醫(yī)學超聲儀器原理 8講 超聲多普勒原理與儀器

醫(yī)學超聲儀器原理第8講超聲多普勒原理與儀器UltrasoundDopplerPrincipleandInstrument醫(yī)學超聲儀器原理本講內(nèi)容1.Hemodynamics2.DopplerEffect3.SpectralDopplerDisplays4.

Color-DopplerDisplays5.CodedExcitation

超聲多普勒血流測量多普勒血流信號頻譜示意圖血流速度測量與成像中所要獲知的信息是：

1.流速方向；

2.流速幅度；

3.流速在血管中的分布；

4.被測血管離人體表皮的深度和角度；

5.血管內(nèi)徑大?。?/p>

6.血流動態(tài)速度譜。連續(xù)波式超聲多普勒連續(xù)波式超聲多普勒成像儀原理示意圖

ContinuousWaveDoppler,CW發(fā)射信號接收信號乘法器解調(diào)低通濾波和音頻放大設超聲在人體內(nèi)的速度為1540m/s，超聲的工作頻率為2.5MHz，頸動脈收縮期血流峰值速度(PSV)、約為300cm/s，舒張末期血流速度(EDV)約為60cm/s，多普勒角為60度。則這時多普勒頻移為：音頻范圍為約20Hz～20kHz頻移按血流搏動的有節(jié)律地變化多普勒胎兒心率監(jiān)護血流方向信息的提取1.單邊帶直接分離法是分別用一個高通濾波器和一個低通濾波器把上下頻帶直接分離的方法，它是無線電雷達通訊設備的一種原理。2.外差式檢測法是把信號的整個頻譜從射頻段平移到音頻范圍或中頻范圍，然后進行邊帶分離的方法。3.正交相位檢測法發(fā)射信號接收信號式中：A+

和f+

分別是正向流產(chǎn)生的幅度和頻移；

A-

和f-

分別是正向流產(chǎn)生的幅度和頻移。經(jīng)過解調(diào)后濾波后正反血流信號的分離(1)時域處理設在只有正向血流時，A-=0。此時，VA在時間上領先VB。邏輯電路判斷為正向，KA合上，KB斷開，VA通過。同理只有反向流存在時候，VB通過。正反向血流都存在時，時域處理方法不合適。正反血流信號的分離(2)相域處理★

VB

經(jīng)過90°相移后變?yōu)閂'B正反血流信號的分離(3)頻域處理經(jīng)過頻域處理，把信號頻譜移到fp

的兩邊。f>fp

的信號相當于正向流；f<fp

的信號相當于反向流。和外差式檢測方法相比，正交檢測方法濾除了血管壁運動產(chǎn)生的強回波信號。血流速度的提取從前面處理過的多普勒血流信號中提取速度信號，即是頻率-電壓轉(zhuǎn)換的問題。1.過零檢測方法基本原理是統(tǒng)計波形在單位時間里過零的次數(shù)N，用它來近似表示血流的平均速度V。式中，P(f)是信號的功率譜，為平均頻率。(1)，(2)為功率譜的方差二階矩一階矩2.平均頻率解調(diào)器微分得由3.頻譜分析法設我們知道把VC代入式中，

+=2f+,

+=2f+。上述算法采用FFT實現(xiàn)。4.自相關方法血流流速信號是大量血紅細胞（直徑d<<λ

聲波波長）產(chǎn)生散射運動的一個統(tǒng)計結果，因此它具有近似平穩(wěn)隨機信號的特性。它的速度值是一個統(tǒng)計分布，因此它具有數(shù)學期望平均頻率值ω

和方差分布值σ2。由于自相關函數(shù)和功率譜密度是一對傅立葉變換對，通過它們與平均流速和流速方差的內(nèi)在關系可以得到一個相對簡單的表示結果。這個結果是彩色多普勒血成像的數(shù)學理論基礎。設經(jīng)過正交解調(diào)并濾除血管壁運動多普勒低頻信號和其它噪聲信號后的音頻多普勒信號為：分別表示血流平均速度和方差(速度分散程度)。功率譜P(·)和自相關函數(shù)R(·)是一對傅里葉變換對，即自相關函數(shù)的一階和二階導數(shù)分別為能不能實時提取血流速度？脈沖波式超聲多普勒成像距離選通技術距離選通的目的是：有選擇地對人體深處的某一血管和心腔各瓣膜處的血流及分布進行測量。脈沖重復頻率FPR

