WO2008101684A1 - Method and device for the ultrasonography of blood flow - Google Patents

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WO2008101684A1
WO2008101684A1 PCT/EP2008/001318 EP2008001318W WO2008101684A1 WO 2008101684 A1 WO2008101684 A1 WO 2008101684A1 EP 2008001318 W EP2008001318 W EP 2008001318W WO 2008101684 A1 WO2008101684 A1 WO 2008101684A1
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doppler
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flow
volume
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PCT/EP2008/001318
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Thomas Buck
Philipp Kahlert
Björn PLICHT
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Universität Duisburg Essen
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    • G01S7/52057Cathode ray tube displays
    • G01S7/52071Multicolour displays; using colour coding; Optimising colour or information content in displays, e.g. parametric imaging

Definitions

  • the present invention relates to a method for ultrasonic measurement, a device for ultrasonic measurement and a use of a color Doppler patensatzes.
  • the present invention relates to the ultrasonic measurement of blood flow in the human or animal body through a dynamic or irregular opening, such as an insufficient or stenosed heart valve, a narrowed vein or artery, or the like.
  • a dynamic or irregular opening such as an insufficient or stenosed heart valve, a narrowed vein or artery, or the like.
  • WO 00/51495 A1 and WO 2004/075754 A1 disclose ultrasonic measuring methods in which pulsed ultrasonic signals are emitted and the backscattered ultrasonic beams are evaluated based on the Doppler technique.
  • the primary focus is on the ultrasound measurement on the heart - ie echocardiography.
  • the present invention is not limited thereto. Rather, the present invention can also be used in other ultrasonic measurements, in particular for the examination of the human or animal body.
  • ultrasonic pulses are emitted by a transducer, in particular a so-called transducer (transmitter and receiver), and received again when reflected. After transmission of a pulse, a pause occurs until all reflections of the pulse are received before the next pulse is sent out.
  • the frequency with which the pulses can be transmitted one after the other is referred to as pulse frequency or Pulse Repetition Frequency (PFR).
  • PFR Pulse Repetition Frequency
  • the PRF depends on the duration of a pulse up to the selected penetration depth and the same transit time for the reflection.
  • the running time is calculated from the speed of the ultrasonic pulses in the tissue and the running distance or penetration depth.
  • the PRF is usually in the kHz range and is for example about 7.5 kHz.
  • An advantage of the M-mode technique is a high temporal resolution of about 0.3 to 1.0 ms. As a result, even fast movements of small structures, such as the oscillating motion of a damper sail, can
  • 2-D echocardiography allows the real-time display of sector-shaped sectional images of the heart.
  • the transmission and reception direction of the ultrasonic signals in a sector of, for example, 90 ° is changed.
  • a sector image is composed of the one-dimensional scan line information.
  • the number of these scan lines and thus the lateral resolution of the slice image are determined by the PRF, the frame rate and the sector angle.
  • 3-D echocardiography enables the spatial, dynamic representation of the heart.
  • Spatial image data records are generated. Basically, this can be done by composing a plurality of 2-D slice images, whereby a volume data set is done by computer-based reconstruction.
  • special transducers in particular so-called phased-array transducers
  • the direct ultrasound measurement in a three-dimensional space region, in particular in a pyramidal Sound volume allows.
  • Modern matrix transducers consist, for example, of a two-dimensional arrangement of approximately 3,000 ultrasound elements.
  • Doppler echocardiography or the Doüüler method allows the determination of blood flow velocities. It is primarily not an imaging technique, but rather a velocity measurement technique.
  • Doppler effect is exploited, ie the frequency shift of the reflected ultrasonic signal, which is also referred to as the Doppler signal for short. This frequency shift is proportional to the speed of movement of the reflecting object relative to the ultrasound receiver. This frequency shift is also referred to as Doppler frequency.
  • Doppler methods Three Doppler methods are known, namely the continuous Doppler method, pulsed Doppler methods and the color Doppler method.
  • continuous Doppler In the continuous Doppler method, ultrasonic waves are continuously emitted and continuously received after reflection from other sound elements. Due to the continuous reception, the determination of very high flow velocities of up to 8 m / s is possible. However, there is no unambiguous local assignment of the registered movement possible. A speed spectrum is generated. Therefore, continuous Doppler is also referred to as spectral Doppler. Each pixel within the velocity spectrum represents one speed and one time. The more objects flow at the same speed, the greater the ultrasonic energy at this Doppler frequency and the corresponding brighter the corresponding pixel is displayed.
  • the Doppler spectrum of severe mitral regurgitation is much brighter than that of low mitral regurgitation because the Doppler beam, with greater mitral valve leakage, detects a larger flow area with larger numbers of reflective blood cells.
  • the intensity of the Doppler spectra thus give an indication of the size of the regurgitation flow (reflux) and thus the severity of mitral insufficiency.
  • quantification of only the regurgitation flow is not possible.
  • the pulsed Doppler method along the ultrasonic steel allows a clear local assignment of the Doppler velocities.
  • the PRF for the Doppler pulses depends on the distance to the object to be measured and on the propagation velocity of the ultrasound.
  • the maximum measurable phase shift depends on the PRF.
  • the PRF In order for the Doppler frequency, which corresponds to the phase shift, to be detected by means of the ultrasonic pulses, the PRF must correspond to at least twice the Doppler frequency.
  • the maximum detectable speed - generally and subsequently as Nyquist speed - depends on the PRF.
  • aliasing The higher the PRF, the lower the Nyquist speed. Thus, for example, at a PRF of 5 MHz and a distance of 7 cm, a Nyquist velocity of about 0.85 m / s results. If the Nyquist velocity is exceeded, several measurement windows may be created (thereby losing the uniqueness of the local assignment of the velocities), or the velocities above the Nyquist velocity will repeat the velocity spectrum or Nyquist spectrum (this will cause uniqueness lost speed determination - this pass is hereafter referred to as aliasing).
  • the speed scale is maintained within the Nyquist limits to provide a clear location mapping of speeds. If the Doppler frequency is too large compared to the PRF, the Doppler frequency and thus the speed can not be clearly detected. The effect of aliasing occurs. It should be noted here that the pulsed Doppler method or a pulsed Doppler device can detect not only the velocity of the moving object but also the direction of the velocity-that is, the direction of flow-based on the phase shift. If the Doppler frequency is the Nyquist Exceeds limits of +/- 1 A PRF, no unambiguous velocity or speed direction more can be assigned. It then follows a misrepresentation.
  • Doppler mode it is usually possible to abandon the information of the direction of movement in favor of higher speeds. Instead of measuring and displaying velocities in the positive and negative directions, it is possible to record the doubling frequencies (ie velocities) in one direction up to the PRF (Nyquist limit). This scale shift is also referred to as a zero line shift.
  • the pulsed Doppler method like the continuous Doppler method, also permits the registration of the different speeds of a flow in the form of a speed spectrum.
  • a high proportionality between the reflected ultrasonic energy and the size of the reflective flow cross section here also referred to as cross-sectional area
  • cross-sectional area due to the measuring window with a certain depth range, a high proportionality between the reflected ultrasonic energy and the size of the reflective flow cross section (here also referred to as cross-sectional area), whereby a quantification of the flow cross section and the amount of flux on the basis of the Doppler spectra is possible in principle.
  • the color Doppler method allows a two- or three-dimensional color-coded representation of velocities, in particular blood flows, in combination with 2-D or 3-D echocardiography. Because of the physical limitations imposed by the PRF on the Doppler technique, it is impossible to assign accurate flow velocities to all pixels along an image line.
  • the color Doppler process is basically based on the principle of the pulsed Doppler process. Instead of registering the entire speed spectrum in one measuring point, in the color Doppler method, several pulses are transmitted successively per measuring point and only the phase shift between two successive reflecting pulses is compared (autocorrelation). These phase shifts are averaged to determine an average flow velocity of the particular measurement point. The larger the PRF and thus the number of phase shifts the more accurate (sensitive) is the determination of the mean velocity. The larger the PRF, the more the frame rate drops.
  • the average speeds are color-coded according to the height and direction of the speed. Dark red to light yellow usually encodes speeds from 0 to half the (positive) Nyquist velocity toward the transducer and dark blue to light blue from 0 to half (negative) Nyquist velocity away from the transducer.
  • the color Doppler method is subject to the same limitation of the maximum Nyquist velocity with the effect of aliasing as the pulsed Doppler method.
  • the Nyquist speed of the color Doppler method is somewhat lower for the same settings than for the pulsed Doppler method, since some of the pulses are needed for image generation and thus the PRF for the color Doppler method decreases.
  • the average speeds are represented by a color coding, in particular as already explained above. This results in particular a color wheel. If the Nyquist limit or speed is exceeded, a color change or color change takes place, for example from light blue to yellow, when the flow is away from the transducer or from yellow to light blue when the transducer is flowing. The higher the average speed, the more often the color wheel is traversed or the color changes. In this case, one can also speak of multiple aliasing.
  • aliasing in particular not only to understand that a color change or color change has taken place, but how often. Aliasing or a corresponding aliasing value thus indicates how often the Nyquist velocity has been exceeded or the color gamut has been traversed.
  • the regurgitation flow is determined on the basis of the hemispherical flux convergence in front of a flow-through opening.
  • the hemispherical area in front of the opening is detected by means of the color change limit due to the color change during aliasing.
  • the area thus determined is with the Multiplied by the Nyquist velocity, which results in the volume flow of the fluid through this area and thus through the opening.
  • a problem with the PISA method is that in many cases the aliasing boundary is not hemispherical and that the hemisphere of the aliasing is also subject to an angle error, the so-called Doppler angle error (deviation of the direction of flow from the ultrasound direction).
  • volume flow refers to a volume of fluid, such as blood, flowing per unit time.
  • the volume flow results in particular from the product of the speed (flow velocity or flow velocity) of the fluid and the cross-sectional area through which the fluid flows. At velocities varying over the cross-sectional area, it is integrated over the cross-sectional area.
  • the "flow volume” refers to the volume of liquid that has flowed over a period of time. With varying volumetric flow, this results in particular from the integral of the volumetric flow over the desired time span.
  • the measuring range within the vena contracta should be in the return flow of the blood through the heart valve.
  • the term "measuring range” refers to that spatial area which is sonified by a transmitting beam, ie sonicated, and whose backscattering is detected and evaluated, with possibly only the backscattering of a subarea being detected and / or evaluated.
  • the backscattered ultrasonic waves are also referred to simply as ultrasonic signals or Doppler signals.
  • the present invention is based on the object, a method and an apparatus for ultrasonic measurement of a volume flow and / or Flow volume through an opening and a use of a color Doppler data set, wherein a simple, preferably automated measurement, especially at a relatively large and / or irregularly shaped and / or dynamic opening, using the color Doppler method even at flow rates above the Nyquist speed.
  • One aspect of the present invention is that a two- or three-dimensional distribution of the velocity of the fluid is measured by the color Doppler method.
  • the measuring range is preferably in and / or after a particularly dynamic and / or irregular opening through which the fluid flows.
  • the measuring range is in the range of a vena contracta. This records a record with color-coded velocities.
  • the zero line of the color coding of the data set is adapted so that no color change occurs at the color-coded speeds in the measuring range.
  • the aliasing of the color coding is determined. This is done in particular by detecting how often the Nyquist velocity is exceeded by a velocity, in particular a maximum or average velocity, in the measuring range. In particular, this speed is determined separately and / or absolutely, more preferably by means of the continuous Doppler method. However, any other method may be used for this determination.
  • the volume flow and / or the flow volume is measured from the color-coded velocities of the adapted data record-that is to say with the adapted color coding-taking into account the aliasing and the Nyquist velocity and / or taking into account the absolute velocity.
  • the color-coded velocities are displayed after adjusting the color coding in a color image.
  • the volume flow and / or the flow volume can also be displayed at the same time.
  • measured values in the sense of the present invention ie, for example, also values proportional thereto or dependent thereon can be displayed.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a proposed device in the ultrasonic measurement of the return current through an inefficient heart valve
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of an ultrasound measurement of a vena contracta in an opening
  • Fig. 3 is a Doppler spectrum of a vena contracta.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a proposed device 1 and a proposed method for ultrasonic measurement of a fluid flow through a particular dynamic and / or irregular opening 2, which is flowed through by a fluid, in particular blood 3.
  • Fig. 1 shows schematically a body 4 only partially indicated with a heart to be examined 5, which is traversed by blood 3.
  • a heart valve - here the mitral valve M - is insufficient and therefore does not completely close during the contraction of the ventricle (referred to below as systole), but forms the opening 2 schematically indicated in FIG. 1.
  • systole the mitral valve M - is insufficient and therefore does not completely close during the contraction of the ventricle (referred to below as systole), but forms the opening 2 schematically indicated in FIG. 1.
  • blood 3 flows back through the opening 2 .
  • measured values namely the time during the measuring or Flow period varying volume flow of the backflowing blood 3, the total flow volume of backflowing blood 3 and / or a proportional thereto or dependent thereon, are determined.
  • the proposed method is not limited to the determination of the measured values in the case of a mitral valve, but can be used to determine the measured values in each heart valve or in any other dynamic and / or irregular opening 2, in particular blood 3, for example a hole in the heart septum, a stenosed vein or artery or the like.
  • the proposed method is not limited to the determination of the measured values in a single opening 2, but can the measured values of several openings 2 sequentially - for example, during the systole in an insufficient mitral valve and during diastole (relaxation and filling of the heart chamber) at an inadequate aortic valve - or simultaneously - for example, if there are two orifices 2 in an insufficient mitral valve, or if there is an insufficient mitral valve and a stenosed aortic valve.
  • Fig. 2 schematically illustrates the basic principle of ultrasonic measurement.
  • the schematically indicated opening 2 is traversed by a fluid, such as the blood 3, wherein after the opening 2, a region 6 forms with at least substantially laminar flow, which tapers, so a Strahlentschnürung or -Verengung shows and therefore as vena contracta.
  • This laminar region 6 runs depending on the shape of the opening 2 pointed, possibly conical, and is increasingly in a turbulent flow.
