pulzech. Systémy s modulovanou nosnou vlnou jsou kombinací impulsně vysílaného ultrazvukového signálu a směrové detekce jeho odrazů od proudící krve, která se uskutečňuje v úseku mezi vysílanými impulsy. Na rozdíl od ultrazvukových zobrazovacích impulsů mají dopplerovské impulsy poněkud větší délku a jsou vysílány s větší opakovací frekvencí. Mód umožňuje měřit nejen změnu frekvence mezi vysílaným a přijímaným signálem, ale i dobu, za jakou se odražený signál vrátil k sondě. Časová prodleva mezi vysláním impulsu a zachycením jeho odrazu určuje hloubku, v níž lze měřit rychlost toku. To umožňuje určit nejen rychlost toku, ale i hloubku, ve které došlo k odrazu. Přístroje umožňují přímkami zobrazit směr šíření ultrazvukové vlny i označit směr toku krve; to vede k automatickému odečtení úhlu svíraného těmito přímkami. Lze také vymezit oblast, ve které je rychlost měřena – tzv. vzorkovací objem. To umožňuje sledovat i rozložení rychlosti. Velikost vzorkovacího objemu (gate) a jeho umístění v cévě ovlivňuje výsledek měření rychlosti toku. Úzký vzorkovací objem, umístěný v centru tepny, měří maximální rychlost, široký, zahrnující celý průměr cévy, rychlost průměrnou. Dopplerovské měření v PW módu je možné na většině běžně používaných přístrojů, výsledek se zobrazuje jako dvojrozměrný obraz naměřených rychlostí. Výhodou této metody je možnost měření rychlostních parametrů ve zvolené hloubce, aniž je toto měření negativně ovlivňováno toky v jiných cévách, ležících mezi sondou a vzorkovacím objemem.


Více informací o dopplerovských systémech a fyzikálním principu dopplerovské sonografie naleznete zde.

Praktická část[upravit | editovat zdroj]

Dopplerovský ultrazvukový měřící přístroj MTB HiDop 360

Vybavení[upravit | editovat zdroj]

  • dopplerovský ultrazvukový měřicí přístroj Bidop Hadeco ES-100V3
  • sonda
  • kabel k sondě
  • gel pro ultrazvukové vyšetření
  • program na PC Smart-V-Link 4.1, program Gimp 8.2

Postup práce[upravit | editovat zdroj]

Během těchto praktik pracujeme s přenosným dopplerovským ultrazvukovým měřícím přístrojem Bidop Hadeco (ES-100V3).

  1. Není-li již propojen, propojíme přístroj Bidop s počítačem pomocí USB kabelu. Na přístroji jsou pouze dva porty s celkem intuitivním označením, pro propojení s počítačem použijeme port u něhož je symbol výstupu.
  2. Spustíme program Smart-V-Link, jehož zástupce nalezneme na ploše.Vyplníme údaje na úvodní stránce. Nevěnujeme pozornost automaticky vypočítávaným údajům, vše vyplníme manuálně (stačí základní údaje, jedná se spíše o formalitu) a uložímě. Pokračujeme na hlavní stránku programu.
  3. Sejmeme ze sondy černou krytku.
  4. Podržíme tlačítko na sondě pro její zapnutí.
  5. V Nastavení nastavíme komunikaci přístroje s počítačem (COM). Přístoj se může připojit přes jakýkoliv port. Aby možnost byla dostupná, je nutné zapnout měřící přistroj. V případě, že se možnost nezobrazí ani po zapnutí přistroje, stiskneme tlačítko Search Comm. Vrátíme se zpět na hlavní obrazovku.
  6. Sondu opatříme tenkou vrstvou gelu (cca 3 mm).
  7. Pro potřeby praktika se nám jako nejvhodnější jevila nabídka Individuální křivka (Individual waveform), nezavrhujeme však možnost prozkoumání ostatních nabídek. Alternativní možností je např.: Žilní Doppler. Zde je možnost měřit na obou končetinách a jejich následné srovnání.
  8. Dvakrát klikneme do šedého pole na obrazovce, přístroj sám začne měřit a hodnoty se nám zobrazují na obrazovce jako vlnící se křivka.
  9. Sondu přiložíme pod úhlem zhruba 45 ° k ruce vyšetřovaného proti směru toku krve. Snažíme se nalézt arterii radialis. Jako nejvhodnější místo se nám osvědčila loketní jamka.
  10. Kolečkem na přístroji upravíme hlasitost, abychom se podle sluchu mohli dobře orientovat. Když nalezneme správné místo, v šumu, který sonda běžně vydává, začne být výrazně slyšet zvuk připomínající švihání bičem.
  11. Sondu zafixujeme a čekáme, dokud pole na obrazovce celé nevyplní periodicky se vlnící křivka. Měříme, dokud nemáme alespoň 5 QRS komplexů (,,peaků" grafu), poté měření ukončíme krátkým stisknutím tlačítka na sondě nebo kliknutím myší do prostoru načítajícího se grafu.
  12. Poté stiskneme Rozhodnutí (Decision), zobrazí se nám v horní částí obrazovky hodnoty, které je později nutné vyplnit do protokolu. Graf uložíme přes PrintScreen na klávesnici. Lze jej rovnou i vytisknout.
  13. Výsledky obou měření resp. Individuální křivka, Žilní Doppler se ukládají do stejné karty pacienta. Je možnost vytisknout oboje dvoje měření na jednou.
Screenshot naměřeného grafu v programu Smart-V-Link 4.1 ukazující ukázkové peaky. Pro další práci jich potřebujeme min. 5 takových.

