彩色多普勒原理

1、彩色多普勒血流成像 (Color Doppler Flow Imaging ， CDFI), 是在頻譜多普勒(Spectral Doppler)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的利用多普勒原理進(jìn)行血流顯像的技術(shù)，有關(guān)頻譜多普勒的理論，在本書的有關(guān)章節(jié)已有論述。與頻譜多普勒相比，彩色多普勒血流成像是多普勒技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的重大發(fā)展，從只能逐點(diǎn)取樣測血流速度發(fā)展到用偽彩色編碼信號顯示血流的流動(dòng)，使多普勒技術(shù)能更直觀地顯示血流的流動(dòng)方向、流動(dòng)速度、流動(dòng)范圍、血流性質(zhì)、有無返流、分流等。彩色多普勒血流成像技術(shù)于l 982 年由日本的 Namekawa 、 Kasai 及美國的 Bommer 最先研制成功，日本 A

2、loka 公司于 1982 年生產(chǎn)第一臺彩色多普勒血流成像儀， 日本尾本良三最早報(bào)道了此技術(shù)在心血管領(lǐng)域的應(yīng)用。此后，彩色多普勒血流成像技術(shù)應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大， 1986 年開始用于周圍血管血流成像， 1987 年開始用于腹部器官， 1988 年開始用于顱腦血流成像?，F(xiàn)在，彩色多普勒血流成像以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展的能量多普勒(Power Doppler) 血流成像，已成為超聲診斷不可缺少的技術(shù)。彩色多普勒血流成像的重要性在于它能無創(chuàng)、實(shí)時(shí)地提供有關(guān)血流的信息，而這是X 線、核醫(yī)學(xué)、 CT 、 MRI 以及 PET 等所做不到的。第 1 節(jié)工作原理彩色多普勒血流成像的顯示方式屬于二維技術(shù)。血流的彩色信

3、號疊加在二維超聲顯像圖上?，F(xiàn)在的超聲診斷儀都用自相關(guān)技術(shù)作信號處理，以獲得血流的二維多普勒信號。彩色多普勒血流成像與頻譜多普勒不同，每幀圖像有32128條掃描線，每條掃描線有250300個(gè)取樣點(diǎn)，每幀圖像內(nèi)有10 , 000個(gè)以上的取樣數(shù)據(jù)，為了實(shí)時(shí)成像，必須在幾十毫秒內(nèi)處理這些數(shù)據(jù)，因此必須采用比傅立葉(Fourier) 分析更快的自相關(guān)技術(shù)。一、自相關(guān)技術(shù)自相關(guān)技術(shù)能在約 2ms 內(nèi)處理大量的多普勒頻移數(shù)據(jù)， 并計(jì)算出血流速度、 血流方向和速度方差， 但須注意所計(jì)算的是每一瞬間內(nèi)若干頻率信號的平均速度，不能得出取樣部位瞬時(shí)流速的分布范圍，因此也不能得到瞬時(shí)的最大流速。自相關(guān)技術(shù)包括兩個(gè)信號

4、間相位差的檢測，即檢測接連發(fā)射的兩個(gè)相鄰超聲脈沖回聲信號的相位差，從求得相位差的公式可以計(jì)算檢測位置的血流速度，從相位差的正、負(fù)性可了解血流的方向。由于超聲診斷目前都用兆赫(MHz) 以上的超聲頻率，因?yàn)楦哳l信號的處理比較困難，所以通過一個(gè)正交檢測器把回聲信號轉(zhuǎn)換成低頻范圍。經(jīng)過正交檢測器和相位差檢測的回聲信號，最后通過自相關(guān)檢測處理，才能得到血流信號的顯示。二、 MTI 濾波器MTI 濾波器即 Motion target indication fi1ter ，目的是濾掉非血流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的回聲信號，例如血管壁、瓣膜等產(chǎn)生的低頻運(yùn)動(dòng)，這些低頻運(yùn)動(dòng)強(qiáng)大，可干擾血流運(yùn)動(dòng)的信號，因此在正交檢測器和自相關(guān)

