超声多普勒诊断仪器基本原理

第 五 章 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 基 本 原 理 超 声 多 普 勒 信 号 的 产 生 机 理 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 本 原 理 连 续 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 脉 冲 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 彩 色 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器目 录 5-1 超 声 多 普 勒 信 号 的 产 生 机 理 一 、 多 普 勒 效 应 超 声 多 普 勒 技 术 是 研 究 超 声 波 经 运 动 的 物 体 反 射 或 者 散 射 所 产 生 的 多 普 勒 效应 的 一 项 技 术 。 在 临 床 中 被 广 泛 应 用 于 心 脏 、 血 管 、 血 流 和 胎 儿 心 率 的 诊 断 ， 相应 的 仪 器 包 括 超 声 血 流 测 量 仪 、 超 声 胎 心 监 测 仪 、 超 声 血 管 显 像 仪 及 超 声 血 压 计 、超 声 血 流 速 度 剖 面 测 试 仪 等 。 0c vf fc u 式 中 ， c为 超 声 波 在 介 质 中 的 传 播 速 度 ， u为 波 源 相 对 于 介 质 的 运 动 速度 ， v为 接 收 体 行 对 于 波 源 的 速 度 。0coscosc vf fc u 5-1 超 声 多 普 勒 信 号 的 产 生 机 理 在 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 中 ， 声 源 与 接 收 器 通 常 固 定 不 动 ， 而 探 测 目 标 相 对声 源 与 接 收 器 存 在 一 定 的 运 动 速 度 。 假 设 入 射 超 声 波 频 率 、 声 速 分 别 为 f0与 c，入 射 波 、 反 射 波 与 血 流 运 动 方 向 的 夹 角 分 别 为 （ -i)、 r。 在 此 过 程 中 将 存 在两 次 多 普 勒 频 移 现 象 ， 第 一 次 频 移 ， 声 源 不 动 ， 运 动 目 标 接 收 超 声 波 的 频 率 为 ：0cos ic vf fc 第 二 次 频 移 ， 接 收 器 接 收 运 动 目 标 反 射 或 散 射 超 声 波 ， 相 当 于 接 收 器 静 止 、波 源 运 动 ， 接 收 频 率 为 ： 0 coscoscos rircf fc vc v fc v 5-1 超 声 多 普 勒 信 号 的 产 生 机 理 0(1 cos cos )i rv vf fc c 0 22 02 221 cos1 cos1 cos cos cos cos1 cosiri r i rrvcf fvcv v vc c c fvc 一 般 情 况 下 ， c2 v2 有 0 0(cos cos )D i rvf f f fc 多 普 勒 频 移 为 ： 5-1 超 声 多 普 勒 信 号 的 产 生 机 理 实 际 应 用 中 ， 发 射 与 接 收 装 置 通 常 固 定 在 一 个 探 头 中 ， 因 此 r i ， 则 有02 cosD vf fc 如 果 血 流 方 向 朝 向 超 声 发 射 与 接 收 探 头 时 (图 a)， fD0； 反 之 ， fD0。 （ a） （ b） 多 普 勒 频 移 量 是 多 普 勒 效 应 的 基 本 参 数 ， 多 普 勒 诊 断 仪 的 主 要 工 作 就 是 检 测频 率 的 变 化 量 并 加 以 分 析 。 5-1 超 声 多 普 勒 信 号 的 产 生 机 理 二 、 超 声 波 与 血 流 的 相 互 作 用超 声 波 束 与 血 流 的 相 互 作 用 是 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 础 。 超 声 在 人 体 内 传 播 过 程 中 ， 如 碰 到 尺 寸 比 超 声 波 波 长 小 的 障 碍 物 时 ， 就会 发 生 散 射 ， 此 时 障 碍 物 成 为 新 的 波 源 ， 向 四 周 辐 射 超 声 波 。 虽 然 人 体 血 液 成 分 非 常 复 杂 ， 但 超 声 散 射 主 要 来 自 红 细 胞 ， 而 血 小 板 的 散射 截 面 低 于 红 细 胞 的 0.1%， 一 般 情 况 下 只 需 考 虑 红 细 胞 对 超 声 的 散 射 。 