第五章超声多普勒诊断仪器基本原理ppt课件

1、第五章第五章 超声多普勒诊断仪器基本原理超声多普勒诊断仪器基本原理 超声多普勒信号的产生机理超声多普勒信号的产生机理 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 连续波式超声多普勒诊断仪器连续波式超声多普勒诊断仪器 脉冲波式超声多普勒诊断仪器脉冲波式超声多普勒诊断仪器 彩色超声多普勒诊断仪器彩色超声多普勒诊断仪器目录目录5-1 5-1 超声多普勒信号的产生机理超声多普勒信号的产生机理 一、多普勒效应一、多普勒效应 超声多普勒技术是研究超声波经运动的物体反射或者散射所产生的多普勒效应的一项技术。在临床中被广泛应用于心脏、血管、血流和胎儿心率的诊断，相应的仪器包括超声血流测量仪、超声

2、胎心监测仪、超声血管显像仪及超声血压计、超声血流速度剖面测试仪等。0cvffcu 式中，c为超声波在介质中的传播速度，u为波源相对于介质的运动速度，v为接收体行对于波源的速度。0coscoscvffcu5-1 5-1 超声多普勒信号的产生机理超声多普勒信号的产生机理 在超声多普勒诊断仪器中，声源与接收器通常固定不动，而探测目标相对在超声多普勒诊断仪器中，声源与接收器通常固定不动，而探测目标相对声源与接收器存在一定的运动速度。假设入射超声波频率、声速分别为声源与接收器存在一定的运动速度。假设入射超声波频率、声速分别为f0与与c，入射波、反射波与血流运动方向的夹角分别为入射波、反射波与血流运动方向

3、的夹角分别为-i)、 r。在此过程中将存在。在此过程中将存在两次多普勒频移现象，第一次频移，声源不动，运动目标接收超声波的频率为：两次多普勒频移现象，第一次频移，声源不动，运动目标接收超声波的频率为：0cosicvffc 第二次频移，接收器接收运动目标反射或散射超声波，相当于接收器静止、波源运动，接收频率为：0coscoscosrircffcvcvfcv5-1 5-1 超声多普勒信号的产生机理超声多普勒信号的产生机理 0(1coscos)irvvffcc02202221cos1cos1coscoscoscos1cosiririrrvcffvcvvvcccfvc一般情况下，一般情况下， c2 v

4、2 有有 00(coscos)Dirvffffc多普勒频移为：多普勒频移为： 5-1 5-1 超声多普勒信号的产生机理超声多普勒信号的产生机理 实际应用中，发射与接收装置通常固定在一个探头中，因此实际应用中，发射与接收装置通常固定在一个探头中，因此r i ，则有，则有02 cosDvffc 如果血流方向朝向超声发射与接收探头时如果血流方向朝向超声发射与接收探头时(图图a)，fD0；反之，；反之，fD0。（a） （b） 多普勒频移量是多普勒效应的基本参数，多普勒诊断仪的主要工作就是检测频率的变化量并加以分析。5-1 5-1 超声多普勒信号的产生机理超声多普勒信号的产生机理 二、超声波与血流的相互

5、作用二、超声波与血流的相互作用超声波束与血流的相互作用是超声多普勒诊断仪器的基础。超声波束与血流的相互作用是超声多普勒诊断仪器的基础。 超声在人体内传播过程中，如碰到尺寸比超声波波长小的障碍物时，就超声在人体内传播过程中，如碰到尺寸比超声波波长小的障碍物时，就会发生散射，此时障碍物成为新的波源，向四周辐射超声波。会发生散射，此时障碍物成为新的波源，向四周辐射超声波。 虽然人体血液成分非常复杂，但超声散射主要来自红细胞，而血小板的散虽然人体血液成分非常复杂，但超声散射主要来自红细胞，而血小板的散射截面低于红细胞的射截面低于红细胞的0.1%，一般情况下只需考虑红细胞对超声的散射。红细胞，一般情况下

6、只需考虑红细胞对超声的散射。红细胞的形状一般为扁平的圆盘状，直径约为的形状一般为扁平的圆盘状，直径约为8.5m，中央下凹。以超声工作频率为，中央下凹。以超声工作频率为3MHz为例，其波长为为例，其波长为0.5mm，约为红细胞直径的，约为红细胞直径的60倍，因此红细胞是很好的倍，因此红细胞是很好的超声散射源。超声散射源。 红细胞散射强度与红细胞的浓度密切相关。在红细胞容积低于红细胞散射强度与红细胞的浓度密切相关。在红细胞容积低于10%情况情况下，散射强度与红细胞容积呈线性关系；高浓度时，则呈非线性关系。在红下，散射强度与红细胞容积呈线性关系；高浓度时，则呈非线性关系。在红细胞容积率为细胞容积率为

