超聲多普勒診斷儀器基本原理

第五章

超聲多普勒診斷儀器基本原理超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理

超聲多普勒信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理超聲多普勒診斷儀器的基本原理連續(xù)波式超聲多普勒診斷儀器脈沖波式超聲多普勒診斷儀器彩色超聲多普勒診斷儀器目錄超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-1超聲多普勒信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理一、多普勒效應(yīng)

超聲多普勒技術(shù)是研究超聲波經(jīng)運(yùn)動(dòng)的物體反射或者散射所產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)的一項(xiàng)技術(shù)。在臨床中被廣泛應(yīng)用于心臟、血管、血流和胎兒心率的診斷，相應(yīng)的儀器包括超聲血流測(cè)量?jī)x、超聲胎心監(jiān)測(cè)儀、超聲血管顯像儀及超聲血壓計(jì)、超聲血流速度剖面測(cè)試儀等。

式中，c為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，u為波源相對(duì)于介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度，v為接收體行對(duì)于波源的速度。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-1超聲多普勒信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理

在超聲多普勒診斷儀器中，聲源與接收器通常固定不動(dòng)，而探測(cè)目標(biāo)相對(duì)聲源與接收器存在一定的運(yùn)動(dòng)速度。假設(shè)入射超聲波頻率、聲速分別為f0與c，入射波、反射波與血流運(yùn)動(dòng)方向的夾角分別為（π-φi)、φr。在此過(guò)程中將存在兩次多普勒頻移現(xiàn)象，次頻移，聲源不動(dòng)，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)接收超聲波的頻率為：

第二次頻移，接收器接收運(yùn)動(dòng)目標(biāo)反射或散射超聲波，相當(dāng)于接收器靜止、波源運(yùn)動(dòng)，接收頻率為：超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-1超聲多普勒信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)射與接收裝置通常固定在一個(gè)探頭中，因此φr＝φi＝θ，則有如果血流方向朝向超聲發(fā)射與接收探頭時(shí)(圖a)，fD>0；反之，fD<0。（a）（b）

多普勒頻移量是多普勒效應(yīng)的基本參數(shù)，多普勒診斷儀的主要工作就是檢測(cè)頻率的變化量并加以分析。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-1超聲多普勒信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理

一般認(rèn)為，在紅細(xì)胞容積小于10%時(shí)，由于紅細(xì)胞之間的距離較大，每個(gè)紅細(xì)胞在散射超聲時(shí)，呈各向同性，則總散射功率P為：式中：p為單個(gè)紅細(xì)胞的散射功率

c為紅細(xì)胞濃度

L為取樣血管長(zhǎng)度或截取血管的聲束長(zhǎng)度

r為聲束的直徑

當(dāng)超聲換能器從一定角度截取血管，運(yùn)動(dòng)的血流經(jīng)過(guò)聲場(chǎng)時(shí)，由于紅細(xì)胞的散射作用，使換能器接收的回波信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)多普勒頻移Δf。一般認(rèn)為血流速度即紅細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)速度，一般為每秒鐘幾十厘米。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-2超聲多普勒診斷儀器的基本原理一、系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)超聲多普勒診斷儀器一般由發(fā)射、接收處理以及監(jiān)測(cè)三大部分組成。圖5-1超聲多普勒診斷儀的一般結(jié)構(gòu)示意圖

超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-2超聲多普勒診斷儀器的基本原理設(shè)發(fā)射的超聲波信號(hào)E(t)為參考信號(hào)，其幅值為1，初相位為零，則E(t)為：回波中的頻移信號(hào)為：同時(shí)從靜止目標(biāo)返回的雜波信號(hào)為：式中，A、B分別為雜波和頻移信號(hào)的幅值，φD與φo分別為其相對(duì)于參考波的初相位，ωD為多普勒角頻移。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-2超聲多普勒診斷儀器的基本原理

式中，右邊項(xiàng)是雜波成分（與時(shí)間無(wú)關(guān)的直流分量），第二項(xiàng)為多普勒頻移成分。通過(guò)相干解調(diào)已將載波（ω0）信號(hào)濾除，只留下頻移信號(hào)，但是在處理過(guò)程中無(wú)法反映ωD的正負(fù)號(hào)，因此損失了頻移信號(hào)中所包含的方向信息。非相干解調(diào)

