醫(yī)學(xué)超聲儀器原理 8講 超聲多普勒原理與儀器

醫(yī)學(xué)超聲儀器原理第8講超聲多普勒原理與儀器UltrasoundDopplerPrincipleandInstrument醫(yī)學(xué)超聲儀器原理本講內(nèi)容1.Hemodynamics2.DopplerEffect3.SpectralDopplerDisplays4.

Color-DopplerDisplays5.CodedExcitation

超聲多普勒血流測(cè)量多普勒血流信號(hào)頻譜示意圖血流速度測(cè)量與成像中所要獲知的信息是：

1.流速方向；

2.流速幅度；

3.流速在血管中的分布；

4.被測(cè)血管離人體表皮的深度和角度；

5.血管內(nèi)徑大小；

6.血流動(dòng)態(tài)速度譜。連續(xù)波式超聲多普勒連續(xù)波式超聲多普勒成像儀原理示意圖

ContinuousWaveDoppler,CW發(fā)射信號(hào)接收信號(hào)乘法器解調(diào)低通濾波和音頻放大設(shè)超聲在人體內(nèi)的速度為1540m/s，超聲的工作頻率為2.5MHz，頸動(dòng)脈收縮期血流峰值速度(PSV)、約為300cm/s，舒張末期血流速度(EDV)約為60cm/s，多普勒角為60度。則這時(shí)多普勒頻移為：音頻范圍為約20Hz～20kHz頻移按血流搏動(dòng)的有節(jié)律地變化多普勒胎兒心率監(jiān)護(hù)血流方向信息的提取1.單邊帶直接分離法是分別用一個(gè)高通濾波器和一個(gè)低通濾波器把上下頻帶直接分離的方法，它是無線電雷達(dá)通訊設(shè)備的一種原理。2.外差式檢測(cè)法是把信號(hào)的整個(gè)頻譜從射頻段平移到音頻范圍或中頻范圍，然后進(jìn)行邊帶分離的方法。3.正交相位檢測(cè)法發(fā)射信號(hào)接收信號(hào)式中：A+

和f+

分別是正向流產(chǎn)生的幅度和頻移；

A-

和f-

分別是正向流產(chǎn)生的幅度和頻移。經(jīng)過解調(diào)后濾波后正反血流信號(hào)的分離(1)時(shí)域處理設(shè)在只有正向血流時(shí)，A-=0。此時(shí)，VA在時(shí)間上領(lǐng)先VB。邏輯電路判斷為正向，KA合上，KB斷開，VA通過。同理只有反向流存在時(shí)候，VB通過。正反向血流都存在時(shí)，時(shí)域處理方法不合適。正反血流信號(hào)的分離(2)相域處理★

VB

經(jīng)過90°相移后變?yōu)閂'B正反血流信號(hào)的分離(3)頻域處理經(jīng)過頻域處理，把信號(hào)頻譜移到fp

的兩邊。f>fp

的信號(hào)相當(dāng)于正向流；f<fp

的信號(hào)相當(dāng)于反向流。和外差式檢測(cè)方法相比，正交檢測(cè)方法濾除了血管壁運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)回波信號(hào)。血流速度的提取從前面處理過的多普勒血流信號(hào)中提取速度信號(hào)，即是頻率-電壓轉(zhuǎn)換的問題。1.過零檢測(cè)方法基本原理是統(tǒng)計(jì)波形在單位時(shí)間里過零的次數(shù)N，用它來近似表示血流的平均速度V。式中，P(f)是信號(hào)的功率譜，為平均頻率。(1)，(2)為功率譜的方差二階矩一階矩2.平均頻率解調(diào)器微分得由3.頻譜分析法設(shè)我們知道把VC代入式中，

+=2f+,

+=2f+。上述算法采用FFT實(shí)現(xiàn)。4.自相關(guān)方法血流流速信號(hào)是大量血紅細(xì)胞（直徑d<<λ

聲波波長(zhǎng)）產(chǎn)生散射運(yùn)動(dòng)的一個(gè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，因此它具有近似平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的特性。它的速度值是一個(gè)統(tǒng)計(jì)分布，因此它具有數(shù)學(xué)期望平均頻率值ω

和方差分布值σ2。由于自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度是一對(duì)傅立葉變換對(duì)，通過它們與平均流速和流速方差的內(nèi)在關(guān)系可以得到一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的表示結(jié)果。這個(gè)結(jié)果是彩色多普勒血成像的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。設(shè)經(jīng)過正交解調(diào)并濾除血管壁運(yùn)動(dòng)多普勒低頻信號(hào)和其它噪聲信號(hào)后的音頻多普勒信號(hào)為：分別表示血流平均速度和方差(速度分散程度)。功率譜P(·)和自相關(guān)函數(shù)R(·)是一對(duì)傅里葉變換對(duì)，即自相關(guān)函數(shù)的一階和二階導(dǎo)數(shù)分別為能不能實(shí)時(shí)提取血流速度？脈沖波式超聲多普勒成像距離選通技術(shù)距離選通的目的是：有選擇地對(duì)人體深處的某一血管和心腔各瓣膜處的血流及分布進(jìn)行測(cè)量。脈沖重復(fù)頻率FPR