7、26时，出现最大的时，出现最大的 散射系数。散射系数。5-1 5-1 超声多普勒信号的产生机理超声多普勒信号的产生机理 一般认为，在红细胞容积小于一般认为，在红细胞容积小于10%时，由于红细胞之间的距离较大，每个红细时，由于红细胞之间的距离较大，每个红细胞在散射超声时，呈各向同性，则总散射功率胞在散射超声时，呈各向同性，则总散射功率P为：为：2PpcL r式中：式中：p为单个红细胞的散射功率为单个红细胞的散射功率 c为红细胞浓度为红细胞浓度 L为取样血管长度或截取血管的声束长度为取样血管长度或截取血管的声束长度 r为声束的直径为声束的直径 当超声换能器从一定角度截取血管，运动的血流经过声场时，

8、由于红细胞的散射作用，使换能器接收的回波信号产生一个多普勒频移f。一般认为血流速度即红细胞的运动速度，一般为每秒钟几十厘米。5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 超声多普勒效应应用于临床以来，其超声多普勒效应应用于临床以来，其应用价值已愈加明显，尤其在以运动器官为应用价值已愈加明显，尤其在以运动器官为主要研究对象的心血管科，超声多普勒诊断主要研究对象的心血管科，超声多普勒诊断仪更成为不可或缺的有力诊断工具。仪更成为不可或缺的有力诊断工具。原理应用：运动结构如心脏瓣膜或原理应用：运动结构如心脏瓣膜或散射子集合如血管中的红细胞群体反射散射子集合如血管中的红细胞群

9、体反射回来的超声波束，检测出其中的多普勒频移，回来的超声波束，检测出其中的多普勒频移，得到探查目标的运动速度信息，然后被人耳得到探查目标的运动速度信息，然后被人耳监听、用仪器去分析、用图像去显示或者用监听、用仪器去分析、用图像去显示或者用影像去显现人体内部器官的运动状态。影像去显现人体内部器官的运动状态。右图：超声多普勒胎音仪与彩色能量图右图：超声多普勒胎音仪与彩色能量图5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 一、系统的一般结构一、系统的一般结构超声多普勒诊断仪器一般由发射、接收处理以及监测三大部分组成。超声多普勒诊断仪器一般由发射、接收处理以及监测三大部分组

10、成。 图图5-1 超声多普勒诊断仪的一般结构示意图超声多普勒诊断仪的一般结构示意图 5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 二、多普勒频移信号的解调方法二、多普勒频移信号的解调方法 由接收换能器收到的回波信号除了有运动目标的多普勒频移信号外，还包括静止目标或者慢速运动目标等产生的杂波信号，所以需要从复杂的回波信号中提取出多普勒频移信号，这一过程称为多普勒频移解调。多普勒频移解调包括非定向解调和定向解调。非定向解调主要采用相干解调和非相干解调；定向解调有单边带滤波法、外差法和正交相位解调法等。1、非定向解调：血流的方向不能确定、非定向解调：血流的方向不能确定 n

11、相干解调相干解调 由于多普勒频移由于多普勒频移fD比超声发射频率比超声发射频率f0要小很多，较方便的检测方法是将要小很多，较方便的检测方法是将回波信号的频率与发射超声波频率进行比较，产生差频信号。由于杂波与发回波信号的频率与发射超声波频率进行比较，产生差频信号。由于杂波与发射超声波频率相同、相位关系确定，所以杂波对输出的差频信号只贡献一个射超声波频率相同、相位关系确定，所以杂波对输出的差频信号只贡献一个直流电平，经滤波后便可提取出多普勒频移信号。该过程称为相干解调，或直流电平，经滤波后便可提取出多普勒频移信号。该过程称为相干解调，或者相敏检测。者相敏检测。5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基

12、本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 设发射的超声波信号设发射的超声波信号E(t)为参考信号，其幅值为为参考信号，其幅值为1，初相位为零，则，初相位为零，则E(t)为：为： 02Dvc0( )cosE tt0( )cos()DDDRtBtt回波中的频移信号为：回波中的频移信号为：0( )cos()oOR tAt同时从静止目标返回的杂波信号为：同时从静止目标返回的杂波信号为：式中，式中，A、B分别为杂波和频移信号的幅值，分别为杂波和频移信号的幅值，D与与o分别为其相对于参考波分别为其相对于参考波的初相位，的初相位，D为多普勒角频移。为多普勒角频移。5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多

