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摘要 摘要 多普勒血流速度检测与成像系统 硕士研究生汤文文导师郭学雷 东南大学信息科学与工程学院 具有不同密度、不同声速等理化特性的生物组织器官，对外来的超声波能量将产生反射、透射、 折射、衰减和非线性参量等效应。运动组织还将产生多普勒效应。提取、分析或显示这些生物组织 对超声波的作用后的信息，就可察知生物组织的内在特性。冈此可以利用超声波来检测生物内荨信 息。事实上，早在上个世纪2 0 年代末，超声技术就应用于医学，进行无创伤的医学诊断。半个多世 纪以来，特别是上世纪7 0 年以来，由于微电子和计算机技术的快速发展，促使医学超声技术获得了 很大发展，特别是超声诊断技术、多功能b 超显像仪和超声彩色血流成像仪是其杰山代表。 本文针对超卢波在血流检测方面的应用，主要讨论了超声血流检测系统的三个发展阶段连续 波血流检测、脉冲波血流检测和彩色血流检测。在对血流的性质、多普勒效应和血流对超声波的散 射等基础知识的介绍之后，按顺序介绍了三种血流检测的原理、方法和实现系统。从中我们发现， 连续波检测系统和脉冲波检测系统在检测血流时可以采集剑很多的数据用丁多普勒频移的提取。所 以只需采用f f t 变换就可以对多普勒频移也就是血流信息进行分析了。而彩色血流系统为了提高血 流图像的刷新帧频，在每个多酱勒信息提取位置上只能采剑有限的儿个采样数据，若也用f f t 来做 频谱分析，显然效果和效率都不好。冈此需要更加符合实时处理j 需求的检测算法。本文重点对自稆 灭检测算法进行了分析和仿真，其仿真结果与理论值基本符合。白相关法也是最甲川r 彩色血漉成 像的实时检洲算法。此外，文体还对影响血流检测的夹角依籁性和奈奎斯特约束进行r 仿真分析 关键词：超卢波，多普勒效应，血流速度检测，自相天算法，彩色血流成像 a b s t r a c t a b s t r a c t d o p p l e rb l o o dv e l o c i t yd e t e c t i o na n di m a g i n gs y s t e m m s c a n d i d a t e ：t a n gw e n w e ns u p e r v i s o r ：g u ox u e l e i s c h o o lo fl n f o r m a f i o ns c i e n c ea n de m i g i n e e r i n g , s o u t h e a s tu 押e b i t y c h i n a t h es t r u c t u r eo fm o s tb i o l o g i c a lm e d i ai sc o m p l e x ，s ou l t r a s o u n dw i l lh a v ed i f f e r e n t v e l o c i t ya n dm a n ye f f e c t sw i l lo c c u rw h e ni tt r a n s m i t st h r o u g ht h em e d i a t h e s ee f f e c t sa t e r e f l e c t i o n 、t r a n s m i s s i o n 、r e f r a c t i o n 、s c a t t e r i n g 、a t t e n u a t i o na n ds o m en o n l i n e a re f f e c t s i f t h e b i o l o g i c a lm e d i ai sm o v i n gt h e nd o p p l e re f f e c t sw i l lt a k ep l a c e b ye x t r a c t i n g 、a n a l y z i n go r d i s p l a y i n gt h ei n f o r m a t i o np r o d u c e db yt h e s ee f f e c t sw e c a l lg e tt h ei n n e rk n o w l e d g eo ft h e b i o l o g i c a lm e d i a a n dt h eu l t r a s o u n di st h et o o lf o ru st og e tt h ei n f o r m a t i o n i nf a c t ，f r o m t h ee n do f1 9 2 0 s ，p a r t i c u l a r l yi nt h e1 9 7 0 s ，a l o n gw i t ht h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n to f m i c r o e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e r , t