Toward simultaneous flow and pressure assessment in large arteries using non-invasive ultrasound

Bart Beulen

Research output: ThesisPhd Thesis 1 (Research TU/e / Graduation TU/e)

153 Downloads (Pure)

Abstract

Ultrageluid wordt in de kliniek vaak toegepast om op een niet-invasieve manier geometrische eigenschappen van grote vaten, zoals diameter en wanddikte en hemodynamische variabelen zoals bloedstroomsnelheid te bepalen. Om biomechanische parameters en hemodynamische variabelen die karakteristiek zijn voor de ontwikkeling van hart en vaatziekten, zoals compliantie en impedantie, te bepalen, is de bepaling van geometrie en bloedstroomsnelheid alleen onvoldoende. Daarvoor is een gelijktijdige en bij voorkeur niet invasieve meting van debiet en druk vereist. Met de huidige ultrageluidstechnieken is het onmogelijk om gelijktijdig debiet en druk nauwkeurig te bepalen. Debiet wordt vaak bepaald aan de hand van twee metingen: een diametermeting (geluidsbundel loodrecht op het vat) en een meting van de maximale axiale bloedstroomsnelheid met behulp van Doppler ultrageluid (geluidsbundel onder een hoek met het vat). Door een theoretische snelheidsverdeling aan te nemen, bijvoorbeeld een Poiseuille of Womersley profiel, wordt hieruit vervolgens het debiet berekend. In-vivo zijn vaten zelden recht: vaten zijn taps toelopend, gekromd en hebben vertakkingen. Dientengevolge zijn er secundaire snelheidscomponenten aanwezig die de axiale snelheidverdeling be¨invloeden. Dit resulteert in asymmetrische axiale snelheidsverdelingen. Omdat de aangenomen snelheidsverdelingen slechts geldig zijn voor rechte vaten, geeft een dusdanige bepaling een onnauwkeurige afschatting van het debiet. Verder is het onmogelijk om gelijktijdig met de snelheidsmeting nauwkeurig de wandbeweging te bepalen, waardoor de debietmeting nog verder verslechtert en het gelijktijdig bepalen van druk uit wandbeweging en debiet onmogelijk wordt. In dit onderzoek worden Particle Image Velocimetry (PIV) gebaseerde algoritmen toegepast op RF-data die verkregen zijn met behulp van een commercieel beschikbaar, voor klinische toepassing goedgekeurd ultrageluidssysteem. Dit maakt het mogelijk om snelheidscomponenten loodrecht op de ultrageluidbundel, en dus gelijktijdig wandpositie en axiale snelheid nauwkeurig te meten. Deze snelheidsmeettechniek is gevalideerd door metingen van het snelheidsprofiel in een experimentele opstelling te vergelijken met resultaten van computational fluid dynamics (CFD) berekeningen, voor stationaire en instationaire stromingen in een recht vat. Er werd een goede overeenstemming gevonden voor het axiale snelheidsprofiel. Integratie van het gemeten axiale snelheidsprofiel leverde een nauwkeurige afschatting van het debiet op. Omdat in de praktijk de meeste vaten gekromd zijn is de snelheids meetmethode vervolgens gevalideerd