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1、2 4 超声多普勒成像 超声多普勒方法对于检测运动目标具有较高的灵敏度 胎心检测仪 血流测量仪 血管显像仪 心脏探查 仪等 根据电路结构可分为 听诊型 早期 指示记录型 电子快速分析型 显像型 连续波式 脉冲波式 超声多普勒效应 当声源 接收器 介质之间存在相对运动时 接收器收到的声波频率和超声原先的频率有一定的差异 其 频率的变化量称为多普勒频移 1 超声多普勒效应的基本原理 C 声波在介质中传播速度 f0 声源频率 0 波长 VT 声源相对介质的运动速度 f 接收器接收到的声波频率 VR 接收器相对介质的运动速度 VR与水平方向的夹角 VT与水平方向的夹角 2 超声多普勒血流测量原理 血管
2、或心脏中某个 位置上的血流速度 大小和方向 血流的平均流速 脉动指数 阻 力指数等指标 计算 测定 fD 计算 在发射和接收过程中出现两 次多普勒频移现象 依据超声波在血流中产生的 散射回波进行血流速度测量 测量血流的基本公式的推导 以连续波式多普勒为例 设 f0 发射极发射的超声波频率 fR 红细胞接收到的超声波频率 fR 接收极接收到的红细胞散射回来的超声波频率 c 超声波在血液中的传播速度 v 红细胞的运动速度 红细胞运动方向与发射极及接收极的夹角 vcos 红细胞的运动速度在超声波入射线或反射线上的分 量 出现第一次多普勒频移时 血液颗粒接收到的频率为 出现第二次多普勒频移时 接收极接
3、收到的频率为 多普勒频移 fD 由于c vcos 于是 正号表示血流朝向探头运动 负号表示背离探头运动 结论 当f0 c 一定时 fD与血液颗粒的流动速度v正 比 因此 只要测得 fD就可求得相应的血液流动速度 这 是多普勒技术测量血流的基本公式 多普勒血流测量的两种方法 连续波式和脉冲波式 连续波脉冲波 皮肤 血管 发射 接收 换能器 发射 接收 换能器 皮肤 血管 延迟 发射接收 3 超声多普勒成像系 统的基本结构框图 将所获得的信息进行不同 的显示 就成为不同的超 声多普勒技术 对多普勒频移信号解调的目的 换能器接收到的回波信号是多种反射波的组合 信号 有运动目标的多普勒频移信号 有静止
4、目标 或慢速运动目标等产生的回波信号 也有由于声 电泄漏和复杂界面的散射波 后者是不可避免的不 重要的波 称为杂波 clutter 多普勒频移解调 的目的是从复杂的回波信号中提取有用的多普勒频 移信号 由于血流的速度远小于发射波声速 故要求解 调器能检出频率为发射频率百分之一以下的多普勒 频移信号 另外 回波中杂波分量的幅度通常比有 用的频移信号大得多 所以还要求解调器检出被杂 波所掩盖的频移信号 4 多普勒频移信号的解调原理 1 解调的方法 A 非定向型解调 目标运动的方向不能确定 具体方法有 相干解调 将发射信号作为参考信号 把它与被 接收信号在相敏检测器中进行比较 非相干解调 以杂波成分
5、作为参考波 并与多普 勒频移后的回波进行比较 这是一种较好的非定向 解调系统 B 定向型解调 能同时提供目标运动速度的大小和方向信息 具体方法有 单边带解调法 正交相位解调法 外差法 将接收信号送到两个通道中 以正交的参考信号进行相干解调 先检 出多普勒差频信号 然后应用时域处理 相域处理或频域处理等三种不 同的方法分别进行处理 都可得到方向性信息 2 以正交相位解调方案为例 2 多普勒频移信号的分析与显示 血管中血流速度存在一个随血管半径而变化的 速度分布 对应着多普勒信号从高频到低频的一段 频谱 频谱分析就是把组成复杂振动的各个简谐振动的 频率和振幅找出来 列成频谱 以获得血流速度信息与波
