d 医学超声原理-第十三讲-多普勒测血流

第十三讲超声多普勒测血流与成像与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。目录一多普勒效应二产生多普勒效应的原因三超声多普勒测血流四超声多普勒血流成像五超声多普勒的应用六超声多普勒信号的处理一多普勒效应

1842年奥地利物理学家多普勒（Doppler）发现并研究了声波的“频移”现象，后被命名为“多普勒效应”。此效应是指波源将某一频率的波以一种固定的传播速度向外辐射时,如果波源与接收系统产生相对运动，则所接收到的波的频率会发生变化（即频移）。Dopplereffect

一列火车快速驶远时，它的汽笛声听来会沉闷很多，因为声波相对于我们的频率变低、波长变长了，这就是多普勒效应。多普勒效应并非仅仅存在于声波传递中，任何以波动形式进行的能量传递过程，均可产生多普勒效应，如无线电波、高能X射线(或γ射线)、可见光线以及其他电磁辐射等。人类之所以最先在声波范畴内发现多普勒效应，是由于声波本身属于人耳可感知的波动，且声波在空气中的传播速度不高（340m/s）,声源与人耳的相对运动速度使声频率变化落在人耳的敏锐辨别区内。天文学家埃德温·哈勃发现：不同距离的星系发出的光，颜色上稍稍有些差别。远星系的光要比近星系红一些，即波长要长一些，这种现象被称为“哈勃红移”。它说明，各星系正以很高的速度彼此飞离。现代天文学正是借助多普勒效应通过检测、辨认宇宙深处恒星发光颜色的变化来判定天体的运动状态的。

二产生多普勒效应的原因

当声波在某种介质中以固定的传播速度c前进时，声速为波长和频率的乘积，即c=λ·f；但如果声源与接收系统之间存在着相对运动，相对运动的速度为V，则声波向接收系统的相对传播速度c′为原来传播速度c与相对运动V的迭加，即c′=c+V。于是有:f′＝c′／λ＝（c＋V）／λ

Δf＝f′－f＝（c＋V）／λ－c／λ＝V／λ将λ=c／f代入上式，有Δf＝f·V／c频移量Δf为相对运动速度与原声速的比值与波源频率的乘积。火车从身旁的铁路上呼啸而过时，会使我们非常明显地听出鸣叫着的汽笛声突然间由尖锐变得低沉起来。

当火车驰向我们时（V为正），我们所听到的汽笛声（f1′）要比火车固定不动时的声音（f）尖锐一些（Δf1＞0，f1′＞f）；当火车背向我们驰去时（V为负），所听到的汽笛声（f2′）要比原来的声音（f）低沉一些（Δf2＜0，f2′＝f2′＜f）。

通用的多普勒频移公式Inclassicalphysics,wherethespeedsofsourceandthereceiverrelativetothemediumarelowerthanthevelocityofwavesinthemedium,therelationshipbetweenobservedfrequencyfandemittedfrequencyf0isgivenby:

whereVisthevelocityofwavesinthemediumVristhevelocityofthereceiverrelativetothemedium;positiveifthereceiverismovingtowardsthesource.Vsisthevelocityofthesourcerelativetothemedium;positiveifthesourceismovingawayfromthereceiver.Thefrequencyisdecreasedifeitherismovingawayfromtheother.三超声多普勒测血流

超声多普勒应用于临床以来，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；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，然后通过人耳监听、仪器分析、图像显示或者用影像去显现人体内部器官的运动状态。单点运动目标的多普勒效应单个点目标在连续被多普勒血流计的超声波束中运动时，它的超声波形和相应的频谱如下图所示。图(b)和(c)表示发射波形与谱线。点目标的运动可以分解成两个分量，一个与波束轴平行，另一个与波束轴垂直。前者产生多普勒频移信号，后者引起反射波的幅度调制如图(d)，频谱如图(e)。幅度调制也出现在多普勒差频信号中，如图(f)，使多普勒信号的频谱展宽如图(g）。与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。1血流测量原理

当超声波声源与反射或散射目标之间存在相对运动时，接收到的回波信号将产生多普勒频移，它的符号及幅度大小与相对运动速度的幅值与方向有关。(试着推导下式？)（1）声源至运动界面

（2）运动界面至接收通路

（3）多普勒频移图1多普勒效应原理在医学超声多普勒技术中，超声波发射和接收器固定，由人体内运动目标，如运动中的血细胞和运动界面等，产生多普勒频移，由此确定运动速度和方向以及其在人体内的分布。

发射信号为载波频率等于f0的正弦超声波。

C是组织中的声速，V是血流速度的幅值。则接收信号中，由血液运动产生的接收信号多普勒频移的大小为：图2血流测量原理图

实际中最常采用的角度?

