超声多普勒血流检测和显像

超声多普勒血流检测与显像1超声多普勒血流检测和显像第1页

传统A超、B超主要是对生物组织解剖结构进行成像，而针对血流信息检测与显像是超声诊疗另一主要分支。与医学影像技术其它方法相比，超声血流检测与成像除了含有安全、无创、直观、价廉、可实时成像、可重复检验等优点外，能实时提供组织和检测目标运动信息一直是它独具优点和特色，因而它有任何其它医学影像技术都不可比拟优越性，在临床上得到了广泛应用。尤其在心血管系统疾病诊疗中起到了各种形态学成像方法所无法替换作用。在血流运动信息超声检测领域，多普勒（Doppler）技术当前仍是一个非常主要组成部分，受到了连续关注、深入研究和广泛应用。血流成像发展历史走过了连续波超声血流成像、脉冲波超声血流成像、多通道脉冲波超声血流成像等阶段。在这期间，基于多普勒技术血流运动信息获取方法存在主要缺点是成像速度太慢。20世纪80年代以来对超声血流成像研究在运动信息提取方法上取得了重大突破，不论是在理论上、技术上，还是商品化上都得到了飞跃发展。其中，最有实质意义进步是血流运动信息自相关预计和彩色编码技术提出和发展。概述2超声多普勒血流检测和显像第2页

多普勒血流测量大都采取频谱（功率谱）分析法提取血流特征信息，能够得到采样容积中详细血流信息。因为是一维显示，所以处理数据量不大，频谱分析处理速度能够满足实时显示需要。不过，对于二维血流显像，因为要考虑空间信息，而且以伪彩色显示出来，所以要处理数据量大得多，对处理算法要求更高，传统频谱分析已不适用，于是人们创造了自相关算法等更简便、更加快算法来进行改进。除了自相关预计，已创造还有很多其它算法。如自回归预计、有限差分预计、相互关预计、窄带最大似然预计法以及流速矢量超声检测一类方法等。在彩超很多方面已经极难取得突破性改进背景下，找到更加好数据处理方法以提升血流速度及方差提取速度与性能，成为各国研究者探索共同方向。

本课程将简明介绍多普勒血流检测和显像基本原理和一些简单算法。3超声多普勒血流检测和显像第3页一、多普勒血流检测4超声多普勒血流检测和显像第4页超声多普勒效应：当声源、接收器、介质之间存在相对运动时，接收器收到声波频率和超声原先频率有一定差异。其频率改变量称为多普勒频移。1、超声多普勒效应基本原理c---声波在介质中传输速度；f0----声源频率，f----接收器接收到声波频率，λ----波长，u-----声源相对介质运动速度；v----接收器相对介质运动速度。相向运动时：背离运动时：5超声多普勒血流检测和显像第5页2、测量血流基本公式推导：----以连续波多普勒为例设：f0----发射极发射超声波频率；fR’----红细胞接收到超声波频率fR----接收极接收到红细胞散射回来超声波频率；c----超声波在血液中传输速度；v----红细胞运动速度θ----红细胞运动方向与发射极及接收极夹角；vcosθ---红细胞运动速度在超声波入射线或反射线上分量。6超声多普勒血流检测和显像第6页出现第一次多普勒频移时，血液颗粒接收到频率为：出现第二次多普勒频移时，接收极接收到频率为：多普勒频移△fD：

因为c>>vcosθ，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、θ一定时，△fD与血液颗粒流动速度v正比；所以，只要测得△fD就可求得对应血液流动速度，这是多普勒技术测量血流基本公式。7超声多普勒血流检测和显像第7页3、超声多普勒血流测量原理血管或心脏中某个位置上血流速度（大小和方向）血流平均流速、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散射回波进行血流速度测量8超声多普勒血流检测和显像第8页连续波皮肤血管发射接收换能器….….脉冲波发射/接收换能器皮肤血管延迟发射接收多普勒血流测量两种方法：连续波式和脉冲波式9超声多普勒血流检测和显像第9页4、超声多普勒系统基本结构框图