以雜波成分作為參考波，并與多普勒頻移后的回波進(jìn)行比較。之所以稱為非相干解調(diào)，是因?yàn)樘峁┫辔缓皖l率參考源的是回波本身。雜波信號(hào)R0(t)可視為經(jīng)過(guò)衰減和相移了的發(fā)射信號(hào)，但其頻率保持不變。把R0(t)視為參考信號(hào)后，可取φ0＝0，則有則回波信號(hào)R(t)為：

超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-2超聲多普勒診斷儀器的基本原理2、定向解調(diào)：同時(shí)檢測(cè)出血流速度與方向信息。包括單邊帶解調(diào)法、外差解調(diào)法及正交相位解調(diào)法。單邊帶解調(diào)法圖5-2單邊帶解調(diào)法結(jié)構(gòu)示意圖為了討論方便，可將接收換能器接收的頻移信號(hào)表示為：式中：AF、ωF為順流多普勒信號(hào)的振幅和頻移；

AR、ωR為逆流多普勒信號(hào)的振幅和頻移。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-2超聲多普勒診斷儀器的基本原理外差解調(diào)法

主振蕩器產(chǎn)生的高頻信號(hào)ω0不直接作為相干解調(diào)器的參考信號(hào)，而是與另外一個(gè)外差振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)ωh，經(jīng)混頻器后產(chǎn)生差頻信號(hào)（ω0-ωh

）作為參考信號(hào)。然后再與包含方向信息的回波信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，使之輸出（ωh＋ωF

）和（ωh-ωR

）的信號(hào)，從而獲得速度和方向雙重信息。圖5-4外差解調(diào)法方框圖該方法可用于“連續(xù)波式”和“脈沖波式”多普勒診斷儀器。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-2超聲多普勒診斷儀器的基本原理正交相位解調(diào)法圖5-5正交相位解調(diào)法

該方法的基本思想是：先檢出多普勒頻移信號(hào)的實(shí)部和虛部，然后以幾種不同的方法加以處理，從而獲得流向信息。該方法效果較好，在定向型多普勒診斷儀中使用較多，可工作于連續(xù)波式或脈沖波式。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-2超聲多普勒診斷儀器的基本原理

設(shè)接收信號(hào)為R(t)（包括雜波、順流和逆流分量），用參考信號(hào)cosω0t與R(t)相干解調(diào)，并濾去2ω0t高頻部分，得到直接通道的輸出信號(hào)D(t)為:

正交通道的參考信號(hào)為cos(ω0t-90o)=sinω0t,與接收信號(hào)相干解調(diào)，濾除高頻信號(hào)，得到正交通道的輸出信號(hào)Q(t)：再將靜止目標(biāo)的雜波信號(hào)濾除，可得：超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-2超聲多普勒診斷儀器的基本原理圖5-7頻域處理技術(shù)原理圖

該方法是利用一對(duì)正交的音頻信號(hào)(cosωpt和sinωpt）與正交檢測(cè)輸出的兩個(gè)信號(hào)Q(t)和D(t)分別相乘，再將相乘結(jié)果相加混合為一個(gè)通道輸出。輸出信號(hào)將同時(shí)包含有順流信息與逆流信息，該方法得到的頻移信號(hào)雖然無(wú)法直接用揚(yáng)聲器或者表頭進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但可以利用頻譜分析儀分析。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-2超聲多普勒診斷儀器的基本原理1、多通道頻譜分析儀

由一排窄帶濾波器組成，該濾波器的中心頻率由低到高，從f1到fN，每個(gè)濾波器輸出加到一個(gè)全波整流器上，產(chǎn)生一單極性波形，然后在積分器中平滑處理后得到電壓A(f1)到A(fN)，只要濾波器的帶寬足夠窄且保持一致，則A(f)可以表示輸入信號(hào)在該頻率的功率。2、掃掠濾波器

這是借以設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率可在某種控制下改變的帶通濾波器，將該濾波器的帶通區(qū)域慢慢地掃過(guò)多普勒頻譜區(qū)域，從而達(dá)到頻譜分析的目的。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-3連續(xù)波式超聲多普勒診斷儀器

探頭內(nèi)為雙換能器結(jié)構(gòu)，各自完成發(fā)射和接收任務(wù)，一只換能器連續(xù)不斷地發(fā)射超聲信號(hào)，另一只換能器不停接收反射回聲，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，送至高頻放大單元，經(jīng)幅度放大后再送至混頻解調(diào)器解調(diào)。