当时，横向流与轴向流的灵敏度相当。且保证轴向与横向灵敏度的同时，又不延长换能器到达血管的传播距离，克服了传播衰减。

当血流方向朝向探头时，fd>0,称为正向流。当血流方向离开探头时，fd<0,称为反向流。当血流方向与声束方向垂直时，fd=0.

图3收发声速与流速关系以人体内血流的运动状态检测为例：声波的发射源与接收器均为超声探头自身，在检测时刻探头是固定不动的。超声波向着流动中的红细胞集合体传播，遇到声障（红细胞）时，相对于流动中的红细胞，声波f已经产生了一次多普勒频移（f′），频移量Δf′＝f′－f；而声障反射回来的超声波（f′）仍沿着原来的传播路径向反方向传送至探头，同时又迭加了一个相同方向的运动速度（v），因此探头处检测到的超声波又产生了一次新的频移（f″），最终频移量Δf″＝f″－f＝2Δf′，即Δf″＝2f·v／c

假定频率f为3.5MHz的超声波，向着以0.1m/s速度运动的血流发射，正常声速c=1540m/s，则回声的频移量Δf（由Δf＝2f·v／c

可得）约为±450Hz。由此可见，多普勒频移量Δf与超声固有频率f及反射目标的运动速度V成正比；与声波在某种组织中的传播速度成反比。另外，常用超声频率在人体组织中产生的多普勒频移量Δf恰好在人耳的敏锐听觉辨别范围内（大约200～1200Hz），因此只要将此信号检测放大后，仅凭有经验的医生聆听，就可以获得有价值的临床诊断信息。在实际应用中，超声的发射与接收并不一定正对着探测目标的运动方向，多数情况下它们之间会存在一个夹角θ，因此上述多普勒频移量Δf的完整表达式应为：Δf＝2fcosθ·v／c四超声多普勒血流成像D型超声成像诊断仪（DopplerUltrasound,D超）即超声多普勒诊断仪，是利用声学多普勒原理，对运动中的脏器和血液所反射回波的多普勒频移信号进行检测并处理，转换成声音、波形、色彩和辉度等信号，从而显示出人体内部器官的运动状态。发展的主要阶段连续波式多普勒系统(continuouswavedoppler)脉冲式多普勒系统(pulsedwavedoppler)彩色多普勒血流成像系统(colordopplerflowimage，CDFI)

，也被称为彩色血流图（colorflowmapping,CFM）。4.1连续式超声多普勒成像仪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。1．超声波的产生、发射和反射主频振荡器产生并输出频率为f的振荡信号，送入声发射驱动单元，经过放大后驱动探头中的压电换能器向外辐射出频率为f的连续超声波。2．频移信号的检测和频移量的获得接收到的频率为f′的回声波，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2路输入信号端口和1个信号输出端口。2个输入信号分别为：①高频放大单元送来的f′电信号；②主频振荡器分出的参照f电信号。在混频解调器内，这2路信号进行混频、相差处理，将差频信号Δf＝f′－f从输出端口送出。缺点：所有运动目标产生的多普勒信号混叠在一起，无法辩识信息产生的确切部位，没有距离（深度）的信息。