h ea p p l i c a t i o n so fu l t r a s o u n di nm e d i c i n eh a v ea c h i e v e d g r e a ts u c c e s s e s u l t r a s o n i cd i a g n o s i s 、m u l t i f u n c t i o nb r i g h t n e s sm o d ei m a g i n ga n dc o l o r f l o wi m a g i n ga r et h et h r e ef a m o u sr e p r e s e n t a t i o n s t h i sp a p e rw i l lm a i n l yd i s c u s st h ea p p l i c a t i o no fu l t r a s o u n di nb l o o dv e l o c i t yd e t e c t i o n s y s t e m a n dg ot h r o u g hi t st h r e ed e v e l o p m e n tp h a s e s - - c o n t i n u o u sw a v ed e t e c t i o n ( c w ) 、 p u l s e dw a v ed e t e c t i o n ( p w ) a n dc o l o rf l o wi m a g i n g a f t e ri n t r o d u c i n gt h eb a s i ck n o w l e d g e a b o u tt y p e so f b l o o d 、d o p p l e re f f e c ta n du l t r a s o u n ds c a t t e r i n go f t h eb l o o d ，t h ep a p e rw i l lt a l k a b o u tt h ep r i n c i p l e s 、m e t h o d sa n dr e a l i z a t i o n so f t h e s et h r e eb l o o dv e l o c i t yd e t e c t i o ns y s t e m s a n di nt h ec wa n dp ws y s t e m ，t h e r ea r em a n ys a m p l e dd a t aw h i c hc a nb eu s e dt oe x t r a c t d o p p l e rf r e q u e n c ys i m p l yb yf f t b u ti nt h ec o l o rf l o wi m a g i n gs y s t e m ，i no r d e r t oi m p r o v e f l a m er a t e ，t h en u m b e ro f t h es a m p l e dd a t ai so n l yaf e wa te v e r yd e t e c t i o nl o c a t i o n f f ti so f n oe f f e c tf o rs of e ws a m p l e dd a t a ，s of a s t e ra n dm o r ee f f e c t i v ea l g o r i t h m sa r en e e d e di nt h i s r e a l t i m es y s t e m a n do n em e t h o dc a l l e da u t o c o r r e l a t i o ni sf i r s tu s e di nh i s t o r y i t sp r i n c i p l e i sa n a l y z e di nt h ep a p e r s o m es i m u l a t i o n sa c c o r d i n gt ot h em e t h o da r ea l s od o n e t h e d e t e c t e dv e l o c i t yr e s u l tu s i n ga u t o c o r r c l a t i o nm e t h o dc o n f o r m st ot h er e s u l ti nt h e o r y b e s i d e s , s o m es i m u l a t i o n sa b o u ta n g l ed e p e n d e n ta n dn y q u i s tl i m i to fb l o o dv e l o c i t yd e t e c t i o na s g a n a l y z e di nt h ep a d e e k e yw o r d s ：u l t r a s o u n d ，d o p p l e re f f e c t ，b l o o dv e l o c i t yd e t e c t i o n ，a u t o c o r r e l a t i o na l g o r i t h m ，c o l o r f 1 0 wi m a g i n g n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：泣数日期：地量：5 ：， 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：五亟导师签名： 日期：2 口o p 。