红 细 胞的 形 状 一 般 为 扁 平 的 圆 盘 状 ， 直 径 约 为 8.5m， 中 央 下 凹 。 以 超 声 工 作 频 率 为3MHz为 例 ， 其 波 长 为 0.5mm， 约 为 红 细 胞 直 径 的 60倍 ， 因 此 红 细 胞 是 很 好 的超 声 散 射 源 。 红 细 胞 散 射 强 度 与 红 细 胞 的 浓 度 密 切 相 关 。 在 红 细 胞 容 积 低 于 10%情 况 下 ， 散 射 强 度 与 红 细 胞 容 积 呈 线 性 关 系 ； 高 浓 度 时 ， 则 呈 非 线 性 关 系 。 在 红细 胞 容 积 率 为 26 时 ， 出 现 最 大 的 散 射 系 数 。 5-1 超 声 多 普 勒 信 号 的 产 生 机 理 一 般 认 为 ， 在 红 细 胞 容 积 小 于 10%时 ， 由 于 红 细 胞 之 间 的 距 离 较 大 ， 每 个 红 细胞 在 散 射 超 声 时 ， 呈 各 向 同 性 ， 则 总 散 射 功 率 P为 ：2P pcL r式 中 ： p为 单 个 红 细 胞 的 散 射 功 率 c为 红 细 胞 浓 度 L为 取 样 血 管 长 度 或 截 取 血 管 的 声 束 长 度 r为 声 束 的 直 径 当 超 声 换 能 器 从 一 定 角 度 截 取 血 管 ， 运 动 的 血 流 经 过 声 场 时 ， 由 于 红 细 胞 的 散 射 作 用 ， 使 换 能 器 接 收 的 回 波 信 号 产 生 一 个 多 普 勒 频 移 f。 一 般 认 为 血 流 速 度即 红 细 胞 的 运 动 速 度 ， 一 般 为 每 秒 钟 几 十 厘 米 。 5-2 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 本 原 理 超 声 多 普 勒 效 应 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 被 人 耳监 听 、 用 仪 器 去 分 析 、 用 图 像 去 显 示 或 者 用 影 像 去 显 现 人 体 内 部 器 官 的 运 动 状 态 。右 图 ： 超 声 多 普 勒 胎 音 仪 与 彩 色 能 量 图 5-2 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 本 原 理 一 、 系 统 的 一 般 结 构超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 一 般 由 发 射 、 接 收 处 理 以 及 监 测 三 大 部 分 组 成 。 图 5-1 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 的 一 般 结 构 示 意 图 5-2 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 本 原 理 二 、 多 普 勒 频 移 信 号 的 解 调 方 法 由 接 收 换 能 器 收 到 的 回 波 信 号 除 了 有 运 动 目 标 的 多 普 勒 频 移 信 号 外 ， 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 ， 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 主 要 采 用 相 干 解 调 和 非 相 干 解 调 ； 定 向 解 调 有 单边 带 滤 波 法 、 外 差 法 和 正 交 相 位 解 调 法 等 。1、 非 定 向 解 调 ： 血 流 的 方 向 不 能 确 定 n 相 干 解 调 由 于 多 普 勒 频 移 f D比 超 声 发 射 频 率 f0要 小 很 多 ， 较 方 便 的 检 测 方 法 是 将 回波 信 号 的 频 率 与 发 射 超 声 波 频 率 进 行 比 较 ， 产 生 差 频 信 号 。 由 于 杂 波 与 发 射超 声 波 频 率 相 同 、 相 位 关 系 确 定 ， 所 以 杂 波 对 输 出 的 差 频 信 号 只 贡 献 一 个 直流 电 平 ， 经 滤 波 后 便 可 提 取 出 多 普 勒 频 移 信 号 。 该 过 程 称 为 相 干 解 调 ， 或 者相 敏 检 测 。 