2015 Phlebology Review Course

Duplex Ultrasound

Esther Kim, MD, MPH, RPVI
Cleveland Clinic
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Disclosures:

• Consultant ‐ Philips US
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Topics
• Duplex Ultrasound 
• Instrumentation 
• Ultrasound Physics and Safety
• Ultrasound Interpretation 
• Limitations 
• Quality Assurance 
• Vascular Lab Development
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Duplex Ultrasound
• Several important roles in phlebology
• Assist in the evaluation of
• Deep venous disease
• Superficial venous disease
• Mapping prior to intervention
• Peri‐procedural imaging
• Post‐procedural imaging (success, complications, failure)
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Duplex Ultrasound
• Combination of two 
imaging modalities
• Doppler
• B mode imaging
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Ultrasound Imaging
Piezoelectric crystal
Pulses of sound waves are 
transmitted  into the body and 
the returning “echoes” from 
various structures are detected 
by the probe and converted into 
images on a screen
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Sound
• Mechanical wave created by vibration 
of a moving object; series of pressure 
waves propagating through a medium

• Ultrasound is a high frequency sound 
above the limits of human hearing 
(>20,000 Hz)

• Diagnostic US: 2MHz‐10MHz
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Sound ‐ Definitions
• Period: time to complete a single cycle
• Frequency: number of wavelengths in 1 second (Hertz, Hz) 
• Affects penetration and axial resolution
• 1/period
• Intensity (power, amplitude): concentration of energy in a 
sound beam
• Wavelength: length of a single cycle 
• Higher frequency, shorter wavelength
• Affects axial resolution
• Propagation Speed: rate that sound travels through a medium
• Determined by the medium
• All sound travels at the same speed through any specific medium
• Speed of sound is faster with increasing stiffness and decreasing 
density
• Air << fat < soft tissue << bone
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Ultrasound Physics (in a nutshell)
• CW Doppler cannot create anatomic images; pulses of sound 
are used in ultrasound imaging
• Pulse Duration: time from start to end of a pulse
• # cycles in a pulse x period of each cycle

• Spatial Pulse Length: distance from start to end of a pulse
• Determines axial resolution; shorter pulses create more accurate images
Spatial pulse length
• Pulse Repetition Period: time from the start of one pulse to  Pulse Duration

the start of the next pulse
• Pulse duration + listening time
• Increase imaging depth  increase PRP by increasing the listening time

• Pulse Repetition Frequency: Number of pulses that occur in 
one second; 1/PRP
• Increase imaging depth  decrease PRF Pulse Repitition Period

• Duty Factor: Fraction of time the system transmits sound 
Period
• (100% for CW Doppler, <1% for PW Doppler) Wavelength
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Ultrasound Physics (in a nutshell)
• CW Doppler cannot create anatomic images; pulses of sound 
are used in ultrasound imaging
• Pulse Duration: time from start to end of a pulse Determined by the transducer
• # cycles in a pulse x period of each cycle

• Spatial Pulse Length: distance from start to end of a pulse
• Determines axial resolution; shorter pulses create more accurate images

• Pulse Repetition Period: time from the start of one pulse to 
the start of the next pulse
• Pulse duration + listening time
• Increase imaging depth  increase PRP by increasing the listening time
Determined by the operator by 
• Pulse Repetition Frequency: Number of pulses that occur in  adjusting imaging depth
one second; 1/PRP
• Increase imaging depth  decrease PRF

• Duty Factor: Fraction of time the system transmits sound  Shallow imaging = short PRP = high PRF 
• (100% for CW Doppler, <1% for PW Doppler) = high duty factor
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Ultrasound Physics (in a nutshell)
• Attenuation: decrease in intensity, power, and amplitude of a 
sound wave as it travels.  Sources of attenutation are absorption, 
reflection, scattering, refraction
• Attenuation limits the maximum imaging depth
• length of travel  attenuation
• frequency  attenuation

• Absorption: conversion of acoustic energy into heat
• Reflection: sound energy strikes a boundary between 2 media 
and some bounces back to the transducer as an “echo” at an 
angle of incidence identical to the angle of the reflection
• Scattering: chaotically redirected sound waves occurring when 
waves encounter a medium with a nonhomogenous surface
• Refraction: sound energy traveling trhough the second medium 
(tissue) is “bent” from its path with an angle of incidence  www. sonoguide.com

different from the angle of transmission
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Instrumentation (affect image brightness)
• Output Power: adjusts the strength of the sound pulse sent 
out by the transducer
versus
• Receiver Gain: adjusts the amplification of the ultrasound  ALARA: As Low As Reasonably Achievable
signals after returning to the receiver *Adjustment in either output power or 
receiver gain can correct an image that is 
too dark or too bright.  According to 
• Compensation:  amplifies deep echoes ALARA, always choose the option that 
• Deeper structures are affected by attenuation minimizes bioeffects (patient exposure).
• Compensation makes all echoes from similar  • Ex: image too bright  decrease 
reflectors the same brightness regardless of depth output power
• Aka “time gain compensation (TGC), depth  • Ex: image too dark  increase 
compensation (DGC) receiver gain
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Ultrasound Safety ALARA: As Low As Reasonably Achievable