  • the proposed method relates to the measurement in the region of a vena contracta with a jet constriction of a factor of 0.65 to 0.85 (area or diameter of the tapered region 6 to area or diameter of the opening 2).
  • FIG. 2 shows a measuring area 9 in which the opening 2 lies and / or which is arranged after the opening 2, that is, downstream of the opening 2.
  • a smaller measuring area 10 which is also schematically indicated in FIG. 2, is preferably relevant, which lies in particular in the area 6 of the vena contracta and in particular corresponds at least substantially to a cross section of the area 6.
  • a so-called multi-array transducer 1 1 is used as a transducer or transmitter and receiver.
  • the transducer 11 has a plurality of ultrasound generators, in particular piezoelectric elements arranged in a matrix, which are controllable in their phase and amplitude in such a way that the ultrasound waves are emitted as directional transmitted beams, in particular the direction of the transmitted beams and their width or cross section are electronically controllable. Accordingly, the receive direction and width or cross section of the received signals - ie the spatial resolution - controllable.
  • both the spatial position and the size-in particular cross-section and depth-of the measuring regions 9, 10 can be controlled and / or transmitted corresponding evaluation can be specified.
  • the device 1 preferably has a color Doppler device 12, a matching device 13, a measuring device 14, a detection device 15, an evaluation device 16 and / or beyond the transducer 11 an associated display device 17, as indicated in Fig. 1.
  • the color Doppler device 12 measures according to the color Doppler method, in particular as explained above, the speed of the fluid.
  • the measured speeds are color-coded.
  • the named aliasing occurs.
  • the color coded speeds are recorded as data record 18 and stored in particular.
  • a memory or the like, not shown in FIG. 1, is preferably provided.
  • the data record 18 thus represents a two-dimensional or in particular three-dimensional distribution of the color-coded speeds, in particular in the desired measuring range 10, possibly also in a larger measuring range 9.
  • the device 12 particularly preferably operates in real time and / or in accordance with the explained 3D color Doppler method.
  • the optional matching device 13 serves to adapt the color coding of the speeds of the data set 18 in order to ensure at most or all color-coded speeds in the measuring range of interest 10, ie in particular in the area of the vena contracta, that no color change or change occurs due to aliasing. This adjustment is made in particular by a corresponding zero line shift (see above explanation). Alternatively or additionally, a spread or shrinkage of the color range relative to the coded speed range can also take place.
  • the recognition of a color change or change at the color-coded speeds within the relevant or interesting measuring range 10 takes place automatically in the data record 18.
  • an unillustrated color sensor or the like can be used.
  • the matching device 13 is then designed accordingly or can be omitted altogether.
  • the speeds modified with regard to their color coding are output, provided and / or stored by the adapter device 13, in particular as a modified data record 19.
  • the measuring device 14 is preferably provided for the separate and / or absolute measurement of a speed, in particular a mean or maximum speed in the measuring range 10.
  • the measurement of the speed by the measuring device 14 or separately from the color Doppler method can, in particular, be carried out according to the continuous Doppler method or according to the method described in WO 2004/075754 A1, which is hereby introduced as a supplementary disclosure ,
  • the optional detection device 15 is used to detect aliasing in the aforementioned sense. In particular, it is detected how often the Nyquist speed of the color Doppler device 12 is exceeded by the speed measured by the measuring device 14, in particular the maximum or average velocity of the fluid in the measuring region 10.
  • the evaluation device 16 is designed to determine a measured value, in particular the volume flow and / or the flow volume, from the color-coded speeds of the adapted data record 19, that is to say after adaptation of the color coding by the adjusting device 13.
  • the determination of the measured value takes into account the aliasing determined by the detection device 15.
  • the corresponding speeds are determined from the adapted data set 19 on the basis of the adapted color coding and a correction speed is added thereto.
  • the correction speed results in the representation example from the product of the aliasing (more precisely, the aliasing factor or the number of color changes), as determined by the detection device 15, and the Nyquist speed of the color Doppler device 12
  • the resulting velocities represent a very good approximation of the actual velocities. These velocities are integrated over the cross-section or cross-sectional area to determine the volume flow of the fluid.
  • a first volume flow can first be determined by integration over the cross-sectional area.
  • a second Volume flow determines, which takes into account the aliasing and is added to the first volume flow.
  • the second volume flow is determined by the product aliasing times Nyquist speed, when the speed so determined is multiplied by or integrated across the cross-sectional area.
  • the cross-sectional area can be determined and / or determined relatively easily by means of the color Doppler method or by means of the data set 19, in particular by means of the evaluation device 16.
  • the desired cross-sectional area which covers the entire vena constracta is distinguished by an at least largely identical color due to the homogeneous and laminar flow in the region or within the vena contracta.
  • the manual setting is particularly preferably reduced to the setting of a desired cutting plane, preferably wherein in each case the calculated volume flow can also be displayed.
  • the speed detected separately by the measuring device 14 can also be used directly for scaling or fixing the color-coded speeds of the adapted data set 19. In this case, the determination of the aliasing and in particular the detection device 15 provided for it is not necessary.
  • the aliasing may also be detected by counting the color changes or envelopes over, for example, a systole.
  • the color change of different pixels that is to say the speeds at different spatial points in the relevant measuring range 10 is detected. This can in turn be done by means of the detection unit 15 and / or using a color sensor, not shown, or the like.
  • the changes in volume flow over a cardiac cycle are recorded using several 3-D color Doppler data sets.
  • the proposed determination of the measured values is repeated a number of times during a cardiac cycle or within a desired period, such as a systole.
  • a three-dimensional box-that is, a three-dimensional area- is preferably placed over the area of the vena contracta.
  • a cross-sectional plane may in particular be moved or determined manually (by a mouse control or the like) within which the flux quantification or determination of at least one measured value takes place.
  • the desired measuring range 10 is determined. If necessary, the measuring area 10 is ultimately a two-dimensional, in particular flat surface.
  • the corresponding volume flow can preferably be displayed directly.
  • a color image of the data set 19, that is the color-coded speeds with adapted color coding can be displayed.
  • the determined measured values are preferably also displayable. Both are preferably carried out in real time or continuously.
  • Fig. 3 shows schematically as an example an emerging Doppler spectrum - rate dependent on time - of a vena contracta in a mitral valve, ie the backflow of blood during two consecutive systoles.
  • the Doppler spectrum shows no contours sharp curve, but at each point point a backscatter performance that varies with the proportions of different speed, as indicated in Fig. 3 by the dotted area and the drawn speed spectrum - distribution of shares at different speeds for a time - located.
  • the different speeds of all measuring points within the measuring range 9, 10 are taken into account, which can overlap at a certain time depending on the frequency occurring.
  • This maximum speed is then preferably determined or output by the measuring device 14 and used for detecting the aliasing by the detection device 15 and / or for normalizing the color-coded speeds of the data set 18 or 19.
  • the Doppler spectrum resulting from the continuous Doppler method can alternatively or additionally also be used for determining the opening area of the opening 2 or the cross-sectional area, provided that the measuring area 9 or 10 is the opening 2 or opening area completely enveloped or covered.
  • the integral of the power values over the speed or the speed spectrum at a time represents, namely, a measure of the opening area or cross-sectional area. It is possible to have an effective opening or cross-sectional area. Cross-sectional area to be determined, which corresponds to the effective in the vena contracta flow cross-sectional area and in particular by a factor of 0.65 to 0.85 is smaller than the geometric ⁇ ffhungs sampling the opening 2.
  • the flux cross-sectional area can also be determined from the color Doppler data or otherwise.
  • the measuring device 14 or the continuous Doppler method preferred for separate measurement or evaluation can also be used to determine whether a vena contracta is present at all.
  • filtering is preferably carried out first. For example, all speed values below a minimum limit V M ⁇ M of, for example, 100 cm / s are disregarded and / or only speed values are taken into account which exhibit a bell-shaped or approximately normally distributed speed profile and / or above a minimum value of, for example, 20% -50% of the maximum value of respective spectrum. Subsequently, in the preferably filtered or otherwise suitably prepared spectra or values, it is preferably checked whether the average speed exceeds a minimum value or is maximal for all spectra or measuring ranges 9, 10, whether the width of the Doppler or velocity spectrum has a maximum width.
  • the proposed method or the proposed device 1 Only if at least one, two or, preferably, all of the aforementioned conditions are met is the proposed method or the proposed device 1 the occurrence of a vena contracta detected or at least provisionally accepted or an operator to the displayed, where necessary, in a the intended area of the presumed vena contracta performing image mode is switchable.
  • an ultrasound measurement for determining the measured values can take place automatically or in response to a corresponding confirmation signal from an operator.
  • the proposed device 1 and the proposed method thus preferably enable an automated localization and / or measurement of the measured values in the case of a dynamic and / or irregular opening 2 through which a fluid, such as blood 3, flows.
  • the proposed method and the proposed device 1 are characterized according to a development in that successively or simultaneously during a measurement period, the measured values for several separate openings 2 can be determined. It is thus possible, for example, for two separate openings 2, each with a Doppler spectrum characterizing a vena contracta, to be detected in the search mode and then measured either sequentially or simultaneously with determination of the measured values. The measured values can then be displayed to the operator, for example by means of the display device 17 shown schematically in FIG.
  • the proposed device 1 and the proposed method are universally applicable, with the optional automation in particular allows easy and safe operation and a quick examination or measurement.
  • the present invention relates to a method and apparatus for noise suppression and / or visualization or production of color Doppler images at high flow velocities, in particular in the field of cardiology.
  • the continuous Doppler method preferably the entire velocity profile within the volume to be examined, such as a vena contracta, is determined. So or otherwise, absolute speeds are determined.
  • the relative velocity profiles provided by the color Doppler method that is, the color-coded velocities, are determined by the absolute velocity. compared or scaled. Alternatively or additionally, this comparison or the scaling can also be carried out after conversion into volume flows. Alternatively or additionally, aliasing, as already described, is used to determine absolute velocities and / or absolute volume flows from the color-coded velocities.
  • the present invention can also be described as follows:
  • the direct flux quantification in the case of partial valvular insufficiency by means of color Doppler echocardiography was previously impossible due to multiple color Doppler aliasing in the turbulent insufficiency jet.
  • studies have shown that there is an at least substantially laminar flow in the vena contracta of the insufficiency jet with a narrow velocity spectrum and thus dealiasing for accurate determination of flow velocities should be possible.
  • This assumption was verified using real-time 3D color Doppler data sets (RT3DE) in an in vitro flow model.
  • regurgitation jets were generated at flow rates between 5 to 60 ml / s through asymmetric openings of 0.2 to 0.6 cm 2 .
  • the color Doppler cross-sectional area (QSF) was exactly represented by the vena contracta.
  • the regurgitation flow without aliasing was calculated by automatic integration of color Doppler velocities across the QSF of the vena contracta (4D Echo View, TomTec, Kunststoff), with aliasing prevented by maximum baseline shift to maximize the Nyquist spectrum.
  • the number of aliasing runs was determined on the basis of the maximum CW Doppler speed.
  • the regurgitation flux with aliasing was calculated from QSF x Nyquist velocity x number of aliasing runs. The total flow was the sum of the regurgitation flow without aliasing and aliasing.
  • the model showed that the RT3DE representation of the QSF of the vena contracta was possible for all flow sizes without color Doppler aliasing.

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Abstract

The invention relates to a method and a device for the ultrasonography of blood flow through a cardiac valve. The measured values are determined from a colour Doppler data record, with aliasing taken into consideration.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschall-Messung von Blutfluß Method and device for ultrasound measurement of blood flow
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschall-Messung, eine Vorrichtung zur Ultraschall-Messung sowie eine Verwendung eines Farb- Doppler-patensatzes.The present invention relates to a method for ultrasonic measurement, a device for ultrasonic measurement and a use of a color Doppler patensatzes.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Ultraschall- Messung des Blutflusses im menschlichen oder tierischen Körper durch eine dynamische oder unregelmäßige Öffnung, beispielsweise eine insuffiziente oder stenosierte Herzklappe, eine verengte Vene oder Arterie oder dergleichen. Beispielsweise ist es wünschenswert, den Volumenstrom und/oder das Flußvolumen bei einer kranken Herzklappe, insbesondere den Rückfluß durch eine kranke Herzklappe, zu bestimmen, um dadurch den Schweregrad eines Klappendefekts bestimmen und ggf. eine Herzklappenoperation mit optima- lern Ergebnis durchführen zu können.In particular, the present invention relates to the ultrasonic measurement of blood flow in the human or animal body through a dynamic or irregular opening, such as an insufficient or stenosed heart valve, a narrowed vein or artery, or the like. For example, it is desirable to determine the volume flow and / or the flow volume in the case of a diseased heart valve, in particular the return flow through a diseased heart valve, in order thereby to determine the severity of a valve defect and if necessary to be able to perform a heart valve operation with an optimal result.
Die WO 00/51495 Al und WO 2004/075754 Al offenbaren Ultraschall- Meßverfahren, bei denen gepulste Ultraschallsignale ausgesendet und die rückgestreuten Ultraschallstrahlen basierend auf der Doppler-Technik ausge- wertet werden.WO 00/51495 A1 and WO 2004/075754 A1 disclose ultrasonic measuring methods in which pulsed ultrasonic signals are emitted and the backscattered ultrasonic beams are evaluated based on the Doppler technique.
Weitere Vorrichtungen zur Ultraschall-Messung sind beispielsweise aus der US 6,464,642 Bl, US 6,423,006 B l, US 6,293,914 Bl, US 5,676,148 Al, US 5,085,220 A, US 4,873,985 A, US 4,519,260 A, WO 2005/023098 Al und JP 2006-014891 Al bekannt.Further devices for ultrasonic measurement are known for example from US Pat. No. 6,464,642 Bl, US Pat. No. 6,423,006 B1, US Pat. No. 6,293,914 Bl, US Pat. No. 5,676,148 A1, US Pat. No. 5,085,220 A, US Pat. No. 4,873,985 A, US Pat. No. 4,519,260 A, WO 2005/023098 A1 and JP 2006-014891 A1 known.