连续多普勒小结连续式超声多普勒成像仪被最早应用。它是由探头中的一个换能器发射出某一频率的连续超声波信号，当声波遇到运动目标血流中的红细胞群，则反射回来的信号已是变化了频率的超声波。探头内的另外一个换能器将其检测出来转成电信号后送入主机，经高频放大后与原来的发射频率电信号进行混频、解调，取出差频信号根据处理和显示方式的不同，可转换成声音、波形或血流图以供诊断。这种方式由于难以测定距离，不能确定器官组织的位置，给应用诊断造成诸多不便。4.2脉冲波式超声多普勒成像仪不但能得到频移信息，而且可以得到距离与位置信息。与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。在医学临床诊断中，往往要求有选择的对人体某一深度血管进行无损测量。这样产生了各种有距离选通的超声多普勒技术。获得人体内部所需探测目标的回声信息，就必须采用距离（或深度）选通接收门控制器。在人体软组织中，超声的传播速度差别不大，可以将平均声速视为常数（c=1540m/s），故从发射脉冲信号的前沿为起始时刻(t0)计起，至返回脉冲信号的到达时间(t1)的长短与运动器官距离换能器的深度成正比。只要调节“距离选通门”的启闭时间，就能控制探测距离和沿着这一距离方向上的一段长度（又称作“容积”），这样就可以只接收感兴趣目标的回声信号，滤除前后的无关信号。4.2.1探测距离的选通原理与技术

1)连续波多普勒仪是沿着超声波束方向上所有深度的被测运动目标信号的总和。利用发射和接收声束交叉来实现距离选通技术。

图4声束交叉域法

2)脉冲多普勒仪利用距离采样门及时间延迟技术对特定深度的被测运动目标进行分析。4.2.2声束交叉域多普勒法

采用两个相隔一定距离的探头，一个发射一个接收。当发射的声束与接收的声束在人体某一深处交叉时，这一区域的血流信号被检测。

优点：连续多普勒信噪比高，适合弱信号提取。最大检测速度与最大检测深度不会相互制约。

缺点：取样单元体积大，且体积大小、形状随声束夹角和取样深度变化。4.2.3脉冲超声多普勒技术图5脉冲超声多普勒距离选通原理

图6脉冲超声多普勒距离选通时序4.3彩色多普勒血流显像仪(解决一维多普勒仪的不足)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称为一维多普勒。一维多普勒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，一维多普勒就很困难，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。彩色多普勒成像，对于血流方面的多种状态具有强大的显示能力，如：同时显示心脏某一断面上的异常血流的分布情况；反映血流的途径及方向；明确血流性质是层流、湍流或涡流；可以测量血流束的面积、轮廓、长度、宽度；血流信息能显示在二维切面像或M型图上，更直观地反映结构异常与血流动力学异常的关系等。4.3.1.工作原理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。4.3.1.工作原理滤过后的信号经A/D模数转换后，再进行自相关处理。这一步骤是将前后2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。

在一维多普勒诊断仪（连续波CW和脉冲波PW）中，是将回声频率与原始振荡频率比较，得到频移量Δf，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，用探测时间差异来解决这个问题：脉冲发射过程中，前后两个相邻脉冲之间的时间差Δt，包含了探测目标的运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称作自相关处理技术。4.3.2.血流运动状态的彩色显示方法通过数字电路和计算机处理，将血流的某种信息参数处理成国际照明委员会规定的彩色图。规定血流的方向用红和蓝表示，朝向探头的运动血流用红色，远离探头运动的血流颜色用蓝色，而湍动血流用绿色。血流的速度与红蓝两种彩色的亮度成正比，正向速度越高，红色的亮度越亮。图8-13胎儿降主动脉的B超与彩色多普勒的组合示意图，右上角为声谱图。图8-14彩色多普勒血流图解读与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。（a）（b）图8-17（a）有混叠的彩色多普勒图，（b）提高PRF消除混叠之后的图图8-18（a）有混叠的声谱图，（b）提高PRF消除混叠之后的声谱图二尖瓣Doppler血流图左心室隔膜的运动图在彩色多普勒中，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。3.临床应用效果评析彩色多普勒与B型超声彩色多普勒血流仪通过对散射回的多普勒信息作相位检测并经自相关处理、彩色灰阶编码，把平均血流速度信息以色彩显示，并组合到B型灰阶影像上。不仅可以加快过去B型对心脏疾病检查的速度，而且可以直接采集到心内血流速度、轮廓的信息。彩色多普勒血流成像与频谱多普勒

彩色多普勒血流显像对血流的显示是直观的，对于辨别血流的湍动、了解流速在心血管内分布较脉冲多普勒更快更好。但是，对血流的定量测定来说，脉冲多普勒与连续波多普勒却是非常有效的工具。五超声多普勒的应用1渡越时间式超声流速计2超声多普勒气泡检测