5-2 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 本 原 理 设 发 射 的 超 声 波 信 号 E(t)为 参 考 信 号 ， 其 幅 值 为 1， 初 相 位 为 零 ， 则 E(t)为 ： 02D vc 0( ) cosE t t 0( ) cos( )D D DR t B t t 回 波 中 的 频 移 信 号 为 ： 0( ) cos( )o OR t A t 同 时 从 静 止 目 标 返 回 的 杂 波 信 号 为 ：式 中 ， A、 B分 别 为 杂 波 和 频 移 信 号 的 幅 值 ， D与 o分 别 为 其 相 对 于 参 考 波 的初 相 位 ， D为 多 普 勒 角 频 移 。 5-2 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 本 原 理 0 0 0( ) cos( ) cos( )D DR t A t B t t 杂 波 和 频 移 信 号 的 线 性 组 合 得 到 总 的 回 波 信 号 R(t) ： 0 0 0 0( ) cos( ) cos( )cosD DD t A t B t t t 将 发 射 信 号 E(t)与 回 波 信 号 R(t)相 乘 ， 可 得 ： 0 0 0 0( ) cos(2 ) cos cos(2 ) cos( )2 2 D D D DA BD t t t t t 展 开 后 得 到 ： 0( ) cos cos( )2 2L D DA BD t t 首 先 滤 去 信 号 中 的 高 频 分 量 （ 20） ， 滤 波 后 得 到 5-2 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 本 原 理 0 0( ) cosR t B t 0( ) cos cos( )2 2L D DA BD t t 式 中 ， 右 边 第 一 项 是 杂 波 成 分 （ 与 时 间 无 关 的 直 流 分 量 ） ， 第 二 项 为 多 普 勒 频移 成 分 。 通 过 相 干 解 调 已 将 载 波 （ 0） 信 号 滤 除 ， 只 留 下 频 移 信 号 ， 但 是 在 处 理过 程 中 无 法 反 映 D的 正 负 号 ， 因 此 损 失 了 频 移 信 号 中 所 包 含 的 方 向 信 息 。n 非 相 干 解 调 以 杂 波 成 分 作 为 参 考 波 ， 并 与 多 普 勒 频 移 后 的 回 波 进 行 比 较 。 之 所 以 称 为非 相 干 解 调 ， 是 因 为 提 供 相 位 和 频 率 参 考 源 的 是 回 波 本 身 。 杂 波 信 号 R0(t)可 视为 经 过 衰 减 和 相 移 了 的 发 射 信 号 ， 但 其 频 率 保 持 不 变 。 把 R 0(t)视 为 参 考 信 号 后 ，可 取 0 0， 则 有 0 0( ) cos cos( )D DR t A t B t t 则 回 波 信 号 R(t)为 ： 5-2 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 本 原 理 0 0( ) cos cos( )D DR t A t B t t 0 0 00 0cos cos cos( ) sin sin( ) cos( )cos sin( ) sinD D D DD D D DA t B t t B t tA B t t B t t cos( ), sin( )D D D DX A B t Y B t 令 2 2 0 0 0( ) cos sin( ) sin( )R t X t Y t X Y t 则 有 ： 2 2 2 1/2( 2 cos( ) cos( )D D D DX Y A AB t A B t 考 虑 到 血 流 的 频 移 信 号 幅 度 远 小 于 杂 波 信 号 幅 度 ， 因 此 有 ： 0( ) cos( ) sin( )D DR t A B t t 此 时 ， 回 波 信 号 为 ： 利 用 一 般 的 整 流 、 滤 波 电 路 即 可 滤 除 载 波 ， 检 出 多 普 勒 频 移 信 号 。 连 续 多普 勒 诊 断 仪 一 般 采 用 该 方 法 进 行 解 调 。 5-2 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 本 原 理 2、 定 向 解 调 ： 同 时 检 测 出 血 流 速 度 与 方 向 信 息 。 包 括 单 边 带 解 调 法 、 外 差 解 调 法 及 正 交 相 位 解 调 法 。 