医学超声仪器原理 8讲 超声多普勒原理与仪器

医学超声仪器原理第8讲超声多普勒原理与仪器UltrasoundDopplerPrincipleandInstrument医学超声仪器原理本讲内容1.Hemodynamics2.DopplerEffect3.SpectralDopplerDisplays4.

Color-DopplerDisplays5.CodedExcitation

超声多普勒血流测量多普勒血流信号频谱示意图血流速度测量与成像中所要获知的信息是：

1.流速方向；

2.流速幅度；

3.流速在血管中的分布；

4.被测血管离人体表皮的深度和角度；

5.血管内径大小；

6.血流动态速度谱。连续波式超声多普勒连续波式超声多普勒成像仪原理示意图

ContinuousWaveDoppler,CW发射信号接收信号乘法器解调低通滤波和音频放大设超声在人体内的速度为1540m/s，超声的工作频率为2.5MHz，颈动脉收缩期血流峰值速度(PSV)、约为300cm/s，舒张末期血流速度(EDV)约为60cm/s，多普勒角为60度。则这时多普勒频移为：音频范围为约20Hz～20kHz频移按血流搏动的有节律地变化多普勒胎儿心率监护血流方向信息的提取1.单边带直接分离法是分别用一个高通滤波器和一个低通滤波器把上下频带直接分离的方法，它是无线电雷达通讯设备的一种原理。2.外差式检测法是把信号的整个频谱从射频段平移到音频范围或中频范围，然后进行边带分离的方法。3.正交相位检测法发射信号接收信号式中：A+

和f+

分别是正向流产生的幅度和频移；

A-

和f-

分别是正向流产生的幅度和频移。经过解调后滤波后正反血流信号的分离(1)时域处理设在只有正向血流时，A-=0。此时，VA在时间上领先VB。逻辑电路判断为正向，KA合上，KB断开，VA通过。同理只有反向流存在时候，VB通过。正反向血流都存在时，时域处理方法不合适。正反血流信号的分离(2)相域处理★

VB

经过90°相移后变为V'B正反血流信号的分离(3)频域处理经过频域处理，把信号频谱移到fp

的两边。f>fp

的信号相当于正向流；f<fp

的信号相当于反向流。和外差式检测方法相比，正交检测方法滤除了血管壁运动产生的强回波信号。血流速度的提取从前面处理过的多普勒血流信号中提取速度信号，即是频率-电压转换的问题。1.过零检测方法基本原理是统计波形在单位时间里过零的次数N，用它来近似表示血流的平均速度V。式中，P(f)是信号的功率谱，为平均频率。(1)，(2)为功率谱的方差二阶矩一阶矩2.平均频率解调器微分得由3.频谱分析法设我们知道把VC代入式中，

+=2f+,

+=2f+。上述算法采用FFT实现。4.自相关方法血流流速信号是大量血红细胞（直径d<<λ

声波波长）产生散射运动的一个统计结果，因此它具有近似平稳随机信号的特性。它的速度值是一个统计分布，因此它具有数学期望平均频率值ω

和方差分布值σ2。由于自相关函数和功率谱密度是一对傅立叶变换对，通过它们与平均流速和流速方差的内在关系可以得到一个相对简单的表示结果。这个结果是彩色多普勒血成像的数学理论基础。设经过正交解调并滤除血管壁运动多普勒低频信号和其它噪声信号后的音频多普勒信号为：分别表示血流平均速度和方差(速度分散程度)。功率谱P(·)和自相关函数R(·)是一对傅里叶变换对，即自相关函数的一阶和二阶导数分别为能不能实时提取血流速度？脉冲波式超声多普勒成像距离选通技术距离选通的目的是：有选择地对人体深处的某一血管和心腔各瓣膜处的血流及分布进行测量。脉冲重复频率FPR

