CDFI基础课件

1、彩色多普勒血流检测基础权太东第一节 多普勒超声基础一、多普勒基本概念 声源与接收器相向运动时，接收器收到的频率增高，而声源与接收器背离运动时，接收器收到的频率降低，频率的改变称为多普勒效应（Doppler effect）或多普勒频移（Doppler shift）这一现象是奥地利学者克约斯琴约翰多普勒（Christian johann Doppler）于一八四二年发现的。1.多普勒方程式fd=2Vcos fo C V =血流速度（红细胞速度） cos=超声束与血流方向的夹角 fo = 发射频率 C =超声波在软组织中传播速度(1540m/s)入射超声在遇到微小障碍物时，会发生散射。散射时，小障碍

2、物又成为新的声源，向四周发射超声波。血液的成分很多，实验研究表明，超声在血液中传播，主要的超声散射来自红细胞。红细胞为扁平的圆盘状，直径约8.5m，中央下凹。以3MHz超声频率为例，波长0.5mm，约为红细胞直径的60倍，它是很好的超声散射源。一般认为，血流速度就是红细胞的速度。当当fo、V、C保持恒定时，保持恒定时，fd的大小取决于的大小取决于COSQCOSQ，a)当OOQ900，COSQ为正值，即血流迎探头而来，频率 增加，fd为正向频移。b)当900 Q2 fd，或写成，或写成fd1/2 PRF, 1/2PRF称为尼奎斯特频率极限，称为尼奎斯特频率极限，如果多普勒频移（血流速度）超过这一

3、极限，会产生频率失如果多普勒频移（血流速度）超过这一极限，会产生频率失真，或频率混淆（折返）。所以要测量高速血流，真，或频率混淆（折返）。所以要测量高速血流，PRF必须必须快。快。 2、脉冲重复频率与最大采样深度 最大采样深度最大采样深度dmax=C/2 PRF 如脉冲重复频率（如脉冲重复频率（PRF）愈高，两个脉冲间隔时间愈短，采）愈高，两个脉冲间隔时间愈短，采样深度也愈小，反之则采样深度愈大。样深度也愈小，反之则采样深度愈大。 3、距离测量与速度测量 最 大 测 量 速 度最 大 测 量 速 度 Vm a x与 最 大 深 度与 最 大 深 度 dm a x的 关 系 为的 关 系 为Vm

4、axdmaxC2/8f0（常数）所以探测深度越深，则可测的速度范（常数）所以探测深度越深，则可测的速度范围便越小围便越小,两者互相抑约。两者互相抑约。 4、距离分辨力与速度分辨力 距离分辨力好（采样容积小），则速度分辨力便低（频带愈距离分辨力好（采样容积小），则速度分辨力便低（频带愈宽），反之亦宽），反之亦 然。然。速度和距离的测不准原理。速度和距离的测不准原理。 第二节 彩色血流显像一、彩超发展历史与临床应用 1、1983年年11月月Aloka公司在世界范围内首次推出适用于临床的彩超公司在世界范围内首次推出适用于临床的彩超SSD-880，从，从此此彩色血流显像技术实用化、商品化，这是彩色多普

5、勒血流显像技术发展的起始阶段首台彩色显像装置问世。首台彩色显像装置问世。 2、1989年以后彩色多普勒血流显像仪在技术上，功能上都有了很大的突破，多年以后彩色多普勒血流显像仪在技术上，功能上都有了很大的突破，多数都可达到全身性应用检查，数都可达到全身性应用检查，他们的设计原理大致相同，基本上都属检测多普勒频移的范围。这是彩超技术发展的第二阶段彩超技术发展的第二阶段改进和提高阶段改进和提高阶段，在这段时间，彩超的临床应用得到很大的发展，成为超声医学的重要阶段成为超声医学的重要阶段彩色多普勒时代彩色多普勒时代。 3、1990年以来，重要特征是以数字化技术为代表年以来，重要特征是以数字化技术为代表，

