Quantitative Doppler analysis using color flow imaging and adaptive signal processing
Doctoral thesis
Permanent lenke
http://hdl.handle.net/11250/2454296Utgivelsesdato
2017Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Kvantitative Doppler-m˚alinger fra farge-Doppler ved bruk av adaptiv
signalprosessering
Medisinsk ultralyd er et viktig verktøy i obstetrikk for ˚a vurdere mors helse
og fosterets utvikling gjennom svangerskapet. Doppler-ultralyd brukes for ˚a
estimere blodstrømshastigheter og i svangerskap kan Dopplerm˚alinger fra blant
annet navlesnoren avsløre risikosvangerskap. Ultralydskannere er relativt billige og
svangerskapsultralyd er et vanlig tilbud til gravide i industrialiserte land, mens det i
utviklingsland er mangel p˚a b˚ade ultralydskannere og kvalifiserte operatører.
M˚alet gjennom doktorgradsarbeidet har vært ˚a utvikle Doppler-metoder som kan
effektivisere arbeidsflyt og gi kvantitative Dopplerm˚alinger automatisk, spesielt for
uerfarne operatører. Metodene skal være implementerbare ogs˚a p˚a billige, uvanserte
skannere som ofte er aktuelle for utviklingsland. Farge-Doppler brukes i dag som en
kvalitativ metode som visualiserer blodstrøm. I dette arbeidet har de kvantitative
mulighetene til farge-Doppler blitt undersøkt, spesielt med tanke p˚a nøyaktighet og
bilderate. N˚ar flere avbildningssekvenser brukes samtidig (duplex/triplex mode),
synker bilderaten drastisk, noe som kan motvirkes ved ˚a avbilde et mindre omr˚ade
og bruke mindre data til hastighetsestimering. For ˚a unng˚a triplex-sekvenser, ble det
dermed først undersøkt om adaptiv spektralestimering kunne brukes til ˚a estimere
middelhastigheten til blodstrømmen slik som i farge-Doppler. Det ble vist at dette
kunne gjøres selv uten ˚a m˚atte filtrere bort vevssignalet først, noe som ga mer
nøyaktige hastighetsestimat for de lavere blodstrømshastighetene som ellers ville blitt
ødelagt av vevsfilteret ved bruk av farge-Doppler.
For ˚a effektivisere arbeidsflyt og unng˚a duplex/triplex-sekvenser, er det deretter
utviklet en metode som gir hastighetsspekter fra alle punkt i farge-Dopplerbildet ved
hjelp av adaptiv spektralestimering og romlig midling. I tillegg ble det utviklet
en metode for ˚a estimere envelopen til hastighetsspektrene for ˚a lettere finne
maksimumshastigheter og relevante Dopplerindekser.
Den siste metoden som er presentert i dette doktorgradsarbeidet prøver˚a minimere
spredning i hastighetsspekteret for˚a unng˚a overestimering av maksimumshastigheter.
Metoden gir hastighetsspekter av høy kvalitet basert p˚a f˚a datapunkt som er forenelig
med farge-Doppler. En ultralydskanner med en kombinasjon av metodene som er
presentert i denne avhandlingen, vil oppn˚a en forbedret farge-Doppler-metode med
mulighet for kvantitative blodstrømsm˚alinger. Metoden vil være enkel ˚a ta i bruk og
kan redusere variasjoner i m˚alinger og mellom operatører. Medical ultrasound is an essential tool used routinely in obstetrics for assessing
fetal and maternal health. In particular, Doppler ultrasound and estimation of
relevant Doppler indices are crucial for identifying high risk pregnancies. Technological
advancements have made ultrasound systems relatively cheap and available for the
general population in developed countries. Due to economic hardship in developing
countries, however, both ultrasound scanners equipped with Doppler capabilities and
qualified personnel in the field of obstetrics are lacking.
The work presented here is aimed at providing Doppler methods that can
facilitate efficient work flow and automated quantitative analysis, in particular for the
inexperienced user, and that can be implemented on low/mid-end ultrasound scanners.
Specifically, the quantitative abilities of color flow imaging (CFI) were investigated,
where the accuracy of blood velocity estimation and trade-off towards frame rate was
investigated. The time-sharing approach in duplex and triplex imaging modes, where
acquisition of data for each mode is interleaved, limits the amount of available data for
blood velocity quantification. This decreases the frame rate, robustness of the velocity
estimates and the region where the velocities are estimated. A method that employs
adaptive spectral estimation methods was proposed for mean velocity estimation in
CFI without prior clutter filtering. It was shown that the method could decrease the
bias of the estimates in the transition region of the clutter filters where low blood
velocity estimates are corrupted.
In order to avoid switching between the scanning modes during examination,
and to provide quantitative analysis of the blood flow anywhere on the color flow
image, a method was proposed where the velocity spectra are estimated using
adaptive spectral estimators by utilizing 2-D spatial averaging. In addition, a spectral
envelope estimation method was developed to estimate the maximum velocities and
provide Doppler index estimation. The methods were evaluated with string phantom
experiments and in vivo acquisitions; it was shown that robust estimates could be
achieved with limited number of available samples as in conventional CFI (8-16).
Finally, a method to decrease spectral broadening in quantitative analysis was
proposed to alleviate overestimation of maximum velocities. The method requires
fewer samples than previous methods to achieve high spectral resolution and can
potentially be used with conventionally acquired CFI data. A system that combines
all the proposed methods can provide improved mean velocity estimates and more
easy-to-use analysis with a potential to decrease intra/inter-observer variability.