一、工作原理圖5-9多連續(xù)波式超聲多普勒診斷儀原理框圖超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理2.頻移信號(hào)的檢測(cè)接收到的頻率為f’的超聲回波，將之轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)電纜線送至機(jī)器的高頻放大單元，經(jīng)過(guò)信號(hào)幅度放大后再送至混頻解調(diào)器作解調(diào)處理?；祛l解調(diào)器是一個(gè)非線性差頻處理單元電路，它有2路輸入信號(hào)端口和1個(gè)信號(hào)輸出端口。

§5-3連續(xù)波式超聲多普勒診斷儀器圖5-9多連續(xù)波式超聲多普勒診斷儀原理框圖超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-3連續(xù)波式超聲多普勒診斷儀器

缺點(diǎn)：所有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒信號(hào)混疊在一起，無(wú)法辨別信息產(chǎn)生的確切部位，沒(méi)有距離信息。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-4脈沖波式超聲多普勒診斷儀器圖5-10距離選通原理示意圖

首先，在t0時(shí)刻，由超聲換能器產(chǎn)生一超聲脈沖信號(hào)，射向人體內(nèi)探測(cè)目標(biāo)。在接收信號(hào)中，來(lái)自淺表的回波信號(hào)比來(lái)自深部的回波信號(hào)更早地到達(dá)換能器，調(diào)節(jié)取樣脈沖延時(shí)tk，選出深度為R=ctk/2處、厚度為ΔR=ct/2的探測(cè)部位的回波信號(hào)，將其它深度的信號(hào)全部抑制，達(dá)到距離選通的目的。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-4脈沖波式超聲多普勒診斷儀器圖5-11脈沖波式多普勒系統(tǒng)基本組成框圖由延時(shí)門產(chǎn)生一段時(shí)延，以便接收所選深度的回波，經(jīng)距離門送至解調(diào)器上，與主振蕩器作相干處理，產(chǎn)生多普勒信號(hào)輸出。為了獲得較為平滑的輸出波，必要式還可采用“采樣－保持”技術(shù)然后由濾波器濾除雜波及脈沖重復(fù)頻率成分，供揚(yáng)聲器監(jiān)聽(tīng)或者作進(jìn)一步頻譜分析。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-4脈沖波式超聲多普勒診斷儀器而相位隨時(shí)間的變化率即為頻率（多普勒頻移），即超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-4脈沖波式超聲多普勒診斷儀器四、距離－速度限制

除了受速度限制外，脈沖多普勒系統(tǒng)與B超成像系統(tǒng)一樣，還有最大距離限制。因?yàn)楸仨毜却钸h(yuǎn)距離目標(biāo)的回波到達(dá)后，換能器才能發(fā)射下一個(gè)超聲脈沖，最大距離Rmax為：

所以對(duì)于常規(guī)的脈沖多普勒診斷儀，能檢測(cè)的最大速度與最大距離的乘積為一個(gè)常數(shù)，所以要提高其中一個(gè)，必定以降低另外一個(gè)作為代價(jià)。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-4脈沖波式超聲多普勒診斷儀器六、脈沖波式超聲多普勒診斷儀器的分類1、距離選通式2、多通道式

采用距離選通技術(shù)的單通道脈沖多普勒系統(tǒng)，由于逐點(diǎn)探測(cè)測(cè)量，因此探測(cè)時(shí)間長(zhǎng)。如對(duì)股動(dòng)脈進(jìn)行單獨(dú)端面掃描，找到血管需要3分鐘。采用多通道對(duì)不同探測(cè)點(diǎn)同時(shí)采集回波信號(hào)，則可以大大縮短掃描時(shí)間。3、定向式利用單邊帶解調(diào)、外差解調(diào)和正交相位解調(diào)法將血液流動(dòng)方向信息檢出。

4、顯像式超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-5彩色超聲多普勒診斷儀器彩色多普勒血流成像系統(tǒng)（彩超）的特點(diǎn)：（1）彩色血流圖象是顯示在B超圖象上的，因此二維多普勒血流取樣必須與B超圖象的纖細(xì)重合。為了滿足這一點(diǎn)，用同一個(gè)高速相控陣掃描探頭來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種顯示。（2）二維彩色多普勒系統(tǒng)中，要在一條聲束上進(jìn)行多次采樣，且相鄰兩個(gè)采樣信號(hào)所包括的血流信息都不相同，廣泛采用自相關(guān)技術(shù)作信號(hào)處理。（3）血流圖象是疊加在B超圖象上的，臟器的B超圖象以黑白顯示，血流以彩色顯示與臟器組織區(qū)分開(kāi)來(lái)。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-5彩色超聲多普勒診斷儀器圖5-12彩色多普勒診斷儀基本原理框圖