6、采用了许多与传统方式不同的信息检测及波束形成技术测及波束形成技术，使彩超的性能有新的突破，图像质量有很大的提高。这是彩超发展的第三阶段由模拟数字混合处理到全数字化处理的发展阶段由模拟数字混合处理到全数字化处理的发展阶段即步入数字化时代。即步入数字化时代。 4、1996年后形成具有综合图像形成及处理功能的全数字一体化工作站的彩色血年后形成具有综合图像形成及处理功能的全数字一体化工作站的彩色血流现显设流现显设备。它不仅有极佳的图像质量，同时有极强的处理功能，并向三维立体显像方向发展。这就是今日“彩超”的新面貌。“彩超彩超”的发展已进入第四阶的发展已进入第四阶段段全数字化多功能信息化时代。全数字化多

7、功能信息化时代。二、彩色血流显像原理 1、彩色多普勒是使用一种运动目标显示器MTI法，检测血细胞的动态信息，并根据血细胞的运动方向、速度、分散情况，调配红、蓝、绿三基色，变化其颜色亮度，叠加在二维灰阶图像上的彩色血流图。 MTI是彩色血流显像核心技术之一 MTI的滤波特性好坏与彩色显像质量直接相关。从接受到的回声中，只分离出血流信号成分，而滤去非血流信息（心室壁，瓣膜）。当用于TDI时，作用正相反。2、自相关技术也是彩超的重要技术之一。它用于分、自相关技术也是彩超的重要技术之一。它用于分析血流信号相位差，并将两个相邻的回声进行复数相析血流信号相位差，并将两个相邻的回声进行复数相乘，再经乘，再经

8、A/D转换成数字信号进行运算。转换成数字信号进行运算。 多普勒信号属于随机信号。随机信号不服从确定随机信号不服从确定的规律的规律，即便观察条件相同，各次观察结果也不一样，根据过去已得知识不能准确预测其未来。这种信号的特征只能通过统计结果来描述。如对同一位置的采样线上的某一相同采样容积所获得的多普勒信息，必须必须用一些统计量来描述它在不同时刻特征的总的结果，用一些统计量来描述它在不同时刻特征的总的结果，即不同时刻信号取值的相互关系，这就是自相关函数。即不同时刻信号取值的相互关系，这就是自相关函数。一般用均值，均方，方差和功率谱表征。一般用均值，均方，方差和功率谱表征。 为了形成二维彩色血流图，保

9、证显像质量，每帧为了形成二维彩色血流图，保证显像质量，每帧图像应有图像应有32条采样线，每条采样线有条采样线，每条采样线有256个采样点或个采样点或64条采样线，每条线上条采样线，每条线上128个采样点。个采样点。3、血流分散 分散是表示血流的紊乱情况分散是表示血流的紊乱情况（显示红细胞速（显示红细胞速度，方向的分散情况）度，方向的分散情况），当血流为层流时，红细胞以基本的恒定速度朝大致一样的方向移动，当血流处于紊流状态时，红细胞的移动速度，当血流处于紊流状态时，红细胞的移动速度，方向皆不相同，这就有必要显示方向皆不相同，这就有必要显示“分散分散”，它它对应于频谱多普勒的频带宽度。频带窄对应于

10、频谱多普勒的频带宽度。频带窄=分散范分散范围小，频带宽围小，频带宽=分散范围大分散范围大4、彩色显示 经过MTI滤波器后测出的红细胞运动的动态信息，有方向、速度、分散三个因素组成（1）彩色血流的特点是： 血流方向朝向探头，显示红色；血流方向朝向探头，显示红色； 血流方向背向探头，显示兰色；血流方向背向探头，显示兰色； 出现血流紊流时，以红蓝混合色表示出现血流紊流时，以红蓝混合色表示 当高速血流超过最大显示频率范围时，当高速血流超过最大显示频率范围时，（尼奎斯特频率极限）将出现与（尼奎斯特频率极限）将出现与PW频谱同样频谱同样的折返现象。折返现象表现为几种色彩的套叠，的折返现象。折返现象表现为几