• Higher power levels expose the patient to the potential 
biologic effects of ultrasound
• Cavitation: interaction of ultrasound with small gas bubbles 
or microbubble contrast agents can cause localized energy 
depositions.  “Mechanical index” 
• Absorption: conversion of sound energy to heat through 
absorption of waves.  “Thermal index”
• No confirmed effects of ultrasound on patients during 
diagnostic ultrasound exposures
• Ultrasound does not involve ionizing radiation exposure
• Electrical shock related to ultrasound would be 
exceedingly rare with properly functioning equipment 
and maintenance
• Ultrasound is safe, however, should be used only when 
the benefit outweighs the risk, limited prolonged studies
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Instrumentation (affect resolution) Width of beam changes as sound travels.
• Focal zone: where the sound beam reaches its minimum diameter
• Improves lateral resolution ‐ Lateral resolution is directly related to beam 
width, which is related to US frequency (↑frequency ↓beam width).

Lateral resolution

• Axial resolution (ability to distinguish between two structures along the  Axial resolution
beam’s main axis)
• Improved with fewer cycles per pulse
• Improved with higher frequency 4 MHz transducer 11 MHz transducer
• Can only be changed by using a higher frequency transducer. Pellerito/Polak Introduction to Vascular Ultrasonography 2012
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Doppler Shift
• Doppler shift occurs when reflectors move 
relative to the transducer

• The frequency (fr) of echo signals from moving 
reflectors (blood cells) is higher or lower than  http://en.wikibooks.org/wiki/Basic_Physics_of_Nuclear_Medicine

the frequency transmitted by the transducer 
(ft), depending on whether the blood cells are 
moving toward or away from the transducer fd = fr‐ft = 2ftVcos
c
• The Doppler shift frequency is the difference  Angle () cosine
between the received and transmitted  Optimal imaging angle 90 0
frequencies 60 0.5
Optimal velocity angle 0 1
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CW Doppler PW Doppler
• 2 crystals in the transducer, constant transmit, 
• At least 1 crystal alternates between transmitting 
constant receive
and receiving
• Can capture very high velocities
• Can sample a particular area of interest with the 
• Range (depth) ambiguity (echoes from the entire  sample volume (receive gate)  range resolution
length of the transmitted and received beams)
• Subject to aliasing of high velocities
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Duplex Ultrasound
• Combination of two 
imaging modalities
• B mode imaging
• Doppler
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Duplex Ultrasound
Color Doppler

Spectral Doppler

Grayscale (B‐mode) imaging

Color Power Doppler
• No velocity or direction information
• Any Doppler shift is colorized
• Good for detection of low velocity
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Ultrasound Interpretation ‐ DVT
• DUS is the test of choice for diagnosis  Patient, thrombus‐free vein will have complete  Loss of compressibility is the most reliable 
vein coaptation with compression indicator of the presence of thrombus in the vein
of proximal DVT
• Sensitivity >95%, Specificity >95%
• Diagnostic components
• Transducer compression maneuvers
• Doppler evaluation (color and 
spectral Doppler waveform analysis)
• Augmentation maneuvers
• Acute DVT
• Loss of compression
• Dilated vein (diameter > artery)
• Intraluminal echoes from thrombus Respirophasic Doppler Absent Doppler signal
• Abnormal/absent color Doppler
• Abnormal/absent PW spectral  Augmentation 
Doppler waveform 1. N Engl J Med. 1989;320(6):342.
2. Bruit. 1982;7:41–42.
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Ultrasound Interpretation ‐ DVT
• Acuity of thrombus
• Acute (<2 weeks)
• Subacute (2 weeks – 6 months)
• Chronic (>6 months)
• Ultrasound parameters
• B‐mode appearance (hypoechoic, 
isoechoic, hyeprechoic)
• Vein lumen size
• Vein wall appearance
• Venous compressibility
• Function of venous valves
• Presence of collaterals
Circulation. 2014;129:917‐921
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Remote

Age indeterminate?
Remote with valvular incompetence
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Ultrasound Interpretation ‐ DVT
• Limitations
• May miss more proximal DVT (iliacs
veins, IVC)  be alert when seeing a 
monophasic waveform
• Imaging is limited by body habitus and 
edema
• Duplicated femoral or popliteal veins 
Monophasic Doppler signal
may be missed

 Monophasic waveform: more proximal obstruction
 Blunted augmentation: more distal obstruction
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Ultrasound – Venous Incompetency 

• Venous reflux: reversal of flow in the veins of 
the lower extremity
• Physiologic: fraction of a second it takes for valve 
leaflets to appose, time varies by location
• Pathologic: reflux of ≥0.5 seconds in superficial veins Physiologic reflux 