； 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超声波在医学诊断中的应用 超声波在医疗上的应_ i j 也叫超卢诊断或超声治疗，用于检测人们身体的软组织、血流等是否正 常。超声诊断可基于三种方法：脉冲同波法、多普勒效应法和透射法。诊断时用传感器对人体发射 超声波，然后利用其反射、多酱勒效应、透射等来获取人体内部的信息并经过处理形成图像。其中 多普勒效应法是利用超声在遇到运动的物体时发生的多普勒频移效应来得出该物体的运动方向和速 度等特性；透射法则是通过分析超声穿透过被测物体之后的变化而得出物体的内部特性的，其应用 目前还处丁| 研制阶段。脉冲回波法和多普勒效应法应用较多。 脉冲回波法是基于超声波在通过不同声阻抗组织界面时会发生较强反射的原理工作的，即声波 在从一种介质传播到另外一种介质的时候在两者之间的界面处会发生反射，而且介质之间的差别越 大反射就会越大，所以我们可以对一个物体发射出穿透力强、能够直线传播的超声波，然后对反射 回来的超声波进行接收并根据这些反射回来的超声波的先后、幅度等情况就可以判断出这个组织中 舍有的各种介质的大小、分布情况以及各种介质之间的对比差别程度等信息( 其中反射回来的超声 波的先后可以反映出反射界面离探测表面的距离，幅度则可以反映出介质的大小、对比差别程度等 特性) ，从而判断出该被测物体是否有异常。 在这个过样中就涉及剑很多方面的内容，包括超声波的产生、接收、信号转换和处理等。其中 产生超声波的方法是通过电路产生激励电信号传给具有压电效应的晶体( 比如石英、硫酸锂等) ，使 其振动从而产生超声波；而接收反射回来的超声波的时候，这个压电品体义会受到反射回来的声波 的压力而产，i 三也信号并传送给信号处理电路进行一系列的处理，最后形成图像供人们观察判断。这 个负责声压和电信号之问转换的发射和接收设备就叫传感器。 根据图像处理方法( 也就是将得纠的信号转换成什么形式的嘲像) 的种类又可以分为a 翟显示、 m 型显示、b ，弘显示、c 型显示、f 删显示等。其中a 型显示是将接收到的超卢信号处理成波形图 像，根挤；波形的形状可以石出被测物体里面是否有异常和缺陷在郧里、有多人等，主要用于i 业检 测：m 型显示是将一条经过辉皮处理的探测信息按时问顺序展开形成一一维的”空间多点运动时序幽”， 适r 观察内部处于运动状态的物体，如运动的脏器、动脉血管等；b 型显示是将并排很多条经过辉 度处理的探测信息组合成的一维的、反映出被钡物体内部断层切面的”解剖烽l 像”( 医院里馑j j 的8 超就是川这种原理做j i ；来的) ，适r 观察内部处于静态的物体；而c 型展示、f 型显示现仡川得比 较少。 利川超声波不但可以对人体组织的解剖图进行成像，还可以检测j 仉流速度年i 嘲l 织运动。榆洲的 基本方法就是多普勒效廊江。早在1 8 4 2 年c h r i s t i a n d o p p l e r 就发现了、j 波源相对1 。观测名运动时， 观洲者察觉到的频率与波源的发射频率不同，发生了频率偏移。而这个频移j 波源和观测青之问的 1 东南大学硕士学位论文 相对运动速度以及发射频率成正比。不久之后人们便将这个多普勒现象应用于声波，通过测量接收 频率与发射频率的偏移来测量运动物体的速度。多普勒技术在医学临床上主要用来测量血流，根据 频移信号可了解血流有无异常，发现病变，进行心血管疾病的诊断。多普勒技术也可用于测量其他 生物组织或器官的运动速度等参数，因此此项技术可用于测量血压，进行听诊，胎儿监护，组织运 动成像等。当今的医学超声多普勒系统通常分为连续波c w ( c o n t i n u o u sw a v e ) 和脉冲波p w ( p u l s e w a v e ) 两种。c w 采用收发分离式换能器，它们分别连续不断地发射和接收超声波：p w 采用收发 共用的换能器，它进行间断式的脉冲发射，并作延迟门控式选通接收。 将血流速度信息和组织运动信息叠加到普通的b 超图像上的成像方式叫做彩色多普勒血流成 像。这种成像方式能够提供包括解剖图和血流信息的完整的人体解剖信息，更加便于医学诊断和治 疗。彩色多普勒血流成像技术于1 9 8 2 年由美国b o r n n e r 和日本的n a m e k a w a 、k a s a i 最先研制成功。 日本a l o k a 公司于1 9 8 2 年生产出第一台彩色多普勒血流显像仪。