voor toepassing op stromingen in dit soort geometrieën. In de experimentele opstelling zijn axiale snelheidsprofielen gemeten voor stationaire en instationaire stroming in kromme buizen. Opnieuw zijn de gemeten profielen vergeleken met resultaten van CFD-berekeningen. Ook hier werd een goede overeenstemming gevonden tussen de gemeten profielen en de met behulp van CFD berekende snelheidsprofielen. Om nauwkeurig debiet te bepalen op basis van de gemeten asymmetrische axiale snelheidsprofielen, is een analytische en een op CFD gebaseerde studie gedaan naar stroming in kromme vaten. Deze studie heeft geresulteerd in de cos ¿-methode. Toepassing van de cos ¿-methode op de gemeten asymmetrische axiale profielen gaf een nauwkeurige afschatting van het debiet, voor stationaire en instationaire flow. Vergeleken met de huidig toegepaste afschattingsmethode voor het debiet werd een grote verbetering gevonden. Voor een fysiologisch relevant debiet gaf de cos ¿-methode een gemiddelde afwijking van 5% ten opzichte van het referentiedebiet terwijl deze voor de huidig toegepaste Poiseuille en Womersley benaderingen gelijk was aan 20%. Tenslotte is getracht om de lokale druk te bepalen uit enkel een niet-invasieve ultrageluidsmeting door een meting van de diameter te combineren met een gelijktijdige bepaling van de lokale compliantie. De lokale compliantie is bepaald door de lokale golfsnelheid (PWV) te meten. Verschillende methoden om lokaal de PWV te meten zijn getest in de experimentele opstelling. Hieruit bleek dat de QA-methode, een methode waarbij de lokale PWV bepaald wordt uit de verhouding tussen veranderingen in debiet en veranderingen in oppervlak van de dwarsdoorsnede van het vat, het mogelijk maakt om lokaal nauwkeurig PWV te meten. Door de PWV meting te combineren met een gelijktijdige meting van de diameter werd de lokale druk nauwkeurig afgeschat. Dit geeft aan dat het haalbaar is om op een niet-invasieve manier in-vivo druk te meten met behulp van ultrageluid. Hoewel de meettechnieken besproken in deze studie alleen getest zijn voor toepassing in een gecontroleerde experimentele omgeving, zijn de vooruitzichten voor klinische toepassing veelbelovend. De gepresenteerde methoden maken het mogelijk om de toestand van het vaatbed nauwkeuriger te bepalen, waardoor in de toekomst informatie verkregen kan worden over het effect van therapeutische ingrepen en factoren ge¨identificeerd kunnen worden die karakteristiek zijn voor de ontwikkeling van hart- en vaatziekten.
Original languageEnglish
QualificationDoctor of Philosophy
Awarding Institution
  • Department of Biomedical Engineering
Supervisors/Advisors
  • van de Vosse, Frans N., Promotor
  • Rutten, Marcel C.M., Copromotor
Award date1 Sep 2009
Place of PublicationEindhoven
Publisher
Print ISBNs978-90-386-1932-3
DOIs
Publication statusPublished - 2009