13、普勒诊断仪器的基本原理 000( )cos()cos()DDR tAtBtt杂波和频移信号的线性组合得到总的回波信号杂波和频移信号的线性组合得到总的回波信号R(t) ： 0000( )cos()cos()cosDDD tAtBttt将发射信号将发射信号E(t)与回波信号与回波信号R(t)相乘，可得：相乘，可得： 0000( )cos(2)coscos(2)cos()22DDDDABD ttttt展开后得到：展开后得到： 0( )coscos()22LDDABD tt首先滤去信号中的高频分量首先滤去信号中的高频分量20），滤波后得到），滤波后得到5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多

14、普勒诊断仪器的基本原理 00( )cosR tBt0( )coscos()22LDDABD tt 式中，右边第一项是杂波成分与时间无关的直流分量），第二项为多普勒频移成分。通过相干解调已将载波（ 0信号滤除，只留下频移信号，但是在处理过程中无法反映D的正负号，因此损失了频移信号中所包含的方向信息。n非相干解调非相干解调 以杂波成分作为参考波，并与多普勒频移后的回波进行比较。之所以称为非相干解调，是因为提供相位和频率参考源的是回波本身。杂波信号R0(t)可视为经过衰减和相移了的发射信号，但其频率保持不变。把R0(t)视为参考信号后，可取00，则有00( )coscos()DDR tAtBtt则回

15、波信号则回波信号R(t)为：为： 5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 00( )coscos()DDR tAtBtt00000coscoscos()sinsin()cos()cossin() sinDDDDDDDDAtBttBttABttBttcos(),sin()DDDDXABtYBt令令22000( )cossin()sin()R tXtYtXYt则有：则有： 2221/2(2cos()cos()DDDDXYAABtABt考虑到血流的频移信号幅度远小于杂波信号幅度，因此有：考虑到血流的频移信号幅度远小于杂波信号幅度，因此有： 0( )cos() sin

16、()DDR tABtt此时，回波信号为：此时，回波信号为： 利用一般的整流、滤波电路即可滤除载波，检出多普勒频移信号。连续多利用一般的整流、滤波电路即可滤除载波，检出多普勒频移信号。连续多普勒诊断仪一般采用该方法进行解调。普勒诊断仪一般采用该方法进行解调。 5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 2、定向解调：同时检测出血流速度与方向信息。包括单边带解调法、定向解调：同时检测出血流速度与方向信息。包括单边带解调法、 外差解调法及正交相位解调法。外差解调法及正交相位解调法。 n单边带解调法单边带解调法图图5-2单边带解调法结构示意图单边带解调法结构示意图 为了讨

17、论方便，可将接收换能器接收的频移信号表示为：为了讨论方便，可将接收换能器接收的频移信号表示为：00( )cos()cos()DFFRRRtAtAt式中：式中：AF、F为顺流多普为顺流多普 勒信号的振幅和频移；勒信号的振幅和频移； AR、R为逆流多普勒为逆流多普勒 信号的振幅和频移。信号的振幅和频移。5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 在实际解调时，用精密调谐的射频滤波器，在频移信号中将多普勒上、下边带( 0+ F）、 ( 0-R分别。这需要采用一个高通、一个低通两个滤波器来完成，分别让超声回波经放大后的多普勒上、下边带通过。然后上、下边带在独立的通道中进行

18、相干解调，从而分别获得顺向和逆向的多普勒频移信号，同时获得血流的流速与方向信息。但该方法对电路要求极高，要求滤波器必须很精密、稳定性能好。图图5-3 单边带滤波波形示意图单边带滤波波形示意图 5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 n外差解调法外差解调法 主振荡器产生的高频信号0不直接作为相干解调器的参考信号，而是与另外一个外差振荡器产生的信号h，经混频器后产生差频信号（ 0 - h ）作为参考信号。然后再与包含方向信息的回波信号进行相干解调，使之输出h F ）和h-R ）的信号，从而获得速度和方向双重信息。图图5-4 外差解调法方框图外差解调法方框图 该方法

19、可用于该方法可用于“连续波式和连续波式和“脉冲波式多普勒诊断仪器。脉冲波式多普勒诊断仪器。5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 在连续波式在连续波式“工作方式时，设含有杂波、顺流和逆流分量的回波信号工作方式时，设含有杂波、顺流和逆流分量的回波信号R(t)可表示为：可表示为： 0( )cos()hH ttt000( )cos(0)cos()cos()FFFRRRR tAtBttBtt01( )cos()cos()cos()2FhFhFFRhRRDtAtBttBtt000001( )cos(2)cos(2)2cos(2)cos()cos()cos()hFFhFR

