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1、 超声多普勒血流检测与显像超声多普勒血流检测与显像1 传统的A超、B超主要是对生物组织的解剖解剖结构构进行成像，而针对血血流信息的流信息的检测与与显像像是超声诊断的另一重要分支。与医学影像技术的其他方法相比，超声血流检测与成像除了具有安全、无创、直观、价廉、可实时成像、可重复检查等优点外，能能实时提供提供组织和和检测目目标的运的运动信息信息一直是它独具的优点和特色，因而它有任何其他医学影像技术都不可比拟的优越性，在临床上得到了广泛应用。尤其在心血管系心血管系统疾病的疾病的诊断中断中起到了各种形态学成像方法所无法替代的作用。 在血流运动信息超声检测领域，多普勒（多普勒（Doppler）技）技术目
2、前仍是一个非常重要的组成部分，受到了持续的关注、深入的研究和广泛的应用。血流成像的发展历史走过了连续波超声血流成像波超声血流成像、脉冲波超声血流成像脉冲波超声血流成像、多通道脉冲波超声血流成像多通道脉冲波超声血流成像等阶段。在这期间，基于多普勒技术的血流运动信息获取方法存在的主要缺陷是成像速度太慢。20世纪80年代以来对超声血流成像的研究在运动信息提取方法上获得了重大突破，无论是在理论上、技术上，还是商品化上都得到了飞跃发展。其中，最有其中，最有实质意意义的的进步是血流运步是血流运动信息的自相关估信息的自相关估计和彩色和彩色编码技技术的提出和的提出和发展展。概述概述2 多普勒血流测量大都采用频
3、频谱谱（功功率率谱谱）分分析析法法提取血流的特征信息，可以得到采样容积中详细的血流信息。因为是一一维维显示，所以处理的数据量不大，频谱分析的处理速度能够满足实时显示的需要。但是，对于二二维维的血血流流显显像像，由于要考虑空间信息，并且以伪彩色显示出来，因此要处理的数据量大得多，对处理算法的要求更高，传统的频谱分析已不适用，于是人们发明了自自相相关关算算法法等等更更简简便便、更更快快的的算算法法来进行改进。除了自相关估计，已发明的还有很多其他算法。如自自回回归归估估计计、有有限限差差分分估估计计、互互相相关关估估计计、窄窄带带最最大大似似然然估估计计法法以以及及流流速速矢矢量量超超声声检检测测一
4、一类类的的方方法法等等。在在彩彩超超的的很很多多方方面面已已经经很很难难取取得得突突破破性性改改进进的的背背景景下下，找找到到更更好好的的数数据据处处理理方方法法以以提提高高血血流流速速度度及及方方差差提提取取速速度度与与性性能能，成为各国研究者探索的共同方向。成为各国研究者探索的共同方向。 本课程将简要介绍多普勒血流检测和显像的基本原理和一些简单的算法多普勒血流检测和显像的基本原理和一些简单的算法。3一、多普勒血流检测一、多普勒血流检测4超声多普勒效超声多普勒效应：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多普勒频移移。
5、1、 超声多普勒效超声多普勒效应的基本原理的基本原理c-声波在介声波在介质中中传播速度；播速度；f0-声源声源频率，率，f -接收器接收到的声波接收器接收到的声波频率，率， -波波长，u-声源相声源相对介介质的运的运动速度；速度； v-接收器相接收器相对介介质的运的运动速度。速度。 相向运相向运动时：背离运背离运动时：52、测量血流的基本公式的推导测量血流的基本公式的推导： -以连续波多普勒为例 设：设： f0-发射极发射的超声波频率；发射极发射的超声波频率； fR-红细胞接收到的超声波频率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；接收极接收到的红细胞散射回来的
6、超声波频率； c-超声波在血液中的传播速度；超声波在血液中的传播速度； v-红细胞的运动速度红细胞的运动速度 -红细胞运动方向与发射极及接收极的夹角；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。红细胞的运动速度在超声波入射线或反射线上的分量。6出现第一次多普勒频移时出现第一次多普勒频移时，血液颗粒接收到的频率为：血液颗粒接收到的频率为：出现第二次多普勒频移时出现第二次多普勒频移时，接收极接收到的频率为：接收极接收到的频率为：多普勒频移多普勒频移 fD： 由于cvcos，于是 （ 正号表示血流朝向探头运动，负号表示背离探头运动）结结论论：当当
7、f0、c、一一定定时时， fD与与血血液液颗颗粒粒的的流流动动速速度度v正正比比；因因此此，只只要要测测得得 fD就可求得相就可求得相应应的血液流的血液流动动速度，速度，这这是是多普勒技多普勒技术测术测量血流的基本公式量血流的基本公式。73、 超声多普勒血流超声多普勒血流测量原理量原理 血管或心血管或心脏中某个中某个位置上的血流速度位置上的血流速度（大小和方向）（大小和方向）血流的平均流速、血流的平均流速、脉脉动指数、阻力指数、阻力指数等指指数等指标计算算测定定fD计算算在在发射和接收射和接收过程中出程中出现两两次多普勒次多普勒频移移现象象依据超声波在血流中依据超声波在血流中产生的生的散射回波