濾過(guò)后的信號(hào)經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換后，再進(jìn)行自相關(guān)處理。這一步驟是將前后2個(gè)脈沖產(chǎn)生回聲的時(shí)間差換算成相位差，再根據(jù)相位差與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系處理成血流方向和速度結(jié)果。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-5彩色超聲多普勒診斷儀器二、信號(hào)輸出的顯示方式

彩色多普勒的血流成像采用了彩色編碼的方式，將自相關(guān)技術(shù)處理的多普勒頻移信號(hào)經(jīng)頻率——色彩編碼器轉(zhuǎn)換成彩色，實(shí)時(shí)地疊加在B型超聲的黑白圖象上。采用國(guó)際照明委員會(huì)規(guī)定的彩色圖，采用RGB三基色，紅色表示正向血流、藍(lán)色表示反相血流，并用紅色和藍(lán)色的亮度表示流速大小。用綠色及其亮度表示血流出現(xiàn)湍流或者紊亂的程度。圖5-13血流的彩色顯示規(guī)律超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-5彩色超聲多普勒診斷儀器

在彩色多普勒中，由于血流的方向決定了血流的顏色（一般正向血流為紅色，反向血流為藍(lán)色），所以同一流向的血流處在與聲束不同角度時(shí)血流的顏色也可能不同。

速度方式顯示超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-5彩色超聲多普勒診斷儀器功率方式顯示

把提取紅細(xì)胞散射的多普勒信息，用積分法處理。彩色圖像也疊加在二維聲像圖上。此法與紅細(xì)胞散射的能量強(qiáng)度有關(guān)，與頻移無(wú)關(guān)，故無(wú)方向性，不存在混疊。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-5彩色超聲多普勒診斷儀器五、彩超的局限性

彩色多普勒血流圖是在二維影像的每條掃描線上采用脈沖波式多普勒技術(shù)進(jìn)行多門選通，收集大量血流信息，再經(jīng)過(guò)處理將其以彩色表示的血流速度疊加在二維圖象上，是一種二維的多普勒技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)是可以顯示血流的部位、形狀和分布。但是也存在一些局限性，目前可歸納如下：顯示血流速度范圍受脈沖重復(fù)頻率的影響，因此顯示高速血流時(shí)會(huì)出現(xiàn)色彩重疊及鑲嵌狀圖象。如果有多個(gè)部位在同一畫面出現(xiàn)上述情況，同時(shí)又有湍流出現(xiàn)時(shí)，分析判斷血流此時(shí)的狀態(tài)就會(huì)發(fā)生困難。受每秒幀數(shù)范圍的影響。為了獲得較大范圍的彩色血流顯示，每秒幀數(shù)必然減少，使圖象實(shí)時(shí)程度減低。如果為了提高幀數(shù)減小掃描角度，則會(huì)影響對(duì)整體結(jié)構(gòu)血流的判斷。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-1超聲多普勒信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理一般情況下，c2

>>

v2

有多普勒頻移為：超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-1超聲多普勒信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理二、超聲波與血流的相互作用超聲波束與血流的相互作用是超聲多普勒診斷儀器的基礎(chǔ)。

超聲在人體內(nèi)傳播過(guò)程中，如碰到尺寸比超聲波波長(zhǎng)小的障礙物時(shí)，就會(huì)發(fā)生散射，此時(shí)障礙物成為新的波源，向四周輻射超聲波。

雖然人體血液成分非常復(fù)雜，但超聲散射主要來(lái)自紅細(xì)胞，而血小板的散射截面低于紅細(xì)胞的0.1%，一般情況下只需考慮紅細(xì)胞對(duì)超聲的散射。紅細(xì)胞的形狀一般為扁平的圓盤狀，直徑約為8.5μm，中央下凹。以超聲工作頻率為3MHz為例，其波長(zhǎng)為0.5mm，約為紅細(xì)胞直徑的60倍，因此紅細(xì)胞是很好的超聲散射源。