20、RhRhFFhFRhRRD tAttBtttBtttAtBttBtt混频输出的外差信号相干解调器的参考信号可表示成：混频输出的外差信号相干解调器的参考信号可表示成： 相干解调中，两信号相乘得到：相干解调中，两信号相乘得到： 由低通滤波，滤除高频分量由低通滤波，滤除高频分量20后得：后得： 5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 n正交相位解调法正交相位解调法图图 5-5 正交相位解调法正交相位解调法 该方法的基本思想是：先检出多普勒频移信号的实部和虚部，然后以几种不同的方法加以处理，从而获得流向信息。该方法效果较好，在定向型多普勒诊断仪中使用较多，可工作于连续

21、波式或脉冲波式。5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 图图 5-5 正交相位解调法正交相位解调法 具体做法是：将回波信号经放大后分两路进入两个相干解调器：一个解调器具体做法是：将回波信号经放大后分两路进入两个相干解调器：一个解调器的参考信号取自主控振荡器，称为直接通道；另一个通道的参考信号取自主控振的参考信号取自主控振荡器，称为直接通道；另一个通道的参考信号取自主控振荡器经荡器经90o移相后的信号，称为正交通道。这两个参考信号频率相同，相位相差移相后的信号，称为正交通道。这两个参考信号频率相同，相位相差90o。5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声

22、多普勒诊断仪器的基本原理 设接收信号为R(t)（包括杂波、顺流和逆流分量），用参考信号cos 0t与R(t)相干解调，并滤去20t高频部分，得到直接通道的输出信号D(t)为:0111( )sinsin()sin()222FFFRRRQ tABtBt 11( )cos()cos()2211( )cos(90 )cos(90 )22FFFRRRooFFFRRRD tBtBtQ tBtBt0111( )coscos()cos()222FFFRRRD tABtBt 正交通道的参考信号为正交通道的参考信号为cos (0t-90o)=sin0t,与接收信号相干解调，滤除与接收信号相干解调，滤除高频信号，得

23、到正交通道的输出信号高频信号，得到正交通道的输出信号Q(t)：再将静止目标的杂波信号滤除，可得：再将静止目标的杂波信号滤除，可得： 5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 直接通道和正交通道输出都包括顺流和逆流的多普勒频移信息，还必须经相域或者频域处理技术进行分离才能检测出血流的方向信息。 将正交通道输出的将正交通道输出的Q(t)信号超前信号超前900,变为变为Q90O(t)，再与，再与D(t)求和后得到逆求和后得到逆流信号：流信号：图图5-6 相域处理技术原理方框图相域处理技术原理方框图 cos()RRRBt同理，直接通道经相域处理后只留下顺流信号：同理，直

24、接通道经相域处理后只留下顺流信号： cos()FFFBt5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 图图5-7 频域处理技术原理图频域处理技术原理图 该方法是利用一对正交的音频信号(cospt和sinpt与正交检测输出的两个信号Q(t)和D(t)分别相乘，再将相乘结果相加混合为一个通道输出。输出信号将同时包含有顺流信息与逆流信息，该方法得到的频移信号虽然无法直接用扬声器或者表头进行监测，但可以利用频谱分析仪分析。5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 三、多普勒频移信号的处理三、多普勒频移信号的处理 已经从复杂的回波信号中将多普勒

25、频移信号提取出来，信号提取出来后，已经从复杂的回波信号中将多普勒频移信号提取出来，信号提取出来后，还必须作进一步的处理，尤其对脉冲多普勒诊断仪器。首先血液中的红细胞运还必须作进一步的处理，尤其对脉冲多普勒诊断仪器。首先血液中的红细胞运动速度不尽相同，产生的多普勒频移也各不相同，因此实际接收得到的频移信动速度不尽相同，产生的多普勒频移也各不相同，因此实际接收得到的频移信号是各种不同频率合成的复杂信号，即有一定的带宽。如果红细胞速度分别小，号是各种不同频率合成的复杂信号，即有一定的带宽。如果红细胞速度分别小，则带宽窄；反之则带宽大。因此只有对回波信号进行经频谱分析并显示，才可则带宽窄；反之则带宽大

26、。因此只有对回波信号进行经频谱分析并显示，才可能对探测部位的血流速度、性质等作出正确的判断。能对探测部位的血流速度、性质等作出正确的判断。 对多普勒频移信号的处理方法，分时域处理和频域处理两种。对多普勒频移信号的处理方法，分时域处理和频域处理两种。n频域处理技术频域处理技术 即用频谱分析仪进行频率鉴别，并测量功率谱即用频谱分析仪进行频率鉴别，并测量功率谱P()（每个频率反射回波强（每个频率反射回波强度），该技术在多普勒频移信号处理中极为有用。度），该技术在多普勒频移信号处理中极为有用。5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 1、多通道频谱分析仪、多通道频谱分析