5、檢測器之間，插人MTI 濾波器，以濾掉非血流產(chǎn)生的低頻信號。 MTI 濾波器具有不同的頻率響應(yīng)特性，以用于對 靜脈血流、心臟和大血管血流的檢測，對靜脈血流用低頻段頻率響應(yīng)高的 MTI 調(diào)節(jié)，對心臟和大血管，則用對低頻段頻率響應(yīng)抑制的 MTI 調(diào)節(jié)。三、彩色增強(qiáng)器彩色多普勒血流成像技術(shù)是以彩色顯示血流信號，偽彩色編碼由紅藍(lán)綠三種基本顏色組成。目前均設(shè)定朝向探頭的血流以紅色表示，背離探頭的血流以藍(lán)色表示。彩色的亮度(輝度 )與血流速度的高低成正比，速度高，彩色亮度強(qiáng)，速度低，彩色亮度弱，例如朝向探頭的血流速度低時(shí)，信號為暗紅色，背離探頭的血流速度低時(shí)，信號為暗藍(lán)色，如血流速度很低，彩色信號的亮度很

6、弱即顏色很暗，從熒光屏上分辨困難。因此，設(shè)置彩色增強(qiáng)器，以增大低速血流的彩色信號的亮度。彩色信號的亮度與血流速度增快成正比，直至流速達(dá)到 Nyquist( 奈奎斯特 )極限。 為了表達(dá)更快速的血流速度， 有時(shí)用三種顏色表示血流速度的快慢，朝向探頭的血流用從暗紅到明亮的紅色信號表示，如血流速度更快，就從紅色變?yōu)辄S色(紅色與綠色的混合 ) ，黃色再變綠色，三種顏色并存表示不同的流速。背離探頭的血流，更快的速度以青色、綠色來表示。超聲儀器上把彩色圖 (Color map) 設(shè)置為兩種，一種只有紅、黃及藍(lán)、青兩種彩色，用于非心血管系的血流檢測，另一種在每個(gè)方向上有兩至三種彩色，用于心血管系的血流檢測。

7、彩色增強(qiáng)功能雖然使彩色信號的亮度隨血流速度增快而增強(qiáng)，但實(shí)際上這種功能主要是對低速血流，提高低速血流的彩色信號亮度。當(dāng)血流速度低于或達(dá)到 Nyquist 速度時(shí)，彩色信號的亮度增強(qiáng)就達(dá)到飽和，血流速度再增大，彩色信號的亮度也不再增強(qiáng)。另一方面，非血流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的低速運(yùn)動(dòng)信號，可用 MTI 濾波器刪去，即達(dá)到彩色抑制的目的。四、彩色多普勒血流成像技術(shù)的種類彩色多普勒血流成像技術(shù)的種類有兩種。除傳統(tǒng)的彩色多普勒成像技術(shù)外，還有一種為混合彩色多普勒或稱聚合彩色多普勒(Convergent Color Dopplor ， CCD) ，此種技術(shù)綜合了彩色多普勒血流成像與彩色多普勒能量圖的優(yōu)勢，可以顯示血流

8、速度的快、慢與血流方向，又可以用彩色多普勒能量圖顯示低速、低流量的血流。有關(guān)彩色多普勒能量圖的原理，本書有專章敘述，在此不再重復(fù)。第 2 節(jié)檢查方法一、儀器調(diào)節(jié)彩色圖 (Color Map) 的設(shè)定 心、腹兩用的超聲儀，彩色圖都有兩種設(shè)定，以雙色顯示血流速度快、慢的用于腹部、外圍血管的檢測，用彩色的亮度表示血流速度的快、慢，如朝向探頭的血流為暗紅-鮮亮紅 色-黃色。以三色顯示血流速度快、慢的用于心血管，除紅、黃及藍(lán)、青色外，對朝向探頭的血流以綠色 表示最快的速度，對背向探頭的血流以綠色表示最快的速度，可減少混疊(Aliasing) 現(xiàn)象的出現(xiàn)。彩色圖速度標(biāo)尺(Scale) 的設(shè)定 速度標(biāo)尺的設(shè)