紅細(xì)胞散射強(qiáng)度與紅細(xì)胞的濃度密切相關(guān)。在紅細(xì)胞容積低于10%情況下，散射強(qiáng)度與紅細(xì)胞容積呈線性關(guān)系；高濃度時(shí)，則呈非線性關(guān)系。在紅細(xì)胞容積率為26％時(shí)，出現(xiàn)最大的散射系數(shù)。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-2超聲多普勒診斷儀器的基本原理

超聲多普勒效應(yīng)應(yīng)用于臨床以來(lái)，其應(yīng)用價(jià)值已愈加明顯，尤其在以運(yùn)動(dòng)器官為主要研究對(duì)象的心血管科，超聲多普勒診斷儀更成為不可或缺的有力診斷工具。原理應(yīng)用：運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)（如心臟瓣膜）或散射子集合（如血管中的紅細(xì)胞群體）反射回來(lái)的超聲波束，檢測(cè)出其中的多普勒頻移，得到探查目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度信息，然后被人耳監(jiān)聽(tīng)、用儀器去分析、用圖像去顯示或者用影像去顯現(xiàn)人體內(nèi)部器官的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。右圖：超聲多普勒胎音儀與彩色能量圖超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-2超聲多普勒診斷儀器的基本原理

二、多普勒頻移信號(hào)的解調(diào)方法

由接收換能器收到的回波信號(hào)除了有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒頻移信號(hào)外，還包括靜止目標(biāo)或者慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)等產(chǎn)生的雜波信號(hào)，所以需要從復(fù)雜的回波信號(hào)中提取出多普勒頻移信號(hào)，這一過(guò)程稱為多普勒頻移解調(diào)。多普勒頻移解調(diào)包括非定向解調(diào)和定向解調(diào)。非定向解調(diào)主要采用相干解調(diào)和非相干解調(diào)；定向解調(diào)有單邊帶濾波法、外差法和正交相位解調(diào)法等。1、非定向解調(diào)：血流的方向不能確定相干解調(diào)

由于多普勒頻移fD比超聲發(fā)射頻率f0要小很多，較方便的檢測(cè)方法是將回波信號(hào)的頻率與發(fā)射超聲波頻率進(jìn)行比較，產(chǎn)生差頻信號(hào)。由于雜波與發(fā)射超聲波頻率相同、相位關(guān)系確定，所以雜波對(duì)輸出的差頻信號(hào)只貢獻(xiàn)一個(gè)直流電平，經(jīng)濾波后便可提取出多普勒頻移信號(hào)。該過(guò)程稱為相干解調(diào)，或者相敏檢測(cè)。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-2超聲多普勒診斷儀器的基本原理雜波和頻移信號(hào)的線性組合得到總的回波信號(hào)R(t)：將發(fā)射信號(hào)E(t)與回波信號(hào)R(t)相乘，可得：展開(kāi)后得到：首先濾去信號(hào)中的高頻分量（2ω0），濾波后得到超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-2超聲多普勒診斷儀器的基本原理令則有：

考慮到血流的頻移信號(hào)幅度遠(yuǎn)小于雜波信號(hào)幅度，因此有：此時(shí)，回波信號(hào)為：

利用一般的整流、濾波電路即可濾除載波，檢出多普勒頻移信號(hào)。連續(xù)多普勒診斷儀一般采用該方法進(jìn)行解調(diào)。

超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-2超聲多普勒診斷儀器的基本原理

在實(shí)際解調(diào)時(shí)，用精密調(diào)諧的射頻濾波器，在頻移信號(hào)中將多普勒上、下邊帶(

ω0+ωF）、(ω0-ωR）分離。這需要采用一個(gè)高通、一個(gè)低通兩個(gè)濾波器來(lái)完成，分別讓超聲回波經(jīng)放大后的多普勒上、下邊帶通過(guò)。然后上、下邊帶在獨(dú)立的通道中進(jìn)行相干解調(diào)，從而分別獲得順向和逆向的多普勒頻移信號(hào)，同時(shí)獲得血流的流速與方向信息。但該方法對(duì)電路要求極高，要求濾波器必須很精密、穩(wěn)定性能好。圖5-3單邊帶濾波波形示意圖

超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-2超聲多普勒診斷儀器的基本原理在”連續(xù)波式“工作方式時(shí)，設(shè)含有雜波、順流和逆流分量的回波信號(hào)R(t)可表示為：

混頻輸出的外差信號(hào)（相干解調(diào)器的參考信號(hào)）可表示成：相干解調(diào)中，兩信號(hào)相乘得到：由低通濾波，濾除高頻分量2ω0后得：超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-2超聲多普勒診斷儀器的基本原理圖5-5正交相位解調(diào)法

