ITMI952412A1 - Metodo per il calcolo della velocita' del sangue e della dispersione della velocita' del sangue da segnali doppler a commutazione multipla - Google Patents
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Abstract
Un metodo per la stima della velocità basato su un segnale Doppler demodulato complesso in un Doppler a commutazione multipla. Il metodo è basato sulle stime della funzione di autocorrelazione del segnale Doppler demodulato complesso. Il contributo alla funzione di correlazione dato dal segnale del ricevitore viene trovato misurando il rumore in assenza di segnali eco. I valori ottenuti vengono sottratti dalle stime di correlazione prima della ulteriore elaborazione. Dalla fase della funzione di autocorrelazione si ricava mediante calcolo un numero limitato di candidati per la velocità vera.
Description
Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo: "METODO PER IL CALCOLO DELLA VELOCITA' DEL SANGUE E DELLA DISPERSIONE DELLA VELOCITA' DEL SANGUE DA SEGNALI DOPPLER A COMMUTAZIONE MULTIPLA"
La presente invenzione riguarda sistemi diagnostici a ultrasuoni che misurano il flusso di fluidi tramite un'indagine Doppler, e più in particolare metodi di elaborazione del segnale per il calcolo dei parametri di campo della velocità del sangue da usarsi in sistemi per la produzione di immagini a colori del flusso mediante ultrasuoni.
Nella produzione di immagini del flusso sanguigno mediante Doppler a ultrasuoni bidimensionale, da stime di autocorrelazione del segnale eco ricevuto in ciascun punto dell'immagine si calcolano la potenza del segnale, la velocità e la dispersione della velocità e questi dati vengono codificati a colori per la visualizzazione. Ad una tecnica corrispondente si fa riferimento come "coppia a impulsi correlati" nelle applicazioni radar meteorologiche, come è discusso in D.S. Zrni'C, "Spectral moment estimates from correlated pulsed pair" (Stime del momento spettrale da coppie a impulsi correlati) IEEE Trans, on Aerosp. Electron., voi. AES-13. pagine 344-354, 1977. Questa tecnica è stata applicata per la prima volta alla misura della velocità del sangue mediante ultrasuoni come è discusso in C. Rasai, K. Namekawa, A. Koyano, e R. Omoto, "Real-Time Two-Dimensional Blood Flow Imaging Using an Autocorrelation Technique" (Produzione di immagini bidimensionale in tempo reale del flusso sanguigno con l'utilizzo di una tecnica di autocorrelazione) IEEE Trans. Sonics Ultras., vol. SU-32, pagine 458-464, 1985, sotto il nome di "metodo di autocorrelazione". Una grave limitazione di questa tecnica è il problema della ambiguità della velocità che si verifica quando la frequenza di spostamento Doppler supera il limite di Nyquist a metà della frequenza di ripetizione degli impulsi trasmessi. Sono stati proposti parecchi metodi per risolvere parzialmente questo problema.
La stima del ritardo di tempo da impulso a impulso mediante una tecnica' di correlazione incrociata è stata applicata alla produzione di immagini a colori del flusso mediante ultrasuoni da Bonnefous come è discusso in 0. Bonnefous e P. Pesqué, "Time domain formulation of Pulse-Doppler Ultrasound and Blood Velocity Estimation by CrossCorrelation" (Formulazione in dominio di tempo della stima per ultrasuoni Doppler a impulsi e della velocità del sangue mediante correlazione incrociata) Ultrason. Imaging, voi. 8. pagine 73-85, 1986. Questo algoritmo noto opera direttamente sul segnale RF (radiofrequenza) ricevuto, senza preventiva demodulazione alla banda di base.
Nel brevetto statunitense No. 5.081.994, D. Hassler descrive un metodo applicato al segnale demodulato complesso (banda di base) allo scopo di evitare il fenomeno di "aliasing" combinando la fase e l'ampiezza della funzione di autocorrelazione.
Hassler utilizza un algoritmo semplificato per il calcolo della funzione di correlazione complessa che fornisce una precisione inferiore (aumento di varianza). Nel metodo di Hassler, la fase di correlazione viene calcolata mediante una divisione seguita da tangente inversa. Ciò introduce ulteriore ambiguità nella determinazione della velocità. Nel metodo di Hassler, la fase 'di correlazione non viene calcolata in corrispondenza del ritardo dove la funzione di correlazione presenta il suo massimo, il che fornisce una minor precisione per velocità elevate. Hassler utilizza inoltre due approssimazioni differenti per stimare la grandezza della funzione di correlazione, che è differente dalla definizione matematica. Hassler non usa l'interpolazione per determinare lo spostamento di tempo alla correlazione dei picchi.