27、仪 由一排窄带滤波器组成，该滤波器的中心频率由低到高，从f1到fN，每个滤波器输出加到一个全波整流器上，产生一单极性波形，然后在积分器中平滑处理后得到电压A(f1)到A(fN)，只要滤波器的带宽足够窄且保持一致，则A(f)可以表示输入信号在该频率的功率。2、扫掠滤波器、扫掠滤波器 这是借以设计一个中心频率可在某种控制下改变的带通滤波器，将该滤波器的带通区域慢慢地扫过多普勒频谱区域，从而达到频谱分析的目的。5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 3、快速傅立叶变换分析器、快速傅立叶变换分析器 图图5-8 多普勒信号的多普勒信号的FFT处理处理 每隔一定时间对采集

28、到的频移信号采样一次，经每隔一定时间对采集到的频移信号采样一次，经A/D转换，转换为一组数转换，转换为一组数字信号。再经字信号。再经FFT变换把信号分成频率和振幅两个分量，产生数字实施频谱显变换把信号分成频率和振幅两个分量，产生数字实施频谱显示。该技术处理准确可靠，其频谱可真实反映采样处血流的详细分布。示。该技术处理准确可靠，其频谱可真实反映采样处血流的详细分布。5-3 5-3 连续波式超声多普勒诊断仪器连续波式超声多普勒诊断仪器 探头内为双换能器结构，各自完成发射和接收任务，一探头内为双换能器结构，各自完成发射和接收任务，一只换能器连续不断地发射超声信号，另一只换能器不停接收只换能器连续不断

29、地发射超声信号，另一只换能器不停接收反射回声，转换为电信号，送至高频放大单元，经幅度放大反射回声，转换为电信号，送至高频放大单元，经幅度放大后再送至混频解调器解调。后再送至混频解调器解调。 一、工作原理一、工作原理图图5-9 多连续波式超声多普勒诊断仪原理框图多连续波式超声多普勒诊断仪原理框图 5-3 5-3 连续波式超声多普勒诊断仪器连续波式超声多普勒诊断仪器 1. 1. 超声波的产生、发射超声波的产生、发射 主频振荡器产生并输出频率为主频振荡器产生并输出频率为f f 的振荡信号，送入发射的振荡信号，送入发射驱动单元，经放大后驱动探头中的压电换能器向外辐射出频率驱动单元，经放大后驱动探头中的

30、压电换能器向外辐射出频率为为f f的连续超声波。的连续超声波。 图图5-9 多连续波式超声多普勒诊断仪原理框图多连续波式超声多普勒诊断仪原理框图 2. 2. 频移信号的检测频移信号的检测 接收到的频率为接收到的频率为ff的超声回波，将之转换为电信号，通过电的超声回波，将之转换为电信号，通过电缆线送至机器的高频放大单元，经过信号幅度放大后再送至混频缆线送至机器的高频放大单元，经过信号幅度放大后再送至混频解调器作解调处理。混频解调器是一个非线性差频处理单元电路，解调器作解调处理。混频解调器是一个非线性差频处理单元电路，它有它有2 2路输入信号端口和路输入信号端口和1 1个信号输出端口。个信号输出端

31、口。 5-3 5-3 连续波式超声多普勒诊断仪器连续波式超声多普勒诊断仪器 图图5-9 多连续波式超声多普勒诊断仪原理框图多连续波式超声多普勒诊断仪原理框图 5-3 5-3 连续波式超声多普勒诊断仪器连续波式超声多普勒诊断仪器 3. 3. 频移量的获得频移量的获得 2 2个输入信号分别为：高频放大单元送来的个输入信号分别为：高频放大单元送来的 f f电信号；主电信号；主频振荡器分出的参照频振荡器分出的参照f f电信号。在混频解调器内，这电信号。在混频解调器内，这2 2路信号进行混路信号进行混频、相差处理，将差频信号频、相差处理，将差频信号fffff f从输出端口送出。从输出端口送出。图图5-9

32、 多连续波式超声多普勒诊断仪原理框图多连续波式超声多普勒诊断仪原理框图 5-3 5-3 连续波式超声多普勒诊断仪器连续波式超声多普勒诊断仪器 缺陷：所有运动目标产生的多普勒信号混叠在一起，无法辨别信息产生的确切部位，没有距离信息。5-4 5-4 脉冲波式超声多普勒诊断仪器脉冲波式超声多普勒诊断仪器 由于连续波波束内的任何运动目标都对最后输出的多普勒信号有贡献，无法由于连续波波束内的任何运动目标都对最后输出的多普勒信号有贡献，无法分辨目标的位置信息。对连续超声波发射进行脉冲幅度调制，产生超声波脉冲信分辨目标的位置信息。对连续超声波发射进行脉冲幅度调制，产生超声波脉冲信号，即为脉冲波式超声多普勒诊