9 0 年代又发展了四种彩色多普勒 技术：( 1 ) 多普勒能量图、能量多普勒和血管造影( c o l o r d o p p l e r 、p o w e r d o p p l e r i m a g i n g ) 。( 2 ) 彩色多普勒能爱图( c d e ) 。( 3 ) 彩色多普勒组织成像( c 叨) 又称为多普勒心肌显像( d m i ) 。( 4 ) 能量运动成像( p m i ) 。它们可以检测血流速度以及方向，应用也极为广泛，例如显示心肌内的冠脉 穿插支等。彩色超卢多酱勒设备的开发成功是超声医学发展史上的一个里程碑。 超卢检测不但可以做到非常准确，而且相对其他检测方法来说更为方便、快捷，也不会对检测 对象和操作者产生危害，所以受到了人们越来越普遍的欢迎，有着非常广阔的发展前景。 1 2 课题研究内容 本文重点对超声诊断中的多酱勒效应法进行了研究。主要工作为： 1 学习平讨论了超卢波在人体组织中的传播情况羊血流的物理性质，了解了血流速度和人体 血管疾病的联系，懂得了为什么要用超声波检测血流速度，以及利h j 多酱勒效应米检测血流速度。 2 从理论上分析了血细胞对超声的散射信号，利用空间脉冲响应法得剑血流的超卢回波。 3 分二章介绍了在实际应用中逐次渐进发展的三个超声血流检系统：连续波检测，脉冲波检 测、彩色血流成像。 4 最后利用f i e l d l l 超卢仿真软件重点对脉冲发射方式下的血流速度检测的角度依赖性和奈奎 斯特准则约束以及经典的自相关检测法做了仿真分析。 2 第二章超声血流检测摹础 第二章超声血流检测基础 2 1 超声波在人体中传播 超声波是超出人类听觉范围( 2 0 - - 2 0 k h z ) 的高频声波。声音借助于介质以声压的方式传播， 在它传播的方向上介质的疏密周期变化，因而可以用周期变化的波形来表示声音的传播。 声波在非均匀性组织内传播或从一种组织传播到另一种组织，由于组织卢阻抗不同，在声阻抗 改变的分界面上便产生了反射、折射和透射现象。声波透过界面时，其方向、强度和波形的变化， 取决于两种媒质的特性阻抗和入射波的方向。在原媒质中的声波称为入射波，在分界面处，入射波 的能量一部分产生反射，另一部分能鼙通过界面继续传播，这就是透射。透射后声束的波速与波长 可能发生变化，但声束的频率是不变的。 超声波在人体不同组织界面上的反射系数是不同的。两个相邻组织的阻抗差值越大，从界面反 射的能量越大。医用超声界就是利用超声波的反射特性制造成各种超声诊断仪进行诊断的。人体缳 织的反射可分为低档反射和高档反射。例如，血液的特性阻抗大约是1 6 5 x 1 0 6 瑞利，而心肌的特性 阻抗的典型值是1 7 6 x 1 0 6 瑞利，在血液与心肌的界面上只反射入射能量的0 0 0 3 ，这意味着自界 面的反射同波比入射波能量弱4 4 d b ，这就是说，9 9 9 以上的能量透过界面达到下面的组织中。在 软组织中，反射系数从一2 0 d b ( 脂肪1 0 肌肉间) 至l j - 4 5 d b ( 肾脏与脾腔间) 之间变化。这些都属于低档反 射( 小于0 5 ) 。然而在某些情况下，可能会发生很高的反射。如在骨头与肌肉界面，其反射系数高 达- 4 d b ，绝人部分能量都反射同去。在这种情况f ，只有很少的能量传送过去，不足以对更深部位 的组织进行测餐。所以超卢波不易透过目骼对卜层的组织进行探查。又如肺组织中存在许多的空气， 肺组织与气体之问的界面对超声波造成很高的反射。囡此，超卢波不能经过肺组织对心脏成像。这 都是高反射造成的结果。 超声波在人体组织中传播时，其强度随传播距离的增加而逐渐衰减。这是人体组织对超声波的 吸收、反射和散射等原冈造成的，而其中吸收是最主要的。超声波在人体组织中儿乎有8 0 被胶原 蛋白所吸收。在频率为1 m h z 1 5 m h z 范罔内，超卢波在人体软组织中的吸收系数与超卢频率成正 比，如血液的吸收系数随着超声频率的增高而增大；骨质的吸收冈数最人，衰减也晟丈，超卢很难 通过骨骼进行传播。实验研究表i j 月，j k 的衰减公式为： p ( x ) = p o e l “。 ( 2 1 ) 旺是衰减系数，单何d b ( c m m h z ) ，f o 和r 分别为频率和f 播距离。人体软组织中的平均衰减系数 为0 5 ，若将r 看成超声扫查系统的扫饩深度( 此时传播距离是2 r ) ，町取为1 。 除r 反射、折射、散射嗣i 透射现缘外，1 1 超卢波入射剑运动的物体时，声接收器所接收刨的声 频率不l 川1 ：声源所辐射的，颁：车，其并一别，声源车运动物体的相对运动速度自| 天。这种现象称为多 3 查堕查兰堡主兰垡丝苎 普勒效应( d o p p l e re f f e c t ) 。医学上利用多酱勒效应原理，通过提取多酱勒的反射信号，检测多酱 勒漂移频率，用以探攫4 运动脏器和血流的运动倩况和血流方向。 2 2 血流类型 血流是一种流体，大约4 5 的成分是血细胞，这个百分比也叫血细胞的数量密度。具中红细胞 占绝大多数，约9 9 。对于流体来说，有两个重要的性质，即密度和粘性。