n 单 边 带 解 调 法 图 5-2单 边 带 解 调 法 结 构 示 意 图 为 了 讨 论 方 便 ， 可 将 接 收 换 能 器 接 收 的 频 移 信 号 表 示 为 ：0 0( ) cos( ) cos( )D F F R RR t A t A t 式 中 ： AF、 F为 顺 流 多 普 勒 信 号 的 振 幅 和 频 移 ； AR、 R为 逆 流 多 普 勒 信 号 的 振 幅 和 频 移 。 5-2 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 本 原 理 在 实 际 解 调 时 ， 用 精 密 调 谐 的 射 频 滤 波 器 ， 在 频 移 信 号 中 将 多 普 勒 上 、 下边 带 ( 0+ F） 、 ( 0-R） 分 离 。 这 需 要 采 用 一 个 高 通 、 一 个 低 通 两 个 滤 波 器来 完 成 ， 分 别 让 超 声 回 波 经 放 大 后 的 多 普 勒 上 、 下 边 带 通 过 。 然 后 上 、 下 边 带在 独 立 的 通 道 中 进 行 相 干 解 调 ， 从 而 分 别 获 得 顺 向 和 逆 向 的 多 普 勒 频 移 信 号 ，同 时 获 得 血 流 的 流 速 与 方 向 信 息 。 但 该 方 法 对 电 路 要 求 极 高 ， 要 求 滤 波 器 必 须很 精 密 、 稳 定 性 能 好 。 图 5-3 单 边 带 滤 波 波 形 示 意 图 5-2 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 本 原 理 n 外 差 解 调 法 主 振 荡 器 产 生 的 高 频 信 号 0不 直 接 作 为 相 干 解 调 器 的 参 考 信 号 ， 而 是与 另 外 一 个 外 差 振 荡 器 产 生 的 信 号 h， 经 混 频 器 后 产 生 差 频 信 号 （ 0 - h ） 作 为 参 考 信 号 。 然 后 再 与 包 含 方 向 信 息 的 回 波 信 号 进 行 相 干 解 调 ， 使之 输 出 （ h F ） 和 （ h-R ） 的 信 号 ， 从 而 获 得 速 度 和 方 向 双 重 信 息 。 图 5-4 外 差 解 调 法 方 框 图 该 方 法 可 用 于 “ 连 续 波 式 ” 和 “ 脉 冲 波 式 ” 多 普 勒 诊 断 仪 器 。 5-2 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 本 原 理 在 ” 连 续 波 式 “ 工 作 方 式 时 ， 设 含 有 杂 波 、 顺 流 和 逆 流 分 量 的 回 波 信 号 R(t)可 表 示 为 ： 0( ) cos( )hH t t t 0 0 0( ) cos( 0) cos( ) cos( )F F F R R RR t A t B t t B t t 01( ) cos( ) cos( ) cos( )2F h F h F F R h R RD t A t B t t B t t 0 0 00 01( ) cos(2 ) cos(2 )2 cos(2 ) cos( )cos( ) cos( )h F F h FR R h R hF F h F R h R RD t A t t B t t tB t t t A tB t t B t t 混 频 输 出 的 外 差 信 号 （ 相 干 解 调 器 的 参 考 信 号 ） 可 表 示 成 ： 相 干 解 调 中 ， 两 信 号 相 乘 得 到 ： 由 低 通 滤 波 ， 滤 除 高 频 分 量 2 0后 得 ： 5-2 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 本 原 理 n 正 交 相 位 解 调 法 图 5-5 正 交 相 位 解 调 法 该 方 法 的 基 本 思 想 是 ： 先 检 出 多 普 勒 频 移 信 号 的 实 部 和 虚 部 ， 然 后 以 几种 不 同 的 方 法 加 以 处 理 ， 从 而 获 得 流 向 信 息 。 该 方 法 效 果 较 好 ， 在 定 向 型 多普 勒 诊 断 仪 中 使 用 较 多 ， 可 工 作 于 连 续 波 式 或 脉 冲 波 式 。 5-2 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 本 原 理 图 5-5 正 交 相 位 解 调 法 具 体 做 法 是 ： 将 回 波 信 号 经 放 大 后 分 两 路 进 入 两 个 相 干 解 调 器 ： 一 个 解 调 器的 参 考 信 号 取 自 主 控 振 荡 器 ， 称 为 直 接 通 道 ； 另 一 个 通 道 的 参 考 信 号 取 自 主 控 振荡 器 经 90o移 相 后 的 信 号 ， 称 为 正 交 通 道 。 