11、种色彩的套叠，如同炽光的光焰色。如同炽光的光焰色。（2）二维彩色血流图每帧采样点可达到）二维彩色血流图每帧采样点可达到64256或或32512512个，采样点多，能提高信噪比及敏感度，个，采样点多，能提高信噪比及敏感度，（3 3）彩色显像的角度范围一般从）彩色显像的角度范围一般从30300 0-90-900 0选择，角度大则选择，角度大则成像速度降低，帧频下降；检查血流的深度与彩色显像帧成像速度降低，帧频下降；检查血流的深度与彩色显像帧速度也有关，增加深度将减少帧数。速度也有关，增加深度将减少帧数。 所以彩色血流显像的帧速率与采样点数，角度大小，所以彩色血流显像的帧速率与采样点数，角度大小，探

12、测深度是相互制约的。探测深度是相互制约的。在实际临床应用时注意到这点是在实际临床应用时注意到这点是必要的。必要的。 当其相互间的矛盾解决得越好，这说明该彩超设备的当其相互间的矛盾解决得越好，这说明该彩超设备的技术水平越高，而彩色血流显像必须要保证一定的帧速度技术水平越高，而彩色血流显像必须要保证一定的帧速度率，最低可视帧频不能少于率，最低可视帧频不能少于10121012帧帧/ /秒。秒。（4 4）在常规的）在常规的PALPAL，NTSCNTSC制式的监视器显示中，必须和电制式的监视器显示中，必须和电视同步扫描，超声显示的帧数必须是视同步扫描，超声显示的帧数必须是5050的约数，的约数，否则即为

13、否则即为非同步扫描，将造成不稳定。非同步扫描，将造成不稳定。 5、彩色显像的局限性、彩色显像的局限性：彩色显像与彩色显像与PW同样，存在类似的问题，同样，存在类似的问题，显示深度受脉冲频率影响，显示深度受脉冲频率影响，减少脉冲频率最大速度又受影响，减少脉冲频率最大速度又受影响，增加角度，每秒的成像速度也受影响。增加角度，每秒的成像速度也受影响。 6、小结：（1）彩色血流显像的基本构成及工作流程应包括： 由探头获取多普勒信息，经正交检波器，低通滤波，A/D转换，并将A/D转换后形成的数字信号输入到自相关器，计算出平均多普勒速度，血流分散和平均功率后而得到血流速度，方向和湍流的有关数据，进行彩色编

14、码，并作彩色处理。（2）在一定角度范围内形成若干条采样线，每条线上设置若干采样点，形成二维的彩色血流图后再与二维灰阶图像叠加，构成一幅完整的彩色多普勒血流图。（3）彩超仪器有多种专门显示血流的彩色标）彩超仪器有多种专门显示血流的彩色标尺（尺（Coler Bar 或或Coler map），常用的有速），常用的有速度、方差、功率方式。度、方差、功率方式。（4）彩色血流显像可表示血流的存在，血流）彩色血流显像可表示血流的存在，血流速度和方向及血流性质等，属于间接转换的二速度和方向及血流性质等，属于间接转换的二维显示方式。维显示方式。（5）彩色多普勒能量图（CDE），不受声束与血流夹角的影响，不存在折

15、返现象，它与血流中红细胞的浓度（数量）有关，对于低速血流灵敏度高，可更理想地显示血流的空间分布。CDE不能表达血流的速度和方向。第三节第三节 彩超、伪彩彩超、伪彩一、彩色基础 1、在图像处理中应用彩色是由于人的眼睛能分辨几千种彩色色调和强度。而人眼对灰度 只有十几到二十级的分辨能力。 2、我们从一个物体上察觉的颜色基本上决定于物体反射的性质。 所有可见光都平衡反射时，则观察物体呈白色，若观察物体呈某种颜色，则该颜色的波长光波被反射。 3、各种彩色是不同波长的光混合的结果。、各种彩色是不同波长的光混合的结果。红色、绿色、兰色为三种基本颜色，即三基色。红色、绿色、兰色为三种基本颜色，即三基色。基色

16、叠加后构成二次色，如品红色（红加兰），青色（绿基色叠加后构成二次色，如品红色（红加兰），青色（绿 加兰），和黄色（红加绿）。加兰），和黄色（红加绿）。彩色电视接收机就是彩色光相加性质的一个例子。二、彩超彩色多普勒血流显像CDFI实时彩色显示血流方向，血流速度，血流分散；实时彩色显示血流方向，血流速度，血流分散；在血流接近超声波束时（在血流接近超声波束时（“近近”流）用红色表示血流方向；流）用红色表示血流方向；在血流远离超声束时（在血流远离超声束时（“远远”流），用兰色表示血流方向；流），用兰色表示血流方向；多普勒频移的大小（流速）用不同强度的颜色色调表示；多普勒频移的大小（流速）用不同强度的颜