Im folgenden wird primär auf die Ultraschall-Messung am Herzen - also die Echokardiographie - abgestellt. Jedoch ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt. Vielmehr kann die vorliegende Erfindung auch bei sonstigen Ultraschall-Messungen eingesetzt werden, insbesondere zur Untersuchung des menschlichen oder tierischen Körpers.In the following, the primary focus is on the ultrasound measurement on the heart - ie echocardiography. However, the present invention is not limited thereto. Rather, the present invention can also be used in other ultrasonic measurements, in particular for the examination of the human or animal body.
Um die vorliegende Erfindung besser verstehen zu können, werden zunächst bekannte Ultraschall-Meßverfahren, wie sie insbesondere für die Echokardio- graphie eingesetzt werden, näher erläutert. Auf dieses Verfahren wird später bei Beschreibung der Erfindung auch Bezug genommen. Die Verfahren werden insbesondere in "Echokardiographie" von PD Dr. med. Thomas Bartel und Dr. med. Silvana Müller, Urban & Fischer Verlag, 1. Auflage 2007, Seiten 13 bis 46, erläutert.To be able to better understand the present invention, firstly known ultrasound measuring methods, as are used in particular for echocardiography, will be explained in more detail. This procedure will be explained later also referred to in description of the invention. The procedures are described in particular in "Echocardiography" by PD Dr. med. med. Thomas Bartel and dr. med. Silvana Müller, Urban & Fischer Verlag, 1st edition 2007, pages 13 to 46, explained.
Bei der sogenannten M-mode-Technik werden Ultraschallpulse von einem Schallkopf, insbesondere einem sogenannten Transducer (Sender und Empfänger), ausgesendet und bei Reflexion wieder empfangen. Nach Aussendung eines Pulses erfolgt eine Pause, bis alle Reflektionen des Pulses empfangen sind, bevor der nächste Puls ausgesendet wird. Die Frequenz, mit der die Pulse nacheinander ausgesendet werden können, wird als Pulsfrequenz oder Pulswiederholrate (Puls Repetition Frequency - PFR) bezeichnet. Die PRF hängt von der Laufzeit eines Pulses bis zur ausgewählten Eindringtiefe und der gleichen Laufzeit für die Reflexion ab. Die Laufzeit errechnet sich aus der Geschwindigkeit der Ultraschallpulse im Gewebe und der Laufstrecke oder Eindringtiefe. Die PRF liegt üblicherweise im kHz-Bereich und beträgt beispielsweise etwa 7,5 kHz. Ein Vorteil der M-mode-Technik liegt in einer hohen zeitlichen Auflösung von etwa 0,3 bis 1,0 ms. Dadurch lassen sich auch schnelle Bewegungen kleiner Strukturen, wie die oszillierende Bewegung ei- nes Klappensegels, als fließende Bewegung darstellen.In the so-called M-mode technique, ultrasonic pulses are emitted by a transducer, in particular a so-called transducer (transmitter and receiver), and received again when reflected. After transmission of a pulse, a pause occurs until all reflections of the pulse are received before the next pulse is sent out. The frequency with which the pulses can be transmitted one after the other is referred to as pulse frequency or Pulse Repetition Frequency (PFR). The PRF depends on the duration of a pulse up to the selected penetration depth and the same transit time for the reflection. The running time is calculated from the speed of the ultrasonic pulses in the tissue and the running distance or penetration depth. The PRF is usually in the kHz range and is for example about 7.5 kHz. An advantage of the M-mode technique is a high temporal resolution of about 0.3 to 1.0 ms. As a result, even fast movements of small structures, such as the oscillating motion of a damper sail, can be represented as a fluid movement.
Die 2-D-Echokardiographie erlaubt die Echtzeitdarstellung sektorförmiger Schnittbilder des Herzens. Hierbei wird die Sende- und Empfangsrichtung der Ultraschallsignale in einem Sektor von beispielsweise 90° verändert. Durch eine schnelle Schwenkbewegung der Sende-Empfangs-Richtung wird aus den eindimensionalen Scanlinien-Informationen ein Sektortbild zusammengesetzt. Die Anzahl dieser Scanlinien und damit die laterale Auflösung des Schnittbildes werden durch die PRF, die Bildfrequenz und den Sektorwinkel bestimmt.2-D echocardiography allows the real-time display of sector-shaped sectional images of the heart. Here, the transmission and reception direction of the ultrasonic signals in a sector of, for example, 90 ° is changed. By a fast pivoting movement of the transmission-reception direction, a sector image is composed of the one-dimensional scan line information. The number of these scan lines and thus the lateral resolution of the slice image are determined by the PRF, the frame rate and the sector angle.
Die 3 -D-Echokardiographie ermöglicht die räumliche, dynamische Darstellung des Herzens. Es werden räumliche Bilddatensätze erzeugt. Grundsätzlich kann dies durch Zusammensetzten einer Vielzahl von 2-D-Schnittbildern erfolgen, wobei durch computerbasierte Rekonstruktion ein Volumendatensatz erfolgt wird. Mittels spezieller Schallköpfe, insbesondere sogenannter Phased- Array-Transducer, wird die unmittelbare Ultraschall-Messung in einem dreidimensionalen Raumbereich, insbesondere in einem pyramidenförmigen Schallvolumen, ermöglicht. Moderne Matrix- Schallköpfe (Transducer) bestehen beispielsweise aus einer zweidimensionalen Anordnung von etwa 3.000 Ultraschallelementen. Durch entsprechende Datenverarbeitung ist es möglich, pyramidenförmige Schallvolumina von ca. 90° lateraler Ausdehnung und 30° Breite abzutasten und die Ultraschallbildinformationen in Echtzeit darzustellen. So können Echtzeit-3-D-Bilddatensätze erzeugt werden.3-D echocardiography enables the spatial, dynamic representation of the heart. Spatial image data records are generated. Basically, this can be done by composing a plurality of 2-D slice images, whereby a volume data set is done by computer-based reconstruction. By means of special transducers, in particular so-called phased-array transducers, the direct ultrasound measurement in a three-dimensional space region, in particular in a pyramidal Sound volume, allows. Modern matrix transducers consist, for example, of a two-dimensional arrangement of approximately 3,000 ultrasound elements. Through appropriate data processing, it is possible to scan pyramidal sound volumes of about 90 ° lateral extent and 30 ° width and display the ultrasound image information in real time. This allows real-time 3-D image data sets to be generated.
Die Doppler-Echokardiographie bzw. das Doüüler- Verfahren erlaubt die Bestimmung von Blutflußgeschwindigkeiten. Es handelt sich primär um kein Bildgebungsverfahren, sondern vielmehr um ein Geschwindigkeitsmeßverfahren. Ausgenutzt wird hierbei der sogenannte Doppler-Effekt, also die Frequenzverschiebung des reflektierten Ultraschallsignals, das auch kurz als Dopplersignal bezeichnet wird. Diese Frequenzverschiebung ist proportional der Bewegungsgeschwindigkeit des reflektierenden Objekts relativ zum Ultra- schallempfänger. Diese Frequenzverschiebung wird auch als Doppler-Fre- quenz bezeichnet.Doppler echocardiography or the Doüüler method allows the determination of blood flow velocities. It is primarily not an imaging technique, but rather a velocity measurement technique. Here, the so-called Doppler effect is exploited, ie the frequency shift of the reflected ultrasonic signal, which is also referred to as the Doppler signal for short. This frequency shift is proportional to the speed of movement of the reflecting object relative to the ultrasound receiver. This frequency shift is also referred to as Doppler frequency.
Es sind drei Doppler- Verfahren bekannt, nämlich das kontinuierliche Doppler- Verfahren, daß gepulste Doppler- Verfahren und das Farb-Doppler-Verfah- ren.Three Doppler methods are known, namely the continuous Doppler method, pulsed Doppler methods and the color Doppler method.
Beim kontinuierlichen Doppler- Verfahren werden kontinuierlich Ultraschallwellen ausgesendet und nach Reflexion von anderen Schallelementen kontinuierlich empfangen. Durch den kontinuierlichen Empfang ist die Bestimmung sehr hoher Flußgeschwindigkeiten von bis etwa 8 m/s möglich. Es ist jedoch keine eindeutige örtliche Zuordnung der registrierten Bewegung möglich. Es wird ein Geschwindigkeitsspektrum erzeugt. Daher wird der kontinuierliche Doppler auch als Spektral-Doppler bezeichnet. Jeder Bildpunkt innerhalb des Geschwindigkeitsspektrums repräsentiert dabei jeweils eine Geschwindigkeit und einen Zeitpunkt. Je mehr Objekte mit gleicher Geschwindigkeit fließen, desto größer ist die Ultraschallenergie bei dieser Doppler-Frequenz und dem entsprechend heller wird der entsprechende Bildpunkt dargestellt. Daher ist beispielsweise das Doppler-Sektrum einer schweren Mitralinsuffizienz wesentlich heller als das einer geringen Mitralinsuffizienz, weil der Doppler- Strahl bei größerem Mitralklappenleck einen größeren Flußquerschnitt mit größerer Anzahl reflektierender Blutkörperchen erfaßt. Die Intensität des Doppler-Sektrums gibt damit einen Hinweis auf die Größe des Regurgitati- onsflusses (Rückflusses) und damit den Schweregrad der Mitralinsuffizienz. Aufgrund der Erfassung unterschiedlicher Flüsse entlang des Doppler- Strahls ist jedoch eine Quantifizierung nur des Regurgitationsflusses nicht möglich.In the continuous Doppler method, ultrasonic waves are continuously emitted and continuously received after reflection from other sound elements. Due to the continuous reception, the determination of very high flow velocities of up to 8 m / s is possible. However, there is no unambiguous local assignment of the registered movement possible. A speed spectrum is generated. Therefore, continuous Doppler is also referred to as spectral Doppler. Each pixel within the velocity spectrum represents one speed and one time. The more objects flow at the same speed, the greater the ultrasonic energy at this Doppler frequency and the corresponding brighter the corresponding pixel is displayed. Therefore, for example, the Doppler spectrum of severe mitral regurgitation is much brighter than that of low mitral regurgitation because the Doppler beam, with greater mitral valve leakage, detects a larger flow area with larger numbers of reflective blood cells. The intensity of the Doppler spectra thus give an indication of the size of the regurgitation flow (reflux) and thus the severity of mitral insufficiency. However, due to the detection of different flows along the Doppler beam, quantification of only the regurgitation flow is not possible.
Gegenüber dem kontinuierlichen Doppler- Verfahren erlaubt das gepulste Doppler- Verfahren entlang des Ultraschallstahls eine eindeutige örtliche Zuordnung der Doppler-Geschwindigkeiten. Es lassen sich jedoch nur Geschwindigkeiten bis ca. 2 bis 3 m/s bestimmen. Die PRF für die Doppler-Pulse hängt wie bei der M-mode-Technik von dem Abstand zu dem zu messenden Objekt und von der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls ab. Beim gepulsten Doppler- Verfahren ist die maximal meßbare Phasenverschiebung von der PRF abhängig. Damit die Doppler-Frequenz, die der Phasenverschiebung entspricht, anhand der Ultraschallpulse erfaßt werden kann, muß die PRF mindestens der zweifachen Doppler-Frequenz entsprechen. Darüber hinaus ist die maximal erfaßbare Geschwindigkeit - generell und nachfolgend als Nyquist-Geschwindigkeit - von der PRF abhängig. Je höher die PRF, desto geringer ist die Nyquist-Geschwindigkeit. So ergibt sich beispielsweise bei einer PRF von 5 MHz und einem Abstand von 7 cm eine Nyquist- Geschwindigkeit von etwa 0,85 m/s. Wenn die Nyquist-Geschwindigkeit überschritten wird, können mehrere Meßfenster entstehen (wodurch die Eindeutigkeit der örtlichen Zuordnung der Geschwindigkeiten verloren geht) oder durchlaufen die Geschwindigkeiten oberhalb der Nyquist-Geschwindigkeit wiederholt das Geschwindigkeits-Spektrum bzw. Nyquist-Spektrum (hier- durch geht die Eindeutigkeit der Geschwindigkeitsbestimmung verloren - dieses Durchlaufen wird nachfolgend als Aliasing bezeichnet).Compared to the continuous Doppler method, the pulsed Doppler method along the ultrasonic steel allows a clear local assignment of the Doppler velocities. However, only speeds up to about 2 to 3 m / s can be determined. As with the M-mode technique, the PRF for the Doppler pulses depends on the distance to the object to be measured and on the propagation velocity of the ultrasound. In the pulsed Doppler method, the maximum measurable phase shift depends on the PRF. In order for the Doppler frequency, which corresponds to the phase shift, to be detected by means of the ultrasonic pulses, the PRF must correspond to at least twice the Doppler frequency. In addition, the maximum detectable speed - generally and subsequently as Nyquist speed - depends on the PRF. The higher the PRF, the lower the Nyquist speed. Thus, for example, at a PRF of 5 MHz and a distance of 7 cm, a Nyquist velocity of about 0.85 m / s results. If the Nyquist velocity is exceeded, several measurement windows may be created (thereby losing the uniqueness of the local assignment of the velocities), or the velocities above the Nyquist velocity will repeat the velocity spectrum or Nyquist spectrum (this will cause uniqueness lost speed determination - this pass is hereafter referred to as aliasing).