，與掃描深度的關系FPR扇形掃描距離選通脈沖多普勒血流儀原理圖主振脈沖重復頻率：FPR

2fDmax

最大探測深度：最大可測的血流速度：制約關系：?多普勒頻譜顯示超聲多普勒頻譜圖血流測量中的定量計算1.血流速度、血流量和血流指數(shù)的計算血流速度：血管中由于流動粘性摩擦力的存在，流層間必然出現(xiàn)速度梯度，即瞬時速度。由距離選通數(shù)據(jù)和FFT譜分析數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的微處理器上可方便地計算：

a.管腔橫截面上所有紅細胞的空間平均瞬時速度；

b.將某一時間的空間平均速度按時間平均得到管腔中血流的時間平均速度。血流量：流量Q

等于管腔橫截面積A

和空間平均流速（頻譜圖上的流速積分）VS

的乘積：Q=A

VS。

由于屏顯的所測得的尺寸與實際尺度有比例偏差，因此需要測量屏幕上尺度進行修正。血流指數(shù)：（1）S/D比值：S表示收縮期最高血流峰值；D表示舒張末期最低血流速度。

S/D正常值為1.20±0.15，S/D>7.5則血管狹窄。（2）阻力指數(shù)RI：RI=(S-D)/S，正常值為0.55～0.75之間。RI>0.75表明周圍血管阻力增高；RI<0.55表明周圍血管阻力降低。（3）搏動指數(shù)PI：PI=(S-D)/TAPV，TAPV表示速度平均值。PI對衡量血管管腔的阻塞有價值。2.心功能參數(shù)的計算心臟壓力階差測定：狹窄二尖瓣口的壓力差可定量表示為△P=4V2max（簡化的Bernouli方程）最大峰值的階差計算是把最大峰值的頻差代入多普勒公式算出Vmax，并代入上述公式計算可得。平均壓力階差計算方法是：（1）由頻譜圖包絡線中的速度曲線通過上述公式換算出壓力階差曲線；（2）求出壓力梯度積分：（3）求舒張期的平均壓力差：式中t2-t1

為舒張期時間。同樣可用此法算出主動脈瓣口、肺動脈瓣口的平均壓力階差。心臟血流量的測定：臨床常用的是心搏出量Qb

和心排出量Qp，分別表示為Qb(ml)=v(cm/s)

×A(cm2))

×TR(s)Qp(ml)=v(cm/s)

×A(cm2)

×60(s)式中v

表示平均血流速度，A為血管或瓣膜口面積，TR為R-R間期＝60s／心率。脈沖式多普勒成像儀結構框圖脈沖式多普勒成像儀工作原理整機由主控制單元、發(fā)射單元、探頭單元及接收處理單元中的多普勒信號處理通道和B（M）型輝度調(diào)制處理通道組成。主控制單元是以中央微處理器、超聲頻率振蕩發(fā)生器為核心的中樞機構，它可以改變振蕩器發(fā)生的頻率f，控制發(fā)射單元中脈沖形成的周期（或脈沖重復頻率FPR），協(xié)調(diào)探頭的收、發(fā)工作狀態(tài)以及啟、閉接收電路中的距離選通門。振蕩器產(chǎn)生的超聲波頻率信號分為兩路：一路送至發(fā)射電路中的門控電路，供其調(diào)制成脈沖信號送出；另一路傳至接收電路中作為原始信號的相位參考標準。多普勒回波的信息與顯示超聲波束每發(fā)收一次收集了從脈沖開始到最深探測距離的所有頻移。式中：i

為掃描線的順序號；A為組織器官分量；a,b分別為各個頻移的分量上面是針對血管中某一時刻不同血流速度分布情況下的頻移譜。如果血管中有相反的流向，頻移譜的波形是怎樣的？將一次超聲脈沖所接收的頻移譜的幅度用不同灰度來表示。將下一次超聲脈沖所接收的頻移譜信息依次排列。Y軸表示：頻移Hz，或者是血流的速度X軸表示：以重復頻率為衡量的時間Z軸(亮度)表示：譜的幅度三種血管情況的多普勒譜的波型脈沖重復頻率：FPR

2fDmax

?脈沖重復頻率：FPR

2fDmax

最大可測的血流速度：彩色超聲多普勒血流成像

ColorDopplerflowimaging,CDFI彩色血流成像的因子：平均血流大小、方向、譜值、方差σ2。血流圖像區(qū)域的選擇彩色多普勒血流成像掃描示意圖彩色成像坐標彩色多普勒血流成像掃描順序圖這里的v

是這個區(qū)域的血流速度的均值，其大小和不得不用顏色表示COLORENCODING流向探頭背離探頭流向探頭背離探頭心臟血流成像彩色定義根據(jù)三原色原理紅色代表正向血流，朝向探頭的流動；藍色代表反向血流，離開探頭的流動；綠色代表方差的大小，即湍流的程度大??；亮度分別代表流速和方差幅度的大小。彩色多普勒血流圖的特點由于多普勒角的作用，掃描線方向會使圖像顯示的顏色也不同。BeamSteeringCDFI的系統(tǒng)組成三項工作：B/M