33、断仪。号，即为脉冲波式超声多普勒诊断仪。 结合脉冲回波系统的距离鉴别能力和连续波式超声多普勒诊断仪的速度鉴别结合脉冲回波系统的距离鉴别能力和连续波式超声多普勒诊断仪的速度鉴别能力，应用范围更广。能力，应用范围更广。一、工作原理一、工作原理 超声探头作为声源发射一组超声脉冲波后，又作为接收器接收超声回波信号，但是并不接收所有的回波信号，而是在一选择性的时间延迟tk后，才开始接收回波信号。图图5-10 距离选通原理示意图距离选通原理示意图 5-4 5-4 脉冲波式超声多普勒诊断仪器脉冲波式超声多普勒诊断仪器 图图5-10 距离选通原理示意图距离选通原理示意图 首先，在t0时刻，由超声换能器产生一超

34、声脉冲信号，射向人体内探测目标。在接收信号中，来自浅表的回波信号比来自深部的回波信号更早地到达换能器，调节取样脉冲延时tk，选出深度为R=ctk/2处、厚度为R=ct/2的探测部位的回波信号，将其它深度的信号全部抑制，达到距离选通的目的。5-4 5-4 脉冲波式超声多普勒诊断仪器脉冲波式超声多普勒诊断仪器 图图5-11 脉冲波式多普勒系统基本组成框图脉冲波式多普勒系统基本组成框图 二、基本结构二、基本结构n主振荡器产生一正弦波振荡信号，其频率为换能器的谐振频率。主振荡器产生一正弦波振荡信号，其频率为换能器的谐振频率。n在脉冲重复频率发生器控制下，通过发射门将连续的正弦波信号调制成矩形在脉冲重复

35、频率发生器控制下，通过发射门将连续的正弦波信号调制成矩形脉冲调幅的调制波，重复频率为脉冲调幅的调制波，重复频率为fp，经发射放大器放大去激励换能器产生发，经发射放大器放大去激励换能器产生发射脉冲波束。射脉冲波束。5-4 5-4 脉冲波式超声多普勒诊断仪器脉冲波式超声多普勒诊断仪器 图图5-11 脉冲波式多普勒系统基本组成框图脉冲波式多普勒系统基本组成框图 n由延时门产生一段时延，以便接收所选深度的回波，经距离门送至解调器上，由延时门产生一段时延，以便接收所选深度的回波，经距离门送至解调器上，与主振荡器作相干处理，产生多普勒信号输出。与主振荡器作相干处理，产生多普勒信号输出。n为了获得较为平滑的

36、输出波，必要式还可采用为了获得较为平滑的输出波，必要式还可采用“采样坚持技术采样坚持技术n然后由滤波器滤除杂波及脉冲重复频率成分，供扬声器监听或者作进一步频然后由滤波器滤除杂波及脉冲重复频率成分，供扬声器监听或者作进一步频谱分析。谱分析。5-4 5-4 脉冲波式超声多普勒诊断仪器脉冲波式超声多普勒诊断仪器 发射脉冲与接收回波之间的相位差为：发射脉冲与接收回波之间的相位差为： 2kRc22kddRvdtc dtc2kTf2kTddfdtdtkfT为超声波频率，为超声波频率， 为延时量。为延时量。将上式左右两边对时间求一阶导数，得：将上式左右两边对时间求一阶导数，得： 又因为又因为 ，可得：，可得

37、： 5-4 5-4 脉冲波式超声多普勒诊断仪器脉冲波式超声多普勒诊断仪器 22Tdvfdtc22DTvffc而相位随时间的变化率即为频率多普勒频移），即而相位随时间的变化率即为频率多普勒频移），即 5-4 5-4 脉冲波式超声多普勒诊断仪器脉冲波式超声多普勒诊断仪器 能够检测到的最大多普勒频率只能是脉冲重复频率能够检测到的最大多普勒频率只能是脉冲重复频率fp的一半，即的一半，即 max88ppTfcvffmax2pDff相应的最大可测量速度为：相应的最大可测量速度为： 三、速度限制三、速度限制 如果目标的运动速度如果目标的运动速度v远小于超声速度远小于超声速度c，那么多普勒频移，那么多普勒频移

38、fD远小于超声波远小于超声波频率频率fT. 在超声脉冲碰击目标的短时间内，目标移动过的距离只占超声波长的一在超声脉冲碰击目标的短时间内，目标移动过的距离只占超声波长的一个很小部分，因此在单个脉冲中不可能观察到多普勒频移分量引起的相位改变。个很小部分，因此在单个脉冲中不可能观察到多普勒频移分量引起的相位改变。但是在许多脉冲的周期内，由于目标可以移动相当远，在相继返回的各回波的但是在许多脉冲的周期内，由于目标可以移动相当远，在相继返回的各回波的相位，已有显著的变化。相位，已有显著的变化。5-4 5-4 脉冲波式超声多普勒诊断仪器脉冲波式超声多普勒诊断仪器 maxmax16cRvmax12pRcT四