，與掃描深度的關(guān)系FPR扇形掃描距離選通脈沖多普勒血流儀原理圖主振脈沖重復(fù)頻率：FPR

2fDmax

最大探測(cè)深度：最大可測(cè)的血流速度：制約關(guān)系：?多普勒頻譜顯示超聲多普勒頻譜圖血流測(cè)量中的定量計(jì)算1.血流速度、血流量和血流指數(shù)的計(jì)算血流速度：血管中由于流動(dòng)粘性摩擦力的存在，流層間必然出現(xiàn)速度梯度，即瞬時(shí)速度。由距離選通數(shù)據(jù)和FFT譜分析數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的微處理器上可方便地計(jì)算：

a.管腔橫截面上所有紅細(xì)胞的空間平均瞬時(shí)速度；

b.將某一時(shí)間的空間平均速度按時(shí)間平均得到管腔中血流的時(shí)間平均速度。血流量：流量Q

等于管腔橫截面積A

和空間平均流速（頻譜圖上的流速積分）VS

的乘積：Q=A

VS。

由于屏顯的所測(cè)得的尺寸與實(shí)際尺度有比例偏差，因此需要測(cè)量屏幕上尺度進(jìn)行修正。血流指數(shù)：（1）S/D比值：S表示收縮期最高血流峰值；D表示舒張末期最低血流速度。

S/D正常值為1.20±0.15，S/D>7.5則血管狹窄。（2）阻力指數(shù)RI：RI=(S-D)/S，正常值為0.55～0.75之間。RI>0.75表明周圍血管阻力增高；RI<0.55表明周圍血管阻力降低。（3）搏動(dòng)指數(shù)PI：PI=(S-D)/TAPV，TAPV表示速度平均值。PI對(duì)衡量血管管腔的阻塞有價(jià)值。2.心功能參數(shù)的計(jì)算心臟壓力階差測(cè)定：狹窄二尖瓣口的壓力差可定量表示為△P=4V2max（簡(jiǎn)化的Bernouli方程）最大峰值的階差計(jì)算是把最大峰值的頻差代入多普勒公式算出Vmax，并代入上述公式計(jì)算可得。平均壓力階差計(jì)算方法是：（1）由頻譜圖包絡(luò)線中的速度曲線通過上述公式換算出壓力階差曲線；（2）求出壓力梯度積分：（3）求舒張期的平均壓力差：式中t2-t1

為舒張期時(shí)間。同樣可用此法算出主動(dòng)脈瓣口、肺動(dòng)脈瓣口的平均壓力階差。心臟血流量的測(cè)定：臨床常用的是心搏出量Qb

和心排出量Qp，分別表示為Qb(ml)=v(cm/s)

×A(cm2))

×TR(s)Qp(ml)=v(cm/s)

×A(cm2)

×60(s)式中v

表示平均血流速度，A為血管或瓣膜口面積，TR為R-R間期＝60s／心率。脈沖式多普勒成像儀結(jié)構(gòu)框圖脈沖式多普勒成像儀工作原理整機(jī)由主控制單元、發(fā)射單元、探頭單元及接收處理單元中的多普勒信號(hào)處理通道和B（M）型輝度調(diào)制處理通道組成。主控制單元是以中央微處理器、超聲頻率振蕩發(fā)生器為核心的中樞機(jī)構(gòu)，它可以改變振蕩器發(fā)生的頻率f，控制發(fā)射單元中脈沖形成的周期（或脈沖重復(fù)頻率FPR），協(xié)調(diào)探頭的收、發(fā)工作狀態(tài)以及啟、閉接收電路中的距離選通門。振蕩器產(chǎn)生的超聲波頻率信號(hào)分為兩路：一路送至發(fā)射電路中的門控電路，供其調(diào)制成脈沖信號(hào)送出；另一路傳至接收電路中作為原始信號(hào)的相位參考標(biāo)準(zhǔn)。多普勒回波的信息與顯示超聲波束每發(fā)收一次收集了從脈沖開始到最深探測(cè)距離的所有頻移。式中：i

為掃描線的順序號(hào)；A為組織器官分量；a,b分別為各個(gè)頻移的分量上面是針對(duì)血管中某一時(shí)刻不同血流速度分布情況下的頻移譜。如果血管中有相反的流向，頻移譜的波形是怎樣的？將一次超聲脈沖所接收的頻移譜的幅度用不同灰度來表示。將下一次超聲脈沖所接收的頻移譜信息依次排列。Y軸表示：頻移Hz，或者是血流的速度X軸表示：以重復(fù)頻率為衡量的時(shí)間Z軸(亮度)表示：譜的幅度三種血管情況的多普勒譜的波型脈沖重復(fù)頻率：FPR

2fDmax

?脈沖重復(fù)頻率：FPR

2fDmax

最大可測(cè)的血流速度：彩色超聲多普勒血流成像

ColorDopplerflowimaging,CDFI彩色血流成像的因子：平均血流大小、方向、譜值、方差σ2。血流圖像區(qū)域的選擇彩色多普勒血流成像掃描示意圖彩色成像坐標(biāo)彩色多普勒血流成像掃描順序圖這里的v

是這個(gè)區(qū)域的血流速度的均值，其大小和不得不用顏色表示COLORENCODING流向探頭背離探頭流向探頭背離探頭心臟血流成像彩色定義根據(jù)三原色原理紅色代表正向血流，朝向探頭的流動(dòng)；藍(lán)色代表反向血流，離開探頭的流動(dòng)；綠色代表方差的大小，即湍流的程度大??；亮度分別代表流速和方差幅度的大小。彩色多普勒血流圖的特點(diǎn)由于多普勒角的作用，掃描線方向會(huì)使圖像顯示的顏色也不同。BeamSteeringCDFI的系統(tǒng)組成三項(xiàng)工作：B/M