CDFI原理及其質(zhì)量控制

CDFI原理及其質(zhì)量控制

【摘要】從物理學(xué)角度深入系統(tǒng)闡述了CDFI原理，探討了CDFI的偽像及其質(zhì)量控制對(duì)策。

【關(guān)鍵詞】CDFIMTI自相關(guān)技術(shù)彩色顯示偽像

奧地利物理學(xué)家多普勒于1842年發(fā)現(xiàn)，由于聲源與接收者之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使接收器接收到的頻率與聲源發(fā)出的不一樣，后人為了紀(jì)念他，把他發(fā)現(xiàn)的這種現(xiàn)象稱(chēng)為多普勒效應(yīng)。物理學(xué)及各個(gè)領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的發(fā)展表明，多普勒效應(yīng)絕不僅僅是聲波本身所單獨(dú)具有的，所有的波動(dòng)過(guò)程，包括超聲波、光波、無(wú)線(xiàn)電波等都能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。研究和應(yīng)用超聲波是由運(yùn)動(dòng)物體反射或散射所產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)的一種技術(shù)，即為超聲多普勒技術(shù)。實(shí)時(shí)彩色多普勒顯像或者稱(chēng)為彩色多普勒血流顯像，是采用脈沖超聲多普勒和B超混合成像的系統(tǒng)。

1CDFI原理

它是利用超聲多普勒原理對(duì)心臟和血管進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的最新診斷技術(shù)。主要是根據(jù)多普勒效應(yīng)和頻移規(guī)律在超聲顯像和超聲心動(dòng)圖的基礎(chǔ)上，利用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示器原理和自相關(guān)技術(shù)獲得血液中的紅血球動(dòng)態(tài)。比如紅血球的移動(dòng)方向、速度、分散情況等信息，同時(shí)濾去遲緩部位的低頻信號(hào)，然后將提取的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色、藍(lán)色、綠色的色彩顯示。目前的彩超利用先進(jìn)的實(shí)時(shí)二維彩色超聲多普勒成像系統(tǒng)，使血流圖像與B超同時(shí)顯示。這種圖像既能展現(xiàn)解剖圖像，也可以顯示心動(dòng)周期不同時(shí)相上的血流情況。

MTI

MTI是一種比較理想的顯示速度剖面的技術(shù)，它是將雷達(dá)運(yùn)動(dòng)技術(shù)中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示器的原理應(yīng)用于心臟瓣膜運(yùn)動(dòng)的超聲檢測(cè)，其實(shí)質(zhì)是檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)相繼返回的各回波的相位差，測(cè)出該目標(biāo)相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)速度和通過(guò)的距離。

設(shè)超聲脈沖重復(fù)頻率的周期為T(mén)p,運(yùn)動(dòng)目標(biāo)P離開(kāi)換能器的速度為vp，在兩個(gè)脈沖間隔期間，P將移動(dòng)一段距離ΔZp，即ΔZp=vp·Tp

這個(gè)ΔZp將引起P的回波有一個(gè)小延時(shí)Δtp，即超聲波到達(dá)目標(biāo)P的新位置時(shí)，來(lái)回所需時(shí)間增加了Δtp時(shí)間。

Δtp=(2vp·Tp)／C

由此產(chǎn)生了兩個(gè)信號(hào)之間的相位差Δφp，它等于超聲波的角頻率ω0與延時(shí)Δtp的乘積：Δφp=ω0·Δtp=ω0·(2vp·Tp)／C

上式說(shuō)明，沿著回波的每一點(diǎn)上，相位比較器的輸出正比于相應(yīng)距離上的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度vp，即目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度越大，相應(yīng)Δφp越大。

如果運(yùn)動(dòng)目標(biāo)是血流，則相位比較器的輸出代表了沿超聲路徑上的速度剖面。只要發(fā)射適當(dāng)數(shù)目的脈沖，就可應(yīng)用這種方法制成實(shí)時(shí)檢測(cè)的速度剖面測(cè)量?jī)x。

CDFI中使用的MTI，是由多普勒探頭向人體器官或組織發(fā)射超聲波。接收到的回聲是由運(yùn)動(dòng)粒子與組織回聲的合成，所以在測(cè)量血流速度時(shí)，接收到的信號(hào)往往包括諸如心壁、瓣膜、血管壁等反射的無(wú)用信號(hào)，它對(duì)血流信號(hào)形成干擾，實(shí)際上需要把這些無(wú)用的信號(hào)濾掉。濾掉這些無(wú)用信號(hào)的任務(wù)就是由運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示器完成的。當(dāng)探頭發(fā)射一次脈沖時(shí)，探頭會(huì)接收到壁層的反射及紅細(xì)胞反射的兩個(gè)反射信號(hào)，此后探頭發(fā)射下一個(gè)超聲波。眾所周知，紅細(xì)胞即血流的運(yùn)動(dòng)速度比壁層的移動(dòng)速度快得多。正是這個(gè)原因，第一次紅細(xì)胞反射的位置與第二次紅細(xì)胞反射的位置不一樣，而第一次壁層的反射波與第二次壁層的反射波的位置幾乎相同。相位比較器將第一次和第二次回波相減，壁層的反射回波就相消了。兩次回波相減之后，形成的第三種回波波形，只包含二次紅細(xì)胞回波相減的結(jié)果。實(shí)際上這便是我們要獲得的運(yùn)動(dòng)信息，即紅細(xì)胞兩次回波的多普勒頻移信號(hào)。