血液的密度为1 0 5 9 m l ， 血流的粘性比水要大5 0 ，粘性的单位是k g ( m s ) ，粘性越大对血流流动的阻力就越大，。血液流动 是由血压差引起的，而心脏是产生血压差的动力器官。血压差越大，血流动的越快。通常使用单位 时间内通过血管横截面的血流量来衡量血流的流动情况。对丁二平稳的直血管中的血流，血管两端的 血压差和血流量的关系：q = 鲁。p 、q 、r 分别为血压差、流量和流动阻力。对长为l ，直径 为d ，粘性为t 1 的血流，它的流动阻力r = 1 2 8 l l _ 。因此可得平稳血流的p o i s e u i l l e 公式： 仰 q = 慧黑 旺z ， 血流按速度的空间分布可分为五类：p l u g 、l a m i n a r 、p a r a b o l i c 、d i s t u r b e d 、t u r b u l e n t 。如图2 1 所示： d i s t u r b e d d i s t u r b e d 图2 1 血流类型图 在血管进e l 处的由流叫p l u g 血流，这种血流的速度住血管中分布均匀；随着血流进x n a 管， 就变为l a m i n a rj l 流，这时处存咖管中心的血流速度最丈，而靠近血管壁的血流最小；当l a m i n a r 血 流两端的血压筹克服粘性阻力达到力的平衡后血流在血管中稳定流动，就形成p a r a b o l i c 血流。 p a r a b o l i c 血| 流在血流循环系统中是不常见的，因为通常血管不够长也不够直，而l a m i n a r 血流是常 见的，并且在医学检测中被石f 作正常的血流，当看不剑l a m i n a r 血流时就是该血管观察位置处出现 了血管疾病。前二种血流是在比较商的血管中的血流类掣，当血管分岔或改变方向时，其中一部分 血流继续沿着原来的方向流动，部分改变方向，这就是d i s t u r b e d 血流，d i s t u r b e d 和p a r a b o l i c 血流 4 第二章超声血流检测基础 都属于特殊形式的l a m i n a r 血流，d i s t u r b e d 是血管不规则时的l a m i n a r 血流，p a r a b o l i c 是l a m i n a r 血 流的稳定状态。最后一种血流的类型是t u r b u l e n t 血流，这种血流比较混乱，一部分血流朝不同的方 向以不同的速度流动，甚至回流，但大部分血流朝着原来的方向流动。当血管中的血流速度达到一 定程度时，必然会出现t u r b u l e n t 血流，这个速度是多大取决于血流的密度、粘性和血管的直径。雷 诺兹给出了一个雷诺兹常数r ，超过这个常数后就会产生t u r b u l e n t 血流。它的计算式为： r ：! ! ：垒翌( 2 3 ) t 1 v a ，d 、p 分别为平均血流速度、血管直径和血流密度。t u r b u l e n t 血流一般出现在心脏和靠近心脏 的大动脉处，极容易出现在障碍物的背面，和通过狭窄的血管之后，尤其会出现在心脏收缩的时候。 血流按照随时间的变化不同分为平稳血流和脉动血流。静脉血流通常是平稳的，在心脏和动脉 血管中血流是周期脉动的，并随着心脏的收缩血流速度会加速减速。平稳血流的流量的计算前面已 说明，脉动血流的血流量的计算很复杂，这里不作描述。但脉动血流有两个特点：w i n d k e s s e l 效应 和回流。一开始血压将血流压如大动脉，大动脉血管迅速的膨胀，之后血压逐渐变小，血管也逐渐 收缩，推动血流流动，如此完成一个脉动周期，这就是w i n d k e s s e l 效应。在火动脉中由于有瓣膜的 阻挡，在血管收缩的时候，血流不会回流，但在血管的末端，会有同流的血流。 2 3 血流量与速度 血液既不会增加也不会减少，因此血流流动过程中遵守连续性规则，在各个血管横截面上的流 晕恒定。所以血流进入一段窄的血管后，它的流动速度比进l i 1 1 出口处的都要人。流量等丁平均速 度乘以截面面积，因此截面面积小一倍，血流速度就会大一倍。结合p o i s e u i l l e 公式，可得平均速度 的计算公式： v 。= 丽q = 篙 a ， 可以石刨j f i l 流的f 均速度随着直径d 变人而变人，这似乎1 j 近续性规则的结论矛盾。其实这坐的d 是总的血管的f 均直径，p o i s e u i l l e 公式也是针对平稳的商血管哑流。要同时满足：面的公式和迕续 性规则需要有一定的条什的，即那段狭窄的血管跟总的血管比较起来很短，并且不是太狭窄。 如图2 2 ： p，二：；：午，rq：=rcp，+pr2)：+rr， r lr 2r 3 东南大学硕士学位论文 r 2 是狭窄段对血流流动的阻抗，当狭窄段不是太窄也不太长时，它对血流的阻抗很小对总的阻抗r 没有影响：否则就会影响到总的阻抗。图2 3 是狭窄段处的血流速度和血流量随直径的变化图： 图2 3 血管狭窄段血流流量与速度随狭窄段直径变化图 从图2 3 中可以看到，当直径小到零时，血流根本通不过，流龌和血流速度为零；而从q 平稳时对 应的直径处开始减小直径，会看到血流速度逐渐增人，直到最大；然后逐渐减小到零。