Postup zpracování výsledků individuálního měření[upravit | editovat zdroj]

  1. Po ukončení měření v programu Smart-V-Link a zobrazení výsledků použijeme Print screen - stiskneme klávesu PrtSc.
  2. PrintScreen grafu vložíme do programu GIMP (Ctrl+v), ve kterém budeme odečítat hodnoty pro excelový protokol. 
  3. Obrázek ořízneme buď rovnou zvolením nástroje Ořez (Ctrl+C) v liště nástrojů nebo cestou: Nástroje → Nástroje transformace → Ořezání a rozměry.
  4. Excelovou tabulku „Doppler new“ zkopírujte na plochu a přejmenujte dle názvu své skupiny. Až poté otevřete a do žlutých polí budete zapisovat výsledky měření.
  5. Nejprve proveďte kalibraci. Kurzor umístěte do bodu 0, na dolní liště se zobrazí hodnoty X:Y, zapište je do první tabulky. Tímto způsobem vyplňte všechny předepsané hodnoty. (pozn.: konec diastoly je roven začátku systoly).
  6. Vpravo dole se v tabulce spočítají manuálně získané hodnoty, do žlutých políček vedle opište automatické hodnoty z programu Smart, které se zobrazí po kliknutí na ikonu Decision.
  7. Výsledky porovnejte.
  8. Tabulku vytiskněte.
  9. Soubor uložíme: File->Save asa uložíme ve formátu .bmp na plochu (kvůli snazšímu přístupu). Tím je soubor připraven k tisk
    Závěrečný protokol sloužící k porovnání autmaticky a manuálně změřených hodnot.

Parametry změřené pulsové vlny:

Důležité poznámky k experimentální části[upravit | editovat zdroj]

  • Nepoužívejte přístroj v oblasti hrudníku, břicha, hlavy a krku.
  • Pro zamezení nežádoucího odrazu ultrazvukových vln naneste na místo kontaktu sondy s tělem vyšetřovaného asi 3 mm vrstvu gelu. Jakmile začne gel vysychat, aplikujte nový. Gel ale nesmí pokrývat příliš rozsáhlou plochu, sonda pak špatně snímá.
  • Pomocí sondy opatrně a trpělivě vyhledejte signál. Místo pro vyšetření je dobré předem určit např. pohmatem jako místo, kde přiloženými prsty ucítíte puls.
  • Po nalezení vhodného místa měření sondou nepohybujte (na rozdíl od klasické sonografie).
  • V programu mohou neočekávaně přestat fungovat jednotlivá tlačítka (nereagují). Obvykle lze problém vyřešit restartováním programu.

Protokol[upravit | editovat zdroj]

  • Pro vypracování protokolu použijeme excelovou tabulku. Již před začátkem měření můžeme vyplnit kolonky popisující pořadí praktika, číslo týmu, datum a jméno vyšetřovaného.
  • Naměřené hodnoty zapisujeme v průběhu vyšetření rovnou do tabulky.
  • V diskuzi můžeme porovnat námi spočtené hodnoty s hodnotami automaticky spočtenými a teoretické předpoklady s naším měřením. Dále uvedeme okolnost mající vliv na výsledek vyšetření.
  • V závěru stručně uvedeme, zda výsledek našeho měření odpovídá normálnímu nálezu a jestli byla naměřena nízkoodporová nebo vysokoodporová křivka. Vyplněný formulář uložíme a vložíme na určené místo.
  • S protokolem odevzdejte vytištěný graf a excelovou tabulku.

Videotutoriál[upravit | editovat zdroj]

Reference[upravit | editovat zdroj]

  1. SVOBODA, Emanuel, et al. Přehled středoškolské fyziky. 4. vydání. Prometheus, 2006. 532 s. Kapitola 4.3
    Zvukové vlnění. s. 232. ISBN 978-80-7196-307-3.
  2. HAWKING, Stephen, Stručná historie času v obrazech, 1.vydání, Argo 2002, 256 s. ISBN-80-7203-422-7
  3. NAVRÁTIL, Leoš a Jozef ROSINA, et al. Medicínská biofyzika. 1. vydání. Praha : Grada, 2005. 524 s. ISBN 80-247-1152-4
  4. BLOGG, Sl, GENNSER, M. et. al. Ultrasound detection of vascular decompression bubbles: the influence of new technology and considerations on bubble load. Diving Hyperb Med. 2014 Mar;44(1):35-44. PMID: 24687484

Zdroje[upravit | editovat zdroj]

  • AMLER, Evžen, et al. Praktické úlohy z biofyziky I. 1. vydání. Ústav biofyziky 2. LF UK, 2006. 
  • NAVRÁTIL, Leoš a Jozef ROSINA, et al. Medicínská biofyzika. 1. vydání. Praha : Grada, 2005. 524 s. ISBN 80-247-1152-4.
  • SVOBODA, Emanuel, et al. Přehled středoškolské fyziky. 4. vydání. Prometheus, 2006. 532 s. ISBN 978-80-7196-307-3.
  • HRAZDIRA, Ivo. Úvod do Ultrasonografie v otázkách a odpovědích pro studenty lékařské fakulty. 2008 36s.
  • BLOGG, Sl, GENNSER, M. et. al. Ultrasound detection of vascular decompression bubbles: the influence of new technology and considerations on bubble load. Diving Hyperb Med. 2014 Mar;44(1):35-44. PMID: 24687484