Imagerie Doppler - creatis.insa-lyon.frvray/OTSignal/Imavi_DopplerDV... · 1 Imagerie Doppler Didier VRAY, Creatis, INSA-Lyon [email protected]

1

Imagerie Doppler

Didier VRAY, Creatis, [email protected]

2

.

BibliographieCertaines illustrations présentées sont tirées des ouvrages suivants :

Ultrasonic Doppler modes, Piero Tortoli (Université de Florence, Italie)

PW and CW Doppler, short course, IEEE 2004 Ultrasonic Symposium, Hans Torp, NTNU, Trondeim, Norvège

Estimation of blood velocities using ultrasound, Jorgen Arendt JENSEN, Cambridge University Press, 1996, 317 p.

Vélocimétrie Doppler; applications en pharmacologie cardiovasculaire animale et clinique, Pierre Péronneau, Les Editions INSERM, 1991, 264 p.

Echographie Doppler des vaisseaux du cou et de l'encéphale, Jean Claude SADIk, Medecines-Sciences, Flammarion, 1995, 127 p.

Jens. E Wilhjelm http://www.oersted.dtu.dk/~jwHans Torp http://www.ntnu.no/~htorp/Christian Cachard http://www.creatis.insa-lyon.fr/~cachard/master_isDidier Vray http://www.creatis.insa-lyon.fr/~vray

.

3

4

5

6

7

8

La vélocimétrie ultrasonore

L’effet Doppler

9

10

Equipements Doppler

11

VELOCIMETRIE DOPPLER

- Principe de l ’effet Doppler

- Système vasculaire

- Interaction des ultrasons avec le sang

- Système à émission continue

- Système à émission pulsée

- Doppler couleur

v

8 à 9 µm

2 à 3 µm

12

L ’effet Doppler

E R E R E R

Émetteur et récepteur fixe

fr = f0

Émetteur se rapprochant du récepteur

fr > f0

Émetteur s’éloignantdu récepteur

fr < f0

13

Principe de l ’effet Doppler

La fréquence des ultrasons réfléchis par une particule en mouvement diffère de la fréquence des ultrasons émis

onde émise à la fréquence f1 par l'obstacle

1

e

0 fcosθvc

fc −==λλλλ

rfc

1frθcosvc

=−

émetteur récepteur

θe

θr

v

14

Fréquence Doppler : différence entre la fréquence reçue et la

fréquence émise.

émetteur récepteur

θe

θr

v

( )ecosθrcosθcv

0f0frfF −=−=

Principe de l ’effet Doppler

( )rcosθvc

ecosθrcosθv0f0frfF

−−

=−=

Si c >> v cos θr alors

15

1cosθc

v0

f2F −=Dopp

Principe de l ’effet Doppler

Si un seul traducteur en émission-réception, alors θ1 = θ2

)1

cosθ2(c

v

0f

FDopp −=ou:

16

Système vasculaire

Vitesse du sang

Vaisseau vitesses vitesseextrêmes (cm/s) moyenne (cm/s)

aorte montante 20 - 290 10 - 40aorte descendante 25 - 250 10 - 40 aorte abdominale 50 - 60 8 - 20artère fémorale 100 - 120 10 - 15artérioles 0.5 - 1capillaires sanguins 0.02 - 0.17veine cave inférieure 15 - 40

78

910

1110

3

21

4

56

6

17

Interaction des ultrasons avec le sang

transducteur émetteur récepteur de 3 MHz incliné de 45°.

vitesse du sang (m/s)

décalage Doppler (Hz)

0.01 0.10 1.00

28 280 2800

18

un émetteur qui fonctionne en permanence

un récepteur en écoute

p(t): signal rétrodiffusé par les structures fixes, il est à la fréquence du signal émis

d(t): signal rétrodiffusé par les structures mobiles, il contient l'information Doppler

( )

++=+= t

DtDtPtdtpt

rs ωωω

0cos

00cos

0)()(

Système à émission continueCW Doppler (Continuous Wave Doppler)

19

Système à émission continue

a – signal reçu

b – spectre du signal reçu

( ) ( ) ( )

++=+= t

DtDtPtdtpt

rs ωωω

0cos

00cos

0

un filtrage sélectif du signal n'est pas envisageable

20

Démodulation analogique

Le signal reçu est multiplié par deux signaux en quadrature sur les voies 1 et 2 en parallèle :

( ) tRtr 0cos01 ωωωω= ( ) tRtr 0sin02 ωωωω=

Calculer les signaux obtenus après le multiplieur.