将所取得信息进行不一样显示，就成为不一样超声多普勒技术。10超声多普勒血流检测和显像第10页5、多普勒频移信号解调

换能器接收到回波信号是各种反射波组合信号，有运动目标多普勒频移信号，有静止目标或慢速运动目标等产生回波信号，也有因为声、电泄漏和复杂界面散射波；后者是不可防止不主要波，称为杂波（clutter）。多普勒频移解调目标是从复杂回波信号中提取有用多普勒频移信号。因为血流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多普勒频移信号。另外，回波中杂波分量幅度通常比有用频移信号大得多，所以还要求解调器检出被杂波所掩盖频移信号。11超声多普勒血流检测和显像第11页发射波为频率为f0正弦信号，可见接收信息不是单一频率射频信号，而是一个随机窄带信号。窄带谱上边带包含正向流信息，下边带包含反向流信息。f0附近（如f0取5MHz，在5MHz+200Hz范围内）是血管壁等迟缓运动目标产生多普勒频移信息，这是血流测量中不需要。由血管壁产生回波信号幅度远大于由血细胞产生散射回波信号。血管壁运动速度远小于血管中血流速度，但与管壁内侧附近流速比较靠近，这给管壁内侧附近低流速信息获取带来了困难。-----万明习，《生物医学超声学》，P342一个经典连续波多普勒接收信号窄带谱12超声多普勒血流检测和显像第12页6、多普勒频移信号解调原理：

（1）解调方法：

A、非定向型解调：----目标运动方向不能确定。

详细方法有：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：**以杂波成份作为参考波，并与多普勒频移后回波进行比较。这是一个很好非定向解调系统。13超声多普勒血流检测和显像第13页B、定向型解调：（主要利用方法）

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血流速度方向信息提取详细方法有：单边带解调法正交相位解调法外差法14超声多普勒血流检测和显像第14页------详见万明习，《生物医学超声学》，P342-346

单边带分离法：利用一个高通滤波器和一个低通滤波器把接收到混合信号即频谱上、下边直接分离开来。

外差式检测法：单边带分离法技术困难主要是直接分离高频边带信号晶体滤波器极难制作。假如把信号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。

正交相位检测法：这是当前应用最广泛血流方向检测方法，是用数字滤波器实现。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超声多普勒血流检测和显像第15页血流测量一个基本问题是从前处理后多普勒音频信号中提取速度信息，即实现频率-电压转换问题。当前惯用方法包含过零检测法、平均频率解调器、多通道频谱分析器、扫掠滤波分析器、FFT分析器。（前三种方法详见《生物医学超声学》P346-349）血流速度大小信息提取时域处理过零检测器平均频率解调器频域处理多通道频谱分析器扫掠滤波分析器FFT分析器16超声多普勒血流检测和显像第16页频谱显示：

功率谱：左图：是在一个三维坐标系中描述随时间改变血流信号功率谱。每一次功率谱计算结果在这个三维坐标系中表现为一条沿频率轴分布功率谱密度函数。右图：当在监视器上显示血流信号动态功率谱图时，功率谱计算值大小用平面中像素不一样灰度值表示。黑白灰度声谱图17超声多普勒血流检测和显像第17页（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红细胞相对数目标多少（4）频谱离散度：以频谱在垂直距离上宽度表示。代表某一时刻取样血流中红细胞速度分布范围大小。层流时，频谱宽度较窄；湍流时，速度改变大，频谱宽度变宽。声谱图中各参数物理意义：一个实际临床图片例子18超声多普勒血流检测和显像第18页彩色经颅多普勒声谱图---将频率大小进行伪彩色编码后显示19超声多普勒血流检测和显像第19页二、多普勒血流显像——辉度显像与彩色显像20超声多普勒血流检测和显像第20页1、连续波多普勒显像仪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，控制光点亮度。（2）有显像仪设有监测血流方向线路用以抑制反向血流信息，以区分显示是动脉还是静脉血管。与探头位置同时信号双晶片探头21超声多普勒血流检测和显像第21页2、多通道定向型脉冲波多普勒显像仪多个血流检测点同时进行测量----缩短检验时间经典脉冲多普勒成像仪采取5MHz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伪差信号（由人体与探头之间相对运动引发）则加以滤除。22超声多普勒血流检测和显像第22页红（朝上）分散黄明亮（速度快）暗淡（速度慢）明亮（速度快）蓝（向下）分散湖蓝右图是由国际照明委员会要求彩色图，由红、蓝、绿三种基本颜色，其它颜色都是由这三种颜色混合而成。

