مقاله اندازه گیری ارتعاشات دیواره قلب به کمک امواج اولتراسوند

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

اندازه گیری ارتعاشات دیواره قلب به کمک امواج اولتراسوند

چکیده - برای بررسی وضعیت عضله قلبی روشهای تصویر برداری متنوعی موجود استد اکوکاردیوگرافی، MRI ، CT امکان مشاهده تصویر مقطعی عرضی از قلب را می دهند ولیکن تصاویرشان به حرکات بزرگ و فرکانسهای پایین محدود می شوند. ارتعاشات دیواره قلب با دامنه کوچک اندازه گیری این ارتعاشات و پردازش آنها مطرح شده است، هدف این پژوهشی آن است که ارتع این راستا، از سیگنال های RF اولتراسوند بدست آمده از شبیه سازی دیوارهٔ قلب و حرکات آن استفاده شده است. با کمک روش های استخراج فاز و تأخیر زمانی جابجایی این سیگنال ها در فریم های متوالی پیدا شد و بدینگونه ارتعاشات در یکسری نقاط تخمین زده شد و نتایج بدست آمده برای بافت سالم و بیمار تحلیل و مقایسه گردید. از آنجا که سیگنالهای RF واقعی از قلب موجود نبود از سیگنالهای واقعی مربوط به سیاهرگ کبدی و آئورت استفاده شد. به کمک روش ارائه شده ارتعاشات دیواره این رگها کمی سازی گردید و مشاهده شد که دیواره آئورت حرکات با دامنه بیشتری نسبت به سیاهرگ کبدی دارد. کلید واژه - " ارتعاشات دیواره قلب "، " اکوکاردیوگرافی "، "تخمین فاز ".

۱ - مقدمه
بیماری های قلبی همچون ایسکمی، کاردیو میوپاتی و میوکاردیت، بیماری هایی هستند که بطور اولیه عضله قلب را درگیر می کنند . اولتراسونوگرافیهای متداول، CT ، MRI امکان مشاهده تصویر مقطعی عرضی از قلب را می دهد ولیکن تصاویرشان به حرکات بزرگ و در حد بیش از mm ۱ و فرکانسهای پایین، کمتر از HZ ۳۰، محدود می شود. قدرت تفکیک در این تصاویر بیش از mm ۱ است و نمی توانند لایه های دیواره قلب و حرکات کوچک آنها را با قدرت تفکیک کمتر از mm ۱ نشان دهند. سیگنالهای ارتعاشات دیواره قلب با دامنه کمتر از با فرکانسهای حداقل چند صد هرتز، بر حرکت با دامنه های بزرگ 5/0000ال و با فرکانس چند هرتز در نتیجه ضربان قلب در طول یک دوره قلبی سوار هستند. ارتعاش به معنی حرکت سریع دیواره قلب با دامنه کوچک شامل قطعات فرکانس بالا است که شناسایی آن با M-mode اکوکاردیوگرافی دشوار است، بنابراین ارتعاش متفاوت با حرکت با دامنه بزرگ و فرکانس پایین که جابجایی ان میتواند توسط M-mode مشخص شود، می باشد. اگر این ارتعاشات کوچک اندازه گیری شوند برای شناسایی بیماریهای قلبی می توانند بکار گرفته شوند. می توان این ارتعاشات را نه تنها در حوزه زمان بلکه در حوزه فرکانسی نیز آنالیز نمود .
هدف این پژوهشی ان است که ارتعاشات دیواره قلب تخمین زده بشود. هدف اینست که بتوان مقدار جابجایی یک اسکترر را تخمین زد. این جابجایی شامل حرکت بزرگ و یک ارتعاش است، که هدف رسیدن به این مقدار کوچک و استفاده از آن برای بررسی حالت سالم و بیماری قلب است. در این راستا، از سیگنال های RF اولتراسوند بدست آمده از شبیه سازی انجام شده از دیوارهٔ قلب و حرکات آن استفاده شد. این سیگنالهای RF می توانند در پردازش های مختلف استفاده شوند و برای تشخیص بیماری های قلبی در مراحل اولیه که توسط اکوکاردیوگرافی عادی تشخیص داده نمی شوند، استفاده شوند.
در بخش پاياني نتيجه اعمال الگوريتم هاي بدست آمده روي سيگنال واقعي ثبت شده از عروق بدن نيز ارائه گرديده است .
٢- استخراج تغيير زماني و تغيير فاز دو سيگنال نسبت بهم
تخمين TDE-Time delay estimation يک الگوريتم پردازش سيگنال است که در محدوده وسيعي مانند پردازش صدا، اندازه گيري حرکت بافت کاربرد دارد. براي بدست آوردن مقدار جابجايي دو سيگنال نسبت بهم روش هاي متفاوتي موجود است که در ادامه برخي از آنها مرور شده است .
٢-١- استفاده از تبديل ويولت [١٤]
ويولت دو سيگنال (x(t و (y(t را مي توان بصورت زير نوشت :