Fingerprint

Computational
Ultrasound
Particle

Cite this

Beulen, Bart. / Toward simultaneous flow and pressure assessment in large arteries using non-invasive ultrasound. Eindhoven : Technische Universiteit Eindhoven, 2009. 143 p.
@phdthesis{29f1dc3820844bc2b252e9a19c8f81ee,
title = "Toward simultaneous flow and pressure assessment in large arteries using non-invasive ultrasound",
abstract = "Ultrageluid wordt in de kliniek vaak toegepast om op een niet-invasieve manier geometrische eigenschappen van grote vaten, zoals diameter en wanddikte en hemodynamische variabelen zoals bloedstroomsnelheid te bepalen. Om biomechanische parameters en hemodynamische variabelen die karakteristiek zijn voor de ontwikkeling van hart en vaatziekten, zoals compliantie en impedantie, te bepalen, is de bepaling van geometrie en bloedstroomsnelheid alleen onvoldoende. Daarvoor is een gelijktijdige en bij voorkeur niet invasieve meting van debiet en druk vereist. Met de huidige ultrageluidstechnieken is het onmogelijk om gelijktijdig debiet en druk nauwkeurig te bepalen. Debiet wordt vaak bepaald aan de hand van twee metingen: een diametermeting (geluidsbundel loodrecht op het vat) en een meting van de maximale axiale bloedstroomsnelheid met behulp van Doppler ultrageluid (geluidsbundel onder een hoek met het vat). Door een theoretische snelheidsverdeling aan te nemen, bijvoorbeeld een Poiseuille of Womersley profiel, wordt hieruit vervolgens het debiet berekend. In-vivo zijn vaten zelden recht: vaten zijn taps toelopend, gekromd en hebben vertakkingen. Dientengevolge zijn er secundaire snelheidscomponenten aanwezig die de axiale snelheidverdeling be¨invloeden. Dit resulteert in asymmetrische axiale snelheidsverdelingen. Omdat de aangenomen snelheidsverdelingen slechts geldig zijn voor rechte vaten, geeft een dusdanige bepaling een onnauwkeurige afschatting van het debiet. Verder is het onmogelijk om gelijktijdig met de snelheidsmeting nauwkeurig de wandbeweging te bepalen, waardoor de debietmeting nog verder verslechtert en het gelijktijdig bepalen van druk uit wandbeweging en debiet onmogelijk wordt. In dit onderzoek worden Particle Image Velocimetry (PIV) gebaseerde algoritmen toegepast op RF-data die verkregen zijn met behulp van een commercieel beschikbaar, voor klinische toepassing goedgekeurd ultrageluidssysteem. Dit maakt het mogelijk om snelheidscomponenten loodrecht op de ultrageluidbundel, en dus gelijktijdig wandpositie en axiale snelheid nauwkeurig te meten. Deze snelheidsmeettechniek is gevalideerd door metingen van het snelheidsprofiel in een experimentele opstelling te vergelijken met resultaten van computational fluid dynamics (CFD) berekeningen, voor stationaire en instationaire stromingen in een recht vat. Er werd een goede overeenstemming gevonden voor het axiale snelheidsprofiel. Integratie van het gemeten axiale snelheidsprofiel leverde een nauwkeurige afschatting van het debiet op. Omdat in de praktijk de meeste vaten gekromd zijn is de snelheids meetmethode vervolgens gevalideerd voor toepassing