On obtient une composantes en ωD et des composantes en 2 ω0

21

Système à émission continue

( ) tD

DRtw ωωωωcos

200

1 = ( ) tD

DRtw ωωωωsin

200

2 =

Les multiplieurs sont suivis de filtres passe bas afin d'éliminer les composantes hautes fréquences :

Un filtre passe haut à 10 kHz.

22

Mouvement des organes

Influence du mouvement des parois du vaisseau qui se déplace àune vitesse de 5 à 10 mm/s ?

Une fréquence Doppler de 10 à 30 Hz

Filtre de paroi (passe haut) réglable

23

Spectre fréquentiel d ’un signal Doppler

24

Schéma d’un vélocimètre à émission continue

f0

f0

f0+fD

émetteur

90°

détecteur

amplificateur

sortie

sin ωωωωD t

cos ωωωω0 0 0 0 t

Cos (ωωωω0 t+ωωωωDt)

audiosonogramme

récepteur

cos ωωωωD t

25

Détecteur de signe

Exemple d’un flux rentrant

90°

90°

Σ

Σ

flux sortant

flux rentrantcos ωωωωDt

sin ωωωωDt

cos (ωωωωDt-ππππ/2)

-sin ωωωωDt

cos ωdt

2 cos ωωωωDt

0

cos (ωωωω0 t+ ωωωωDt)

cos ωωωω0000t

sin ωωωω0000t

Signal Doppler

26

Affichage du spectre Doppler instantané : sonogramme

temps

fréq

uenc

e

vite

sse

27

Système à émission pulséePW Doppler (Pulsed Wave Doppler)

un émetteur émet périodiquement un train d'ondes de courte durée

un seul traducteur fonctionnant en émetteur-récepteur est nécessaire

la fréquence de répétition des tirs est appelée PRF (Pulse Repetition Frequency)

la vitesse est généralement calculée sur un signal moyenné entre 4 et 64 tirs

28

Doppler continu ou Doppler pulsé

29

Système à émission pulsée

Principe d’un vélocimètre Doppler à émission pulsée

30

Système à émission pulsée

signal émis : e(t)=g(t)sin(2πf0t)

g(t) = 1, si 0 < t < M/f0 M: nombre de périodes

0, sinon

Pulse Repetition Frequency : 1 / TPRF

e(t)

TTPRFPRF

M/f0

31

Système à émission pulsée. Synchronisation Emission-réception

émission

fenêtre sur le signal de réception

échantillonnage

TPRF

Cellule de mesure à d0,Volume échantillon c

dTPRF

02>

TS

32

ts : retard entre deux signaux reçus

∑−

=

−−−=1N

0i

0sPRF c

d2itiTtea)t(r

PRFs Tc

v2t = )tt(r)t(r s12 −=

Bf2

f

2

cv

0

PRFmax +

=

signal reçu : N : nombre de signaux émis

D ’où la vitesse maximale qu’il est possible d’estimer :

Fréquence d’échantillonnage fPRF> 2fmax

Système à émission pulséeVitesse maximale estimée

33

Système à émission pulsée

Principe

or

donc

λ∆=φ∆ R2

θ=∆ cosv.TR PRF

θ=φ∆ cosTfc

v2PRF0

θ= cosfc

v2f 0d

PRFdTf=φ∆)i2sin()i(y φ∆π=

34

35

36

37

Schéma d ’un système à émission pulsée

f0

transducteur

synchronisation

amplificateur

porte

échantillonneur

ADC

bloqueur

Tprf

Tprf

E/B

e(t)

r(t)

y(i)

38

Les systèmes DuplexEcho-Doppler (Duplex) PW systems

• Une ligne est supperposée au mode B. Elle est observée en mode M

• Sur cette ligne un échantillon est sélectionné

39

Doppler couleur

Doppler couleur (ou imagerie en Doppler bi-dimentionnelle)

L ’information Doppler est calculée sur plusieurs lignes RF adjacentesDéfinition par l ’utilisateur d ’une aire sur laquelle la vitesse est calculée

Les informations en provenance des diffuseurs en mouvement sont codées en couleur et sont superposées aux images mode B en niveau de gris.

les éléments de l'image en mode B en mouvement sont codés en rouge ou en bleu:les flux se dirigeant vers la sonde sont visualisés en rouge les flux s'éloignant de la sonde en bleu.

40

Doppler couleur

Deux types différents d'émission ultrasonore sont nécessaires: l'un pour obtenir l'image B en échelle de gris, l'autre pour obtenir le décalage fréquentiel.