که در آن و0 f فرکانس مرکزي(x(t مي باشد.
تاٌخير زماني 0 بين اين دو سيگنال با رابطه زير بدست مي آيد:

براي کار مورد نظر ماويولت هاي مادر را مي توان ويولت مورلت يا کلاه مکزيکي انتخاب کرد، زيرا که شکلي مشابه به سيگنال اولتراسوند دارند.

٢-٢- روش هاي وابسته به فاز [١٥]
فاز unwrap يک سيگنال ، يک مقدار افزايشي با عمق مي باشد. بنابراين زمانيکه سيگنال هاي فاز هر دو سيگنال اکو محاسبه مي شوند، شيفت زماني مي تواند محاسبه شود.
مي توان شيفت زمان را با کمک سيگنال فاز اين دو سيگنال بدست آورد که براي اينکار مي توان از دو روش اختلاف فاز و شيفت فاز استفاده نمود.
٢-٣- روش هاي همبستگي متقابل
تکنيک هاي همبستگي متقابل کلاسيک ضرايب همبستگي بين دو سيگنال شيفت يافته نسبت بهم را حساب مي کنند.
مقدار حداکثر مقدار شيفت از ضرايب همبستگي، شيفت زماني بين سيگنال ها را بيان مي کند.
الف . روش همبستگي متقابل متداول :
تکنيک همبستگي متقابل تأخير زماني را با محاسبه مقدار حداکثر همبستگي متقابل بين دو سيگنال محاسبه مي کند.
ب . روش همبستگي متقابل در حوزه ويولت [١٦]:
عملکرد همبستگي متقابل متداول وابسته به اندازه پنجره است . در اولتراسوند با موج پالسي، سيگنالهاي دريافتي بالاخص اکوهاي دريافتي از خون با نويز ترکيب مي شوند و در نتيجه غير ايستا هستند و ترکيبات زمان فرکانس متفاوت وابسته به موقعيت و سرعت اسکتررها دارند که خطا در تخمين ايجاد مي کنند. براي رفع اين مشکلات مي توان از تبديل ويولت در فرآيند همبستگي متقابل استفاده نمود.
اين تکنيک شامل ٣ قدم است :
١( محاسبه تبديل ويولت
٢( محاسبه همبستگي متقابل در حوزه ويولت
٣( تخمين تأخيرهاي زماني با کمک همبستگي متقابل محاسبه شده .
ويژگي منحصر به فرد اين تکنيک در مقايسه با همبستگي متقابل متداول که پنجره ثابتي را استفاده مي کند، استفاده از پنجره هاي زمان - فرکانس در پردازش است . سيگنال دريافتي از يک اسکترر متحرک مي تواند به صورت انتقال يافته و مقياس شده از سيگنال ارسالي در نظر گرفته شود اگر سيگنال ارسالي مشابه ويولت مادر درنظرگرفته شود و مقياسها براي مثال برابر با باشند داريم :