6、 形频率有关的内容 时域处理 过零检测器 平均频率计算 器 频域处理 多通道频谱分析器 扫掠滤 波分析器 FFT分析器 频谱显示 功率谱 左图 是在一个三维坐标系中描述随时间变化的血流信号功 率谱 每一次功率谱计算的结果在这个三维坐标系中表现为 一条沿频率轴分布的功率谱密度函数 右图 当在监视器上显示血流信号的动态功率谱图时 功率 谱计算值的大小用平面中像素不同的灰度值表示 1 横轴 时间 纵轴 频移 血流速度 中间水平轴 基线 2 频谱幅值 频移大小 表示红细胞或血流速度大小 3 频移方向 基线以上为 正 基线以下为负 3 频谱强度 灰度 某 一时刻取样容积内速度相同 的红细胞相对数目的多少
7、 4 频谱离散度 以频谱在 垂直距离上的宽度表示 代 表某一时刻取样血流中红细 胞速度分布范围的大小 层 流时 频谱宽度较窄 湍流 时 速度变化大 频谱宽度 变宽 声谱图中各参数的物理意义 经颅多普勒声谱图 6 连续连续 多普勒超声诊诊断仪仪 1 工作原理 缺点 连续波波束内的任何运动目标都对最后多普勒的 输出做出贡献 因而无法分辨距离 优点 可测高速血流 2 多普勒信息的表达 音频频多普勒 监监听式 声音的音调等信息 判断血流的 速度 性质 难以定量测量流速 单单一曲线线 用慢扫描示波器以曲线方式进行显示和记录 可以表示血流速度随时间的变化情况 定向型 既能测血流速度 还能判断血流的流向 顺
8、流或 逆流 显显像型 利用多普勒技术测定流动信息与流向 利用回波 成像技术显示活动血管或器官的图像 3 显像型连续波多普勒 缺点 只能获得一个观察面 缺乏距离分辨率 对深度不同 血管血流方 向相同的重叠的两条血管就不能分辨了 与探头位置同步的信号 辉度显示与血管投 影图像 1 血管部位产生 多普勒频移信号 控制光点的亮度 2 有的显像仪设 有监测血流方向的 线路用以抑制反向 的血流信息 以区 别显示的是动脉还 是静脉血管 双晶 片探 头 脉冲重复频 率发生器 发射门 距离门 延时门 发生器 发射 放大器 接收 放大器 主控 振荡器 解调器 采样保 持 音频 滤波器 输出 换 能 器 所选距离
9、优点 有距离分辨力 能确定在沿探头声束方向不同 距离的检测点上是否有血流通过 7 脉冲波多普勒超声诊断仪 1 基本工作原理 单通道 单 晶 片 2 多通道定向型脉冲多普勒血管显像仪 多个血流检测点同时进行测量 缩短检查时间 典型脉冲多普勒成像仪采用5MHz的工作频率 脉 冲重复频率为5kHz 在80Hz 2kHz之间处理多普 勒信号 低于80Hz的伪差信号 由人体与探头之 间的相对运动引起的 则加以滤除 3 脉冲多普勒技术的局限 脉冲重复频率fp与最大采样深度Zmax的关系 重复频率与最大测量速度vmax的关系 根据采样定理 重复频率必须大于多普勒频移的两倍 在常规脉冲多普勒系统中 能检测的最
10、大速度与最大采样深 度的乘积是一个常数 习题2 17 4 高脉冲重复频率多普勒技术 高脉冲重复频率多普勒工作时 探头在发射第1组超 声脉冲波之后 不等采样部位的回声信号返回 探头便 又发射第2组超声脉冲波群 第2组超声发射后探头接收 的实际上是来自第1组超声脉冲的回声 第3组超声脉冲 发射后探头接收的是第2组超声脉冲的回声 依此类推 相当于发射脉冲重复频率加倍 检测到的最大频移也就 增加一倍 高脉冲重复频率多普勒的血流速度可测值的 最大扩展范围一般为普通脉冲多普勒的3倍 高脉冲重复 频率多普勒技术增加了速度可测范围 但牺牲了距离分 辨能力 它是介于PW和CW多普勒之间的一种技术 8 多普勒诊断
11、仪在医学中的应用 1 对心脏疾病的诊断 脉冲多普勒心动图 可测出心脏内各运动部分的运动状态 速度和血流量 诊断冠心病 心率失常 主动脉瓣病变等 2 对血管和血流的测量 非侵入性 可得到血管纵断面血流分布图 诊断血栓 脉管炎 可很快鉴别血管硬化程度 测量眼底动脉 可对断肢再植时血管接通情况作方便的检查 外科手术 3 妇产科方面的应用 主要对胎儿胎心及胎盘定位检查 2 5 彩色血流映射成像 P47 CFM 彩超 或 彩色多普勒 东芝Power Vision 8000全数字化全身性彩色多普勒超声诊断仪 便携式彩色超声多普勒推车式彩色超声多普勒 1 MTI技术 运动目标 指示技术 1 血流速度测量原理