这 两 个 参 考 信 号 频 率 相 同 ， 相 位 相 差90o。 5-2 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 本 原 理 设 接 收 信 号 为 R(t)（ 包 括 杂 波 、 顺 流 和 逆 流 分 量 ） ， 用 参 考 信 号 cos 0t与 R(t)相 干 解 调 ， 并 滤 去 20t高 频 部 分 ， 得 到 直 接 通 道 的 输 出 信 号 D(t)为 : 01 1 1( ) sin sin( ) sin( )2 2 2F F F R R RQ t A B t B t 1 1( ) cos( ) cos( )2 21 1( ) cos( 90 ) cos( 90 )2 2F F F R R Ro oF F F R R RD t B t B tQ t B t B t 01 1 1( ) cos cos( ) cos( )2 2 2F F F R R RD t A B t B t 正 交 通 道 的 参 考 信 号 为 cos (0t-90o)=sin0t,与 接 收 信 号 相 干 解 调 ， 滤 除 高频 信 号 ， 得 到 正 交 通 道 的 输 出 信 号 Q(t)：再 将 静 止 目 标 的 杂 波 信 号 滤 除 ， 可 得 ： 5-2 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 本 原 理 直 接 通 道 和 正 交 通 道 输 出 都 包 括 顺 流 和 逆 流 的 多 普 勒 频 移 信 息 ， 还 必 须 经 相域 或 者 频 域 处 理 技 术 进 行 分 离 才 能 检 测 出 血 流 的 方 向 信 息 。 将 正 交 通 道 输 出 的 Q(t)信 号 超 前 900,变 为 Q90O(t)， 再 与 D(t)求 和 后 得 到 逆 流信 号 ： 图 5-6 相 域 处 理 技 术 原 理 方 框 图 cos( )R R RB t 同 理 ， 直 接 通 道 经 相 域 处 理 后 只 留 下 顺 流 信 号 ： cos( )F F FB t 5-2 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 本 原 理 图 5-7 频 域 处 理 技 术 原 理 图 该 方 法 是 利 用 一 对 正 交 的 音 频 信 号 (cospt和 sinpt） 与 正 交 检 测 输 出 的 两 个 信号 Q(t)和 D(t)分 别 相 乘 ， 再 将 相 乘 结 果 相 加 混 合 为 一 个 通 道 输 出 。 输 出 信 号 将 同 时包 含 有 顺 流 信 息 与 逆 流 信 息 ， 该 方 法 得 到 的 频 移 信 号 虽 然 无 法 直 接 用 扬 声 器 或 者 表头 进 行 监 测 ， 但 可 以 利 用 频 谱 分 析 仪 分 析 。 5-2 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 本 原 理 三 、 多 普 勒 频 移 信 号 的 处 理 已 经 从 复 杂 的 回 波 信 号 中 将 多 普 勒 频 移 信 号 提 取 出 来 ， 信 号 提 取 出 来 后 ，还 必 须 作 进 一 步 的 处 理 ， 尤 其 对 脉 冲 多 普 勒 诊 断 仪 器 。 首 先 血 液 中 的 红 细 胞 运动 速 度 不 尽 相 同 ， 产 生 的 多 普 勒 频 移 也 各 不 相 同 ， 因 此 实 际 接 收 得 到 的 频 移 信号 是 各 种 不 同 频 率 合 成 的 复 杂 信 号 ， 即 有 一 定 的 带 宽 。 如 果 红 细 胞 速 度 分 别 小 ，则 带 宽 窄 ； 反 之 则 带 宽 大 。 因 此 只 有 对 回 波 信 号 进 行 经 频 谱 分 析 并 显 示 ， 才 可能 对 探 测 部 位 的 血 流 速 度 、 性 质 等 作 出 正 确 的 判 断 。 对 多 普 勒 频 移 信 号 的 处 理 方 法 ， 分 时 域 处 理 和 频 域 处 理 两 种 。 n 频 域 处 理 技 术 即 用 频 谱 分 析 仪 进 行 频 率 鉴 别 ， 并 测 量 功 率 谱 P()（ 每 个 频 率 反 射 回 波 强度 ） ， 该 技 术 在 多 普 勒 频 移 信 号 处 理 中 极 为 有 用 。 