که (f(t سيگنال ارسالي است و دو سيگنال بازگشتي مي باشند.
٢-۴- دمدولاسيون
روش دمدولاسيون بر پايه تکنيک داپلر مي باشد که فاز موج RF پيوسته را با توجه به سيگنال مرجع با استفاده از دمدولاسيون ربع فاز و فيلترينگ ميان گذر تخمين مي زند.
٢-۵- الگوريتم بر پايه Spline [١٧]:
روشي است که تخمين پيوسته اي از اطلاعات نمونه برداري شده را انجام مي دهد. دو سيگنال نمونه برداري شده بصورت زير مي باشند:

که در آن سيگنال هاي زمان گسسته مي باشند که با فاصله نمونه برداري  از و
بدست آمده اند دو قطعه از سيگنال هاي [ را با طول هاي M وN در نظر مي گيريم که M<N
مي باشد. سيگنال براي ساخت سيگنال آناليتيک پردازش مي شود. براي تخمين تاٌخير زماني، يک
Pattern-matching بين ساخته مي شود. بدين منظور از (SSE(Sum squared error
استفاده مي شود:

مقدار t اي که SSE را حداقل کند، با مشتق گيري نسبت به t و قرار دادن نتيجه برابر با صفر و حل براي t بدست مي آيد.

از آنجا که نقاط نمونه برداري شده وابستگي به t ندارند مشتق آنها برابر صفر است . از ميان ريشه هاي رابطه 7 مقدارحقيقي که را حداقل کند انتخاب شده است که تخمين تاٌخير زماني محلي باشد. يک تخمين تاٌخير بهتر با تکرار فرآيند بالا N-M بار با لغزاندن کرنل (سيگنال نمونه برداري شده گسسته با طول M( بر روي پنجرة (سيگنال نمونه برداري شده پيوسته با طول ( که منجر به N-M تخمين محلي مي شود که ناميده مي شود است .
٢-۶- روش پيشنهادي دکتر کانايي
براي استخراج ارتعاشات کوچک دکتر کانايي روشي را بيان کرده اند[١١]،[١٨]. در اين روش ، براي تخمين فاز سيگنال بازگشتيRF، دمدولاسيون ربع فاز با فرکانس مرکزي0 f بر سيگنالهاي بازگشتي نمونه برداري شده انجام مي شود و سيگنال دمدوله شده مختلط نمونه برداري شده در طول محور x بدست مي آيد. مقدار تغيير فاز بين دو فريم متوالي با کمک تابع خود همبستگي زير بدست مي آيد:

که فاصله بين نمونه ها در سيگنال دمدوله شده در جهت عمق است و k تعداد نقاط نمونه برداري است .
٢-٧- استفاده از روابط سينوسي
در اين روش با کمک رابطۀ سينوسي 9 مي توان مقدار اندازه و فاز هر يک از دو سيگنال اوليه و جابجا شده را بدست آورد و با محاسبه همبستگي روي اندازه ها مي توان به جابجايي کلي دست يافت و سپس با بدست آوردن فاز سيگنال دوم و نيز سيگنال اول ، که به اندازة جابجايي کل شيفت يافته و محاسبه اختلاف فاز بين آنها مي توان به مقدار جابجايي هاي کوچک رسيد.

٣- تحليل و پردازش سيگنالهاي سينوسي و RF
در اين قسمت هدف اينست که بتوان مقدار جابجايي يک سيگنال را تخمين زد، بدين منظور روشهاي بيان شده و نيز روش تبديل هيلبرت استفاده و بر سيگنالهاي سينوسي و
RF آزمايش شد و در انتها بهترين روش پيدا گرديد. هدف رسيدن به نتايج بهتر و دقيق تر بود تا بتوان جابجايي هاي بسيار کم را هم اندازه گرفت . بهترين روش مربوط به تبديل هيلبرت بدست آمد. براي اين منظور تبديل هيلبرت دو سيگنال گرفته شد