所以人体正 常的最大血流速度一般为1 0 0 c m s ，而在发生血管疾病的狭窄段的最大血流速度可达到每秒钟几米。 因此利用多普勒超卢检测血流速度可以发现血管疾病所在的位置。而在通过狭窄的血管之后很容易 发生的t u r b u l e n c e 血流，可以通过超卢听诊器检测出来。超声听诊器是将不同方向的血流分开，转 化为音频信号播放，因此可分辨出不同流向的血流。 2 4 多普勒效应 多普勒效应是奥地利物理学家c h r i s t i a nj o h a nd o p p l e r 于1 8 4 2 年首次提出的。他在观察星球的 光色变化情况时，发现当星球与地球迎向运动时，光色向光谱的紫色端移动，表明光波频率升高； 反之，当星球与地球背向运动时，光色向光谱的红色端移动，产生红移现象，表明光波频率降低。 这种光源与接收器之间的相对运动而引起的接收频率与发射频率之间的偏差称为多酱勒频移，此种 物理学效应命名为多普勒效应( d o p p l e re f f e c t ) 。事实上对所有的波都可以发生多普勒效应，阿题在 于是否能被观察到。地球上一般很难感受到光的多普勒效应，因为光的速度太大了，地球上的物体 运动速度相对于光速几乎可以忽略不计，但我们可以观察剑声波的多博勒效应，例如火车进站时声 音变的尖锐，出站时的卢音会变的低沉。在超声波检测血流速度的应 j 中，就是通过检测接收波和 发射波的频率偏差，即多普勒频移来枪测血流速度的。 假设超卢波源静止并发射频率为f n 的超声波，超声波的速度为c ，运动物体的速度为v ( 远离 波源的速度为负，反之为正) ，从运动物体的角度观察到的频率为( c + v ) f o c ；运动物体反射超声波 ( 此时运动物体可看作波源) ，原超声波源处接收剑的频率为里! f 0 ，因此多酱勒频移为： c - v 6 第二章超声血流捡测基础 f d = 鱼f o ，由于c 比v 大的多，所以近似为：f d ：2 vf 。从此式中可以看到。其他条件不变的情 况下，不同的发射频率会得到不同的多普勒频移。 如果超卢的发射方向和物体运动方向有夹角，也称多普勒夹角，则产生多普勒频移的速度是运 动速度在超声发射方向的分量。假设该夹角为0 ，多普勒频移公式为： f d ：2 v c o s _ _ _ _ _ _ _ 2 0f o ( 2 5 ) t d 一 ( 2 ) 超声波在人体软组织中的平均传播速度为1 5 4 0 m s ，为了满足一定的探测深度和距离分辨力， 一般发射的超卢波频率在3 1 0 m h z ，而血流速度即使是狭窄段的血流，最大也不会超过每秒几米， 因此血流的多普勒频移的单位是k h z 级的。由多普勒频移可计算出血流速度： v ( c m s ) - 7 7 ( c m m s ) x f a ( k h z ) ( 2 6 ) f o ( m h z ) x c o s o 。 由多普勒频移公式看出，其他条件不变的情况下，多普勒频移会随夹角的变化而变化。所以当多普 勒夹角和发射频率固定时，多普勒频移增大，表明物体运动速度增大，反之，多普勒频移减小，物 体运动速度减小。 血流速度检测的是否准确和多普勒夹角有很大的关系，可以从下面的对比数据中看出 发射频率是5 m h z ( c m s ) 1 0 0 1 0 0 i o o1 0 03 0 0 3 0 0 3 0 0 3 0 0 0 ( 度) o3 06 09 0o3 06 09 0 f d 6 5 5 ，6 3 20 0 1 9 01 7 o 9 7 0 o ( k h z ) 从表中可以石 1 1 ，由j ：余弦函数侄角度越高时变化的越快，所以多普勒夹角越高造成的误荠也送人。 虽然说只f f 检测或估计出正确的夹角，才能检测出止确的多普勒频移和血流速度。但在实际中 几乎不可能做到角度无误差，当多博勒央角小丁6 0 度的时候这种误差还是可以忍受的，而为了避免 血管肇对超声波的全反射，多酱勒夹角要比3 0 度人一些。 本章介宝f 的灶血流检测的物理根据，在f 一章中将对超声血流信号进行深入的分析。 2 5 血流检测方式 根据多普勒效府建讧的血流检测方式重要有连续波多普勒和脉冲多普勒，它们各有所长。 2 5 1 连续波多普勒 近续波多普勒通常采崩两个超声波换能器获得有芙血流资料，在一个换能器发射恒定不变的超 7 东南大学硕士学位论文 声波时，另一个换能器接收其反射波( 血流的散射信号) ，连续波血流检测的发射和接收传感器是分 开，可以避免发射和接收传感器之间的干扰。传感器的设计决定着采样容积的形状，也就决定着血 流的检测。以d 形传感器为例，发射和接收波束的交集处是采样容积，如图2 4 所示。 图2 4 连续波传感器和采样容积 由于它是连续发射和接收超卢，沿超声束出现的血流信号( 动脉血流或静脉血流) 和组织运动 多普勒频移均被接收、分析和显示出来。它的缺陷无距离选通能力，凡超声束遇到的运动目标都能 检测到多普勒频移信息，不能进行定位诊断。另外，由于探测灵敏度稍低，对弱网卢信息的检测灵 敏性就不尽人意。优点是，连续波多皆勒进行多普勒频谱显示时，理论上不受高速血流限制，故可 检测心脏的高速血流信息。