12、 含义 发 射两次相干的 超声脉冲 通 过 静目标对消 以突出动目 标的信息 2 相位差与血流速度的关系 通过检测两次运动目标回波的相位差 可以获 得运动目标的速度 相位差 与速度v 成正比 只用一个通道就可 测得沿声束各点的血 流速度 关系推导 dp1 发射脉冲 回波返回时间 t1时刻发射第一个脉冲 tp1时刻收到由p返回的动目标回波 设发射脉冲为 则动目标回波脉冲为 dp1是探头与p点的距离 往返时间 间隔T发射第二个脉冲 此时动目标移到dP2 发射脉冲仍为 则动目标回波脉冲为 如果声束方向同时存在多个运动散射子 则各速度均可由各自的相位差 估算 因此只用一个通道就可测得血管内流速的剖面图
13、 比较两次回波的相位差 相位差 与轴向速度vcos 成正比 2 相位差的检测 自相关法 1 自相关法系统的原理框图 自相关法方框图 正交解调 设第一次和第二次回波经解调后的复数信号分别为 可见此乘积的相位便是 任意时刻t0的 t0 可以通过相邻两次回波在t0时刻的共 轭乘积求得 目前商用彩色血流成像仪的自相关法 探头在同一位置下做多次发射 取相邻回波在t0时刻乘 积的均值来估计相位 则相位估计 图2 29 自相关法原理 自相关法原理示意图 设图b中各次采样值 为 图 b 中 设t0时刻的各次采样值为 i 1 M 由上式求得相位估计 则自相关值 求速度估计 令t0取不同值便可以得到沿声束各点的速
14、度估计 可见这一方法的特点是可以把沿声束各点的速度一 次同时估出 而无需采用多通道 目前绝大多数彩色血流图仪中所采用的计算公式 血流信号的方差 平均流速 1 红血球的动态信息由速度 方向和分散三个因素组 成 血流方向的显示 用红色和蓝色表示 朝向探头流动为红 远离探头流动为蓝 血流速度的显示 以色彩的亮度来表示 血流速度快 色彩鲜亮 血流速度慢 色彩暗淡 血流分散的显示 分散就是血流的紊乱情况 用绿色表示 以其亮度强弱表示紊乱程度 层流时色彩变动小 乱流 则色彩变动大 3 彩色多普勒血流的显示 红 黄 白 紫红 湖蓝 蓝 绿 红 朝上 分散 黄 明亮 速度快 暗淡 速度慢 明亮 速度快 蓝 向
15、下 分散 湖蓝 2 彩色图像的各种定义 图中采用了国际照明委员会规定的彩色图 它有红 蓝 绿三种基本顔色 其它顔色都是由这三种顔色混合而成 4 彩色多普勒血流成像仪组成 1 原理框图1 B mode Doppler mode 血流信息以彩色方式叠加显示在黑白B型图像上 同一台机器上的 B超 和 彩超 图片 每一台彩超都具有B超及其它的一些功能 其中最重要 的就是对心脏及血管内血液的流动情况进行观察 高速相控阵探头 滤波器 滤去壁层 瓣膜等动作迟缓部位不需 要的信号成份 提取有用成份 自相关器 算出速度 方向和分散 这三个动态因素 存储有血流频谱信息 二维图像信息 血 流动态信息经彩色编码转换成
16、不同亮度的红 绿 蓝三色 2 原理框图2 探头 接收器发射器黑白图像检波黑白B M型图像 DSC 观察用监视器 正交检波器 取样和同步 壁式滤波器 脉冲波多普勒 连续波多普勒 频率分析 器 A DMTI滤波器自相关器 分散速度 方向 合成信号 彩色转换器录像机 D A监视器 RGB信号 5 关于彩超的几点说明 1 彩超是在B超显示脏器形态结构的基础上 对某一感 兴趣区进行二维的彩色血流显示 以评价该区内的血流动 力学指标 2 彩超在心脏 外周血管检查及某些肿瘤的良恶性鉴 别上 进一步补充和完善B超的诊断 3 对于不含血流的病变作彩超是没意义的 如囊肿 结石等 4 彩色多普勒血流显像的优点 血流图像实时二维显 示 直观形象 检测快速 诊断敏感度和准确率很高 漏 误较少 和 MRI CT 比较 Low cost compared with X CT and MRI non invasiveness Real time imaging features more and more widely used in clinical applications 2 6 超声诊断成像的最新进展 2 6