9、定須與被檢測的血流速度相匹配，對高速的血流如速度標(biāo)尺設(shè)定偏低，很容易出現(xiàn)彩色信號的混疊；對低速血流如速度標(biāo)尺偏高，則低速血流（例如靜脈血流）可能不被顯示或顯示不完全。.壁濾波器的調(diào)節(jié) 一般有14檔，濾波頻率隨檔的數(shù)字增大而增大，高通濾波用于高速血流檢測，可以 “切除 呼吸等低頻運(yùn)動(dòng)的干擾。低通濾波用于低速血流的檢測，便于低速血流的顯示，不至于被“切除 ”零位基線的調(diào)節(jié)零位基線向下移動(dòng)，使朝向探頭的血流可測量的范圍增大，即速度標(biāo)尺數(shù)據(jù)增大，反之亦然。 零位基線的移動(dòng)， 有兩種用途： 增大對血流速度的測量范圍。 消除彩色信號混疊（或稱倒錯(cuò)、翻轉(zhuǎn) ） 現(xiàn)象，當(dāng)血流速度超過 Nyquist 極限時(shí)，即

10、超過速度標(biāo)尺所能測量的最大值后，彩色信號逆轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)變?yōu)榉捶较虻念伾?，為了克服彩色信號的混疊（倒錯(cuò) ） ，可移動(dòng)零位基線，擴(kuò)大速度標(biāo)尺的測量范圍。通過移動(dòng)零位基線，可使速度測量擴(kuò)展至Nyquist 極限的兩倍。 取樣容積調(diào)節(jié)用彩色多普勒血流成像技術(shù)檢測血管， 如彩色的血流信號 “溢出 ” 血管外 除與增益調(diào)節(jié)過高有關(guān)，還由于取樣容積過大使彩色信號描繪的血流失真。彩色多普勒技術(shù)顯示的帆流大小，與血管的內(nèi)徑并不完全相等，不能用測量主彩色血流信號的粗細(xì)來代表血管的內(nèi)徑。應(yīng)恰當(dāng)調(diào)節(jié)取樣容積的大小，使血管內(nèi)的彩色血流信號完整地充盈血管，但又不 “溢出 ”到血管外，對低速、低流量的血流，可適當(dāng)增大取樣容積，

11、以便于 “捕捉 ”血流。彩色信號的增益調(diào)節(jié)增大增益調(diào)節(jié)，可使彩色的亮度增大，便于觀察，但增益增大后，噪音信號也被放大，干擾對彩色血流信號的觀察。對低速低流量的血流檢測，增益應(yīng)適當(dāng)增大，以便這些血流能清晰地顯示，但同時(shí)應(yīng)注意避免因增益過大而出現(xiàn)噪音信號，影響對血流的觀察，甚至造成假象。脈沖重復(fù)頻率的設(shè)定（PRF） 脈沖重復(fù)頻率 （PRF） 是探頭在單位時(shí)間內(nèi)重復(fù)發(fā)射超聲的次數(shù)，脈沖重復(fù)頻率越高，能檢測的血流速度越快，但檢測深度越淺。彩色多普勒使用的是脈沖多普勒技術(shù)，脈沖多普勒關(guān)于脈沖重復(fù)頻率與檢測深度、檢測血流速度的關(guān)系可應(yīng)用于彩色多普勒技術(shù)。發(fā)射超聲到達(dá)被檢測對象（檢測深度）、反射回聲被探頭接

12、收，都需要一定的時(shí)間，設(shè)檢測深度為D,超聲速度為C,則超聲由體表至檢測深度D 所需的往返時(shí)間 T 為：T=2D/C因此， PRF 與 T 的關(guān)系為PRF=1/TPRF 與檢測深度的關(guān)系，因脈沖重復(fù)頻率必須大于被檢測物體多普勒頻移（Fd） 的兩倍，才能顯示其頻移大小和方向：Fd1/2PRF避免發(fā)生頻率失真的最小PRF 為：PRF=2Fd脈沖重復(fù)頻率的 1/2 就是 Nyquist 頻率極限，即在脈沖重復(fù)頻率內(nèi)所能檢測的最大速度，脈沖重復(fù)頻率與檢測深度(R) 間的關(guān)系為：PRF=C/2R從上式可知，增大PRF ，使檢測深度變小，減低PRF ，可使檢測深度增大。在超聲儀上，調(diào)節(jié)取樣容積大小可用以調(diào)節(jié)