自相關(guān)技術(shù)

自相關(guān)技術(shù)是檢測(cè)兩個(gè)信號(hào)間的相位差的一種方法，這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)自相關(guān)器完成的。從根本上講自相關(guān)技術(shù)即是將從MTI獲取的流動(dòng)血液形成的兩個(gè)回聲的多普勒頻移信號(hào)轉(zhuǎn)換成該兩回聲信號(hào)之間的相位差。把從MTI獲取的多普勒頻移信號(hào)分解為一對(duì)正交信號(hào)，并分別用余弦函數(shù)和正弦函數(shù)表示。自相關(guān)檢測(cè)把這對(duì)正交信號(hào)分成兩路，一路直接送入混合乘法器，另一路通過(guò)一個(gè)延遲電路直接送入混合乘法器，經(jīng)混合乘法器的計(jì)算輸出一對(duì)正交信號(hào)cosΔφp和sinΔφp。先求得這一對(duì)信號(hào)的商tgΔφp=sinΔφpcosΔφp，再利用反正切函數(shù)，即可求得相位差Δφp。如果朝著同一個(gè)方向多次發(fā)射超聲波，并沿著回波的每一點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)式進(jìn)行分析，這時(shí)即使探頭和反射血細(xì)胞之間的距離不能知道，只要能檢測(cè)到接連發(fā)射的相鄰兩個(gè)超聲脈沖回聲之間的相位差Δφp，代入式，即可求得探測(cè)位置的血流速度vp。而相位差的正和負(fù)則指示了血流的方向。由于在混合自相關(guān)檢測(cè)器中，總是把輸出的正交信號(hào)中反射回聲脈沖的余弦部分和另一路中它前面的反射回聲脈沖的正弦部分組合在一起完成分析過(guò)程，所以這種信號(hào)處理技術(shù)稱(chēng)為自相關(guān)技術(shù)。

血流彩色顯示

彩色多普勒的血流顯像采用了彩色編碼的方式，將通過(guò)自相關(guān)技術(shù)處理的多普勒頻移信號(hào)經(jīng)頻率色彩編碼器轉(zhuǎn)換成彩色，實(shí)時(shí)地疊加在B型的黑白圖像上，從而被人的肉眼所分辨并用于診斷。彩色多普勒血流顯像儀采用國(guó)際照明委員會(huì)規(guī)定的彩色圖，它有紅、綠、藍(lán)三種基本顏色，其他顏色都是由這三種基本顏色混合而成的。根據(jù)三原色原理，可用紅色表示正向流，即表示當(dāng)相位差0°Δφp180°時(shí)血流朝向探頭的方向流動(dòng)。用藍(lán)色表示反向流，即表示當(dāng)相位差-180°Δφp0°時(shí)，血流背向探頭的方向流動(dòng)，并用紅色和藍(lán)色的亮度分別表示正向流和反向流的大小。流動(dòng)越快的血流，色彩越明亮；反之，流動(dòng)越慢，色彩越暗淡。此外用綠色及其亮度表示血流速度分散程度的大小。所謂分散就是血流的紊亂情況。當(dāng)一個(gè)像素中的紅血球都以基本相同的速度大致朝一樣的方向移動(dòng)時(shí)，稱(chēng)這種血流為層流。所顯示出來(lái)的一個(gè)像素中的平均速度、方向和各個(gè)紅血球的移動(dòng)基本一致，此時(shí)其色彩變動(dòng)較小。當(dāng)一個(gè)像素中的各個(gè)紅血球的移動(dòng)速度、方向皆不相同時(shí)，則稱(chēng)血流處于湍流狀態(tài)，此時(shí)色彩變動(dòng)較大。綠色的亮度，表示血流紊亂的程度，即越紊亂，綠色越明亮。如果血流圖像中某部位呈現(xiàn)黃色，則意味著該處血流朝向探頭方向且速度較分散。當(dāng)某一部位呈現(xiàn)青色時(shí)，則意味著該部位血流背向探頭方向，且速度較分散。