op stromingen in dit soort geometrie{\"e}n. In de experimentele opstelling zijn axiale snelheidsprofielen gemeten voor stationaire en instationaire stroming in kromme buizen. Opnieuw zijn de gemeten profielen vergeleken met resultaten van CFD-berekeningen. Ook hier werd een goede overeenstemming gevonden tussen de gemeten profielen en de met behulp van CFD berekende snelheidsprofielen. Om nauwkeurig debiet te bepalen op basis van de gemeten asymmetrische axiale snelheidsprofielen, is een analytische en een op CFD gebaseerde studie gedaan naar stroming in kromme vaten. Deze studie heeft geresulteerd in de cos ¿-methode. Toepassing van de cos ¿-methode op de gemeten asymmetrische axiale profielen gaf een nauwkeurige afschatting van het debiet, voor stationaire en instationaire flow. Vergeleken met de huidig toegepaste afschattingsmethode voor het debiet werd een grote verbetering gevonden. Voor een fysiologisch relevant debiet gaf de cos ¿-methode een gemiddelde afwijking van 5{\%} ten opzichte van het referentiedebiet terwijl deze voor de huidig toegepaste Poiseuille en Womersley benaderingen gelijk was aan 20{\%}. Tenslotte is getracht om de lokale druk te bepalen uit enkel een niet-invasieve ultrageluidsmeting door een meting van de diameter te combineren met een gelijktijdige bepaling van de lokale compliantie. De lokale compliantie is bepaald door de lokale golfsnelheid (PWV) te meten. Verschillende methoden om lokaal de PWV te meten zijn getest in de experimentele opstelling. Hieruit bleek dat de QA-methode, een methode waarbij de lokale PWV bepaald wordt uit de verhouding tussen veranderingen in debiet en veranderingen in oppervlak van de dwarsdoorsnede van het vat, het mogelijk maakt om lokaal nauwkeurig PWV te meten. Door de PWV meting te combineren met een gelijktijdige meting van de diameter werd de lokale druk nauwkeurig afgeschat. Dit geeft aan dat het haalbaar is om op een niet-invasieve manier in-vivo druk te meten met behulp van ultrageluid. Hoewel de meettechnieken besproken in deze studie alleen getest zijn voor toepassing in een gecontroleerde experimentele omgeving, zijn de vooruitzichten voor klinische toepassing veelbelovend. De gepresenteerde methoden maken het mogelijk om de toestand van het vaatbed nauwkeuriger te bepalen, waardoor in de toekomst informatie verkregen kan worden over het effect van therapeutische ingrepen en factoren ge¨identificeerd kunnen worden die karakteristiek zijn voor de ontwikkeling van hart- en vaatziekten.",
author = "Bart Beulen",
year = "2009",
doi = "10.6100/IR644053",
language = "English",
isbn = "978-90-386-1932-3",
publisher = "Technische Universiteit Eindhoven",
school = "Department of Biomedical Engineering",

}

Beulen, B 2009, 'Toward simultaneous flow and pressure assessment in large arteries using non-invasive ultrasound', Doctor of Philosophy, Department of Biomedical Engineering, Eindhoven. https://doi.org/10.6100/IR644053

Toward simultaneous flow and pressure assessment in large arteries using non-invasive ultrasound. / Beulen, Bart.