8、散射回波进行血流速度行血流速度测量量8连续波波皮肤皮肤血管血管发射射接收接收换能器能器.脉冲波脉冲波发射射/接收接收换能器能器皮肤皮肤血管血管延延迟发射射接收接收多普勒血流多普勒血流测量的两种方法：量的两种方法：连续波式和脉冲波式波式和脉冲波式94、超声多普勒系统的超声多普勒系统的基本结构框图基本结构框图 将所将所获得的信息得的信息进行不行不同的同的显示，就成示，就成为不同不同的超声多普勒技的超声多普勒技术。105、多普勒频移信号多普勒频移信号的的解调解调 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
9、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。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。11 发射波射波为频率率为f f0 0的正弦信号，可的正弦信号，可见接收信息不是接收信息不是单一一频率的射率的射频信号，信号，而是一个随机窄而是
10、一个随机窄带信号。窄信号。窄带谱的上的上边带包含正向流信息，下包含正向流信息，下边带包含反向流包含反向流信息。信息。f f0 0附近（如附近（如f f0 0取取5MHz5MHz，在，在5MHz5MHz+ +200Hz200Hz范范围内）是血管壁等内）是血管壁等缓慢运慢运动目目标产生的多普勒生的多普勒频移信息移信息，这是血流是血流测量中不需要的。由血管壁量中不需要的。由血管壁产生的回波信号幅生的回波信号幅度度远大于由血大于由血细胞胞产生的散射回波信号。血管壁运生的散射回波信号。血管壁运动速度速度远小于血管中的血流小于血管中的血流速度，但与管壁内速度，但与管壁内侧附近的流速比附近的流速比较接近，接
11、近，这给管壁内管壁内侧附近低流速信息附近低流速信息获取取带来了困来了困难。-万明习，生物医学超声学，P342一个典型的一个典型的连续波多普勒接收信号窄波多普勒接收信号窄带谱126、多普勒频移信号的解调原理：多普勒频移信号的解调原理： （1）解调的方法：）解调的方法： A、非定向型解调：非定向型解调：-目标运动的方向不能确定。目标运动的方向不能确定。 具体方法有：具体方法有：相干解调：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；敏检测器中进行比较；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以杂波
12、成分作为参考波，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。波进行比较。这是一种较好的非定向解调系统。 13B、定向型解调：定向型解调：（主要运用的方法主要运用的方法） - 血流速度方向信息的提取血流速度方向信息的提取 具体方法有：具体方法有： 单边带解调法单边带解调法 正交相位解调法正交相位解调法 外差法外差法14-详见万明习，生物医学超声学，P342-346 单边带单边带分离法：分离法：利用一个高通滤波器和一个低通滤波器把接收到的混合信号即频谱的上、下边直接分离开来。 外差式外差式检测检测法：法：单边带分离法的技术困难主要是直接分离高频边带信号的晶体滤波器很难制作。如果把
13、信号的整个频谱从射频段平移到音频范围或中频范围，然后再进行边带分离，即外差式检测法。 正交相位正交相位检测检测法：法：这是目前应用最广泛的血流方向检测方法，是用数字滤波器实现的。又可分为时域处理、相域处理和频域处理三种。其原理是用正交相位检测方法将正反血流信号取出，再用频谱分析法将正反血流区分开来。15血流血流测量的一个基本量的一个基本问题是从前是从前处理后的多普勒音理后的多普勒音频信号中提取速度信息，即信号中提取速度信息，即实现频率率-电压的的转换问题。目前常用的方法包括。目前常用的方法包括过零零检测法、平均法、平均频率解率解调器、器、多通道多通道频谱分析器、分析器、扫掠掠滤波分析器、波分析
14、器、FFT分析器。分析器。（前三种方法（前三种方法详见生物医生物医学超声学学超声学P346-349）血流速度大小信息的提取血流速度大小信息的提取时域域处理理过零零检测器器平均平均频率解率解调器器频域域处理理多通道多通道频谱分析器分析器扫掠掠滤波分析器波分析器FFT分析器分析器16频谱显示：示：功率功率谱：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。黑白灰度声黑白灰度声谱图17（1）横）横轴：时间 纵轴：频移
15、（血流速度）移（血流速度） 中中间水平水平轴：基：基线（2）频谱幅幅值：频移大小，表示移大小，表示红细胞或血流速度大小胞或血流速度大小（3）频移方向：基移方向：基线以上以上为正，基正，基线以下以下为负。（3）频谱强度（灰度）：某一度（灰度）：某一时刻取刻取样容容积内速度相同的内速度相同的红细胞相胞相对数目数目的多少的多少（4）频谱离散度：以离散度：以频谱在垂直距离在垂直距离上的上的宽度表示。代表某一度表示。代表某一时刻取刻取样血血流中流中红细胞速度分布范胞速度分布范围的大小的大小。层流流时，频谱宽度度较窄；湍流窄；湍流时，速度，速度变化大，化大，频谱宽度度变宽。声声谱图中各参数的物理意中各参数