Üblicherweise wird die Geschwindigkeitsskala innerhalb der Nyquist-Grenzen beibehalten, um eine eindeutige örtliche Zuordnung der Geschwindigkeiten zu erhalten. Wenn die Doppler-Frequenz gegenüber der PRF zu groß ist, kann die Doppler-Frequenz und damit die Geschwindigkeit nicht eindeutig erkannt werden. Es tritt der Effekt des Aliasing auf. Zu berücksichtigen ist hierbei, daß das gepulste Doppler-Verfahren bzw. eine gepulste Doppler-Einrichtung anhand der Phasenverschiebung nicht nur die Geschwindigkeit des sich bewe- genden Objekts, sondern auch die Richtung der Geschwindigkeit - also die Flußrichtung - erkennten kann. Wenn die Doppler-Frequenz die Nyquist- Grenzen von +/- 1A PRF überschreitet, kann keine eindeutige Geschwindigkeit bzw. Geschwindigkeitsrichtung mehr zugeordnet werden. Es folgt dann eine Fehldarstellung.Usually, the speed scale is maintained within the Nyquist limits to provide a clear location mapping of speeds. If the Doppler frequency is too large compared to the PRF, the Doppler frequency and thus the speed can not be clearly detected. The effect of aliasing occurs. It should be noted here that the pulsed Doppler method or a pulsed Doppler device can detect not only the velocity of the moving object but also the direction of the velocity-that is, the direction of flow-based on the phase shift. If the Doppler frequency is the Nyquist Exceeds limits of +/- 1 A PRF, no unambiguous velocity or speed direction more can be assigned. It then follows a misrepresentation.
Im Doppler-Modus ist üblicherweise die Möglichkeit vorhanden, die Informationen der Bewegungsrichtung zu Gunsten höherer Geschwindigkeiten aufzugeben. Statt jeweils in die positive und negative Richtung Geschwindigkeiten zu messen und anzuzeigen, ist es möglich, in einer Richtung die Doppier- Frequenzen (also Geschwindigkeiten) bis zu der PRF (Nyquist-Grenze) zu er- fassen. Diese Skalenverschiebung wird auch als Nullinienverschiebung bezeichnet.In Doppler mode, it is usually possible to abandon the information of the direction of movement in favor of higher speeds. Instead of measuring and displaying velocities in the positive and negative directions, it is possible to record the doubling frequencies (ie velocities) in one direction up to the PRF (Nyquist limit). This scale shift is also referred to as a zero line shift.
Auch das gepulste Doppler- Verfahren erlaubt wie das kontinuierliche Doppler- Verfahren die Registrierung der unterschiedlichen Geschwindigkeiten ei- nes Flusses in Form eines Geschwindigkeitsspektrums. Beim gepulsten Doppler- Verfahren besteht aufgrund des Meßfensters mit einem bestimmten Tiefenbereich eine hohe Proportionalität zwischen der reflektierten Ultraschallenergie und der Größe des reflektierenden Flußquerschnitts (hier auch Querschnittsfläche genannt), wodurch eine Quantifizierung des Flußquerschnitts und der Flußmenge anhand der Doppler-Sektrums prinzipiell möglich ist.The pulsed Doppler method, like the continuous Doppler method, also permits the registration of the different speeds of a flow in the form of a speed spectrum. In the case of the pulsed Doppler method, due to the measuring window with a certain depth range, a high proportionality between the reflected ultrasonic energy and the size of the reflective flow cross section (here also referred to as cross-sectional area), whereby a quantification of the flow cross section and the amount of flux on the basis of the Doppler spectra is possible in principle.
Das Farb-Doppler- Verfahren erlaubt eine zwei- oder dreidimensionale farb- kodierte Darstellung von Geschwindigkeiten, insbesondere Blutflüssen, in Kombination mit der 2-D- oder 3-D-Echokardiographie. Wegen der physikali- sehen Grenzen, die der Doppler-Technik durch die PRF gesetzt sind, ist es unmöglich, allen Bildpunkten entlang einer Bildlinie genaue Flußgeschwindigkeiten zuzuordnen.The color Doppler method allows a two- or three-dimensional color-coded representation of velocities, in particular blood flows, in combination with 2-D or 3-D echocardiography. Because of the physical limitations imposed by the PRF on the Doppler technique, it is impossible to assign accurate flow velocities to all pixels along an image line.
Das Farb-Doppler- Verfahren basiert grundsätzlich auf dem Prinzip des gepul- sten Doppler- Verfahrens. Statt das gesamte Geschwindigkeitsspektrum in einem Meßpunkt zu registrieren, werden beim Farb-Doppler- Verfahren pro Meßpunkt mehrere Pulse auseinanderfolgend ausgesendet und jeweils nur die Phasenverschiebung zwischen zwei aufeinanderfolgenden reflektierenden Pulsen verglichen (Autokorrelation). Diese Phasenverschiebungen werden gemittelt, um eine mittlere Flußgeschwindigkeit des jeweiligen Meßpunkts zu bestimmen. Je größer die PRF und damit die Anzahl der Phasenverschiebun- gen sind, desto genauer (sensitiver) ist die Bestimmung der mittleren Geschwindigkeit. Je größer die PRF ist, desto stärker sinkt aber die Bildrate. Die mittleren Geschwindigkeiten werden nach Höhe und Richtung der Geschwindigkeit farblich kodiert. Dunkles rot bis helles gelb kodiert üblicherweise Ge- schwindigkeiten von 0 bis zur halben (positiven) Nyquist-Geschwindigkeit auf den Schallkopf zu und dunkles blau bis helles blau von 0 bis zur halben (negativen) Nyquist-Geschwindigkeit vom Schallkopf weg.The color Doppler process is basically based on the principle of the pulsed Doppler process. Instead of registering the entire speed spectrum in one measuring point, in the color Doppler method, several pulses are transmitted successively per measuring point and only the phase shift between two successive reflecting pulses is compared (autocorrelation). These phase shifts are averaged to determine an average flow velocity of the particular measurement point. The larger the PRF and thus the number of phase shifts the more accurate (sensitive) is the determination of the mean velocity. The larger the PRF, the more the frame rate drops. The average speeds are color-coded according to the height and direction of the speed. Dark red to light yellow usually encodes speeds from 0 to half the (positive) Nyquist velocity toward the transducer and dark blue to light blue from 0 to half (negative) Nyquist velocity away from the transducer.
Aufgrund der gewünschten Ortsauflösung unterliegt das Farb-Doppler- Verfahren der gleichen Begrenzung der maximalen Nyquist-Geschwindigkeit mit dem Effekt des Aliasing wie das gepulste Doppler- Verfahren. Die Nyquist-Geschwindigkeit des Farb-Doppler- Verfahrens ist bei gleichen Einstellungen jedoch etwas geringer als beim gepulsten Doppler- Verfahren, da ein Teil der Pulse für die Bilderzeugung benötigt wird und damit die PRF für das Farb-Doppler- Verfahren sinkt.Due to the desired spatial resolution, the color Doppler method is subject to the same limitation of the maximum Nyquist velocity with the effect of aliasing as the pulsed Doppler method. However, the Nyquist speed of the color Doppler method is somewhat lower for the same settings than for the pulsed Doppler method, since some of the pulses are needed for image generation and thus the PRF for the color Doppler method decreases.
Die mittleren Geschwindigkeiten werden durch eine Farbkodierung, insbesondere wie bereits oben erläutert, dargestellt. So ergibt sich insbesondere ein Farbkreis. Bei Überschreiten der Nyquist-Grenze bzw. -Geschwindigkeit er- folgt ein Farbwechsel bzw. Farbumschlag, beispielsweise von hellblau zu gelb, bei Fluß vom Schallkopf weg oder von gelb zu hellblau bei Fluß auf den Schallkopf zu. Je höher die mittlere Geschwindigkeit ist, desto häufiger wird der Farbkreis durchlaufen bzw. erfolgt ein Farbumschlag. In diesem Fall kann auch von mehrfachem Aliasing gesprochen werden.The average speeds are represented by a color coding, in particular as already explained above. This results in particular a color wheel. If the Nyquist limit or speed is exceeded, a color change or color change takes place, for example from light blue to yellow, when the flow is away from the transducer or from yellow to light blue when the transducer is flowing. The higher the average speed, the more often the color wheel is traversed or the color changes. In this case, one can also speak of multiple aliasing.
Bei der vorliegenden Erfindung ist unter dem Begriff "Aliasing" insbesondere nicht nur zu verstehen, daß ein Farbwechsel bzw. Farbumschlag erfolgt ist, sondern wie oft. Das Aliasing bzw. ein entsprechender Aliasing- Wert gibt also an, wie oft die Nyquist-Geschwindigkeit überschritten bzw. die Farbskala durchlaufen worden ist.In the present invention, the term "aliasing" in particular not only to understand that a color change or color change has taken place, but how often. Aliasing or a corresponding aliasing value thus indicates how often the Nyquist velocity has been exceeded or the color gamut has been traversed.
Basierend auf dem Farb-Doppler- Verfahren ist die sogenannte PISA-Methode bekannt. Es wird der Regurgitationsfluß anhand der hemisphärischen Fluß- konverigenz vor einer durchströmten Öffnung bestimmt. Die hemisphärische Fläche vor der Öffnung wird mit Hilfe der Farbumschlagsgrenze aufgrund des Farbumschlags beim Aliasing erfaßt. Die so bestimmte Fläche wird mit der Nyquist-Geschwindigkeit multipliziert, wodurch sich der Volumenstrom des Fluids durch diese Fläche und damit auch durch die Öffnung ergibt. Zu Einzelheiten wird auf "Echokardiographie", Seite 41/42, und die dort zitierte Literatur verwiesen. Problematisch bei der PISA-Methode ist, daß die Aliasing- Grenze in vielen Fällen nicht hemisphärisch verläuft und daß die Hemisphäre des Aliasing zudem einem Winkelfehler, dem sogenannten Doppler- Winkelfehler (Abweichung der Flußrichtung von der Ultraschallrichtung), unterliegt.Based on the color Doppler method, the so-called PISA method is known. The regurgitation flow is determined on the basis of the hemispherical flux convergence in front of a flow-through opening. The hemispherical area in front of the opening is detected by means of the color change limit due to the color change during aliasing. The area thus determined is with the Multiplied by the Nyquist velocity, which results in the volume flow of the fluid through this area and thus through the opening. For details, refer to "Echocardiography", page 41/42, and the references cited therein. A problem with the PISA method is that in many cases the aliasing boundary is not hemispherical and that the hemisphere of the aliasing is also subject to an angle error, the so-called Doppler angle error (deviation of the direction of flow from the ultrasound direction).
Bei der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff "Volumenstrom" ein Volumen an Fluid, wie Blut, das pro Zeiteinheit fließt. Der Volumenstrom ergibt sich insbesondere aus dem Produkt der Geschwindigkeit (Fließgeschwindigkeit oder Flußgeschwindigkeit) des Fluids und der von der Fluid durchströmten Querschnittsfläche. Bei über der Querschnittsfläche variierenden Geschwindigkeiten wird über die Querschnittsfläche integriert.In the present invention, the term "volume flow" refers to a volume of fluid, such as blood, flowing per unit time. The volume flow results in particular from the product of the speed (flow velocity or flow velocity) of the fluid and the cross-sectional area through which the fluid flows. At velocities varying over the cross-sectional area, it is integrated over the cross-sectional area.
Das "Flußvolumen" bezeichnet das Volumen an Liquid, das über einen gewissen Zeitraum geströmt ist. Es ergibt sich bei variierendem Volumenstrom insbesondere aus dem Integral des Volumenstroms über die gewünschte Zeit- spanne.The "flow volume" refers to the volume of liquid that has flowed over a period of time. With varying volumetric flow, this results in particular from the integral of the volumetric flow over the desired time span.
Um beispielsweise bei einer insuffizienten Herzklappe den Volumenstrom, das Flußvolumen und/oder einen dazu proportionalen Wert - nachfolgend kurz auch Meßwerte genannt - des Blutrückstroms zu bestimmen, soll der Meßbereich innerhalb der vena contracta (Strahl Verengung) im Rückstrom des Bluts durch die Herzklappe liegen.In order, for example, to determine the volume flow, the flow volume and / or a value proportional thereto-also referred to below as measured values-of the blood return flow, the measuring range within the vena contracta (jet constriction) should be in the return flow of the blood through the heart valve.
Bei der vorliegenden Erfindung wird mit dem Begriff "Meßbereich" derjenige räumliche Bereich bezeichnet, der von einem Sendestrahl sonifiziert, also be- schallt, und dessen Rückstreuung erfaßt und ausgewertet wird, wobei gegebenenfalls nur die Rückstreuung eines Teilbereichs erfaßt und/oder ausgewertet wird. Die rückgestreuten Ultraschallwellen werden auch einfach als Ultraschallsignale oder Dopplersignale bezeichnet.In the present invention, the term "measuring range" refers to that spatial area which is sonified by a transmitting beam, ie sonicated, and whose backscattering is detected and evaluated, with possibly only the backscattering of a subarea being detected and / or evaluated. The backscattered ultrasonic waves are also referred to simply as ultrasonic signals or Doppler signals.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ultraschall-Messung eines Volumenstroms und/oder Flußvolumens durch eine Öffnung sowie eine Verwendung eines Farb- Doppler-Datensatzes anzugeben, wobei eine einfache, vorzugsweise automatisierte Messung, insbesondere an einer verhältnismäßig großen und/oder unregelmäßig geformten und/oder dynamischen Öffnung, unter Verwendung des Farb-Doppler- Verfahrens auch bei Fließgeschwindigkeiten über der Nyquist- Geschwindigkeit ermöglicht wird.The present invention is based on the object, a method and an apparatus for ultrasonic measurement of a volume flow and / or Flow volume through an opening and a use of a color Doppler data set, wherein a simple, preferably automated measurement, especially at a relatively large and / or irregularly shaped and / or dynamic opening, using the color Doppler method even at flow rates above the Nyquist speed.
Die obige Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung Anspruch 10 oder eine Verwendung gemäß Anspruch 16 gelöst. Vor- teilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The above object is achieved by a method according to claim 1, a device claim 10 or a use according to claim 16. Advantageous developments are the subject matter of the subclaims.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß mittels des Farb- Doppler- Verfahrens eine zwei- oder dreidimensionale Verteilung der Geschwindigkeit des Fluids gemessen wird. Der Meßbereich liegt vorzugsweise in und/oder nach einer insbesondere dynamischen und/oder unregelmäßigen Öffnung, die von dem Fluid durchströmt wird. Besonders bevorzugt liegt der Meßbereich im Bereich einer vena contracta. So wird ein Datensatz mit farb- kodierten Geschwindigkeiten erfaßt.One aspect of the present invention is that a two- or three-dimensional distribution of the velocity of the fluid is measured by the color Doppler method. The measuring range is preferably in and / or after a particularly dynamic and / or irregular opening through which the fluid flows. Particularly preferably, the measuring range is in the range of a vena contracta. This records a record with color-coded velocities.