Eindhoven : Technische Universiteit Eindhoven, 2009. 143 p.

Research output: ThesisPhd Thesis 1 (Research TU/e / Graduation TU/e)

TY - THES

T1 - Toward simultaneous flow and pressure assessment in large arteries using non-invasive ultrasound

AU - Beulen, Bart

PY - 2009

Y1 - 2009

N2 - Ultrageluid wordt in de kliniek vaak toegepast om op een niet-invasieve manier geometrische eigenschappen van grote vaten, zoals diameter en wanddikte en hemodynamische variabelen zoals bloedstroomsnelheid te bepalen. Om biomechanische parameters en hemodynamische variabelen die karakteristiek zijn voor de ontwikkeling van hart en vaatziekten, zoals compliantie en impedantie, te bepalen, is de bepaling van geometrie en bloedstroomsnelheid alleen onvoldoende. Daarvoor is een gelijktijdige en bij voorkeur niet invasieve meting van debiet en druk vereist. Met de huidige ultrageluidstechnieken is het onmogelijk om gelijktijdig debiet en druk nauwkeurig te bepalen. Debiet wordt vaak bepaald aan de hand van twee metingen: een diametermeting (geluidsbundel loodrecht op het vat) en een meting van de maximale axiale bloedstroomsnelheid met behulp van Doppler ultrageluid (geluidsbundel onder een hoek met het vat). Door een theoretische snelheidsverdeling aan te nemen, bijvoorbeeld een Poiseuille of Womersley profiel, wordt hieruit vervolgens het debiet berekend. In-vivo zijn vaten zelden recht: vaten zijn taps toelopend, gekromd en hebben vertakkingen. Dientengevolge zijn er secundaire snelheidscomponenten aanwezig die de axiale snelheidverdeling be¨invloeden. Dit resulteert in asymmetrische axiale snelheidsverdelingen. Omdat de aangenomen snelheidsverdelingen slechts geldig zijn voor rechte vaten, geeft een dusdanige bepaling een onnauwkeurige afschatting van het debiet. Verder is het onmogelijk om gelijktijdig met de snelheidsmeting nauwkeurig de wandbeweging te bepalen, waardoor de debietmeting nog verder verslechtert en het gelijktijdig bepalen van druk uit wandbeweging en debiet onmogelijk wordt. In dit onderzoek worden Particle Image Velocimetry (PIV) gebaseerde algoritmen toegepast op RF-data die verkregen zijn met behulp van een commercieel beschikbaar, voor klinische toepassing goedgekeurd ultrageluidssysteem. Dit maakt het mogelijk om snelheidscomponenten loodrecht op de ultrageluidbundel, en dus gelijktijdig wandpositie en axiale snelheid nauwkeurig te meten. Deze snelheidsmeettechniek is gevalideerd door metingen van het snelheidsprofiel in een experimentele opstelling te vergelijken met resultaten van computational fluid dynamics (CFD) berekeningen, voor stationaire en instationaire stromingen in een recht vat. Er werd een goede overeenstemming gevonden voor het axiale snelheidsprofiel. Integratie van het gemeten axiale snelheidsprofiel leverde een nauwkeurige afschatting van het debiet op. Omdat in de praktijk de meeste vaten gekromd zijn is de snelheids meetmethode vervolgens gevalideerd voor toepassing op stromingen in dit soort geometrieën. In de experimentele opstelling zijn axiale snelheidsprofielen gemeten voor stationaire en instationaire stroming in kromme buizen. Opnieuw zijn de gemeten profielen vergeleken met resultaten van CFD-berekeningen. Ook hier werd een goede overeenstemming gevonden tussen de gemeten profielen en de met behulp van CFD berekende snelheidsprofielen. Om nauwkeurig debiet te bepalen op basis van de gemeten asymmetrische axiale snelheidsprofielen, is een analytische en een op CFD gebaseerde studie gedaan naar stroming in kromme vaten. Deze studie heeft geresulteerd in de cos ¿-methode. Toepassing van de cos ¿-methode op de gemeten asymmetrische axiale profielen gaf een nauwkeurige afschatting van het debiet, voor stationaire en instationaire flow. Vergeleken met de huidig toegepaste afschattingsmethode voor het debiet werd een grote verbetering gevonden. Voor een fysiologisch relevant debiet gaf de cos ¿-methode een gemiddelde afwijking van 5% ten opzichte van het referentiedebiet terwijl deze voor de huidig toegepaste Poiseuille en Womersley benaderingen gelijk was aan 20%. Tenslotte is getracht om de lokale druk te bepalen uit enkel een niet-invasieve ultrageluidsmeting door een meting van de diameter te combineren met een gelijktijdige bepaling van de lokale compliantie. De lokale compliantie is bepaald door de lokale golfsnelheid (PWV) te meten. Verschillende methoden om lokaal de PWV te meten zijn getest in de experimentele opstelling. Hieruit bleek dat de QA-methode, een methode waarbij de lokale PWV bepaald wordt uit de verhouding tussen veranderingen in debiet en veranderingen in oppervlak van de dwarsdoorsnede van het vat, het mogelijk maakt om lokaal nauwkeurig PWV te meten. Door de PWV meting te combineren met een gelijktijdige meting van de diameter werd de lokale druk nauwkeurig afgeschat. Dit geeft aan dat het haalbaar is om op een niet-invasieve manier in-vivo druk te meten met behulp van ultrageluid. Hoewel de meettechnieken besproken in deze studie alleen getest zijn voor toepassing in een gecontroleerde experimentele omgeving, zijn de vooruitzichten voor klinische toepassing veelbelovend. De gepresenteerde methoden maken het mogelijk om de toestand van het vaatbed nauwkeuriger te bepalen, waardoor in de toekomst informatie verkregen kan worden over het effect van therapeutische ingrepen en factoren ge¨identificeerd kunnen worden die karakteristiek zijn voor de ontwikkeling van hart- en vaatziekten.