La fréquence Doppler est calculée sur le moyennage de 15 à 16 tirs

41

42

Décorrélation des signaux

Color Velocity Imaging (CVI)

θcos2cvTt=

43

Décorrélation des signaux

Cette technique nécessite 4 à 5 tirs comparativement à 15 ou 16 pour le mode Doppler.

Cette méthode permet, en Doppler couleur, de passer de 32 à 128 lignes de mesure, donc moins d ’interpolation entre les lignes

44

Les facteurs techniques sources d ’erreurs

La vitesse de la cible est fonction :

de la fréquence Doppler,

de la fréquence d'émission,

de la célérité des ultrasons dans le corps humain

de l'angle formé entre la direction de déplacement de la cible et le faisceau ultrasonore.

L'erreur commise sur la valeur de chacun de ces paramètres se retrouve directement sur l'estimation de la vitesse.

ecvfF θcos2 0−=

45

L ’angle de tir

si θ1 = π/2 ⇒ le cosinus est nul.

⇒ la fréquence Doppler est nulle

pour éviter une erreur importante l'angle de tir doit être inférieur à 60°.

En pratique la divergence du faisceau permet d ’obtenir une information

46

47

La fréquence d ’émission

Lors de la propagation dans les tissus la fréquence de l'onde émise fluctue à cause des phénomènes d'atténuation, de diffusion (le milieu de propagation se comporte comme un filtre passe-bas).

Le décalage fréquentiel des échos n'est donc pas imputable uniquement à l'effet Doppler.

48

La fréquence de répétition des tirs

Lorsque le temps entre deux tirs est trop faible (PRF élevée) les échos provenant de structures profondes peuvent être analysés sur un cycle d'échantillonnage ultérieur.

⇒ des images en "miroir".

49

Le volume de mesure

Doppler continu

le volume de mesure est défini par l'intersection des faisceaux ultrasonores des deux traducteurs.

le signal Doppler contient les fréquences relatives à toutes les cibles en mouvement dans ce volume.

Doppler pulsé

le volume de mesure est défini par la section du faisceau ultrasonore et la durée de la fenêtre temporelle choisie par l'opérateur.

la fenêtre temporelle doit être ajusté à la largeur du vaisseausi la dimension est inférieure au diamètre du vaisseau le spectre fréquentiel du signal Doppler est amputé d'une partie des composantes. si la fenêtre est trop large le signal peut être parasité par la présence d'un autre vaisseau.

50

Le volume de mesure

51

Spectre fréquentiel

52

Le filtre de paroi

Le filtre de paroi est un filtre de type passe haut

si ce filtre est mal ajusté, les faibles écoulements peuvent être éliminés

53

L ’échelle de vitesses

La vitesse minimale est fixée par le choix de la fréquence de coupure du filtre de paroi.

en Doppler pulsé la gamme de vitesses est fonction de la PRF.

plus la PRF est élevée, plus la vitesse maximale mesurable est importante;en cas d'échelle de vitesse insuffisante, il y a un repliement du spectre Doppler.

54

Power Doppler mode• For each scan line, the

powerof Doppler echoes isdetected:

– All movements (including “slow” blood and tissue movements) are detected

– High S/N (averaging)

– Ideal for small vessels

– Qualitative(magnitude and direction are ignored)

Same hardware as for Doppler imaging: software differences

55

56

.

BibliographieCertaines illustrations présentées sont tirées des ouvrages suivants :

Ultrasonic Doppler modes, Piero Tortoli (Université de Florence, Italie)

PW and CW Doppler, short course, IEEE 2004 Ultrasonic Symposium, Hans Torp, NTNU, Trondeim, Norvège

Estimation of blood velocities using ultrasound, Jorgen Arendt JENSEN, Cambridge University Press, 1996, 317 p.

Vélocimétrie Doppler; applications en pharmacologie cardiovasculaire animale et clinique, Pierre Péronneau, Les Editions INSERM, 1991, 264 p.

Echographie Doppler des vaisseaux du cou et de l'encéphale, Jean Claude SADIk, Medecines-Sciences, Flammarion, 1995, 127 p.

Jens. E Wilhjelm http://www.oersted.dtu.dk/~jwHans Torp http://www.ntnu.no/~htorp/Christian Cachard http://www.creatis.insa-lyon.fr/~cachard/master_isDidier Vray http://www.creatis.insa-lyon.fr/~vray

.

57

58

59

60