适用于定量性检查，测试血流的最大流速。 2 5 2 脉冲波多普勒 脉冲多普勒采川单个换能器，有很短的脉冲期发射超声波，并间断的发射脉冲波，而在脉冲间 期内有一“可听期”。 ( 1 ) 分辨元一脉冲波多普勒利用采样容积( s a m p l ev o l u m e ) 对心脏或血管特定区域测量血流。 采样容积在心脏或人血管的任何位置进行定位，采样容积的在超声波束轴上的具体位置决定着最小 可分辨的体积单元也叫分辨元。分辨元的长度取决于超声脉冲的持续时间，宽度取决于超声柬的直 径，如图2 5 所示。 传感 图2 5 脉冲波采样容积 ( 2 ) 距离选通一脉冲多普勒通过选择性的时间延迟，对目标点进行定位。换能器断续地传送 超卢波，一定的时间过后脉冲波传到采样容积位置，再返回到换能器，所咀脉冲间隔通常为传送时 问的两倍。调节发射脉冲和采样j 之间的延迟时间，即发射脉冲重复频率，以决定要检测的血管的 深度。超声波住人体组织中的传播速度是1 5 4 0 m s ，所以每c m 深度延迟约1 3 “s 时间，而采样容积 长度的调节范同一般为l 1 0 m m 。【k l 此脉冲多酱勒具有距离选通( r a n g eg a t i n g ) 的能力，可以检测 8 第二章超声舡流检测基础 出某指定深度处的血流信息。这是连续波多普勒的缺陷，也是脉冲多酱勒的优点。 ( 3 ) 主要技术指标 载波频率f o ：f o 高则波长九短，距离分辨力高，对同一运动目标获得的频移也较高。但越高， 超声在媒质中的衰减越快( 式2 1 ) ，可探测的深度会受到限制： 脉冲重复频率f i 蹦：这是脉冲多普勒系统的一项重要指标，它制约着最人探测深度和可瓣量的 最高流速； 最大探测深度l 。： l 。；手一 ； - 1 p r i 最高可检测的流速v 。：根据奈奎斯特准则可以检测出的最高多酱勒频移是。= 三f 膈。结 合多普勒频移公式可得最高可检测流速为 喙cf d m a 。i - i 鑫i ( 2 7 ) 距离分辨力：距离分辨力包括纵向距离分辨力( 沿发射脉冲波束方向) 和横向分辨力。纵向分 辨力与发射脉冲的长度有关，脉冲氏度越短，纵向距离分辨力越高：横向分辨力与波束的宽度有关， 波束越窄，横向分辨力越好。因此距离分辨力越高，采样容积越小。 速度分辨力：一个确定的运动速度v 对廊一个确定的多普勒频移，但实际情况要复杂的多在 脉冲多普勒系统中发射波的频率成分与脉冲长度( 载波周期t o 每次发射的脉冲个数n ) 、脉冲重 复频率f 豫l 有关。如图2 6 所示，n 较小时，发射信号中除了中心频率f o 外，还有很多频率鼢， 对应每一频率成分都会产生相应的多普勒频移成分，这就降低了系统的速度分辨力。 t o 一1 f o + n 一脉列，波 蝴八一m 八厂 连续波 q 九八九八八八蹴 图2 6 脉冲波个数! j 频谱 ( 4 ) 脉冲多普勒的局限 第一：奈奎斯特准则决定町检测的多觜勒频移不能超过脉冲醇复频率的一半，否则就会出现频 率混淆。第二：由最人探测深度和脉冲重复频率的关系可知，为了获得深部的血流信息，就要以减 小脉冲重复频率为代价。第二：最大探测深度平最高r 叮柃测的流速是彼此制约的，根据技术 晰中 9 东南大学硕士学位论文 的关系式可得l 一v 。 可见当f 0 一定时，l 。和v 。的乘积固定，探测深度越深 可测得的速度值就越小，如图2 7 所示。 至 凳 图2 7 最人可探测深度与最高可检测速度关系图 第四：距离分辨力和速度分辨力是一对矛盾。距离分辨力高则速度分辨力低，反之亦然。声束直径 越小且发射脉冲的脉宽越窄，距离分辨力越高，但脉宽越窄发射脉冲的频带越宽，速度分辨力越低。 这就是速度和距离的测不准原理，是由于发射超声信号的频宽脉宽= 有限值造成的。 ( 5 ) 用途：由于具有距离分辨能力，能够指定取样位置，所以可以同时显示b 模式和多普勒， 适h 】于判断有无病患，掌握血流的动态信息。 2 6 血流成像 7 0 年代开始，人们就着手开发血流成像系统，到1 9 8 2 年，k a s a i 等人发表了采_ l j 白相关方法估 计血流平均速度和平均速度方芹的实用原理，并提出了彩色血流成像的具体方法。1 9 8 3 年，a l o k a 公司研制成功t h = 界上第一台彩色血流成像系统s s d 8 8 0 ，并推向市场。此后，t h = 界上很多公司相继 生产出了彩色血流成像系统( c o l o rf l o wm a p p i n g ) ，简称c f m 。1 9 9 0 年安科公司推出了中国第一 台c f m 系统a s u 0 1 c 型彩色血流成像仪，也称彩色多普勒血流成像仪，国内常简称为彩超。 彩色多酱勒血流成像是利川超声多普勒原理对心脏和血管进行探测的最新技术。它是根据多普 勒效应和频移规律在超声成像和超卢心动图的基础上，利用运动目标指示器原理( m t l ) 来计算出 血液中的红血球运动状态，根据红血球的移动方向、速度、分散情况，调配红、绿蓝二二原色，并变 化其亮度，然后重替显示在传统的b 超图像上。