5-2 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 本 原 理 1、 多 通 道 频 谱 分 析 仪 由 一 排 窄 带 滤 波 器 组 成 ， 该 滤 波 器 的 中 心 频 率 由 低 到 高 ， 从 f1到 fN， 每 个 滤波 器 输 出 加 到 一 个 全 波 整 流 器 上 ， 产 生 一 单 极 性 波 形 ， 然 后 在 积 分 器 中 平 滑 处理 后 得 到 电 压 A(f1)到 A(fN)， 只 要 滤 波 器 的 带 宽 足 够 窄 且 保 持 一 致 ， 则 A(f)可 以表 示 输 入 信 号 在 该 频 率 的 功 率 。2、 扫 掠 滤 波 器 这 是 借 以 设 计 一 个 中 心 频 率 可 在 某 种 控 制 下 改 变 的 带 通 滤 波 器 ， 将 该 滤 波器 的 带 通 区 域 慢 慢 地 扫 过 多 普 勒 频 谱 区 域 ， 从 而 达 到 频 谱 分 析 的 目 的 。 5-2 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 基 本 原 理 3、 快 速 傅 立 叶 变 换 分 析 器 图 5-8 多 普 勒 信 号 的 FFT处 理 每 隔 一 定 时 间 对 采 集 到 的 频 移 信 号 采 样 一 次 ， 经 A/D转 换 ， 转 换 为 一 组 数字 信 号 。 再 经 FFT变 换 把 信 号 分 成 频 率 和 振 幅 两 个 分 量 ， 产 生 数 字 实 施 频 谱 显示 。 该 技 术 处 理 准 确 可 靠 ， 其 频 谱 可 真 实 反 映 采 样 处 血 流 的 详 细 分 布 。 5-3 连 续 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 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 。 一 、 工 作 原 理 图 5-9 多 连 续 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 原 理 框 图 5-3 连 续 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 1. 超 声 波 的 产 生 、 发 射 主 频 振 荡 器 产 生 并 输 出 频 率 为 f 的 振 荡 信 号 ， 送 入 发 射 驱 动 单 元 ，经 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 。 图 5-9 多 连 续 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 原 理 框 图 2. 频 移 信 号 的 检 测 接 收 到 的 频 率 为 f的 超 声 回 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 。 5-3 连 续 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 图 5-9 多 连 续 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 原 理 框 图 5-3 连 续 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 3. 频 移 量 的 获 得 2个 输 入 信 号 分 别 为 ： 高 频 放 大 单 元 送 来 的 f电 信 号 ； 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 f f f从 输 出 端 口 送 出 。 图 5-9 多 连 续 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 原 理 框 图 5-3 连 续 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 缺 点 ： 所 有 运 动 目 标 产 生 的 多 普 勒 信 号 混 叠 在 一 起 ， 无 法 辨 别 信 息 产 生 的确 切 部 位 ， 没 有 距 离 信 息 。 