• Reflux can be elicited by
• Valsalva maneuver
• Augmentation: compression and release distal to 
point of examination
• Best results obtained with patient
• Standing with weight on contralateral limb
• Sitting with torso elevated >45 degrees
• Reverse Trendelenberg
Pathologic reflux
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Ultrasound – Venous Incompetency 
Examination Protocol 
• Deep system: 
• CFV, FV, Popliteal vein
• Reflux >1.0 sec
• Superficial System: (vein diameter msmts included)
• Entire length of GSV +/‐ entire length of SSV
• Reflux >0.5 sec
• Perforators
• Examine entire calf
• Focus on areas of ulcerations
• Reflux ≥0.35 sec
• Diameter >3.5 mm likely competent
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http://intersocietal.org/vascular/standards/
IACVascularTestingStandards2015.pdf
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1. The location, competency and diameter of the saphenous junctions. 
2. The distal extent of reflux in the saphenous veins in the thighs and 
legs. Recording the saphenous diameter at the mid‐thigh and at the 
knee is desirable. 
3. The location of incompetent perforating veins as measured from the 
floor
4. Other named and unnamed veins that show reflux or are varicose 
should be noted. 
5. The source of venous hypertension in varices if not from the veins 
described above. 
6. Saphenous veins that are absent, totally occluded, hypoplastic or 
atretic should be noted. 
7. The state of the deep venous system, including valvular competence 
and evidence of current or previous venous thrombosis.

J Vasc Surg 2011;53:2S‐48S

http://www.phlebology.org/wp‐content/uploads/2014/11/ACP_Imaging_Guidelines_rev1109_a.pdf
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Quality Assurance ‐ Indications Quality Assurance ‐ Purpose

• To provide accurate diagnostic  • Assure that ultrasound exams are 

information to referring physicians accurate compared to other imaging 
modalities
• To ensure patients receive accurate 
high quality care • Identify etiology of error
• To maintain accreditation of the  • Initiate corrective measures
laboratory by a recognized body • Review cases in meetings of the 
medical director and laboratory 
supervisor, staff
SVU/IAC Quality Assurance Guidelines for Accuracy of Examinations in the Vascular Laboratory 03/13/2012
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Quality Assurance ‐ Components Limitations to accuracy

• Correlation of Diagnostic  • No written protocol
Ultrasound Findings • No review of staff knowledge/ability 
in performing exams
• Equipment Quality Assurance
• Lack of CME
• Continuing Professional Education • Low volume exams
• Communication of urgent findings • Limited knowledge of interpretation 
criteria
• Limiting exams only to basic 
protocols

SVU/IAC Quality Assurance Guidelines for Accuracy of Examinations in the Vascular Laboratory 03/13/2012
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Quality Assurance ‐ Specifics
• There must be a written policy regarding QI for all procedures performed 
• A correlation log for each test area must show >70% accuracy agreement
• Minimum of 2 facility QI meetings per year must be held to:
• Review results of comparative studies
• Address discrepancies
• Discuss difficult cases
• Address facility QI issues
• When available, appropriateness criteria published by medical 
professional organizations should be utilized.
http://intersocietal.org/vascular/standards/IACVascularTestingStandards2015.pdf
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JACC 2013;62:649.
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Accreditation ‐ Benefits
• Demonstrates commitment to quality care
• Application requires QI programs, identification and correction of potential 
problems, revise protocls
• Renewal process results in continued self‐assessment
• Allows quality to be evaluated through independent peer review
• Application of standards in imaging
• Acts as a recruiting tool for potential talented hires
• Demonstrates accountability 
• May be required for payment by insurers

http://www.intersocietal.org/iac/accreditation/whatisaccreditation.htm
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IAC Accreditation – Initiating the Application

• IAC is there to help; not to prevent 
accreditation!
• Organization is key
• Review current lab protocols and 
policies, identify problems and correct 
prior to application
• Ensure imaging meets current IAC 
Standards 
• Review process takes 12‐16 weeks
• In house review, peer review, board of 
directors review
http://www.intersocietal.org/vascular/forms/VascularTestingAccreditationChecklist.pdf
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IAC Accreditation – Initiating the Application

• Information you will need
• Equipment information
• Procedure volumes
• Training Qualifications for MDs 
and sonographers
• Credential information for all 
medical and technical staff
• CME information for all staff

http://www.intersocietal.org/vascular/forms/VascularTestingAccreditationChecklist.pdf
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IAC Accreditation – Initiating the Application
• Documents you will need 
(sample documents available)
• Primary source verification policy
• Patient complaint policy
• Personnel safety policy
• Facility‐specific Technical Protocols
• Patient safety policy
• Patient confidentiality policy
• Quality Improvement policy
• QI meeting minutes >2/year
• QI documentation – Correlation Log
http://www.intersocietal.org/vascular/forms/VascularTestingAccreditationChecklist.pdf
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IAC Accreditation – Initiating the Application
• Case Studies
• Represent best work
• All cases must be abnormal of varying 
degress of pathology
• Must be from within the past 12 months 
from the date of application filing
• All medical and technical staff must be 
represented
• Site visit
• May occur as part of the accreditation 
process but will occur during 3 year 
accreditation period
• May occur as “random, investigative, or 
required” visits
http://www.intersocietal.org/vascular/forms/VascularTestingAccreditationChecklist.pdf
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Thank You