它可以显示出血流方向和相对速度，提供台：心脏和 大小血管内血流的时间和空间信息，从而能定性地了解血流特征( 1 a m i n a r ，d i s t u r b e d ，t u r b u l e n t ) ； 还可以硅示出心脏某一断而处地异常血流分布情况和测餐血流束的面积、轮廓、k 度、宽度，把血 流信息显示在二维截面图或m 础蚓像上。 1 0 第三章血流对超声波的散射 第三章血流对超声波的散射 利用超卢波检测血流之前，要了解超声的扫查对蒙即血细胞对超声波的作用。血细胞非常小， 远远小于超声波的波长，因此接收到的血细胞信号是它对超卢波的散射信号。 3 1 平面超声波的散射 超声检测时发射的超声波不是理想的平面波，但任何个谐波都可分解为平面谐波的叠加，所 以解决平面谐波散射问题就解决了一般的散射问题。 人体软组织的结构通常比较复杂，但单个血细胞可以看成一个球形散射体，一群血细胞可以看 成密度不均匀的单个散射体区。对于单个散射体可以_ l j 边界值法来求得它的散射波，密度不均匀 的单个散射体区，可以用积分公式法1 2 1 求得散射波。而血流可以看成随机分布的血细胞，因此血流 的散射波的求取即要用到积分公式法又要考虑它的随机性。 3 1 1 边界值法求单个散射体的散射 平面波入射到散射体的球形表面发生散射，我们可以将平面波分解为球面波和。设一个沿传播 方向( z 轴) 传播的谐平面波的压强函数为p ( z ：t ) = p 。e 一。“，其中p 。是压强幅度。在极坐标系( r 0 ) 中将压强函数展开为球面波的和： p ( r ，e t 刚舢“删礤m e j “压( 2 n + 1 ) e ( k r ) a ) 其中z 2 r c o s o ，k = t o c ， p n ( ) 是一类n 阶勒i _ j = 德( l e g e n d r e ) 多项式，j 。l m ( ) 是1 e 整数阶柱面贝 塞耳( b e s s e l ) 函数，它与整数n 阶球面贝塞耳函数的芙系是j 。( k r ) 2 j 去j n ( k r ) 。由速度和压 强的关系v 2 ( j t o p ) o p o r 可得边叟欠艟： v r ( r ，0 1 ) 一警e ”任薹( 2 n + 1 ) j - ，, 2 ( k r ) 一。( 蛐】p n ( c o s 。) ( 3 l b ) 在衡晕散射体对入射波散射的甲均敛累时，会用到三个昔： 单位散射横截面 总的横截面：o - , = ! 望璺些：墨! 墼塑塑哩些丝! ：! 生 3 2a ) 中均八爿强度1 散射横截面： 盯，= ! 望墼盟堡兰：! 坚( 3 2b ) 平均入射强度 1 东南大学硕士学位论文 啪翮= 丝型哩等祷甓掣塑竖2 等；= 其中d q 2 s i n o d o d c p 。与入射方向反向即方位角( ，o ) 处的单位散射横截面o d ( 兀，0 ) ( 也称反向散射横 截面) 在实际中很有用。 当散射体的密度均匀时，可以用边界值法来计算它的散射波压强： 假设一个刚性( 密度无限大) 的球形散射体，超声入射下不发生形状或位置的改变。声场 中某一位置处的声压是入射声压和散射声压的和，因此位置r 处的声压为： p ( r ：t ) 2 p 。( r ：t ) + p 。( r ：t ) ( 3 3 ) p ，是入射声压p ；是散射声压。如图2 1 所示，假设入射波为平面谐波，球形散射体半径为a ，密度 无穷大( 成= ) 不可压缩( 可压缩性系数k = 0 ) p l a n e l n c i d e w a v e r i g i d o i l m e d i k 扁 o n p o i n t 图3 1 将球形散射体的中心作为球坐标系( r , o ，妒) 的原点，压强可表示为p ( r ，0 ，妒) ，并满足球坐标系下的 h e l m h o l t z 波动方程。由丁对称性，任意位置处的压强与妒无关，压强函数简化为p ( r ，0 ) ，波动方程 也可化简为： 专鲁( r 2 里絮盟卜五1 石五丽0 ( s i n o 旦警) + k 2 p ( r ，o 户o ( ，4 ) 由于入射波是平面波，满足( 3 4 ) 式，因此解此微分方程得散射波的压强： 蹦啪) - 薹a 。任【j n 十一蛐- j n “n ( k r ) 】p n ( c 。s 。) ( 3 r 5 ) 其中a 。是由边界条什确定的常数，n n * l 2 ( - ) 是诺埃曼( n e u m a n n ) 函数。因为散射体的密度无穷 大而不可压缩，所以彳争向速度分鼍为零，即v , = o t o p o ) 0 p 0 r = 0 ，对( 3 3 ) 式求偏导令其为零： v 。( a ) + ( 印。a r ) 。= 0 对c ，s ，式求偏导并带入c ，式，可求得a 。2 p 。锱 ( 3 6 ) 第三章血流对超声波的散射 其中k n ( 1 ( a ) = 等兰蓑( 生k a 出) - ( 理n 糊k a ) j 。将a 。代入( 3 5 ) 式可得：。j 3 口n * | 2 ( k a ) 。“。 以卿。压萎蹀筹【j n 。c h 巩一毗卿 ， 假设散射体相对于波长来说很小( k a 1 ) 则有近似表达式： “r ，