39、、间隔速度限制四、间隔速度限制 除了受速度限制外，脉冲多普勒系统与除了受速度限制外，脉冲多普勒系统与B超成像系统一样，还有最大距离超成像系统一样，还有最大距离限制。因为必须等待最远距离目标的回波到达后，换能器才能发射下一个超声限制。因为必须等待最远距离目标的回波到达后，换能器才能发射下一个超声脉冲，最大距离脉冲，最大距离Rmax为：为： 所以对于常规的脉冲多普勒诊断仪，能检测的最大速度与最大距离的乘积为一个常数，所以要提高其中一个，必定以降低另外一个作为代价。5-4 5-4 脉冲波式超声多普勒诊断仪器脉冲波式超声多普勒诊断仪器 五、主要技术指标五、主要技术指标1、超声波频率、超声波频率fT （

40、载波频率）（载波频率） fT高则波长短，距离分辨率高，对同一目标获得的多普勒频移也较高。但是fT高，超声波在介质中的衰减快，探测深度会受到限制。2、脉冲重复周期、脉冲重复周期TP 决定最大探测深度和可测量的最大流速。决定最大探测深度和可测量的最大流速。 3、可测量的最大流速、可测量的最大流速5-4 5-4 脉冲波式超声多普勒诊断仪器脉冲波式超声多普勒诊断仪器 六、脉冲波式超声多普勒诊断仪器的分类六、脉冲波式超声多普勒诊断仪器的分类1、距离选通式、距离选通式 2、多通道式、多通道式 采用距离选通技术的单通道脉冲多普勒系统，由于逐点探测测量，因采用距离选通技术的单通道脉冲多普勒系统，由于逐点探测测

41、量，因此探测时间长。如对股动脉进行单独端面扫描，找到血管需要此探测时间长。如对股动脉进行单独端面扫描，找到血管需要3分钟。采分钟。采用多通道对不同探测点同时采集回波信号，则可以大大缩短扫描时间。用多通道对不同探测点同时采集回波信号，则可以大大缩短扫描时间。3、定向式、定向式 利用单边带解调、外差解调和正交相位解调法将血液流动方向信息检出。利用单边带解调、外差解调和正交相位解调法将血液流动方向信息检出。 4、显像式、显像式 5-5 5-5 彩色超声多普勒诊断仪器彩色超声多普勒诊断仪器 脉冲多普勒探测的只是一维声束上超声多普勒血流信息，它的频谱显示表示流过取样容积的血流速度变化。脉冲多普勒技术也被

42、称为一维多普勒技术。 一维多普勒技术在测定某一位置的血流是很方便的，如果要了解瓣口血流流动的详细分布，就很困难，只能一个点一个点地测，把每一个点的血流速度记录下来，最后得到一个大致的血流轮廓。 彩色多普勒血流成像仪是采用脉冲多普勒技术和B超混合成像的系统。其基本原理是：利用多通道选通技术在同一时间内获得多个采样容积上的回波信号，结合相控阵扫描对此断层上采样容积的回波信号进行频谱分析或自相关处理，获得速度大小、方向和方差信息；同时滤除静止组织的低频信号，再将提取的信号转变成红色、蓝色、绿色的色彩显示。将血流图象和B超图象同时显示，不仅可以展示脏器的解剖图象，还可以显示在心动周期不同时刻的血流情况

43、。5-5 5-5 彩色超声多普勒诊断仪器彩色超声多普勒诊断仪器 彩色多普勒血流成像系统彩超的特点：彩色多普勒血流成像系统彩超的特点：（1 1彩色血流图象是显示在彩色血流图象是显示在B B超图象上的，因此二维多普勒血流取样超图象上的，因此二维多普勒血流取样 必须与必须与B B超图象的纤细重合。为了满足这一点，用同一个高速相超图象的纤细重合。为了满足这一点，用同一个高速相 控阵扫描探头来实现两种显示。控阵扫描探头来实现两种显示。（2 2二维彩色多普勒系统中，要在一条声束上进行多次采样，且相二维彩色多普勒系统中，要在一条声束上进行多次采样，且相 邻两个采样信号所包括的血流信息都不相同，广泛采用自相关