AB - Ultrageluid wordt in de kliniek vaak toegepast om op een niet-invasieve manier geometrische eigenschappen van grote vaten, zoals diameter en wanddikte en hemodynamische variabelen zoals bloedstroomsnelheid te bepalen. Om biomechanische parameters en hemodynamische variabelen die karakteristiek zijn voor de ontwikkeling van hart en vaatziekten, zoals compliantie en impedantie, te bepalen, is de bepaling van geometrie en bloedstroomsnelheid alleen onvoldoende. Daarvoor is een gelijktijdige en bij voorkeur niet invasieve meting van debiet en druk vereist. Met de huidige ultrageluidstechnieken is het onmogelijk om gelijktijdig debiet en druk nauwkeurig te bepalen. Debiet wordt vaak bepaald aan de hand van twee metingen: een diametermeting (geluidsbundel loodrecht op het vat) en een meting van de maximale axiale bloedstroomsnelheid met behulp van Doppler ultrageluid (geluidsbundel onder een hoek met het vat). Door een theoretische snelheidsverdeling aan te nemen, bijvoorbeeld een Poiseuille of Womersley profiel, wordt hieruit vervolgens het debiet berekend. In-vivo zijn vaten zelden recht: vaten zijn taps toelopend, gekromd en hebben vertakkingen. Dientengevolge zijn er secundaire snelheidscomponenten aanwezig die de axiale snelheidverdeling be¨invloeden. Dit resulteert in asymmetrische axiale snelheidsverdelingen. Omdat de aangenomen snelheidsverdelingen slechts geldig zijn voor rechte vaten, geeft een dusdanige bepaling een onnauwkeurige afschatting van het debiet. Verder is het onmogelijk om gelijktijdig met de snelheidsmeting nauwkeurig de wandbeweging te bepalen, waardoor de debietmeting nog verder verslechtert en het gelijktijdig bepalen van druk uit wandbeweging en debiet onmogelijk wordt. In dit onderzoek worden Particle Image Velocimetry (PIV) gebaseerde algoritmen toegepast op RF-data die verkregen zijn met behulp van een commercieel beschikbaar, voor klinische toepassing goedgekeurd ultrageluidssysteem. Dit maakt het mogelijk om snelheidscomponenten loodrecht op de ultrageluidbundel, en dus gelijktijdig wandpositie en axiale snelheid nauwkeurig te meten. Deze snelheidsmeettechniek is gevalideerd door metingen van het snelheidsprofiel in een experimentele opstelling te vergelijken met resultaten van computational fluid dynamics (CFD) berekeningen, voor stationaire en instationaire stromingen in een recht vat. Er werd een goede overeenstemming gevonden voor het axiale snelheidsprofiel. Integratie van het gemeten axiale snelheidsprofiel leverde een nauwkeurige afschatting van het debiet op. Omdat in de praktijk de meeste vaten gekromd zijn is de snelheids meetmethode vervolgens gevalideerd voor toepassing op stromingen in dit soort geometrieën. In de experimentele opstelling zijn axiale snelheidsprofielen gemeten voor stationaire en instationaire stroming in kromme buizen. Opnieuw zijn de gemeten profielen vergeleken met resultaten van CFD-berekeningen. Ook hier werd een goede overeenstemming gevonden tussen de gemeten profielen en de met behulp van CFD berekende snelheidsprofielen. Om nauwkeurig debiet te bepalen op basis van de gemeten asymmetrische axiale snelheidsprofielen, is een analytische en een op CFD gebaseerde studie gedaan naar stroming in kromme vaten. Deze studie heeft geresulteerd in de cos ¿-methode. Toepassing van de cos ¿-methode op de gemeten asymmetrische axiale profielen gaf een nauwkeurige afschatting van het debiet, voor stationaire en instationaire flow. Vergeleken met de huidig toegepaste afschattingsmethode voor het debiet werd een grote verbetering gevonden. Voor een fysiologisch relevant debiet gaf de cos ¿-methode een gemiddelde afwijking van 5% ten opzichte van het referentiedebiet terwijl deze voor de huidig toegepaste Poiseuille en Womersley benaderingen gelijk was aan 20%. Tenslotte is getracht om de lokale druk te bepalen uit enkel een niet-invasieve ultrageluidsmeting door een meting van de diameter te combineren met een gelijktijdige bepaling van de lokale compliantie. De lokale compliantie is bepaald door de lokale golfsnelheid (PWV) te meten. Verschillende methoden om lokaal de PWV te meten zijn getest in de experimentele opstelling. Hieruit bleek dat de QA-methode, een methode waarbij de lokale PWV bepaald wordt uit de verhouding tussen veranderingen in debiet en veranderingen in oppervlak van de dwarsdoorsnede van het vat, het mogelijk maakt om lokaal nauwkeurig PWV te meten. Door de PWV meting te combineren met een gelijktijdige meting van de diameter werd de lokale druk nauwkeurig afgeschat. Dit geeft aan dat het haalbaar is om op een niet-invasieve manier in-vivo druk te meten met behulp van ultrageluid. Hoewel de meettechnieken besproken in deze studie alleen getest zijn voor toepassing in een gecontroleerde experimentele omgeving, zijn de vooruitzichten voor klinische toepassing veelbelovend. De gepresenteerde methoden maken het mogelijk om de toestand van het vaatbed nauwkeuriger te bepalen, waardoor in de toekomst informatie verkregen kan worden over het effect van therapeutische ingrepen en factoren ge¨identificeerd kunnen worden die karakteristiek zijn voor de ontwikkeling van hart- en vaatziekten.

U2 - 10.6100/IR644053

DO - 10.6100/IR644053

M3 - Phd Thesis 1 (Research TU/e / Graduation TU/e)

SN - 978-90-386-1932-3

PB - Technische Universiteit Eindhoven

CY - Eindhoven

ER -