2CDFI的偽像及其質(zhì)量控制

所謂偽像即是由于成像系統(tǒng)原理上的不夠嚴(yán)密、技術(shù)方法的限制、方法上的不完善、診斷上的主觀(guān)推斷等客觀(guān)條件和人為因素造成的圖像畸變或假象，使檢測(cè)到的數(shù)據(jù)與真實(shí)情況有差異的均屬于偽像。由于超聲圖像失真造成的偽像可分為兩種情形：一種是形狀位置失真造成的偽像；另一種是亮度失真造成的偽像。CDFI的偽像由于其特殊的成像方法，主要的偽像有多普勒混疊和角度對(duì)彩超的影響等。

多普勒混疊

CDFI時(shí)血流速度是以彩色的亮度表示的。發(fā)生多普勒混疊時(shí)，主要表現(xiàn)為圖像的顏色將突然反轉(zhuǎn)，即彩色逆轉(zhuǎn)。并顯示相反的血流方向，比如紅色將變成藍(lán)色，或藍(lán)色將變成紅色。彩色逆轉(zhuǎn)會(huì)造成對(duì)血流方向的誤判。產(chǎn)生多普勒混疊的主要原因是顯示血流速度范圍受脈沖重復(fù)頻率的影響。在血流速度過(guò)快時(shí)，頻移過(guò)高，當(dāng)超過(guò)超聲脈沖重復(fù)頻率的閾值時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)多普勒混疊及鑲嵌狀圖像。

一維多普勒中，克服多普勒混疊現(xiàn)象采用基線(xiàn)移動(dòng)調(diào)節(jié)的方法，就是當(dāng)正向血流混疊時(shí)，調(diào)節(jié)基線(xiàn)下移，用于增大正向血流頻率的顯示范圍。同樣道理，在二維多普勒中，則常常使用彩色零線(xiàn)移動(dòng)調(diào)節(jié)方法消除混疊現(xiàn)象。

角度對(duì)彩超的影響

利用多普勒效應(yīng)公式，可以計(jì)算出超聲探頭發(fā)射超聲頻率和接收的回波頻率的差，即多普勒頻移：Δf=2f0vcosθc。即是說(shuō)，多普勒頻移Δf的大小，除取決于血流速度v和發(fā)射頻率f0外，還與速度矢量和聲束軸線(xiàn)間的夾角θ密切相關(guān)。當(dāng)θ=0°時(shí)，cosθ=1，此時(shí)多普勒頻移最大；而當(dāng)θ=90°時(shí)，cosθ=0，多普勒頻移也為零。在CDFI中，由于血流的色彩是由血流的方向決定的，所以即使是同一流向的血流，當(dāng)其處在與聲束夾不同角度時(shí)，血流的色彩也可能不同。例如，若血流從左向右流動(dòng)并在掃描扇面的左邊，血流速度沿超聲束上的分量是向上的，即朝向探頭方向，故呈現(xiàn)紅色。在掃描扇面的右邊，血流速度沿超聲束上的分量是向下的，即遠(yuǎn)離探頭方向，故呈藍(lán)色。而中間因血流方向與聲束方向垂直，故多普勒頻移為零，色彩呈現(xiàn)黑色。臨床要結(jié)合被檢查的具體情況，努力排除角度對(duì)多普勒檢查的干擾。表示二維彩色血流圖的采樣點(diǎn)越多就越能提高血流信噪比和檢查血流的靈敏度，但顯像幀速率就會(huì)降低。彩色顯像的角度范圍一般在30°～90°之間選擇。另外增加檢測(cè)深度將減少幀數(shù)。它們彼此制約，在實(shí)際臨床應(yīng)用中要合理兼顧。

3CDFI的臨床應(yīng)用

CDFI是應(yīng)用多普勒原理與B型圖像與M型超聲心動(dòng)圖相互結(jié)合，用彩色實(shí)時(shí)顯示血流方向和相對(duì)速度提供心臟和大血管內(nèi)血流的時(shí)間和空間信息。它可以同時(shí)顯示心臟某一斷面上全部血流束的分布及數(shù)目、腔室的大小；表現(xiàn)血流途徑及方向；辨別層流、湍流或渦流；測(cè)量血流束的面積、輪廓、長(zhǎng)度和寬度；清楚顯示血管結(jié)構(gòu)異常與血液動(dòng)力學(xué)異常的關(guān)系；也可以與M型心動(dòng)圖重疊，獲得觀(guān)測(cè)血流的時(shí)相資料。臨床應(yīng)用于心臟瓣膜病、先天性心臟病、心肌病、心臟腫瘤的無(wú)創(chuàng)傷診斷。

CDFI的優(yōu)點(diǎn)是血流圖像實(shí)時(shí)二維顯示直觀(guān)、形象、檢測(cè)快速，診斷靈敏度和準(zhǔn)確率都很高。

CDFI的出現(xiàn)，使超聲心動(dòng)圖發(fā)展到了一個(gè)新的階段，由于這種技術(shù)在無(wú)損傷的情況下顯示心血管內(nèi)的血流，所以不僅可以加