相比其它检测方法，超声多普勒方法能更有效的检测血液中的气泡，有效的诊断减压病。3超声多普勒用于血压测量

用超声多普勒系数替代听诊器监听柯氏音和血管流动，提供判断收缩压和舒张压更准确的读数。4经颅多普勒（TCD:TranscranialDoppler)技术

无创伤性的脑血管疾病诊察，脑动脉硬化，脑血管痉挛，脑血管狭窄，双侧供血不对称，脑供血不足,以及小儿脑性瘫痪早期诊断。

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其它多普勒血流探测仪显微外科、手外科----测定手指、脚趾手术前后的血流状况，血管吻合情况。

骨科、创伤外科-----检测肢体血管在手术后的吻合情况及肢体血流状况。

血管外科----诊断各种外围血管疾病，检测肢体静动脉血管狭窄、闭塞。了解阻塞血管的侧支循环状况；静脉炎的判别及过程检测。

烧伤、整形科-----确定烧伤整形皮瓣移植病人手术前后血管的位置及再通情况。

功能科-----下肢血压测定；速率趋势分析，药物治疗效果判断。

心胸外科-----外围血管位置。

全数字彩色多普勒超声诊断系统

采用全数字波束形成、连续聚焦、组织谐波成像(THl)等多种先进的成像技术，具有B型(B，2B，4B)、M型、实时复合成像、梯形成像(线阵探头)、拓宽扇形成像(凸阵探头)、频谱多普勒、彩色血流图成像(CFM)、彩色能量图(CPA)、四维(4D)成像等多种成像模式。

六超声多普勒信号的处理1、多普勒频移信号的解调方法超声多普勒换能器接收到的回波信号，包含了高频的载波信号（即发射信号f0），以及运动目标的多普勒频移信号，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fd，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。非定向解调指的是解调过程无法获得血流的方向，只能得到血流大小；非定向解调主要采用相干解调和非相干解调；相干解调指的是解调过程需要将入射波信号作为解调的参考输入，而非相干解调不需要入射波的信息。定向解调指的是通过解调既可以获得血流的方向，也可以获得血流大小信息。定向解调有单边带滤波法、外差法和正交相位解调法等。六超声多普勒信号的处理图8-11超声回波的多普勒信号频域模型（左）和解调之后的回波信号频谱组成（右）2、脉冲多普勒回波信号的成分六超声多普勒信号的处理多普勒信号处理的过程与原理：1）回波信号解调：进入多普勒信号处理子系统的信号包含高频的发射信号（f0载波），其频谱如图8-11（左）所示，需要通过解调处理分离提取多普勒频移fd，通常采用正交解调技术，关于这部分内容下面章节重点介绍；2）取样选通；解调之后的信号，再经过取样选通，获取需要做多普勒处理的区域的数据信息；3）壁滤波器：解调之后的信号，虽然消除了发射信号f0，但是其中仍然还有固定目标以及血管壁等慢速目标的低频回波干扰信号，如图8-11（右）所示，为提高血流速度估计的精度，采用壁滤波器消除低频干扰（即图8-11（右）所示中的杂波），壁滤波器通常采用固定目标消除器（FTC）技术；4）流出估计：壁滤波器之后，得到相对干净的多普勒频移信号，这时可以进行流速估计，得到血流速度，流向，方差，功率等的估计，流速估计的方法很多，其中时域自相关法在估计精度，计算速度，实时性方面具有很大优势，在具体实现中多被采用，下面章节也重点介绍。六超声多普勒信号的处理图8-28脉冲多普勒信号处理结构图3、脉冲多普勒信号的处理过程六超声多普勒信号的处理4、多普勒血流信息的时域自相关处理算法理论基础：Brody根据统计理论得出血流平均速度与该窄带信号的平均角频率之间具有较为固定的关系，从而可以将对血流速度的估计转换为对多普勒信号平均角频率的估计，现在存在的平均角频率估计方法有信号过零检测法，频率分析法，锁相环路法等，这些方法在实现的复杂性和测量精度方面各有优缺点。本章思考题1、假定频率f为3.5MHz的超声波，向着以0.1m/s速度运动的血流发射，正常声速c=1540m/s，则回声的频移量Δf2、简述多普勒测血流的基本原理？3、连续多普勒测血流有什么主要缺点？有哪些改进的方案？4、阅