13、脈沖重復(fù)頻率，取樣容積的寬度為取樣深度處的超聲束直徑，其長度可調(diào)，取樣容積長度就是脈沖持續(xù)時(shí)間，脈沖持續(xù)時(shí)間短，脈沖重復(fù)頻率就增高。 取樣框大小的調(diào)節(jié) 電子相控陣探頭的扇形掃查角度， 在有些超聲儀是可變的， 例如 30 、 45 (50 ) 、60 、 90 (80 ) 。 當(dāng)使用超聲儀的彩色多普勒血流成像這一功能時(shí)， 有一取樣框用以觀察感興趣區(qū)的血流，取樣框的大小也可調(diào)節(jié)。 扇掃角度或取樣框大小 ( 主要調(diào)節(jié)取樣框的角度) 的調(diào)節(jié)， 主要與圖像的幀速有關(guān)。幀速即幀頻的快慢，在心血管檢測時(shí)非常重要，幀速太慢，時(shí)間分辨力下降，直接影響彩色血流成像的清晰度。有關(guān)幀速的公式如下：nTNF =1上式中

14、N為組成一幀圖像的掃描線數(shù)，T為發(fā)射脈沖的間隔時(shí)間(T =1/PRF) , n為在同一方向上發(fā)射超聲脈沖多普勒的數(shù)量， F 為幀速。因此，如想提高幀速，可通過降低T 即提高脈沖重復(fù)頻率 PRF 來達(dá)到，但 PRF 提高后， 能檢測的最大深度變小。 降低 n 和 N ，即減少單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射脈沖多普勒的數(shù)量和減少每幀圖像的掃描線數(shù)，后者即為縮小扇掃的角度或取樣框的角度。探頭頻率的選擇在脈沖重復(fù)頻率的設(shè)定中提及脈沖重復(fù)頻率與檢測最大深度和最大檢測速度的關(guān)系公式：PRF = C/2R= 2Fd合并上述兩式：Fd = C/4R多普勒頻移的經(jīng)典公式為：Fd 2f。VCos 9 /C將Fd = C/4R代人

15、多普勒頻移公式得下式：RV = C2/8f0 。從上式可知：發(fā)射超聲頻率f 。與能檢測的最大深度(R) 及最大速度 (V) 成反比，即超聲頻率越高，能檢測的最大深度及速度都降低。因此，檢測深部的血管需用較低的超聲頻率，例如2.03.5MHz，檢測高速血流也需用較低的超聲頻率，成人心血管常用2.O3.5MHz的探頭，表淺部位或探頭距病變部位距離近，例如甲狀腺、乳腺及經(jīng)直腸檢測前列腺、經(jīng)陰道檢測子宮及附件時(shí)，可用高至 6.07.0MHz的超聲頻率， 對低速血流在能達(dá)到被檢測血流的深度的前提下，也應(yīng)使用盡可能高的超聲頻率。10 余輝 (Persistence) 的調(diào)節(jié) 余輝在二維超聲成像時(shí)是指幀(圖

16、像 ) 重疊，用在彩色多普勒血流成像時(shí)，對低速度、低流量的血流，可使之顯示清晰，便于觀察。二、檢查方法彩色多普勒血流成像的檢查方法，與二維超聲成像的檢查方法相同。彩色多普勒血流成像是在二維超聲成像的基礎(chǔ)上，把血流的偽彩色編碼圖像疊加在二維超聲圖像上，因此，對各臟器、各系統(tǒng)的切面圖的運(yùn)用，完全與二維超聲成像相同。在完成二維超聲成像后，啟動(dòng)儀器上彩色多普勒血流成像的功能，進(jìn)行上述的儀器調(diào)節(jié)，就可完成檢查。三、彩色多普勒血流成像的意義即從彩色多普勒血流成像中，可觀察了解血流的有關(guān)特點(diǎn)及其意義。顯示出二維超聲成像中未能檢出的血流比較小的動(dòng)、 靜脈血管， 用二維超聲常常不能顯示其血管壁，非心血管系的其他

