Tytuł artykułu
Autorzy
Identyfikatory
Warianty tytułu
Analiza i modelowanie ultradźwiękowych sygnałów Dopplerowskich w zastosowaniach medycznych
Języki publikacji
Abstrakty
The thesis addresses the problems of analysis and modelling of ultrasonic Doppler signals in vascular applications and in the assessment of fetal pseudo-respiration. A method of modelling Doppler signals of flow velocity using time-varying filtering of white noise and generation of sinusoids is presented and applied to provide signals used further in this work. The inadequacy of the AR model to the Doppler signals was found to result from their nonstationarity, implying the application of short data window lengths and low model orders. Both the objectively and subjectively selected orders fail to provide consistent simulated broad-band signals observed during the late systolic phase.The conditions of spectral analysis and estimation of diagnostic Doppler spectral indices were studied and optimised. The direct FFT, autoregressive modelling AR and Minimum Variance MV spectral estimators were studied. The mean frequency F(mean) maximum frequency F(max) and two measures of relative width SBI and INT were investigated. The data window length, defining the temporal resolution, appeared the most important factor in the analysis of the simulated carotid Doppler signal. There is a tradeoff between the errors of spectral indices resulting from the properties of spectral estimate and those resulting from insufficient temporal resolution. The first errors increase with decreasing data window length, whereas the others decrease. The optimal value of the data window length depends on the maximum acceleration of flow in the vessel of interest, e.g. in the case of a normal human common carotid artery it should be about 8 ms. Manipulating the other parameter of analysis, i.e. the maximum autocorrelation lag (MV), model order (AR) or smoothing window (FFT), allows the errors of spectral indices to be reduced. The optimal value of this parameter depends on the spectrum width, which varies throughout the cardiac cycle. In the case of MV and AR methods the errors of these indices asymptotically decrease with increasing model order/maximum autocorrelation lag, regardless of spectral width. In the case of INT, which to the greatest extent takes into account the properties of the Doppler spectrum, the MV method results in the lowest errors. The optimal conditions for the estimation of Doppler indices depend on the signal to noise ratio SNR. In the case of SNR not less than approx. 20 dB the major source of errors of Doppler indices is the bias of the spectrum, whereas for SNR lower than approx. 5 dB it is the variance, The lowest values of errors of these indices ensures the MV method. Using this method, a temporal resolution of not less than 8 ms, maximum autocorrelation lag about 15 provides a significant improvement over the results obtained with the conventional FFT method in the case of signals recorded in human common carotid artery.The experiments with carotid bifurcation models with irregular lesion surface allowed the determination of the flow phenomena (recirculation or reduced flow zones, jet-like velocity distribution), which may take place in the internal branch (ICA) distal to the irregular lesion surface and are not observed in the smooth wall model. The Doppler spectral indices are affected - the peak value of the relative spectrum width of the signal recorded in the centre of the ICA branch is significantly smaller than in smooth or mild irregularity models, whereas the measure of spectral symmetry of this signal is positive in smooth/mild irregularity models and negative in severely irregular models. The finding that the effect of the irregularity on the flow differs from that of an equivalent height stenosis is very important. The experiments indicate the possibility of inferring the presence of severe wall irregularity from the properties of the spectrum of the Doppler signal recorded distal to the irregularity. These findings are to some extent dependent on the model geometry, however, they can be used to support the evaluation of the risk of cerebral events. The investigation of ultrasonic Doppler signals of fetal activity enabled the determination of the most important features of the fetal pseudo-breathing movements to be incorporated into the detection algorithm, which are periodic, sequential and bibirectional in nature, the velocity of these movements, as well as the physiological constraints on breathing rhythm. The recommended methods are the pattern-sequence method, which resulted in about 70% correct detections and 15% false positives and the displacement method. The displacement method enables the evaluation of the distance, velocity and acceleration of the movements of fetal thorax, which may allow an objective evaluation of the fetal tone. These methods are expected to result in increased interest in the biophyscal fetal profile.
