Quantitative Doppler analysis using color flow imaging and adaptive signal processing

Abstract

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.