17、系統(tǒng)、器官，盡管位置比較表淺，也常見這種情況。例如顱內(nèi)血管，目前只有大腦中動(dòng)脈的片斷在部分患者中可顯示其血管壁。用彩色多普勒血流成像，可以使3mm以下的小血管的血流成像，因此可以檢出實(shí)質(zhì)臟器腫瘤如肝、腎等腫瘤的血流。2鑒別二維超聲成像的管道結(jié)構(gòu)是否血管用彩色多普勒血流成像檢查，如有血流成像，就是血管，而非其他結(jié)構(gòu)，這對腹腔器官、外周血管的檢測尤其具有診斷意義。例如膽道末端梗阻，肝內(nèi)膽管擴(kuò)張明顯，需與肝內(nèi)血管鑒別，用彩色多普勒血流成像，可很容易識出肝內(nèi)的血管。3識別血流成像的血管是動(dòng)脈或靜脈動(dòng)脈血流特征是有時(shí)相的差別，即收縮期血流充盈血管，且血流速度快，舒張期血流速度低，舒張?jiān)缙诳赡苡醒鞣D(zhuǎn)，

18、舒張中期及末期無血流充盈，外周動(dòng)脈這些特征尤其明顯。靜脈血流為持續(xù)存在，但速度低，血流速度受呼吸影響大。在彩色多普勒血流成像時(shí)，如速度標(biāo)尺調(diào)節(jié)較高，靜脈血流可不顯示或成像不充分，只有動(dòng)脈血管顯示，動(dòng)脈血流的成像呈閃動(dòng)出現(xiàn)，靜脈血流成像持續(xù)出現(xiàn)，用較低的速度標(biāo)尺時(shí)，動(dòng)脈血流成像的彩色信號亮度高，而靜脈血流成像的彩色亮度不如動(dòng)脈血流。當(dāng)動(dòng)脈、靜脈血管并列時(shí)，以上特征對比更為清晰，例如檢測腎動(dòng)脈和腎靜脈、腎的葉間動(dòng)脈和靜脈(interlobary artery 、 vein) ，可以很容易清晰地識別出動(dòng)脈、靜脈血管。4顯示血流的起源、走向、時(shí)相朝向探頭的血流以紅色信號表示，背向探頭的血流為藍(lán)色信號，

19、例如在心尖四腔圖，從左房到左室有一股紅色的血流信號，結(jié)合心血管的解剖生理知識，以及不同彩色標(biāo)志血流的方向，可以判斷血流起源于左房。右主動(dòng)脈竇瘤破裂向右室時(shí)，在收縮期、舒張期均有分流血流信號，室間隔缺損以左向右分流為主時(shí)，收縮期分流血流明顯，只要觀察到分流血流，可以判斷是收縮期的血流。5反映血流的性質(zhì)正常層流的彩色多普勒血流成像，彩色的血流信號顯示色彩比較均勻，用較低的速度標(biāo)尺時(shí)，血管腔中央部分彩色的亮度高于外緣近血管壁處，如用較高的速度標(biāo)尺，則為均勻的彩色，彩色信號的亮度從血管腔中央到外緣沒有差別。瓣口狹窄、以及心腔內(nèi)、心腔與大血管間的分流血流，在其最高速的部分即射流(jet f10w) ，