17、色色调表示；多普勒频移分散（湍流）用绿颜色与红、兰混合色表示。多普勒频移分散（湍流）用绿颜色与红、兰混合色表示。当血流速度增快，流量大，彩色多普勒成像的敏感度也提高。当血流速度增快，流量大，彩色多普勒成像的敏感度也提高。三、伪彩灰阶到彩色变换 对二维灰阶图像进行彩色编码处理，用于彩对二维灰阶图像进行彩色编码处理，用于彩色增强色增强即伪彩，可以提高图像的分辨力，丰富即伪彩，可以提高图像的分辨力，丰富影象层次，增加实感，提高影象层次，增加实感，提高B型超声对病理组织型超声对病理组织变化的可视度。变化的可视度。 所以所以“彩超彩超”主要对血流，主要对血流，“伪彩伪彩”主要对主要对灰阶图像，灰阶图像，

18、即把不同等级的灰度变换为某种颜即把不同等级的灰度变换为某种颜色色灰阶到彩色变换。两者是不同的概念，应用灰阶到彩色变换。两者是不同的概念，应用领域亦不同，领域亦不同，所以彩超与伪彩完全不同。目前众所以彩超与伪彩完全不同。目前众多彩色血流显像仪均带有以灰阶为基础的多彩色血流显像仪均带有以灰阶为基础的“B”彩，其作用是增强显示图像的边界分辨力。彩，其作用是增强显示图像的边界分辨力。第四节第四节 血流动力学基础血流动力学基础一、基本概念 1、稳流、稳流：流体元素以恒定的速度和方向运动时，这种流动称为稳定流稳流。在稳流中，流体元素的速度被认定为在时间 t通过的距离 s即：s/t在人体血流中，静脉血流和毛

19、细血管内的的血流可看成稳定流动。当流体元素内任何一点的速度大小当流体元素内任何一点的速度大小和方向均随时间而变化时，这种流动称为非稳定和方向均随时间而变化时，这种流动称为非稳定流流 动动，在人体内，动脉血流显现脉动的性质，即非稳定流动。 2、粘滞性、粘滞性：在实际流体元素流动时都具有粘滞。由于粘性作用，必须在流体元素上施加一个力，以克服流体阻力。流体阻力可由泊肃叶定律推导出。在稳流中流量Q与L长度上的压差P2- P1的关系为： 8LnQ 8Ln p = p2 - p1= ， R= r4 r4 即单位时间的流量Q与管端压差P成正比，与流动阻力R成反比。 决定流体阻力大小的主要因素是血管的半径r，

20、流体阻力与半径的四次方成反比。半径的微小变化即可引起流体阻力的明显改变。血管的收缩对于调节心血管系统的外周阻力和血流量，显然具有重要的作用。3、流量、流量：所谓流量是指流体元素在一段时间里通过管腔横截面的体积。 由于血管腔是圆形的，因此把血流系统流量Q看作是一圆柱体积，即：Q=A.L式中A为管腔横截面积，L为血柱的长度，即在给定的时间里血流通过的距离。因距 离等于速度时间的乘积，即L=V.t，所以，流量Q=V.t.A。对于匀速运动的流体来说，流量等于横截面积A、流速V和时间t三者的乘积。如果流速随时间变化，应将瞬时速度Vi对时间t加以积分，对于非匀速流动的流体，流量等于横截面积A和流速积分的乘

21、积。流量的单位为体积，常用 cm3 或 ml 表示。 Q 4、流率、流率：流率系指单位时间里的流体体积。流率系指单位时间里的流体体积。即 q = AV= t 当流体匀速流动时，流率等于管腔横截面积与流速的乘积。在非匀速流动时， 流速qI = AVI 即流率等于横截面积和瞬时流速的乘积。 流率的单位是流量流率的单位是流量/时间，常用时间，常用ml /s 或或L/min表示表示。 当流体流动时，由于粘性作用，流体各处的速度出现差异。在圆筒形容器中，形成层流状相互滑落。 层流状滑落各流层之间形成速度梯度，不同速度的流层之间相互制约，流体流动时产生内磨擦力的这种性质，称为流体的粘性。 5、层流、层流：