具體做法是：將回波信號(hào)經(jīng)放大后分兩路進(jìn)入兩個(gè)相干解調(diào)器：一個(gè)解調(diào)器的參考信號(hào)取自主控振蕩器，稱為直接通道；另一個(gè)通道的參考信號(hào)取自主控振蕩器經(jīng)90o移相后的信號(hào)，稱為正交通道。這兩個(gè)參考信號(hào)頻率相同，相位相差90o。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-2超聲多普勒診斷儀器的基本原理

直接通道和正交通道輸出都包括順流和逆流的多普勒頻移信息，還必須經(jīng)相域或者頻域處理技術(shù)進(jìn)行分離才能檢測(cè)出血流的方向信息。

將正交通道輸出的Q(t)信號(hào)超前900,變?yōu)镼90O(t)，再與D(t)求和后得到逆流信號(hào)：圖5-6相域處理技術(shù)原理方框圖

同理，直接通道經(jīng)相域處理后只留下順流信號(hào)：超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-2超聲多普勒診斷儀器的基本原理三、多普勒頻移信號(hào)的處理

已經(jīng)從復(fù)雜的回波信號(hào)中將多普勒頻移信號(hào)提取出來(lái)，信號(hào)提取出來(lái)后，還必須作進(jìn)一步的處理，尤其對(duì)脈沖多普勒診斷儀器。首先血液中的紅細(xì)胞運(yùn)動(dòng)速度不盡相同，產(chǎn)生的多普勒頻移也各不相同，因此實(shí)際接收得到的頻移信號(hào)是各種不同頻率合成的復(fù)雜信號(hào)，即有一定的帶寬。如果紅細(xì)胞速度分別小，則帶寬窄；反之則帶寬大。因此只有對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行經(jīng)頻譜分析并顯示，才可能對(duì)探測(cè)部位的血流速度、性質(zhì)等作出正確的判斷。對(duì)多普勒頻移信號(hào)的處理方法，分時(shí)域處理和頻域處理兩種。頻域處理技術(shù)

即用頻譜分析儀進(jìn)行頻率鑒別，并測(cè)量功率譜P(ω)（每個(gè)頻率反射回波強(qiáng)度），該技術(shù)在多普勒頻移信號(hào)處理中極為有用。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-2超聲多普勒診斷儀器的基本原理3、快速傅立葉變換分析器圖5-8多普勒信號(hào)的FFT處理

每隔一定時(shí)間對(duì)采集到的頻移信號(hào)采樣一次，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為一組數(shù)字信號(hào)。再經(jīng)FFT變換把信號(hào)分成頻率和振幅兩個(gè)分量，產(chǎn)生數(shù)字實(shí)施頻譜顯示。該技術(shù)處理準(zhǔn)確可靠，其頻譜可真實(shí)反映采樣處血流的詳細(xì)分布。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-3連續(xù)波式超聲多普勒診斷儀器1.超聲波的產(chǎn)生、發(fā)射

主頻振蕩器產(chǎn)生并輸出頻率為f的振蕩信號(hào)，送入發(fā)射驅(qū)動(dòng)單元，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)探頭中的壓電換能器向外輻射出頻率為f的連續(xù)超聲波。

圖5-9多連續(xù)波式超聲多普勒診斷儀原理框圖超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-3連續(xù)波式超聲多普勒診斷儀器3.頻移量的獲得

2個(gè)輸入信號(hào)分別為：①高頻放大單元送來(lái)的f′電信號(hào)；②主頻振蕩器分出的參照f(shuō)電信號(hào)。在混頻解調(diào)器內(nèi)，這2路信號(hào)進(jìn)行混頻、相差處理，將差頻信號(hào)Δf＝f’－f從輸出端口送出。圖5-9多連續(xù)波式超聲多普勒診斷儀原理框圖超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-4脈沖波式超聲多普勒診斷儀器

由于連續(xù)波波束內(nèi)的任何運(yùn)動(dòng)目標(biāo)都對(duì)最后輸出的多普勒信號(hào)有貢獻(xiàn)，無(wú)法分辨目標(biāo)的位置信息。對(duì)連續(xù)超聲波發(fā)射進(jìn)行脈沖幅度調(diào)制，產(chǎn)生超聲波脈沖信號(hào)，即為脈沖波式超聲多普勒診斷儀。結(jié)合脈沖回波系統(tǒng)的距離鑒別能力和連續(xù)波式超聲多普勒診斷儀的速度鑒別能力，應(yīng)用范圍更廣。一、工作原理