Die Nullinie der Farbkodierung des Datensatzes wird so angepaßt, daß bei den farbkodierten Geschwindigkeiten im Meßbereich kein Farbumschlag erfolgt.The zero line of the color coding of the data set is adapted so that no color change occurs at the color-coded speeds in the measuring range.
Alternativ oder zusätzlich wird das Aliasing der Farbkodierung bestimmt. Dies erfolgt insbesondere dadurch, daß erfaßt wird, wie oft die Nyquist- Geschwindigkeit von einer Geschwindigkeit, insbesondere einer maximalen oder mittleren Geschwindigkeit, im Meßbereich überschritten wird. Diese Geschwindigkeit wird insbesondere separat und/oder absolut bestimmt, besonders bevorzugt mittels dem kontinuierlichem Doppler- Verfahren. Jedoch kann auch ein sonstiges Verfahren für diese Bestimmung eingesetzt werden.Alternatively or additionally, the aliasing of the color coding is determined. This is done in particular by detecting how often the Nyquist velocity is exceeded by a velocity, in particular a maximum or average velocity, in the measuring range. In particular, this speed is determined separately and / or absolutely, more preferably by means of the continuous Doppler method. However, any other method may be used for this determination.
Schließlich wird der Volumenstrom und/oder das Flußvolumen aus den farbkodierten Geschwindigkeiten des angepaßten Datensatzes - also mit der angepaßten Farbkodierung - unter Berücksichtigung des Aliasing und der Ny- quist-Geschwindigkeit und/oder unter Berücksichtigung der absoluten Ge- schwindigkeit gemessen. Vorzugsweise werden die farbkodierten Geschwindigkeiten nach Anpassung der Farbkodierung in einem Farbbild dargestellt. Besonders bevorzugst kann dabei auch gleichzeitig der Volumenstrom und/oder das Flußvolumen angezeigt werden.Finally, the volume flow and / or the flow volume is measured from the color-coded velocities of the adapted data record-that is to say with the adapted color coding-taking into account the aliasing and the Nyquist velocity and / or taking into account the absolute velocity. Preferably, the color-coded velocities are displayed after adjusting the color coding in a color image. Particularly preferably, the volume flow and / or the flow volume can also be displayed at the same time.
An Stelle des Volumenstroms bzw. Flußvolumens können generell Meßwerte im Sinne der vorliegenden Erfindung, also beispielsweise auch dazu proportionale oder davon abhängende Werte angezeigt werden.Instead of the volume flow or flow volume, measured values in the sense of the present invention, ie, for example, also values proportional thereto or dependent thereon can be displayed.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigt:Further advantages, features, properties and aspects of the present invention will become apparent from the following description of a preferred exemplary embodiment with reference to the drawing. It shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer vorschlagsgemäßen Vorrich- tung bei der Ultraschall-Messung des Rückstroms durch eine in- suffiziente Herzklappe;1 is a schematic representation of a proposed device in the ultrasonic measurement of the return current through an inefficient heart valve;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ultraschall-Messung einer vena contracta in einer Öffnung; undFIG. 2 shows a schematic illustration of an ultrasound measurement of a vena contracta in an opening; FIG. and
Fig. 3 ein Doppler-Spektrum einer vena contracta.Fig. 3 is a Doppler spectrum of a vena contracta.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine vorschlagsgemäße Vorrichtung 1 und ein vorschlagsgemäßes Verfahren zur Ultraschall-Messung eines Fluid- Stroms durch eine insbesondere dynamische und/oder unregelmäßige Öffnung 2, die von einem Fluid, insbesondere Blut 3, durchströmt wird.Fig. 1 shows a schematic representation of a proposed device 1 and a proposed method for ultrasonic measurement of a fluid flow through a particular dynamic and / or irregular opening 2, which is flowed through by a fluid, in particular blood 3.
Fig. 1 zeigt schematisch einen nur teilweise angedeuteten Körper 4 mit einem zu untersuchenden Herz 5, das von Blut 3 durchströmt ist. Eine Herzklappe - hier die Mitralklappe M - ist insuffizient und schließt daher während der Kontraktion der Herzkammer (im weiteren Systole genannt) nicht vollständig, sondern bildet die in Fig. 1 schematisch angedeutete Öffnung 2. Während der Systole strömt Blut 3 durch die Öffnung 2 zurück.Fig. 1 shows schematically a body 4 only partially indicated with a heart to be examined 5, which is traversed by blood 3. A heart valve - here the mitral valve M - is insufficient and therefore does not completely close during the contraction of the ventricle (referred to below as systole), but forms the opening 2 schematically indicated in FIG. 1. During systole, blood 3 flows back through the opening 2 ,
Mittels der vorschlagsgemäßen Vorrichtung 1 und des vorschlagsgemäßen Verfahrens können Meßwerte, nämlich der zeitlich während der Meß- oder Flußperiode variierende Volumenstrom des rückströmenden Bluts 3, das gesamte Flußvolumen an rückströmendem Blut 3 und/oder ein dazu proportionaler oder davon abhängiger Wert, bestimmt werden.By means of the proposed device 1 and the proposed method, measured values, namely the time during the measuring or Flow period varying volume flow of the backflowing blood 3, the total flow volume of backflowing blood 3 and / or a proportional thereto or dependent thereon, are determined.
Das vorschlagsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf die Bestimmung der Meßwerte bei einer Mitralklappe beschränkt, sondern kann zur Bestimmung der Meßwerte bei jeder Herzklappe oder bei jeder sonstigen dynamischen und/oder unregelmäßigen, insbesondere von Blut 3 durchströmten Öffnung 2, beispielsweise einem Loch in der Herzscheidewand, einer stenosierten Vene oder Arterie oder dergleichen, eingesetzt werden. Darüber hinaus ist das vorschlagsgemäße Verfahren nicht auf die Bestimmung der Meßwerte bei einer einzigen Öffnung 2 beschränkt, sondern kann die Meßwerte auch von mehreren Öffnungen 2 nacheinander - beispielsweise während der Systole bei einer insuffizienten Mitralklappe und während der Diastole (Relaxation und Füllung der Herzkammer) bei einer insuffizienten Aortenklappe - oder simultan - beispielsweise bei zwei Öffnungen 2 in einer insuffizienten Mitralklappe oder bei einer insuffizienten Mitralklappe und einer stenosierten Aortenklappe - bestimmen.However, the proposed method is not limited to the determination of the measured values in the case of a mitral valve, but can be used to determine the measured values in each heart valve or in any other dynamic and / or irregular opening 2, in particular blood 3, for example a hole in the heart septum, a stenosed vein or artery or the like. Moreover, the proposed method is not limited to the determination of the measured values in a single opening 2, but can the measured values of several openings 2 sequentially - for example, during the systole in an insufficient mitral valve and during diastole (relaxation and filling of the heart chamber) at an inadequate aortic valve - or simultaneously - for example, if there are two orifices 2 in an insufficient mitral valve, or if there is an insufficient mitral valve and a stenosed aortic valve.
Fig. 2 veranschaulicht schematisch das Grundprinzip der Ultraschall- Messung. Die schematisch angedeutete Öffnung 2 ist von einem Fluid, wie dem Blut 3, durchströmt, wobei sich nach der Öffnung 2 ein Bereich 6 mit zumindest im wesentlichen laminarer Strömung bildet, der sich verjüngt, also eine Strahleinschnürung bzw. -Verengung zeigt und deshalb auch als vena contracta bezeichnet wird. Dieser laminare Bereich 6 läuft je nach Form der Öffnung 2 spitz, ggf. konisch, zu und geht zunehmend in eine turbulente Strömung über.Fig. 2 schematically illustrates the basic principle of ultrasonic measurement. The schematically indicated opening 2 is traversed by a fluid, such as the blood 3, wherein after the opening 2, a region 6 forms with at least substantially laminar flow, which tapers, so a Strahlentschnürung or -Verengung shows and therefore as vena contracta. This laminar region 6 runs depending on the shape of the opening 2 pointed, possibly conical, and is increasingly in a turbulent flow.
Insbesondere bezieht sich das vorschlagsgemäße Verfahren auf die Messung im Bereich einer vena contracta mit einer Strahleinschnürung um den Faktor 0,65 bis 0,85 (Fläche oder Durchmesser des verjüngten Bereichs 6 zu Fläche oder Durchmesser der Öffnung 2).In particular, the proposed method relates to the measurement in the region of a vena contracta with a jet constriction of a factor of 0.65 to 0.85 (area or diameter of the tapered region 6 to area or diameter of the opening 2).
Es werden gepulste Ultraschall-Signale 7 ausgesendet, wie in Fig. 2 angedeu- tet, und die Rückstreuung von Ultraschall-Dopplersignalen 8 wird erfaßt und ausgewertet. Beispielhaft ist in Fig. 2 ein Meßbereich 9 eingezeichnet, in dem die Öffnung 2 liegt und/oder der nach der Öffnung 2, also stromab der Öffnung 2, angeordnet ist. Relevant ist jedoch vorzugsweise nur ein in Fig. 2 ebenfalls sche- matisch angedeuteter, kleinerer Meßbereich 10, der insbesondere im Bereich 6 der vena contracta liegt und insbesondere zumindest im wesentlichen einem Querschnitt des Bereichs 6 entspricht. Jedoch stellt dies nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dar. Abweichungen hiervon sind also möglich.Pulsed ultrasonic signals 7 are emitted, as indicated in FIG. 2, and the backscattering of ultrasonic Doppler signals 8 is detected and evaluated. By way of example, FIG. 2 shows a measuring area 9 in which the opening 2 lies and / or which is arranged after the opening 2, that is, downstream of the opening 2. However, only a smaller measuring area 10, which is also schematically indicated in FIG. 2, is preferably relevant, which lies in particular in the area 6 of the vena contracta and in particular corresponds at least substantially to a cross section of the area 6. However, this represents only a preferred embodiment. Deviations from this are therefore possible.
Zur Erzeugung und zum Empfang bzw. zur Erfassung der Ultraschallwellen 7, 8 wird vorzugsweise ein sogenannter Multi-Array-Transducer 1 1 als Schallkopf bzw. Sender und Empfänger eingesetzt. Der Transducer 11 weist eine Vielzahl von insbesondere matrixartig angeordneten Ultraschallerzeugern, beispielsweise Piezo-Elementen, auf, die derart in ihrer Phase und Amplitude ansteuerbar sind, daß die Ultraschallwellen als gerichtete Sendestrahlen ausgesendet werden, wobei insbesondere die Richtung der Sendestrahlen und deren Breite bzw. Querschnitt elektronisch steuerbar sind. Entsprechend sind auch die Empfangsrichtung und Breite bzw. Querschnitt der empfangen Signale - also die räumliche Auflösung - steuerbar.For generating and for receiving or for detecting the ultrasonic waves 7, 8, preferably a so-called multi-array transducer 1 1 is used as a transducer or transmitter and receiver. The transducer 11 has a plurality of ultrasound generators, in particular piezoelectric elements arranged in a matrix, which are controllable in their phase and amplitude in such a way that the ultrasound waves are emitted as directional transmitted beams, in particular the direction of the transmitted beams and their width or cross section are electronically controllable. Accordingly, the receive direction and width or cross section of the received signals - ie the spatial resolution - controllable.
Mittels des vorzugsweise vorgesehenen Multi-Array-Transducers 11 oder eines sonstigen geeigneten Schallerzeugers und -empfängers sind bei dem vorschlagsgemäßen Ultraschall-Meßverfahren also sowohl die räumliche Lage als auch die Größe - insbesondere Querschnitt und Tiefe - der Meßbereiche 9, 10 steuerbar und/oder durch entsprechende Auswertung festlegbar.By means of the preferably provided multi-array transducer 11 or another suitable sound generator and receiver, in the proposed ultrasonic measuring method both the spatial position and the size-in particular cross-section and depth-of the measuring regions 9, 10 can be controlled and / or transmitted corresponding evaluation can be specified.
Zur Durchführung der Ultraschallmessungen und zur Steuerung des Transdu- cers 11 weist die Vorrichtung 1 über den Transducer 11 hinaus vorzugsweise eine Farb-Doppler-Einrichtung 12, eine Anpaßeinrichtung 13, eine Meßein- richtung 14, eine Erfassungseinrichtung 15, eine Auswerteeinrichtung 16 und/oder eine zugeordnete Anzeigeeinrichtung 17 auf, wie in Fig. 1 angedeutet.To carry out the ultrasound measurements and to control the transducer 11, the device 1 preferably has a color Doppler device 12, a matching device 13, a measuring device 14, a detection device 15, an evaluation device 16 and / or beyond the transducer 11 an associated display device 17, as indicated in Fig. 1.
Die Farb-Doppler-Einrichtung 12 mißt gemäß dem Farb-Doppler- Verfahren, insbesondere wie eingangs erläutert, die Geschwindigkeit des Fluids. Die gemessenen Geschwindigkeiten werden farbkodiert. Bei Geschwindigkeiten über der Nyquist-Geschwindigkeit tritt das genannte Aliasing auf. Die farbko- dierten Geschwindigkeiten werden als Datensatz 18 erfaßt und insbesondere gespeichert. Hierzu ist vorzugsweise ein in Fig. 1 nicht dargestellter Speicher oder dergleichen vorgesehen. Der Datensatz 18 stellt also eine zweidimensio- nale oder insbesondere dreidimensionale Verteilung der farbkodierten Geschwindigkeiten dar, insbesondere in dem gewünschten Meßbereich 10, gegebenenfalls auch in einem größeren Meßbereich 9.The color Doppler device 12 measures according to the color Doppler method, in particular as explained above, the speed of the fluid. The measured speeds are color-coded. At speeds above the Nyquist speed, the named aliasing occurs. The color coded speeds are recorded as data record 18 and stored in particular. For this purpose, a memory or the like, not shown in FIG. 1, is preferably provided. The data record 18 thus represents a two-dimensional or in particular three-dimensional distribution of the color-coded speeds, in particular in the desired measuring range 10, possibly also in a larger measuring range 9.