16、的物理意义：一个一个实际临床床图片的例子片的例子18彩色彩色经颅多普勒声多普勒声谱图 -将将频率大小率大小进行行伪彩色彩色编码后后显示示19二、多普勒血流显像二、多普勒血流显像 辉度显像与彩色显像辉度显像与彩色显像201、连续连续波多普勒波多普勒显像像仪辉度度显示示与血与血管投影管投影图像：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。与探与探头位置同步的信号位置同步的信号双晶双晶片探片探头212、多通道定向型脉冲波多普勒、多通道定向型脉冲波多普勒显像像仪 多个血流检测点同时进行测量-缩短短检
17、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。22东芝芝Power Vision 8000全数字化全身性彩色多普勒超声全数字化全身性彩色多普勒超声诊断断仪24便携式彩色超声多普勒便携式彩色超声多普勒推推车式彩色超声多普勒式彩色超声多普勒252627（1）MTI技技术 -运运动目目标指示技指示技术4、彩色超声多普勒成像中一些关、彩色超声多普勒成像中一些关键技技术 含含义义： 发射两次相干的射两次相干的超声脉冲，通超声脉冲，通过“静目静目标对消消”，以，以突出突
18、出动目目标的信的信息。息。28相位差与血流速度的关系相位差与血流速度的关系 -通通过检测两次运两次运动目目标回波的相位差，可以回波的相位差，可以获得得运运动目目标的速度。的速度。（2）相位差的）相位差的检测算法算法-自相关法自相关法 -实际上即可得血流速度信息上即可得血流速度信息发射脉冲：射脉冲：探探头到目到目标点距离：点距离：d dp p1 129 t1时刻刻发射第一个脉冲，射第一个脉冲，tp1时刻收到由刻收到由p返回的返回的动目目标回波：回波：则动目目标回波脉冲回波脉冲为：往返往返时间： 间隔隔T发射第二个脉冲，此射第二个脉冲，此时动目目标移到移到dP2 发射脉冲仍射脉冲仍为：则动目目标回
19、波脉冲回波脉冲为：*推推导过程：程：30 如果声束方向同如果声束方向同时存在多个运存在多个运动散射子，散射子，则各速度均可由各自的各速度均可由各自的相位差估算，因此只用一个通道就可相位差估算，因此只用一个通道就可测得血管内流速的剖面得血管内流速的剖面图。 比比较两次回波的相位差：两次回波的相位差： （相位差（相位差与与轴向速度向速度vcos成正比）成正比）31 设第一次和第二次回波经解调后的复数信号分别为：可可见此乘此乘积的相位便是的相位便是 任意任意时刻刻t0的的(t0)可以通可以通过相相邻两次回波在两次回波在t0时刻的共刻的共轭乘乘积求求 得得32目前商用彩色血流成像目前商用彩色血流成像仪
20、的自相关法：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：则相位差估计：33自相关法原理示意自相关法原理示意图：设图b中各次采中各次采样值为34 上页图中，设t0时刻的各次采样值为：（i=1M） 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度估计。可可见这一方法的特点是可以把沿声束各点的速度一方法的特点是可以把沿声束各点的速度一次同一次同时估出，而无需采用多通道。估出，而无需采用多通道。35目前目前绝大多数彩色血流大多数彩色血流图仪中所采用的中所采用的计算公式：算公式：血流信号的方差：血流信号的方差：平均流速：平均流
21、速：365 5、彩色多普勒血流成像仪组成彩色多普勒血流成像仪组成血流信息以彩色方式叠加血流信息以彩色方式叠加显示在黑白示在黑白B型型图像上像上（1）原理框）原理框图图1 ： B mode + Doppler mode37同一台机器上的同一台机器上的“B B超超”和和“彩超彩超”图片图片 每一台彩超都具有每一台彩超都具有B B超及其它的一些功能，其中最重要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。的就是对心脏及血管内血液的流动情况进行观察。38高速相控阵探头高速相控阵探头；滤波器滤波器：滤去壁层、瓣膜等动作迟缓部位不需：滤去壁层、瓣膜等动作迟缓部位不需要的信号成份
22、，提取有用成份；要的信号成份，提取有用成份；自相关器自相关器：算出速度、方向和分散：算出速度、方向和分散这三个动态因素；这三个动态因素；：存储有血流频谱信息、二维图像信息，血：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不同亮度的红、绿、蓝三色。流动态信息经彩色编码转换成不同亮度的红、绿、蓝三色。（2）原理框原理框图2探头探头接收器接收器发射器发射器黑白图像检波黑白图像检波黑白黑白B/M型图像型图像DSC观察用监视器观察用监视器正交检波器正交检波器取样和同步取样和同步壁式滤波器壁式滤波器脉冲波多普勒脉冲波多普勒连续波多普勒连续波多普勒频率分析频率分析器器A/DMTI滤波器滤波器自相关器自相关器分散分散速度、方向速度、方向合成信号合成信号彩色转换器彩色转换器录像机录像机D/A监视器监视器RGB信号信号396、关于彩超关于彩超补充几点充几点说明：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。40谢谢大家！谢谢大家！