，与扫描深度的关系FPR扇形扫描距离选通脉冲多普勒血流仪原理图主振脉冲重复频率：FPR

2fDmax

最大探测深度：最大可测的血流速度：制约关系：?多普勒频谱显示超声多普勒频谱图血流测量中的定量计算1.血流速度、血流量和血流指数的计算血流速度：血管中由于流动粘性摩擦力的存在，流层间必然出现速度梯度，即瞬时速度。由距离选通数据和FFT谱分析数据在系统中的微处理器上可方便地计算：

a.管腔横截面上所有红细胞的空间平均瞬时速度；

b.将某一时间的空间平均速度按时间平均得到管腔中血流的时间平均速度。血流量：流量Q

等于管腔横截面积A

和空间平均流速（频谱图上的流速积分）VS

的乘积：Q=A

VS。

由于屏显的所测得的尺寸与实际尺度有比例偏差，因此需要测量屏幕上尺度进行修正。血流指数：（1）S/D比值：S表示收缩期最高血流峰值；D表示舒张末期最低血流速度。

S/D正常值为1.20±0.15，S/D>7.5则血管狭窄。（2）阻力指数RI：RI=(S-D)/S，正常值为0.55～0.75之间。RI>0.75表明周围血管阻力增高；RI<0.55表明周围血管阻力降低。（3）搏动指数PI：PI=(S-D)/TAPV，TAPV表示速度平均值。PI对衡量血管管腔的阻塞有价值。2.心功能参数的计算心脏压力阶差测定：狭窄二尖瓣口的压力差可定量表示为△P=4V2max（简化的Bernouli方程）最大峰值的阶差计算是把最大峰值的频差代入多普勒公式算出Vmax，并代入上述公式计算可得。平均压力阶差计算方法是：（1）由频谱图包络线中的速度曲线通过上述公式换算出压力阶差曲线；（2）求出压力梯度积分：（3）求舒张期的平均压力差：式中t2-t1

为舒张期时间。同样可用此法算出主动脉瓣口、肺动脉瓣口的平均压力阶差。心脏血流量的测定：临床常用的是心搏出量Qb

和心排出量Qp，分别表示为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为血管或瓣膜口面积，TR为R-R间期＝60s／心率。脉冲式多普勒成像仪结构框图脉冲式多普勒成像仪工作原理整机由主控制单元、发射单元、探头单元及接收处理单元中的多普勒信号处理通道和B（M）型辉度调制处理通道组成。主控制单元是以中央微处理器、超声频率振荡发生器为核心的中枢机构，它可以改变振荡器发生的频率f，控制发射单元中脉冲形成的周期（或脉冲重复频率FPR），协调探头的收、发工作状态以及启、闭接收电路中的距离选通门。振荡器产生的超声波频率信号分为两路：一路送至发射电路中的门控电路，供其调制成脉冲信号送出；另一路传至接收电路中作为原始信号的相位参考标准。多普勒回波的信息与显示超声波束每发收一次收集了从脉冲开始到最深探测距离的所有频移。式中：i

为扫描线的顺序号；A为组织器官分量；a,b分别为各个频移的分量上面是针对血管中某一时刻不同血流速度分布情况下的频移谱。如果血管中有相反的流向，频移谱的波形是怎样的？将一次超声脉冲所接收的频移谱的幅度用不同灰度来表示。将下一次超声脉冲所接收的频移谱信息依次排列。Y轴表示：频移Hz，或者是血流的速度X轴表示：以重复频率为衡量的时间Z轴(亮度)表示：谱的幅度三种血管情况的多普勒谱的波型脉冲重复频率：FPR

2fDmax

?脉冲重复频率：FPR

2fDmax

最大可测的血流速度：彩色超声多普勒血流成像

ColorDopplerflowimaging,CDFI彩色血流成像的因子：平均血流大小、方向、谱值、方差σ2。血流图像区域的选择彩色多普勒血流成像扫描示意图彩色成像坐标彩色多普勒血流成像扫描顺序图这里的v

是这个区域的血流速度的均值，其大小和不得不用颜色表示COLORENCODING流向探头背离探头流向探头背离探头心脏血流成像彩色定义根据三原色原理红色代表正向血流，朝向探头的流动；蓝色代表反向血流，离开探头的流动；绿色代表方差的大小，即湍流的程度大小；亮度分别代表流速和方差幅度的大小。彩色多普勒血流图的特点由于多普勒角的作用，扫描线方向会使图像显示的颜色也不同。BeamSteeringCDFI的系统组成三项工作：B/M