Besonders bevorzugt arbeitet die Einrichtung 12 in Echtzeit und/oder gemäß dem erläutertem 3D-Farb-Doppler- Verfahren.The device 12 particularly preferably operates in real time and / or in accordance with the explained 3D color Doppler method.
Die optionale Anpaßeinrichtung 13 dient einer Anpassung der Farbkodierung der Geschwindigkeiten des Datensatzes 18, um bei den meisten oder allen farbkodierten Geschwindigkeiten im interessierenden Meßbereich 10, also insbesondere im Bereich der vena contracta, sicherzustellen, daß kein Farbumschlag bzw. -Wechsel aufgrund von Aliasing erfolgt. Diese Anpassung erfolgt insbesondere durch entsprechende Nullinienverschiebung (vgl. obige Erläuterung). Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Spreizung oder Schrumpfung des Farbbereichs relativ zum kodierten Geschwindigkeitsbe- reich erfolgen.The optional matching device 13 serves to adapt the color coding of the speeds of the data set 18 in order to ensure at most or all color-coded speeds in the measuring range of interest 10, ie in particular in the area of the vena contracta, that no color change or change occurs due to aliasing. This adjustment is made in particular by a corresponding zero line shift (see above explanation). Alternatively or additionally, a spread or shrinkage of the color range relative to the coded speed range can also take place.
Vorzugsweise erfolgt das Erkennen eines Farbwechsels bzw.- Umschlags bei den farbkodierten Geschwindigkeiten innerhalb des relevanten bzw. interessierenden Meßbereichs 10 beim Datensatz 18 automatisch. Hierzu kann ein nicht dargestellter Farbsensor oder dergleichen eingesetzt werden. Jedoch ist es alternativ, zusätzlich oder optional auch möglich, die Anpassung - insbesondere Nullinienverschiebung - manuell vorzunehmen. Die Anpaßeinrichtung 13 ist dann entsprechend ausgebildet oder kann ganz entfallen.Preferably, the recognition of a color change or change at the color-coded speeds within the relevant or interesting measuring range 10 takes place automatically in the data record 18. For this purpose, an unillustrated color sensor or the like can be used. However, it is alternatively, additionally or optionally also possible to make the adjustment - in particular zero-line shift - manually. The matching device 13 is then designed accordingly or can be omitted altogether.
Die hinsichtlich ihrer Farbkodierung modifizierten Geschwindigkeiten werden von der Anpaßeinrichtung 13 insbesondere als modifizierter Datensatz 19 ausgegeben, bereitgestellt und/oder gespeichert.The speeds modified with regard to their color coding are output, provided and / or stored by the adapter device 13, in particular as a modified data record 19.
Weiter ist vorzugsweise die Meßeinrichtung 14 zur separaten und/oder abso- luten Messung einer Geschwindigkeit, insbesondere einer mittleren oder maximalen Geschwindigkeit im Meßbereich 10, vorgesehen. Die Messung der Geschwindigkeit durch die Meßeinrichtung 14 bzw. separat vom Farb-Doppler- Verfahren kann insbesondere gemäß dem kontinuierlichen Doppler- Verfahren bzw. gemäß dem in der WO 2004/075754 Al beschriebe- nen Verfahren erfolgen, die diesbezüglich als ergänzende Offenbarung hiermit eingeführt wird.Furthermore, the measuring device 14 is preferably provided for the separate and / or absolute measurement of a speed, in particular a mean or maximum speed in the measuring range 10. The measurement of the speed by the measuring device 14 or separately from the color Doppler method can, in particular, be carried out according to the continuous Doppler method or according to the method described in WO 2004/075754 A1, which is hereby introduced as a supplementary disclosure ,
Die optionale Erfassungseinrichtung 15 dient der Erfassung von Aliasing im eingangs genannten Sinne. Insbesondere wird erfaßt, wie oft die Nyquist- Geschwindigkeit der Farb-Doppler-Einrichtung 12 von der von der Meßeinrichtung 14 gemessenen Geschwindigkeit, insbesondere also der maximalen oder mittleren Geschwindigkeit des Fluids im Meßbereich 10, überschritten wird.The optional detection device 15 is used to detect aliasing in the aforementioned sense. In particular, it is detected how often the Nyquist speed of the color Doppler device 12 is exceeded by the speed measured by the measuring device 14, in particular the maximum or average velocity of the fluid in the measuring region 10.
Die Auswerteeinrichtung 16 ist zur Bestimmung eines Meßwerts, insbesondere des Volumenstroms und/oder des Flußvolumens, aus den farbkodierten Geschwindigkeiten des angepaßten Datensatzes 19, also nach Anpassung der Farbkodierung durch die Anpaßeinrichtung 13, ausgebildet.The evaluation device 16 is designed to determine a measured value, in particular the volume flow and / or the flow volume, from the color-coded speeds of the adapted data record 19, that is to say after adaptation of the color coding by the adjusting device 13.
Insbesondere wird bei der Bestimmung des Meßwerts das von der Erfassungseinrichtung 15 bestimmte Aliasing berücksichtigt. Dies erfolgt beim Ausführungsbeispiel vorzugsweise dadurch, daß aus dem angepaßten Datensatz 19 aufgrund der angepaßten Farbkodierung die entsprechenden Geschwindigkeiten bestimmt und eine Korrekturgeschwindigkeit dazu addiert wird. Die Kor- rekturgeschwindigkeit ergibt sich beim Darstellungsbeispiel aus dem Produkt aus dem Aliasing (genauer gesagt dem Aliasing-Faktor bzw. der Anzahl der Farbwechsel), wie von der Erfassungseinrichtung 15 bestimmt, und der Ny- quist-Geschwindigkeit der Farb-Doppler-Einrichtung 12. Die sich dann ergebenden Geschwindigkeiten stellen eine sehr gute Näherung der tatsächlichen Geschwindigkeiten dar. Diese Geschwindigkeiten werden über den Querschnitt bzw. die Querschnittsfläche zur Bestimmung des Volumenstroms des Fluids integriert.In particular, the determination of the measured value takes into account the aliasing determined by the detection device 15. This is preferably done in the embodiment in that the corresponding speeds are determined from the adapted data set 19 on the basis of the adapted color coding and a correction speed is added thereto. The correction speed results in the representation example from the product of the aliasing (more precisely, the aliasing factor or the number of color changes), as determined by the detection device 15, and the Nyquist speed of the color Doppler device 12 The resulting velocities represent a very good approximation of the actual velocities. These velocities are integrated over the cross-section or cross-sectional area to determine the volume flow of the fluid.
Alternativ kann aus den in ihrer Farbkodierung angepaßten Geschwindigkei- ten des Datensatzes 19 zunächst ein erster Volumenstrom durch Integration über die Querschnittsfläche bestimmt werden. Weiter wird dann eine zweiter Volumenstrom bestimmt, der das Aliasing berücksichtigt und zu dem ersten Volumenstrom hinzuaddiert wird. Der zweite Volumenstrom setzt sich aus dem Produkt Aliasing mal Nyquist Geschwindigkeit bestimmen, wenn die so bestimmte Geschwindigkeit mit der Querschnittsfläche multipliziert oder über diese integriert wird. Die Querschnittsfläche kann mittels des Farb-Doppler- Verfahrens bzw. anhand von des Datensatzes 19, insbesondere mittels der Auswerteeinrichtung 16, verhältnismäßig leicht festgelegt und/oder bestimmt werden. Insbesondere zeichnet sich die gewünschte Querschnittsfläche, die die gesamte vena constracta abdeckt, durch eine zumindest weitgehend glei- che Farbe aufgrund des im Bereich bzw. innerhalb der vena contracta homogenen und laminaren Flusses aus.Alternatively, from the speeds of the data set 19 matched in their color coding, a first volume flow can first be determined by integration over the cross-sectional area. Next will be a second Volume flow determines, which takes into account the aliasing and is added to the first volume flow. The second volume flow is determined by the product aliasing times Nyquist speed, when the speed so determined is multiplied by or integrated across the cross-sectional area. The cross-sectional area can be determined and / or determined relatively easily by means of the color Doppler method or by means of the data set 19, in particular by means of the evaluation device 16. In particular, the desired cross-sectional area which covers the entire vena constracta is distinguished by an at least largely identical color due to the homogeneous and laminar flow in the region or within the vena contracta.
Jedoch sind auch andere Verfahren möglich, um die Querschnittsfläche festzulegen und/oder zu bestimmen. Insbesondere ist auch eine manuelle Festle- gung möglich. Besonders bevorzugt reduziert sich die manuelle Festlegung jedoch auf das Festlegen einer gewünschten Schnittebene, vorzugsweise wobei jeweils der berechnete Volumenstrom mit anzeigbar ist.However, other methods are possible to determine and / or determine the cross-sectional area. In particular, a manual determination is possible. However, the manual setting is particularly preferably reduced to the setting of a desired cutting plane, preferably wherein in each case the calculated volume flow can also be displayed.
Alternativ kann die von der Meßeinrichtung 14 separat erfaßte Geschwindig- keit auch unmittelbar zur Skalierung bzw. Festlegung der farbkodierten Geschwindigkeiten des angepaßten Datensatzes 19 eingesetzt werden. In diesem Fall ist die Bestimmung des Aliasing und insbesondere die dafür vorgesehene Erfassungseinrichtung 15 nicht erforderlich.Alternatively, the speed detected separately by the measuring device 14 can also be used directly for scaling or fixing the color-coded speeds of the adapted data set 19. In this case, the determination of the aliasing and in particular the detection device 15 provided for it is not necessary.
Bei einer weiteren Alternative kann das Aliasing auch durch Mitzählen der Farbwechsel bzw. -umschlage über beispielsweise eine Systole hinweg erfaßt werden. Hierbei wird dann insbesondere der Farbwechsel verschiedener Bildpunkte, also der Geschwindigkeiten an unterschiedlichen Raumpunkten im relevanten Meßbereich 10, erfaßt. Dies kann wiederum mittels der Erfassungs- einheit 15 und/oder unter Verwendung eines nicht dargestellten Farbsensors oder dergleichen erfolgen.In a further alternative, the aliasing may also be detected by counting the color changes or envelopes over, for example, a systole. In this case, in particular, the color change of different pixels, that is to say the speeds at different spatial points in the relevant measuring range 10, is detected. This can in turn be done by means of the detection unit 15 and / or using a color sensor, not shown, or the like.
Die Veränderungen des Volumenstroms über einen Herzzyklus werden anhand mehrerer 3-D-Farb-Doppler-Datensätze erfaßt. Insbesondere wird die vorgeschlagene Bestimmung der Meßwerte während eines Herzzyklus bzw. innerhalb einer gewünschten Periode, wie einer Systole, mehrfach wiederholt. In dem 3-D-Farb-Doppler-Datensatz 18, 19 wird vorzugsweise eine dreidimensionale Box - also ein dreidimensionaler Bereich - über den Bereich der vena contracta gelegt. Innerhalb der dreidimensionalen Box kann eine Quer- schnittsebene insbesondere manuell (durch eine Maussteuerung oder dergleichen) bewegt oder festgelegt werden, innerhalb der die Flußquantifizierung bzw. Bestimmung mindestens eines Meßwerts erfolgt. So wird also der gewünschte Meßbereich 10 festgelegt. Bedarfsweise handelt es sich bei dem Meßbereich 10 letztendlich um eine zweidimensionale, insbesondere ebene Fläche.The changes in volume flow over a cardiac cycle are recorded using several 3-D color Doppler data sets. In particular, the proposed determination of the measured values is repeated a number of times during a cardiac cycle or within a desired period, such as a systole. In the 3-D color Doppler data set 18, 19, a three-dimensional box-that is, a three-dimensional area-is preferably placed over the area of the vena contracta. Within the three-dimensional box, a cross-sectional plane may in particular be moved or determined manually (by a mouse control or the like) within which the flux quantification or determination of at least one measured value takes place. Thus, the desired measuring range 10 is determined. If necessary, the measuring area 10 is ultimately a two-dimensional, in particular flat surface.
Durch manuelle oder automatische Verschiebung der Schnittebene in der 3- Dimensionalen Box kann vorzugsweise direkt der entsprechende Volumenstrom angezeigt werden.By manually or automatically shifting the cutting plane in the 3-dimensional box, the corresponding volume flow can preferably be displayed directly.
Mittels der Anzeigeeinrichtung 17 ist insbesondere ein Farbbild des Datensatzes 19, also der farbkodierten Geschwindigkeiten mit angepaßter Farbkodierung, anzeigbar. Des weiteren sind die ermittelten Meßwerte vorzugsweise ebenfalls anzeigbar. Beides erfolgt vorzugsweise in Echtzeit bzw. fortlaufend.By means of the display device 17, in particular a color image of the data set 19, that is the color-coded speeds with adapted color coding, can be displayed. Furthermore, the determined measured values are preferably also displayable. Both are preferably carried out in real time or continuously.