22、粘性血流在血管中形成稳定的层流时，血细胞在血管中以相同的方向作规则的分层流动，但血管断面上各点的血流速度分布是不相同的。其分布规律由泊肃顺方程。 即： P1- P2 V = (R2 r2 ) 4L式中：V为距离血管为轴心r处的层流速度 R为血管的半径 P1- P2 为长度L两端的压差 为血液的粘滞系数 L为血管中某一段长度 P1- P2血管中心轴线上，即血管中心轴线上，即r=0 处 V0 = R2 此处血流速度最大此处血流速度最大。 4L在血管壁在血管壁r=R处，速度为零，血管腔横断面积上的平均流速为处，速度为零，血管腔横断面积上的平均流速为： P1- P2 V = R2 8L6、加速度加速度

23、：在动脉系统中，由于心脏的收缩，血流在收缩早期产在动脉系统中，由于心脏的收缩，血流在收缩早期产生加速度，在收缩晚期产生加速度，在收缩晚期产 生减速度。生减速度。 当血流为稳定流动时，驱动压差与流动阻力相平衡，速度分布为抛物线状。当血流 加速时，流体的驱动动压差逐渐增大，粘性磨擦力的作用不断减弱，边界层越来越薄，出现平坦化的流速分布；当血流减速时，流体的驱动压差逐渐减小，粘性磨擦力的作用不断增强，边界层越来越厚，近管壁处甚至出现逆向血流，出现尖峰状的流速分布。 在舒张期恢复到抛物线状的流速分布。 在动脉系统中，血流的加速度对流速分布的形成起着主要作用起着主要作用。 在静脉系统中，流速分布一般为抛

24、物线形。 在周围动脉血管中，舒张期流速分布近似于抛物线形。 在收缩早期，血流的加速度使流速分布变为平坦形， 在收缩晚期，血流的减速可导致管壁附近的血流逆转。 当血液流经的横截面积突然缩小或手扩大时，血流速度剖面产生相应的变化。7、入口效应、入口效应：血液流经横截面积突然变小处，会产生会血液流经横截面积突然变小处，会产生会聚形的流速截面，如锥形状管道内血流速分布。聚形的流速截面，如锥形状管道内血流速分布。 由于通过管腔的流量不变，面积的缩小必然导致流速的增加，血流获行较大的动能。粘性磨擦力的作用相对减弱，出现平坦形态的流速分布。这种现象称为人口效应。8、出口效应：当血液流经一个横截面积突然扩大的

25、管腔、出口效应：当血液流经一个横截面积突然扩大的管腔时，产生扩散形的血流截面，这便是出口效应时，产生扩散形的血流截面，这便是出口效应。 由于通过管腔的流量不变，面积的扩大必然导致流速的减低。 这种流速减低主要发生于血流的边缘部分，而血流的中心部分仍以原来的速度流动一段距离，因此形成尖峰形的流速分布。 如果血流扩散程度较大，将造成血流与管壁的分离，从而导致涡流。9、弯曲血管、弯曲血管：当血流流入一条弯曲的血管时，流当血流流入一条弯曲的血管时，流体内积压点受到向心力的作用而产生向心加速度体内积压点受到向心力的作用而产生向心加速度。向心力的方向由管腔的外侧缘指向内侧缘，这一向心力由一大小相同但方向相反的压差所平衡，结果导致外侧缘的流速低于内侧缘；当血流沿弯曲管道继续流动时，由于粘性磨擦力的作用，靠近管壁的流速逐渐降低，而管腔中心的流速逐渐升高；血流血流绕过弯曲的血管后，由于流速较高的中心血流已绕过弯曲的血管后，由于流速较高的中心血流已具有较大的离心惯性，具有较大的离心惯性，相对不弯曲管道的影响，因此向管腔的外侧缘移动，迫使原位于管腔外侧缘的流速较低