Rozprawa dotyczy problematyki analizy i modelowania ultradźwiękowych sygnałów dopplerowskich w zastosowaniach naczyniowych oraz przy detekcji ruchów pseudooddechowych płodu, Zaprezentowana została metoda modelowania sygnałów dopplerowskich prędkości przepływu wykorzystująca filtrację szumu białego oraz generację sygnałów sinuosidalnych. Metodę tę zastosowano do uzyskania sygnałów wykorzystywanych w dalszej części pracy. Wykazano, że nieadekwatność modelu AR do sygnałów dpplerowskich wynika z niestacjonarności tych sygnałów, powodującej konieczność stosowania krótkich okien danych i niskich rzędów modelu. Zarówno subiektywne, jak i obiektywne kryteria doboru rzędu modelu nie pozwalają na wolną od błędów symulację sygnałów o szerokich widmach, spotykanych w późnej fazie systolicznej. Dokonano optymalizacji warunków analizy widmowej i estymacji diagnostycznych indeksów dopplerowskich. Badaniami objęto metody bezpośredniego przekształcenia FFT, modelowania autoregresyjnego AR i Minimalnej Wariancji MV oraz średnią częstotliwość widma Fmean, maksymalną częstotliwość Fmax oraz miary względnej szerokości widma SBI i NT. Określajaca rozdzielczość czasową analizy długość okna danych, okazała się być najbardziej istotnym czynnikiem w analizie symulowanego sygnału dopplerowskiego prędkości przepływu w tętnicy szyjnej. Występuje wymiana błędów wynikających z własności estymatora widma oraz z niedostatecznej rozdzielczości czasowej. Pierwsze z tych błędów rosną ze spadkiem długości okna danych, drugie zaś rosną z jej wzrostem. Optymalna długość okna danych zależna jest od maksymalnego przyspieszenia prędkości przepływu w badanym naczyniu, np. w przypadku zdrowej ludzkiej tętnicy szyjnej wspólnej powinna wynosić około 8 ms. Dobór drugiego parametru analizy, a więc maksymalnego opóźnienia funkcji autokorelacji (MV), rzędu modelu (AR) lub długości okna wygładzającego (FFT) umożliwia zmniejszenie błędów indeksów dopplerowskich. Optymalne wartości tych parametrów zależne są od szerokości widma, która ulega zmianom w cyklu serca. W przypadku metod MV i AR błędy indeksów asymptotycznie maleją ze wzrostem maksymalnego opóźnienia funkcji autokorelacji/rzędu modelu, bez względu na szerokość widma sygnału. W przypadku indeksu INT, który w największym stopniu związany jest z rozkładem widma, najmniejsze błędy zapewnia metoda MV. Optymalne warunki estymacji indeksów dopplerowskich zależne są od stosunku sygnatu do szumu SNR. Główną przyczyną błędów indeksów jest obciążenie estymatora widma, jeśli SNR jest nie mniejszy niż ok. 20 dB, natomiast dla SNR poniżej ok. 5 dB główne źródlo błędów stanowi wariancja estymatora widma. Najniższe błędy indeksów zapewnia metoda MV. Jej użycie przy dlugości okna danych odpowiadającej 8 ms, maksymalnym opóźnieniu funkcji autokorelacji około 15 zapewnia znacznie mniejsze błędy indeksów niż uzyskiwane przy użyciu tradycyjnej metody bezpośredniego przeksztalcenia Fouriera w przypadku sygnałów pochodzących z ludzkiej tętnicy szyjnej wspólnej. Eksperymenty w modelach bifurkacji tętnic szyjnych z nierównomierną powierzchnią złogu pozwoliły określić zjawiska występujące w rozkładzie prędkości (przepływ wsteczny lub strefa ograniczonego przepływu, wypłaszczony rozklad prędkości), które mogą wystąpić w gałęzi tętnicy wewnętrznej (ICA) ponizej nierównomierności, a które nie występują w modelu o ścianie gladkie, Indeksy dopplerowskie także ulegają zmianie - wartość maksymalna miary względnej szerokości widma INT sygnału zarejestrowanego w środkowej części modelu jest znacznie niższa w przypadku silnej nierównomierności niż w przypadku ściany gladkiej lub nierównomierności łagodnej, natomiast miara symetrii widma tego sygnału jest ujemna w modelach o silnej nierównomierności i dodatnia w modelach gładkich lub z łagodną nierównomiemością. Eksperymenty te pozwalają stwierdzić, że na podstawie własności widma sygnału dopplerowskiego można wnioskować o nierównomierności ściany powyżej miejsca pomiaru, Wyniki, choć w pewnym stopniu zależne od własności badanego modelu bifurkacji, mogą zostać wykorzystane przy ocenie ryzyka wystąpienia symptomów mózgowych. Studia nad dopplerowskimi sygnałami aktywności ruchowej płodu pozwoliły określić najistotniejsze cechy ruchów pseudooddechowych, które powinien uwzględniać algorytm detekcji tych ruchów. Są to okresowość i sekwencyjna zmiana kierunku oraz prędkość tych ruchów , a także fizjologiczne ograniczenia rytmu oddechowego. Zaproponowano metodę sekwencji i porównania z wzorcem, która zapewnia poprawną detekcję około 70% cykli oddechowych przy około 15% detekcji nieprawidłowych oraz metodę analizy przemieszczeń klatki piersiowej płodu. Metoda analizy przemieszczeń umożliwia określenie zasięgu, szybkości i przyspieszenia ruchu, co może pozwolić na obiektywizację oceny tonusu płodu. Metody te powinny zaowocować zwiększeniem wykorzystywania profilu biofizycznego płodu.
Rocznik
Tom
Strony
3--98
Opis fizyczny
Bibliogr. 23 poz., tab., wykr.
Twórcy
autor
- Instytut Inżynierii Precyzyjnej i Biomedycznej Politechniki Warszawskiej 02-525 Warszawa ul. Chodkiewicza 8
Bibliografia
Typ dokumentu
Bibliografia
Identyfikator YADDA
bwmeta1.element.baztech-article-PWA2-0001-0004
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.