Die Bestimmung einer Geschwindigkeit durch die Meßeinrichtung 14 erfolgt besonders bevorzugt gemäß dem kontinuierlichen Doppler- Verfahren. Fig. 3 zeigt schematisch als Beispiel ein entstehendes Dopplerspektrum — Geschwindigkeit in Anhängigkeit von der Zeit - einer vena contracta bei einer Mitralklappe, also die Rückströmung von Blut während zweier aufeinanderfolgender Systolen. Das Doppler-Spektrum zeigt keine konturenscharfe Kurve, sondern pro Zeit punkt eine Rückstreuleistung, die mit den Anteilen unterschiedlicher Geschwindigkeit variiert, wie in Fig. 3 durch den gepunkteten Bereich angedeutet und durch das eingezeichnete Geschwindigkeitsspektrum - Verteilung der Anteile mit unterschiedlicher Geschwindigkeit für einen Zeitpunkt - eingezeichnet. Beim dargestellten Doppler-Spektrum wird nämlich nicht nur eine Geschwindigkeit eines bestimmten Punkts innerhalb des Meßbereichs 9, 10 angezeigt, sondern werden die verschiedenen Geschwindigkeiten aller Meßpunkte innerhalb des Meßbereichs 9, 10 berücksichtigt, die sich zu einem bestimmten Zeitpunkt je nach auftretender Häufigkeit überlagern können. Es erfolgt vorzugsweise eine kontinuierliche Messung der Geschwindigkeit, insbesondere der maximalen Geschwindigkeit durch die Meßeinrichtung 14 gemäß dem kontinuierlichen Doppler- Verfahren über einen Herzzyklus, so daß zu den Zeitpunkten der Erfassung der Geschwindigkeiten durch das Farb- Doppler- Verfahren beispielsweise die maximalen Flußgeschwindigkeiten basierend auf dem Doppler-Spektrum - insbesondere der in Fig. 3 dargestellten Linie maximaler Geschwindigkeit - zu jedem Zeitpunk der Bestimmung der Meßwerte erfaßt werden kann. Diese maximale Geschwindigkeit wird dann vorzugsweise von der Meßeinrichtung 14 bestimmt bzw. ausgegeben und zur Erfassung des Aliasing durch die Erfassungseinrichtung 15 und/oder zur Normierung der farbkodierten Geschwindigkeiten des Datensatzes 18 bzw. 19 genutzt.The determination of a speed by the measuring device 14 is particularly preferably carried out according to the continuous Doppler method. Fig. 3 shows schematically as an example an emerging Doppler spectrum - rate dependent on time - of a vena contracta in a mitral valve, ie the backflow of blood during two consecutive systoles. The Doppler spectrum shows no contours sharp curve, but at each point point a backscatter performance that varies with the proportions of different speed, as indicated in Fig. 3 by the dotted area and the drawn speed spectrum - distribution of shares at different speeds for a time - located. In the Doppler spectrum shown, not only is a speed of a certain point within the measuring range 9, 10 displayed, but the different speeds of all measuring points within the measuring range 9, 10 are taken into account, which can overlap at a certain time depending on the frequency occurring. Preferably, there is a continuous measurement of the speed, in particular the maximum speed, by the measuring device 14 according to the continuous Doppler method over a cardiac cycle, so that at the times of detection of the speeds by the color Doppler method, for example, the maximum flow rates based on the Doppler spectrum - in particular the line of maximum speed shown in Fig. 3 - can be detected at each time point of the determination of the measured values. This maximum speed is then preferably determined or output by the measuring device 14 and used for detecting the aliasing by the detection device 15 and / or for normalizing the color-coded speeds of the data set 18 or 19.
Das sich durch das kontinuierliche Doppler- Verfahren ergebende Doppler- Spektrum, wie beispielhaft in Fig. 3 dargestellt, kann alternativ oder zusätzlich auch für die Bestimmung der Öffnungsfläche der Öffnung 2 bzw. der Querschnittsfläche verwendet werden, sofern der Meßbereich 9 bzw. 10 die Öffnung 2 bzw. Öffnungsfläche vollständig einhüllt bzw. überdeckt. Das Inte- gral der Leistungswerte über die Geschwindigkeit bzw. das Geschwindigkeitsspektrum zu einem Zeitpunkt stellt, nämlich ein Maß für die Öffhungs- fläche bzw. Querschnittsfläche dar. Es ist möglich, eine effektive Öffnungsbzw. Querschnittsfläche zu bestimmen, die der in der vena contracta tatsächlich wirkenden Flußquerschnittsfläche entspricht und insbesondere um den Faktor 0,65 bis 0,85 kleiner als die geometrische Öffhungsfläche der Öffnung 2 ist.The Doppler spectrum resulting from the continuous Doppler method, as illustrated by way of example in FIG. 3, can alternatively or additionally also be used for determining the opening area of the opening 2 or the cross-sectional area, provided that the measuring area 9 or 10 is the opening 2 or opening area completely enveloped or covered. The integral of the power values over the speed or the speed spectrum at a time represents, namely, a measure of the opening area or cross-sectional area. It is possible to have an effective opening or cross-sectional area. Cross-sectional area to be determined, which corresponds to the effective in the vena contracta flow cross-sectional area and in particular by a factor of 0.65 to 0.85 is smaller than the geometric Öffhungsfläche the opening 2.
Zu Einzelheiten zur Bestimmung der (maximalen) Geschwindigkeit durch das kontinuierliche Doppler- Verfahren und/oder zur Bestimmung der Flußquer- schnittsfläche insbesondere unter Berücksichtung von Leistungswerten beim Doppler-Spektrum wird auf die WO 2004/075754 Al bzw. die WO 00/51495 Al verwiesen, die hiermit vollumfänglich als ergänzende Offenbarungen eingeführt werden. Wie bereits gesagt, kann die Flußquerschnittsfläche aber auch aus den Farb-Doppler-Daten oder auf sonstige Weise bestimmt werden. Die Meßeinrichtung 14 bzw. das zur separaten Messung oder Auswertung bevorzugte kontinuierliche Doppler- Verfahren kann auch zur Feststellung eingesetzt werden, ob eine vena contracta überhaupt vorliegt.For details on the determination of the (maximum) speed by the continuous Doppler method and / or for determining the flow cross-sectional area, in particular taking into account power values in the Doppler spectrum, reference is made to WO 2004/075754 A1 or WO 00/51495 A1 , which are hereby incorporated in full as supplementary disclosures. However, as already stated, the flux cross-sectional area can also be determined from the color Doppler data or otherwise. The measuring device 14 or the continuous Doppler method preferred for separate measurement or evaluation can also be used to determine whether a vena contracta is present at all.
Zur Feststellung, ob ein für eine vena contracta charakteristisches Dopplerspektrum vorliegt, erfolgt vorzugsweise zunächst eine Filterung. Beispielsweise bleiben alle Geschwindigkeitswerte unterhalb einer Mindestgrenze VMΠM von beispielsweise 100 cm/s unberücksichtigt und/oder werden nur Geschwindigkeitswerte berücksichtigt, die einen glockenförmigen oder annä- hernd normalverteilten Geschwindigkeitsverlauf zeigen und/oder oberhalb eines Mindestwerts von beispielsweise 20% - 50% des Maximalwerts des jeweiligen Spektrums liegen. Anschließend wird bei den vorzugsweise gefilterten oder in sonstiger geeigneter Weise aufbereiteten Spektren bzw. Werten vorzugsweise überprüft, ob die mittlere Geschwindigkeit einen Mindestwert überschreitet oder für alle Spektren bzw. Meßbereiche 9, 10 maximal ist, ob die Breite des Doppler- oder Geschwindigkeitsspektrums einen Maxi- malwert unterschreitet oder für alle Spektren bzw. Meßbereiche 9, 10 minimal ist, ob die Leistung oder das Leistungsintegral über die Geschwindigkeit einen Mindestwert überschreitet oder für alle Spektren bzw. Meßbereiche 9, 10 maximal ist, ob das Dopplerspektrum eine zumindest im wesentlichen durchgehende oder stetige Linie maximaler Geschwindigkeit zeigt, wie in Fig. 3 angedeutet, und/oder ob das Geschwindigkeitsspektrum zu einem Zeitpunkt, insbesondere bei maximaler Geschwindigkeit, wie in Fig. 3 angedeutet, zumindest im wesentlichen Gauß-verteilt bzw. normalverteilt ist.In order to determine whether there is a Doppler spectrum characteristic of a vena contracta, filtering is preferably carried out first. For example, all speed values below a minimum limit V MΠM of, for example, 100 cm / s are disregarded and / or only speed values are taken into account which exhibit a bell-shaped or approximately normally distributed speed profile and / or above a minimum value of, for example, 20% -50% of the maximum value of respective spectrum. Subsequently, in the preferably filtered or otherwise suitably prepared spectra or values, it is preferably checked whether the average speed exceeds a minimum value or is maximal for all spectra or measuring ranges 9, 10, whether the width of the Doppler or velocity spectrum has a maximum width. is below the minimum value or is minimal for all spectra or measuring ranges 9, 10, whether the power or the power integral over the speed exceeds a minimum value or for all spectra or measuring ranges 9, 10 is maximum, whether the Dopplerspektrum one at least substantially continuous or continuous Line of maximum speed shows, as indicated in Fig. 3, and / or whether the speed spectrum at a time, in particular at maximum speed, as indicated in Fig. 3, at least substantially Gauss-distributed or normally distributed.
Nur wenn mindestens ein, zwei oder, vorzugsweise alle der vorgenannten Bedingungen erfüllt sind, wird von dem vorschlagsgemäßen Verfahren bzw. der vorschlagsgemäßen Vorrichtung 1 das Auftreten einer vena contracta festgestellt oder zumindest vorläufig angenommen oder einem Bediener zur Aus- wahl angezeigt, wobei bedarfsweise in einen den vorgesehenen Bereich der vermuteten vena contracta darstellenden Bildmodus umschaltbar ist.Only if at least one, two or, preferably, all of the aforementioned conditions are met is the proposed method or the proposed device 1 the occurrence of a vena contracta detected or at least provisionally accepted or an operator to the displayed, where necessary, in a the intended area of the presumed vena contracta performing image mode is switchable.
Nach Feststellen des Auftretens einer vena contracta kann automatisch oder auf ein entsprechendes Bestätigungssignal eines Bedieners hin eine Ultraschall-Messung zur Bestimmung der Meßwerte, wie bereits oben erläutert, erfolgen. Die vorschlagsgemäße Vorrichtung 1 und das vorschlagsgemäße Verfahren ermöglichen vorzugsweise also eine automatisierte Lokalisation und/oder Messung der Meßwerte bei einer dynamischen und/oder unregelmä- ßigen Öffnung 2, die von einem Fluid, wie Blut 3, durchströmt ist.After determining the occurrence of a vena contracta, an ultrasound measurement for determining the measured values, as already explained above, can take place automatically or in response to a corresponding confirmation signal from an operator. The proposed device 1 and the proposed method thus preferably enable an automated localization and / or measurement of the measured values in the case of a dynamic and / or irregular opening 2 through which a fluid, such as blood 3, flows.
Das vorschlagsgemäße Verfahren und die vorschlagsgemäße Vorrichtung 1 zeichnen sich gemäß einer Weiterbildung dadurch aus, daß nacheinander oder simultan während einer Meßperiode die Meßwerte für mehrere getrennte Öff- nungen 2 bestimmt werden können. So ist es möglich, daß beispielsweise zwei getrennte Öffnungen 2 mit jeweils einem, eine vena contracta charakterisierenden Dopplerspektrum im Suchmodus erkannt und dann entweder nacheinander oder simultan unter Bestimmung der Meßwerte gemessen werden. Die Meßwerte können dann beispielsweise mittels der in Fig. 1 schematisch dargestellten Anzeigeeinrichtung 17 dem Bediener angezeigt werden.The proposed method and the proposed device 1 are characterized according to a development in that successively or simultaneously during a measurement period, the measured values for several separate openings 2 can be determined. It is thus possible, for example, for two separate openings 2, each with a Doppler spectrum characterizing a vena contracta, to be detected in the search mode and then measured either sequentially or simultaneously with determination of the measured values. The measured values can then be displayed to the operator, for example by means of the display device 17 shown schematically in FIG.
Die vorschlagsgemäße Vorrichtung 1 und das vorschlagsgemäße Verfahren sind universell einsetzbar, wobei die optionale Automatisierung insbesondere eine einfache und sichere Bedienung sowie eine schnelle Untersuchung bzw. Messung ermöglicht.The proposed device 1 and the proposed method are universally applicable, with the optional automation in particular allows easy and safe operation and a quick examination or measurement.
Zusammenfassend oder mit anderen Worten ausgedrückt, betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rauschunterdrük- kung und/oder Sichtbarmachung, bzw. Erzeugung von Farb-Doppler-Bildern bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten, insbesondere im Bereich der Kardiologie. Mittels des kontinuierlichen Doppler- Verfahrens wird vorzugsweise das gesamte Geschwindigkeitsprofil innerhalb des zu untersuchenden Volumens, wie einer vena contracta, ermittelt. So oder auf sonstige Weise werden absolute Geschwindigkeiten bestimmt. Die relativen Geschwindigkeitsprofile bzw. -werte, die durch das Farb-Doppler- Verfahren bereitgestellt werden, also die farbkodierten Geschwindigkeiten, werden mit den absoluten Geschwindigkei- ten verglichen bzw. skaliert. Alternativ oder zusätzlich kann dieser Vergleich bzw. die Skalierung auch nach Umrechung in Volumenströme erfolgen. Alternativ oder zusätzlich wird zur Bestimmung von absoluten Geschwindigkeiten und/oder absoluten Volumenströmen aus den farbkodierten Geschwindig- keiten auf das Aliasing, wie bereits beschrieben, zurückgegriffen.In summary, or in other words, the present invention relates to a method and apparatus for noise suppression and / or visualization or production of color Doppler images at high flow velocities, in particular in the field of cardiology. By means of the continuous Doppler method, preferably the entire velocity profile within the volume to be examined, such as a vena contracta, is determined. So or otherwise, absolute speeds are determined. The relative velocity profiles provided by the color Doppler method, that is, the color-coded velocities, are determined by the absolute velocity. compared or scaled. Alternatively or additionally, this comparison or the scaling can also be carried out after conversion into volume flows. Alternatively or additionally, aliasing, as already described, is used to determine absolute velocities and / or absolute volume flows from the color-coded velocities.