Un approccio differente è stato utilizzato da Ferrara & Algazi come è discusso in Ferrara e Algazi, "A new wideband spread target maximum likelihood estimator for blood velocity estimation - Part I: Theory" (Un nuovo stimatore della probabilità massima di bersaglio diffuso a banda larga per la stima della velocità del sangue - parte I: teoria) IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec, and Freq. contr., voi. UFFC-38, pagine 1- 26, 1991; e Ferrara e Algazi, "The Effect of Frequency Dependent Scattering and Attenuation on thè Estimation of Blood Velocity Using Ultrasound" (L'effetto della dispersione dipendente dalla frequenza e dell'attenuazione sulla stima della velocità del sangue con l'utilizzo di ultrasuoni) IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. and Freq. contr., voi. UFFC-39, pagine 754-767, 1992. Da un modello stocastico del segnale proveniente da un dispersore puntiforme, è stata derivata una stima di massima probabilità per la velocità potenzialmente in grado di risolvere l'ambiguità di velocità. Un metodo simile basato sulla trasformata bidimensionale di Fourier è stato proposto da Wilson in K. Miller, Complex Stocastic Processes. Addison-Wesley Publishing Company, Inc., 1974, in questo metodo veniva ottenuto uno spettro di velocità mediante sommatoria lungo linee rette nel piano di Fourier bidimensionale. Questo metodo è descritto anche nel brevetto statunitense No. 4.930.513, e ad esso si fa riferimento come "proiezione radiale nel piano bidimensionale di Fourier" ("radiai projection in thè 2D Fourier piane").
Sommario dell 'invenzione
La presente invenzione comprende un metodo per la stima della velocità basato sul segnale Doppler demodulato complesso in un Doppler a commutazione multipla mediante misurazione dello spostamento temporale degli echi da impulso a impulso. Un metodo correlato è descritto nel brevetto statunitense 5.081.994 concesso a Hassler. Il presente metodo differisce da quello di Hassler in un certo numero di caratteristiche essenziali che ' sono descritte in dettaglio più avanti, e ciò assicura prestazioni migliorate in confronto con il metodo di Hassler. In aggiunta, è incluso un metodo per la compensazione del rumore del ricevitore che permette di utilizzare il metodo secondo la presente invenzione in condizioni di un rapporto segnale su rumore scarso.
Il metodo può venire utilizzato per misurazioni del flusso sanguigno a profondità singola, modalità m a colori, o per la produzione di immagini del flusso di sangue bidimensionali o tridimensionali. Il metodo è basato sulle stime della funzione di autocorrelazione del segnale Doppler demodulato complesso. Il contributo alla funzione di correlazione proveniente dal rumore del ricevitore viene individuato misurando il rumore in assenza di segnali eco, cosa che può venire effettuata spegnendo gli impulsi trasmessi. I valori ottenuti vengono sottratti dalle stime di correlazione prima della ulteriore elaborazione. Dalla fase della funzione di autocorrelazione si ricava per calcolo un numero limitato di candidati della velocità vera. Il metodo seleziona il candidato che corrisponde al valore di correlazione massimo mediante una tecnica di interpolazione.
Breve descrizione dei disegni
La Fig. 1 è un esempio di un diagramma schematico a blocchi che illustra in generale le caratteristiche e le funzioni principali implicate in un apparecchio completo per la produzione di immagini a colori del flusso mediante ultrasuoni, in cui può venire realizzato il metodo secondo la presente invenzione.
Fig. 2 è uno schema a blocchi più dettagliato delle parti funzionali dell'elaboratore dei parametri di velocità, che è una parte del diagramma completo di Fig. 1.
Fig. 3 è uno schema a blocchi più dettagliato delle parti funzionali dello stimatore della velocità, che è una parte del diagramma riportato in Fig. 2.
Fig. 4 è un esempio dell'aspetto della grandezza della funzione di autocorrelazione complessa.