超聲探頭作為聲源發(fā)射一組超聲脈沖波后，又作為接收器接收超聲回波信號(hào)，但是并不接收所有的回波信號(hào)，而是在一選擇性的時(shí)間延遲tk后，才開(kāi)始接收回波信號(hào)。圖5-10距離選通原理示意圖超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-4脈沖波式超聲多普勒診斷儀器圖5-11脈沖波式多普勒系統(tǒng)基本組成框圖二、基本結(jié)構(gòu)主振蕩器產(chǎn)生一正弦波振蕩信號(hào)，其頻率為換能器的諧振頻率。在脈沖重復(fù)頻率發(fā)生器控制下，通過(guò)發(fā)射門將連續(xù)的正弦波信號(hào)調(diào)制成矩形脈沖調(diào)幅的調(diào)制波，重復(fù)頻率為fp，經(jīng)發(fā)射放大器放大去激勵(lì)換能器產(chǎn)生發(fā)射脈沖波束。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-4脈沖波式超聲多普勒診斷儀器發(fā)射脈沖與接收回波之間的相位差為：

fT為超聲波頻率，為延時(shí)量。將上式左右兩邊對(duì)時(shí)間求一階導(dǎo)數(shù)，得：又因?yàn)?，可得：超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-4脈沖波式超聲多普勒診斷儀器能夠檢測(cè)到的最大多普勒頻率只能是脈沖重復(fù)頻率fp的一半，即相應(yīng)的最大可測(cè)量速度為：三、速度限制

如果目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度v遠(yuǎn)小于超聲速度c，那么多普勒頻移fD遠(yuǎn)小于超聲波頻率fT.在超聲脈沖碰擊目標(biāo)的短時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)移動(dòng)過(guò)的距離只占超聲波長(zhǎng)的一個(gè)很小部分，因此在單個(gè)脈沖中不可能觀察到多普勒頻移分量引起的相位改變。但是在許多脈沖的周期內(nèi)，由于目標(biāo)可以移動(dòng)相當(dāng)遠(yuǎn)，在相繼返回的各回波的相位，已有顯著的變化。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-4脈沖波式超聲多普勒診斷儀器五、主要技術(shù)指標(biāo)1、超聲波頻率fT（載波頻率）

fT高則波長(zhǎng)短，距離分辨率高，對(duì)同一目標(biāo)獲得的多普勒頻移也較高。但是fT高，超聲波在介質(zhì)中的衰減快，探測(cè)深度會(huì)受到限制。2、脈沖重復(fù)周期TP

決定最大探測(cè)深度和可測(cè)量的最大流速。3、可測(cè)量的最大流速超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-5彩色超聲多普勒診斷儀器

脈沖多普勒探測(cè)的只是一維聲束上超聲多普勒血流信息，它的頻譜顯示表示流過(guò)取樣容積的血流速度變化。脈沖多普勒技術(shù)也被稱為一維多普勒技術(shù)。一維多普勒技術(shù)在測(cè)定某一位置的血流是很方便的，如果要了解瓣口血流流動(dòng)的詳細(xì)分布，就很困難，只能一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)地測(cè)，把每一個(gè)點(diǎn)的血流速度記錄下來(lái)，最后得到一個(gè)大致的血流輪廓。

彩色多普勒血流成像儀是采用脈沖多普勒技術(shù)和B超混合成像的系統(tǒng)。其基本原理是：利用多通道選通技術(shù)在同一時(shí)間內(nèi)獲得多個(gè)采樣容積上的回波信號(hào)，結(jié)合相控陣掃描對(duì)此斷層上采樣容積的回波信號(hào)進(jìn)行頻譜分析或自相關(guān)處理，獲得速度大小、方向和方差信息；同時(shí)濾除靜止組織的低頻信號(hào)，再將提取的信號(hào)轉(zhuǎn)變成紅色、藍(lán)色、綠色的色彩顯示。將血流圖象和B超圖象同時(shí)顯示，不僅可以展示臟器的解剖圖象，還可以顯示在心動(dòng)周期不同時(shí)刻的血流情況。超聲多普勒診斷儀器基本原理共55頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁(yè)!第五章超聲多普勒診斷儀器基本原理§5-5