44、邻两个采样信号所包括的血流信息都不相同，广泛采用自相关 技术作信号处理。技术作信号处理。（3 3血流图象是叠加在血流图象是叠加在B B超图象上的，脏器的超图象上的，脏器的B B超图象以黑白显示，超图象以黑白显示， 血流以彩色显示与脏器组织区分开来。血流以彩色显示与脏器组织区分开来。5-5 5-5 彩色超声多普勒诊断仪器彩色超声多普勒诊断仪器 一、工作原理一、工作原理图图5-12 彩色多普勒诊断仪基本原理框图彩色多普勒诊断仪基本原理框图 系统在接收到发射来的回声信号后，先进入相位检波器与原始系统在接收到发射来的回声信号后，先进入相位检波器与原始振荡信号进行相位比较，再将一路信号送入脉冲多普勒信号

45、处理通振荡信号进行相位比较，再将一路信号送入脉冲多普勒信号处理通道；另一路则经过低通滤波器去除没有意义的杂波信号。道；另一路则经过低通滤波器去除没有意义的杂波信号。5-5 5-5 彩色超声多普勒诊断仪器彩色超声多普勒诊断仪器 图图5-12 彩色多普勒诊断仪基本原理框图彩色多普勒诊断仪基本原理框图 滤过后的信号经滤过后的信号经A/DA/D模数转换后，再进行自相关处理。这一步模数转换后，再进行自相关处理。这一步骤是将前后骤是将前后2 2个脉冲产生回声的时间差换算成相位差，再根据相位个脉冲产生回声的时间差换算成相位差，再根据相位差与目标运动状态的关系处理成血流方向和速度结果。差与目标运动状态的关系处

46、理成血流方向和速度结果。 5-5 5-5 彩色超声多普勒诊断仪器彩色超声多普勒诊断仪器 在一维多普勒诊断仪连续波在一维多普勒诊断仪连续波CWCW和脉冲波和脉冲波PWPW中，是将回声频率与原始中，是将回声频率与原始振荡频率比较出频移量振荡频率比较出频移量ff，然后通过多普勒方程式换算出血流方向和速度。，然后通过多普勒方程式换算出血流方向和速度。 而在自相关处理中，用而在自相关处理中，用探测时间差异来解决这个问探测时间差异来解决这个问题：脉冲发射过程中，前后题：脉冲发射过程中，前后两个相邻脉冲之间的时间差两个相邻脉冲之间的时间差tt，包含了探测目标的运，包含了探测目标的运动方向与速度等变量因素，最

47、后反映在回波脉冲波形的相位差异动方向与速度等变量因素，最后反映在回波脉冲波形的相位差异上，由此通过脉冲自身相位差的关系解得血流方向和速度的方法上，由此通过脉冲自身相位差的关系解得血流方向和速度的方法称作自相关处理技术。称作自相关处理技术。 自相关信号处理自相关信号处理 在混合自相关检测器中，把输出的正交信号中回波脉冲的余弦部分与令一路中它前面的回波脉冲的正弦部分组合在一起，完成分析过程。5-5 5-5 彩色超声多普勒诊断仪器彩色超声多普勒诊断仪器 二、信号输出的显示方式二、信号输出的显示方式 彩色多普勒的血流彩色多普勒的血流成像采用了彩色编码的成像采用了彩色编码的方式，将自相关技术处方式，将自

48、相关技术处理的多普勒频移信号经理的多普勒频移信号经频率频率色彩编码器转色彩编码器转换成彩色，实时地叠加换成彩色，实时地叠加在在B型超声的黑白图象型超声的黑白图象上。上。 采用国际照明委员采用国际照明委员会规定的彩色图，采用会规定的彩色图，采用RGB三基色，红色表示三基色，红色表示正向血流、蓝色表示反正向血流、蓝色表示反相血流，并用红色和蓝相血流，并用红色和蓝色的亮度表示流速大小。色的亮度表示流速大小。用绿色及其亮度表示血用绿色及其亮度表示血流出现湍流或者紊乱的流出现湍流或者紊乱的程度。程度。图图5-13 血流的彩色显示规律血流的彩色显示规律 5-5 5-5 彩色超声多普勒诊断仪器彩色超声多普勒诊断仪器 彩彩 色色 多多 普普 勒勒 血血 流流 显像显像5-5 5-5 彩色超声多普勒诊断仪器彩色超声多普勒诊断仪器 在彩色多普勒中，由于血流的方向决定了血流的颜色一般正向血流为红色，反向血流为蓝色），所以同一流向的血流处在与声束不同角度时血流的颜色也可能不同。 速度方式显示速度方式显示5-5 5-5 彩色超声多普勒诊断仪器彩色超声多普勒诊断仪器 超声射向流动的红细胞，超声射向流动的红细胞，接收到红细胞散射回声，接收到红细胞散射回声，提取提取Doppler shift Doppler shift （多普勒频移），经（多普勒频移），经处理，形成频谱显处理，形成频谱显