Descrizione dettagliata delle realizzazioni preferite
Uno schema a blocchi per un sistema di misurazione della velocità del flusso sanguigno mediante una tecnica Doppler a ultrasuoni in cui è incorporata l'invenzione è mostrato in Fig. 1. Usualmente, il sistema di misura del flusso sanguigno è combinato con un sistema di produzione di immagini a ultrasuoni che utilizza lo stesso trasduttore, ma l'invenzione è applicabile anche a sistemi Doppler autonomi. Un trasduttore di ultrasuoni 5 emette un fascio di ultrasuoni pulsato 6 nel corpo (non mostrato). Gli impulsi ultrasonori vengono diffratti indietro da strutture presenti nel corpo, come il sangue, producendo echi che ritornano al trasduttore 5 e vengono rivelati da esso, si veda Figura 1. Dal ricevitore 2, una freccia indica l'ulteriore elaborazione dei segnali eco ricevuti, prima in uno stadio di demodulazione complessa 12, poi in uno stadio FTC facoltativo 13 che verrà spiegato ulteriormente più avanti, il tutto seguito da uno stadio di calcolo dei parametri di velocità 14. I parametri di velocità, che comprendono i tre valori potenza, velocità e dispersione della velocità (si veda Fig. 2), vengono calcolati per un certo numero di punti situati in un piano bidimensionale e vengono combinati nel sistema di visualizzazione 7 con l'immagine di ampiezza a ultrasuoni generata nello stadio di elaborazione del tessuto 11.
L'eco proveniente da un'entità disperdente ad una distanza r dal trasduttore 5 verrà rivelata con un ritardo t = 2 r/c dopo la trasmissione dell'impulso, il che corrisponde'al tempo del viaggio di andata e ritorno perchè l'impulso di ultrasuoni si propaghi dal trasduttore al punto di dispersione e torni indietro. La costante c è la velocità del suono nel tessuto umano.
Per le spiegazioni che seguono può essere utile l'elenco seguente dei simboli utilizzati: r0 numero d'ordine (rango) della commutazione (range gate number), rg=0,.., M t0 numero di impulsi, tg = 0,.., N-l x(r0,t0 segnale Doppler complesso a commutazione multipla risultante dal rango rg e dal numero di impulso tg
incremento di tempo in direzione radiale omeqag frequenza angolare di demodulazione della quadratura
T tempo di ripetizione dell'impulso
c velocità del suono
R(r,t) stima di autocorrelazione di x(rg,tg) con il ritardo radiale r e il ritardo temporale t, si veda l'equazione presentata più avanti
Vmax la velocità del sangue massima che si può misurare è ±Vmax (specificata dall'operatore )
vNyquist velocità di Nyqu.ist, cioè la velocità del sangue che dà luogo ad uno spostamento Doppler uguale a metà della frequenza di campionamento (=1/T)
fase(z) indica la grandezza e la fase del numero complesso z, con parte reale re{z} e parte immaginaria
fase(z) = im{log(z)}<'>
I parametri di velocità vengono calcolati dalla seguente serie di stime della funzione di correlazione (si vedano gli stadi funzionali dei blocchi 21, 22, 23 in fig. 2)
che vengono nuovamente calcolati nel blocco 21 mediante una media ponderata del prodotto dei campioni del segnale complesso:
dove c(r0,t0) è una funzione appropriata di ponderazione. Il numero di ritardi nella funzione di autocorrelazione K viene scelto in base all'intervallo di velocità (definito dall'utente).
II calcolo dello spostamento temporale viene eseguito in tre stadi, si vedano fig. 3, fig. 4:
Stadio 1. Trovare il valore assoluto massimo della funzione di correlazione, cioè trovare r=
che massimizza |R(r,l)|, r = 0, ±1,...,± K.
Stadio 2. Calcolare il valore p della fase di correlazione con ritardo radiale r = rmax
La quantità /\ omega è la deviazione della frequenza centrale istantanea dell'ultrasuono. Il calcolo di /\omega è facoltativo, se non viene usato allora /\ omega viene posto pari a zero nelle formule. I possibili candidati per lo spostamento di tempo dell'eco sono dati da
Stadio 3. Mediante interpolazione, è possibile calcolare il valore di |R(r,l)| per ogni r (non solo valori interi) da |R(k,l)[, k = 0, ±1,...,±K. In fig. 3, nell'interpolazione vengono utilizzati solo i tre valori di correlazione 40A, 40B, e 40C più prossimi al punto massimo rmax, e solo due candidati di spostamento di tempo 41, 42 in fig. 4, sono disposti tra rmax-1 e rmax +1. Un esempio dell'aspetto .della funzione di correlazione temporale discreta e dei valori interpolati è mostrato in fig. 4 come curva 40 che passa attraverso i tre valori di correlazione suddetti 40A, 40B, e 40C.