20、因流速常超過儀器測速度的 Nyquist 極限， 血流的彩色信號常出現(xiàn)彩色混疊。頸總動(dòng)脈的血流進(jìn)入頸動(dòng)脈分叉時(shí)，因管腔從大小均一突變?yōu)榕虼?，血流在膨大部的邊緣出現(xiàn)血流分離及旋渦流，即血流方向與頸總動(dòng)脈、頸動(dòng)脈分叉部中央的血流方向相反，用彩色多普勒檢測可清晰顯示頸動(dòng)脈分叉處的旋渦流。6表達(dá)血流速度的快慢動(dòng)脈管道中的血流速度分布特點(diǎn)為中央部分最快，越向邊緣速度越慢，管壁處的流速最慢。從彩色多普勒信號的亮度可大致反映上述流速的變化，如速度標(biāo)尺選擇適當(dāng)，從彩色的亮度反映流速的快慢是很直觀和清晰的。有些超聲儀可以加上另一種彩色，用以反映流速最快或最慢在那些區(qū)域。也可以用電子測速直接測量彩色亮度不同處的平

21、均流速，也可說明彩色亮度能反映流速的快慢。7指引頻譜多普勒的取樣位置彩色多普勒血流成像的彩色信號亮度，可以標(biāo)志流速的快慢，可以表示血流性質(zhì)，例如層流、射流等，因此根據(jù)彩色信號所表現(xiàn)的血流特點(diǎn)，可以指導(dǎo)頻譜多普勒的取樣位置，檢測到準(zhǔn)確的血流參數(shù)。四、彩色多普勒血流成像的應(yīng)用技術(shù)彩色多普勒血流成像疊加在二維超聲成像的圖像上，除與二維圖像同時(shí)顯示外，還可與M型、頻譜多普勒同時(shí)顯示。M型彩色多普勒M型能完整記錄到瓣膜、室壁、血管壁等的運(yùn)動(dòng)曲線，血流在上述結(jié)構(gòu)的各種運(yùn)動(dòng)時(shí)相時(shí)是否出現(xiàn)，流速的快慢，比從實(shí)時(shí)二維圖像上觀察更清晰，M型對心臟解剖結(jié)構(gòu)的顯示很清晰，對彩色多普勒血流成像也能成為非常有用的解剖標(biāo)志

22、。頻譜多普勒與彩色多普勒彩色多普勒血流成像可以引導(dǎo)頻譜多普勒的取樣位置， 如兩者能同步或接近同步，根據(jù)彩色血流信號的出現(xiàn)，可隨時(shí)修正頻譜多普勒的取樣。3彩色多普勒與其他超聲技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用與負(fù)荷試驗(yàn)并用，因負(fù)荷試驗(yàn)使血流速度增快、流量增大，彩色多普勒血流成像的靈敏度因此也提高，血流更易成像。與超聲造影并用，超聲造影可提高頻譜多普勒信號強(qiáng)度1525dB,同時(shí)也提高彩色多普勒信號的強(qiáng)度，超聲造影與彩色多普勒并用，可使血流更易被檢出。五、彩色多普勒的偽像及其鑒別由于彩色多普勒技術(shù)本身的缺陷、現(xiàn)有超聲儀性能存在的某些不足、以及對儀器調(diào)節(jié)不當(dāng)?shù)仍?，彩色多普勒與二維超聲成像技術(shù)相同，在應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)某些偽像，對這些偽像的正確識別，有助于防止錯(cuò)誤的判斷。1 超聲人射角度對彩色信號顯示血流方向的影響檢測髂總動(dòng)脈、 髂內(nèi)外動(dòng)脈等外周血管時(shí)，因血管較長，如呈水平顯示在熒屏上，因超聲入射角度的變化，如左側(cè)部分的血流信號為紅色，則右側(cè)部分的血流信號就變?yōu)樗{(lán)色，而正中部分因超聲束方向與血流方向垂直，沒有多普勒頻移，不顯示彩色信號。左側(cè)部分因血流方向與探頭的關(guān)系，呈朝向探頭流動(dòng)，而右側(cè)部分因血流方向呈背離探頭，故彩色信號的顏色與左側(cè)相反，但實(shí)際上血流在血管內(nèi)的流動(dòng)并無中斷，血流方向也無改變。2低頻運(yùn)動(dòng)引起的噪音信號心臟運(yùn)動(dòng)的傳播、血管壁的搏動(dòng)、呼