Mit anderen Worten ausgedrückt kann die vorliegende Erfindung auch folgendermaßen beschrieben werden: Die direkte Flußquantifizierung bei Mi- tralklappeninsuffizienz mittels Farb-Doppler-Echokardiographie war bisher aufgrund vielfachem Farb-Doppler- Aliasing in dem turbulenten Insuffizienzjet unmöglich. Studien zeigten jedoch, daß in der Vena contracta des Insuffizienzjets ein zumindest im wesentlichen laminarer Fluß mit einem schmalen Geschwindigkeitsspektrum existiert und somit ein Dealiasing zur exakten Bestimmung der Flußgeschwindigkeiten möglich sein sollte. Diese Annahme wurde anhand von Echtzeit-3D-Farb-Doppler-Datensätzen (RT3DE) in einem in vitro-Flußmodell überprüft.In other words, the present invention can also be described as follows: The direct flux quantification in the case of partial valvular insufficiency by means of color Doppler echocardiography was previously impossible due to multiple color Doppler aliasing in the turbulent insufficiency jet. However, studies have shown that there is an at least substantially laminar flow in the vena contracta of the insufficiency jet with a narrow velocity spectrum and thus dealiasing for accurate determination of flow velocities should be possible. This assumption was verified using real-time 3D color Doppler data sets (RT3DE) in an in vitro flow model.
In dem in vitro-Flußmodell wurden Regurgitationsjets mit Flußraten zwischen 5 bis 60 ml/s durch asymmetrische Öffnungen von 0,2 bis 0,6 cm2 erzeugt. In den RT3DE-Datensätzen (IE33, Philips) wurde die Farb-Doppler-Quer- schnittsfläche (QSF) durch die Vena contracta exakt dargestellt. Der Regurgi- tationsfluß ohne Aliasing wurde durch automatische Integration der Farb- Doppler-Geschwindigkeiten über die QSF der Vena contracta berechnet (4D Echo View, TomTec, München), wobei Aliasing durch maximalen Baseline- Shift zur Maximierung des Ny quist- Spektrums verhindert wurde. Zum Dealiasing wurde anhand der maximalen CW-Doppler-Geschwindigkeit die Anzahl der Aliasing-Durchläufe ermittelt. Der Regurgitationsfluß mit Aliasing berechnete sich aus QSF x Nyquist-Geschwindigkeit x Anzahl der Aliasing- Durchläufe. Der Gesamtfluß ergab sich aus der Summe des Regurgitations- flusses ohne Aliasing und mit Aliasing.In the in vitro flow model, regurgitation jets were generated at flow rates between 5 to 60 ml / s through asymmetric openings of 0.2 to 0.6 cm 2 . In the RT3DE data sets (IE33, Philips), the color Doppler cross-sectional area (QSF) was exactly represented by the vena contracta. The regurgitation flow without aliasing was calculated by automatic integration of color Doppler velocities across the QSF of the vena contracta (4D Echo View, TomTec, Munich), with aliasing prevented by maximum baseline shift to maximize the Nyquist spectrum. For the dealiasing, the number of aliasing runs was determined on the basis of the maximum CW Doppler speed. The regurgitation flux with aliasing was calculated from QSF x Nyquist velocity x number of aliasing runs. The total flow was the sum of the regurgitation flow without aliasing and aliasing.
Das Modell zeigte, daß die RT3DE-Darstellung der QSF der Vena contracta für alle Flußgrößen ohne Farb-Doppler-Aliasing möglich war. Die mittels der RT3DE-Datensätze berechneten Flußraten zeigten eine exzellente Korrelation mit den tatsächlichen Flußraten (r = 0,99) der Versuchsanlage mit einem mittleren Fehler von 3,7 ± 2,5 ml (nicht signifikant im T-Test). Im Ergebnis hat sich gezeigt, daß durch Dialiasing eine exakte Bestimmung des Regurgitationsflusses an der Vena contracta anhand von RT3DE-Daten- sätzen möglich ist. Das neue Verfahren läßt sich direkt in existierende RT3DE-Systeme zur Bestimmung des Mitralregurgitationsvolumens implementieren. The model showed that the RT3DE representation of the QSF of the vena contracta was possible for all flow sizes without color Doppler aliasing. The flow rates calculated from the RT3DE data sets showed an excellent correlation with the actual flow rates (r = 0.99) of the pilot plant with a mean error of 3.7 ± 2.5 ml (not significant in T-test). As a result, it has been shown that an accurate determination of the regurgitation flow at the vena contracta is possible by means of dialysis using RT3DE data sets. The new method can be directly implemented in existing RT3DE systems for determination of mitral regurgitation volume.

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Verfahren zur Ultraschall-Messung eines Volumenstroms und/oder Flußvolumens eines Fluids, insbesondere Blut (3), durch eine insbesondere dyna- mische und/oder unregelmäßige Öffnung (2) mittels einer Farb-Doppler- Einrichtung (12) bei Geschwindigkeiten über der Nyquist-Geschwindigkeit, wobei mittels der Farb-Doppler-Einrichtung (12) eine zwei- oder dreidimensionale Verteilung der Geschwindigkeit des Fluids in und/oder nach der Öff- nung (2) in einem Meßbereich (9, 10), insbesondere im Bereich einer vena contracta, gemessen und als Datensatz (18) mit farbkodierten Geschwindigkeiten erfaßt wird, wobei der Farbkodierung des Datensatzes (18) so angepaßt wird, daß bei den meisten oder allen farbkodierten Geschwindigkeiten im Meßbereich (9, 10) kein Farbumschlag erfolgt, wobei das Aliasing der Farbkodierung bestimmt wird, wobei der Volumenstrom und/oder das Flußvolumen aus den farbkodierten Geschwindigkeiten des angepaßten Datensatzes (19) unter Berücksichtigung des Aliasing bestimmt wird bzw. werden.1. A method for ultrasonic measurement of a volume flow and / or flow volume of a fluid, in particular blood (3), by a particular dynamic and / or irregular opening (2) by means of a color Doppler device (12) at speeds above Nyquist speed, wherein by means of the color Doppler device (12) a two- or three-dimensional distribution of the velocity of the fluid in and / or after the opening (2) in a measuring range (9, 10), in particular in the region vena contracta, measured and recorded as a record (18) with color-coded velocities, wherein the color coding of the record (18) is adjusted so that at most or all color-coded velocities in the measuring range (9, 10) no color change takes place, the aliasing the color coding is determined, wherein the volume flow and / or the flow volume of the color-coded speeds of the adapted data set (19) taking into account the aliasing is determined or will be.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Aliasing er- faßt wird, wie oft die Nyquist-Geschwindigkeit von einer insbesondere maximalen oder mittleren Geschwindigkeit im Meßbereich (9, 10) überschritten wird.2. The method according to claim 1, characterized in that it is detected as an aliasing, how often the Nyquist speed is exceeded by a particular maximum or average speed in the measuring range (9, 10).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale oder mittlere Geschwindigkeit separat und/oder absolut bestimmt wird, insbesondere mittels eines kontinuierlichen Doppler- Verfahrens.3. The method according to claim 2, characterized in that the maximum or average speed is determined separately and / or absolutely, in particular by means of a continuous Doppler method.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Farb-Doppler-Einrichtung (12) und zur Bestimmung der maximalen oder mitt- leren Geschwindigkeit derselbe Schallkopf verwendet wird. 4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the same transducer is used for the color Doppler device (12) and for determining the maximum or average speed.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Fluid durchströmte Querschnittsfläche des Meßbereichs (9, 10) aus dem Datensatz (18, 19) bestimmt wird.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the flowed through by the fluid cross-sectional area of the measuring range (9, 10) from the data set (18, 19) is determined.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom aus dem Integral der farbkodierten Geschwindigkeiten des angepaßten Datensatzes (19) über der Querschnittsfläche des Meßbereichs unter Berücksichtigung des Aliasing bestimmt wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the volume flow from the integral of the color-coded speeds of the adapted data set (19) over the cross-sectional area of the measuring range is determined taking into account the aliasing.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß gepulste Ultraschall-Dopplersignale verwendet werden.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that pulsed ultrasonic Doppler signals are used.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Matrix- Array-Transducer (1 1) als Schallkopf und Empfän- ger verwendet wird.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a matrix array transducer (1 1) is used as a transducer and receiver.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Farbkodierung angepaßten Geschwindigkeiten als Farbbild, die Öffhungsfläche, der Volumenstrom, das Flußvolumen und/oder ein davon abhängiger Wert angezeigt wird bzw. werden.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the matched in color coding speeds is displayed as a color image, the Öffhungsfläche, the volume flow, the flow volume and / or a dependent value or be.
10. Vorrichtung (1) zur Ultraschall-Messung eines Volumenstroms und/oder Flußvolumens eines Fluids, insbesondere Blut (3), durch eine insbesondere dynamische und/oder unregelmäßige Öffnung (2), mit einer Farb-Doppler-Einrichtung (12), um eine zwei- oder dreidimensionale Verteilung der Geschwindigkeit des Fluids in und/oder nach der Öffnung (2) in einem Meßbereich (9, 10), insbesondere im Bereich einer vena contrac- ta, zu messen und als Datensatz (18) mit farbkodierten Geschwindigkeiten zu erfassen, mit einer Anpaßeinrichtung (13) zur Anpassung der Nullinie und/oder Spreizung der Farbkodierung des Datensatzes (18), so daß bei den farbkodierten Geschwindigkeiten im Meßbereich (9, 10) kein Farbumschlag erfolgt, mit einer Meßeinrichtung (14) zur separaten und/oder absoluten Messung einer insbesondere maximalen oder mittleren Geschwindigkeit des Fluids im Meßbereich (9, 10), mit einer Erfassungseinrichtung (15) zur Erfassung als Aliasing, wie oft die Nyquist-Geschwindigkeit der Farb-Doppler-Einrichtung (12) von der von der Meßeinrichtung (14) gemessenen Geschwindigkeit im Meßbereich (9, 10) überschritten wird, mit einer Auswerteeinrichtung (16) zur Bestimmung des Volumenstroms und/oder Flußvolumens aus den in ihrer Farbkodierung angepaßten Geschwindigkeiten des angepaßten Datensatzes (19) unter Berücksichtigung des Aliasing.10. Device (1) for the ultrasonic measurement of a volume flow and / or flow volume of a fluid, in particular blood (3), by a particular dynamic and / or irregular opening (2), with a color Doppler device (12) a two- or three-dimensional distribution of the velocity of the fluid in and / or after the opening (2) in a measuring range (9, 10), in particular in the region of a vena contrac- ta to measure and as a data set (18) with color-coded speeds capture, with a matching device (13) for adjusting the zero line and / or spreading of the color coding of the data set (18), so that at the color-coded speeds in the measuring range (9, 10) no color change occurs, with a measuring device (14) for separate and or absolute measurement of a particular maximum or average velocity of the fluid in the measuring range (9, 10), with an acquisition device (15) for detecting as aliasing how often the Nyquist speed of the color Doppler device (12) is exceeded by the speed measured in the measuring range (9, 10) by the measuring device (14), with an evaluation device ( 16) for determining the volume flow and / or flow volume from the matched in their color coding speeds of the adapted data set (19), taking into account the aliasing.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (14) gemäß dem als kontinuierlichen Doppler- Verfahren arbeitet.11. The device according to claim 10, characterized in that the measuring device (14) operates according to the continuous Doppler method.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Farb-Doppler-Einrichtung (12) und die Meßeinrichtung (14) denselben Schallkopf nutzen.12. The apparatus of claim 10 or 11, characterized in that the color Doppler device (12) and the measuring device (14) use the same transducer.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeich- net, daß die Vorrichtung (1) einen Matrix- Array-Transducer (11) zur Erzeugung und Erfassung von Ultraschallsignalen (7, 8) bzw. als Schallkopf aufweist.13. Device according to one of claims 10 to 12, characterized marked, that the device (1) comprises a matrix array transducer (11) for generating and detecting ultrasonic signals (7, 8) or as a transducer.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeich- net, daß die Vorrichtung (1) eine Anzeigeeinrichtung (17) zur Anzeige der in der Farbkodierung angepaßten Geschwindigkeiten als Farbbild, des Volumenstroms, des Flußvolumens und/oder eines dazu proportionalen Werts, insbesondere in Echtzeit, aufweist.14. Device according to one of claims 10 to 13, characterized marked, that the device (1) comprises a display device (17) for displaying the adapted in the color coding speeds as a color image, the volume flow, the flow volume and / or a value proportional thereto , in particular in real time.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.15. Device according to one of claims 10 to 14, characterized in that the device (1) for carrying out a method according to one of claims 1 to 9 is formed.
16. Verwendung eines Farb-Doppler-Datensatzes (18, 19) mit farbkodierten Geschwindigkeiten einer Farb-Doppler-Einrichtung zur Bestimmung eines Volumenstroms und/oder Flußvolumens eines Fluids, insbesondere Blut (3), durch eine insbesondere dynamische und/oder unregelmäßige Öffnung (2), wobei die Nullinie der Farbkodierung der Geschwindigkeiten so angepaßt wird, daß bei den meisten oder allen farbkodierten Geschwindigkeiten in einem räumlichen Meßbereich, insbesondere im Bereich einer vena contracta, kein Farbumschlag erfolgt, und/oder wobei der Volumenstrom und/oder das Flußvolumen aus den farbkodierten Geschwindigkeiten des angepaßten Datensatzes unter Berücksichtigung des Absolutwerts mindestens einer der Geschwindigkeiten und/oder unter Berücksichtigung des Aliasing und der Nyquist-Geschwindigkeit der Farb-Doppler- Einrichtung bestimmt wird. 16. Use of a color Doppler data set (18, 19) with color-coded speeds of a color Doppler device for determining a volume flow and / or flow volume of a fluid, in particular blood (3), by a particularly dynamic and / or irregular opening ( 2) wherein the zero line of the color coding of the speeds is adjusted so that at most or all color-coded speeds in a spatial measuring range, in particular in the area of a vena contracta, no color change takes place, and / or wherein the volume flow and / or the flow volume of the color-coded speeds the adjusted data set is determined in consideration of the absolute value of at least one of the speeds and / or taking into account the aliasing and the Nyquist speed of the color Doppler device.
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