Quando esiste più di un candidato possibile, viene scelto quello che massimizza la grandezza interpolata |R(rk,1)|.
Questo valore è denominato rp.
La velocità è data da: v = rρ/Τ
Una misura della dispersione di velocità
La misura vs della dispersione di velocità è una misura qualitativa della dispersione della velocità intorno al suo valore medio. Quando tutte le entità disperdenti del sangue nella regione spaziale coperta dal fascio di ultrasuoni si muovono con la stessa velocità, il parametro di vs si avvicina a zero. Quando i valori di velocità sono distribuiti in modo uniforme sull'intervallo di velocità di Nyquist, il parametro di diffusione vs è uguale all'unità.
Compensazione del rumore del ricevitore I segnali eco ricevuti sono disturbati da rumore termico e/o da rumore di interferenze che si aggiungono, che sono generati nel trasduttore a ultrasuoni e/o nell'amplificatore del ricevitore. Ciò provoca un errore sistematico nella funzione di correlazione. Inibendo la trasmissione di impulsi ultrasonori, è possibile stimare la funzione di correlazione del rumore in assenza di segnali eco. Questa componente di rumore nella funzione di correlazione viene successivamente sottratta dalla funzione di correlazione del segnale totale (includente echi e rumore), a dare una stima migliore della funzione di correlazione del segnale eco.
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI 1. Metodo per determinare la velocità e preferibilmente la dispersione di velocità del flusso sanguigno in una o più posizioni spaziali in un corpo vivente utilizzante un sistema Doppler a ultrasuoni ad onda pulsata comprendente gli stadi di: trasmettere in modo sequenziale onde ultrasonore a impulsi e ricevere una sequenza corrispondente di segnali eco; campionare i segnali eco ad un certo numero di ritardi temporali predeterminati dopo la trasmissione dell'impulso a formare un segnale temporale discreto; formare una funzione di correlazione del suddetto segnale temporale discreto e determinare lo spostamento di tempo di un picco nella suddetta funzione di correlazione; calcolare la velocità del sangue che è proporzionale al suddetto ritardo di tempo; risolvere i suddetti segnali eco in componenti in fase e in quadratura che costituiscono un segnale complesso utilizzando una frequenza di demodulazione selezionata, dove la suddetta funzione di correlazione è rappresentata da una sequenza di numeri complessi che includono grandezza e fase e che corrispondono ad un numero discreto di ritardi di spostamento temporale; determinare la grandezza massima nella funzione di correlazione temporale discreta e determinare il valore di fase corrispondente dal suddetto valore di fase per determinare una serie corrispondente di possibili candidati di spostamento temporale; stimare la grandezza della funzione di correlazione in corrispondenza di ciascun possibile candidato di spostamento temporale mediante interpolazione tra la serie discreta di ritardi dello spostamento di tempo nella funzione di correlazione; e selezionare quello spostamento di tempo che corrisponde alla grandezza di funzione di correlazione massima per l'ulteriore calcolo della velocità, 2. Metodo secondo la rivendicazione 1 includente inoltre lo stadio di elaborare i suddetti segnali eco mediante un filtro passa-alto per respingere segnali provenienti da bersàgli fermi e in lento movimento nel suddetto corpo vivente. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2 includente inoltre lo stadio di formare una funzione di correlazione per la componente di rumore in un segnale ricevuto in assenza di eco di ultrasuoni, e sottrarre la suddetta componente di rumore dalla funzione di correlazione prima dell'ulteriore elaborazione. 4. Metodo secondo la rivendicazione 1, 2 o 3 includente inoltre lo stadio di misurare la deviazione tra la frequenza di demodulazione e la frequenza centrale dei segnali eco ricevuti e utilizzare questa frequenza centrale per determinare la serie suddetta di possibili candidati di spostamento di tempo. 5. Metodo secondo la rivendicazione 1, 2, 3 o 4, includente inoltre lo stadio di calcolare la dispersione della velocità dalla grandezza della correlazione massima.
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