（1）血流方向表示：红色表示朝向探头血流，蓝色表示反向；（2）血流速度大小表示：以彩色信号亮度来标示平均速度大小。普通仪器上把一个颜色亮度由最亮到最暗分为八级，分别代表不一样血流速度。通常在图像一侧用彩色亮度调来标示血流速度。（3）流速离散度显示：流速离散度就是其方差。用绿色及其亮度表示方差大小。这么，在彩超血流图像上，假如血流颜色或红或蓝，且色调纯净，说明流速离散度小。当血流紊乱时，多普勒信号与正常人会有较大差异，在同一取样容积、同意瞬间内，血流速度又快又慢，分布甚为杂乱，离散度大。这时会在红色和蓝色上叠加上成都不一样绿色。绿红蓝黄紫靛白3、彩色图像定义及彩色多普勒编码技术彩色多普勒编码技术是将血流方向、大小和离散度等信息经频率-色彩编码器转换为伪彩色显示技术。23超声多普勒血流检测和显像第23页东芝PowerVision8000全数字化全身性彩色多普勒超声诊疗仪24超声多普勒血流检测和显像第24页便携式彩色超声多普勒推车式彩色超声多普勒25超声多普勒血流检测和显像第25页26超声多普勒血流检测和显像第26页27超声多普勒血流检测和显像第27页（1）MTI技术

----运动目标指示技术4、彩色超声多普勒成像中一些关键技术

含义：发射两次相干超声脉冲，经过“静目标对消”，以突出动目标信息。28超声多普勒血流检测和显像第28页相位差与血流速度关系----经过检测两次运动目标回波相位差，能够取得运动目标速度。（2）相位差检测算法----自相关法----实际上即可得血流速度信息发射脉冲：探头到目标点距离：dp129超声多普勒血流检测和显像第29页①t1时刻发射第一个脉冲，tp1时刻收到由p返回动目标回波：则动目标回波脉冲为：往返时间：②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：**推导过程：30超声多普勒血流检测和显像第30页

假如声束方向同时存在多个运动散射子，则各速度均可由各自相位差估算，所以只用一个通道就可测得血管内流速剖面图。③比较两次回波相位差：

（相位差△Φ与轴向速度vcosθ成正比）31超声多普勒血流检测和显像第31页

设第一次和第二次回波经解调后复数信号分别为：可见此乘积相位便是ΔΦ

任意时刻t0ΔΦ(t0)能够经过相邻两次回波在t0时刻共轭乘积求得32超声多普勒血流检测和显像第32页当前商用彩色血流成像仪自相关法：探头在同一位置下做屡次发射，取相邻回波在t0时刻乘积均值来预计相位：则相位差预计：33超声多普勒血流检测和显像第33页自相关法原理示意图：设图b中各次采样值为34超声多普勒血流检测和显像第34页

上页图中，设t0时刻各次采样值为：（i=1～M）

由上式求得相位预计

则自相关值：

求速度预计：

令t0取不一样值便能够得到沿声束各点速度预计。可见这一方法特点是能够把沿声束各点速度一次同时估出，而无需采取多通道。35超声多普勒血流检测和显像第35页当前绝大多数彩色血流图仪中所采取计算公式：血流信号方差：平均流速：36超声多普勒血流检测和显像第36页5、彩色多普勒血流成像仪组成血流信息以彩色方式叠加显示在黑白B型图像上（1）原理框图1：Bmode+Dopplermo