5-4 脉 冲 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 由 于 连 续 波 波 束 内 的 任 何 运 动 目 标 都 对 最 后 输 出 的 多 普 勒 信 号 有 贡 献 ， 无 法分 辨 目 标 的 位 置 信 息 。 对 连 续 超 声 波 发 射 进 行 脉 冲 幅 度 调 制 ， 产 生 超 声 波 脉 冲 信号 ， 即 为 脉 冲 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 。 结 合 脉 冲 回 波 系 统 的 距 离 鉴 别 能 力 和 连 续 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 的 速 度 鉴 别能 力 ， 应 用 范 围 更 广 。一 、 工 作 原 理 超 声 探 头 作 为 声 源 发 射 一 组 超声 脉 冲 波 后 ， 又 作 为 接 收 器 接 收 超声 回 波 信 号 ， 但 是 并 不 接 收 所 有 的回 波 信 号 ， 而 是 在 一 选 择 性 的 时 间 延 迟 tk后 ， 才 开 始 接 收 回 波 信 号 。 图 5-10 距 离 选 通 原 理 示 意 图 5-4 脉 冲 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 图 5-10 距 离 选 通 原 理 示 意 图 首 先 ， 在 t0时 刻 ， 由 超 声 换 能 器 产 生 一 超 声 脉 冲 信 号 ， 射 向 人 体 内 探 测目 标 。 在 接 收 信 号 中 ， 来 自 浅 表 的 回 波 信 号 比 来 自 深 部 的 回 波 信 号 更 早 地 到达 换 能 器 ， 调 节 取 样 脉 冲 延 时 tk， 选 出 深 度 为 R=ctk/2处 、 厚 度 为 R=ct/2的探 测 部 位 的 回 波 信 号 ， 将 其 它 深 度 的 信 号 全 部 抑 制 ， 达 到 距 离 选 通 的 目 的 。 5-4 脉 冲 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 图 5-11 脉 冲 波 式 多 普 勒 系 统 基 本 组 成 框 图 二 、 基 本 结 构n 主 振 荡 器 产 生 一 正 弦 波 振 荡 信 号 ， 其 频 率 为 换 能 器 的 谐 振 频 率 。n 在 脉 冲 重 复 频 率 发 生 器 控 制 下 ， 通 过 发 射 门 将 连 续 的 正 弦 波 信 号 调 制 成 矩 形脉 冲 调 幅 的 调 制 波 ， 重 复 频 率 为 fp， 经 发 射 放 大 器 放 大 去 激 励 换 能 器 产 生 发射 脉 冲 波 束 。 5-4 脉 冲 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 图 5-11 脉 冲 波 式 多 普 勒 系 统 基 本 组 成 框 图 n 由 延 时 门 产 生 一 段 时 延 ， 以 便 接 收 所 选 深 度 的 回 波 ， 经 距 离 门 送 至 解 调 器 上 ，与 主 振 荡 器 作 相 干 处 理 ， 产 生 多 普 勒 信 号 输 出 。n 为 了 获 得 较 为 平 滑 的 输 出 波 ， 必 要 式 还 可 采 用 “ 采 样 保 持 ” 技 术n 然 后 由 滤 波 器 滤 除 杂 波 及 脉 冲 重 复 频 率 成 分 ， 供 扬 声 器 监 听 或 者 作 进 一 步 频谱 分 析 。 5-4 脉 冲 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 发 射 脉 冲 与 接 收 回 波 之 间 的 相 位 差 为 ： 2 k Rc 2 2kd dR vdt c dt c 2 k Tf 2 kT dd fdt dt kfT为 超 声 波 频 率 ， 为 延 时 量 。将 上 式 左 右 两 边 对 时 间 求 一 阶 导 数 ， 得 ： 又 因 为 ， 可 得 ： 5-4 脉 冲 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 22 Td vfdt c 22 D T vf f c而 相 位 随 时 间 的 变 化 率 即 为 频 率 （ 多 普 勒 频 移 ） ， 即 5-4 脉 冲 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 能 够 检 测 到 的 最 大 多 普 勒 频 率 只 能 是 脉 冲 重 复 频 率 f p的 一 半 ， 即 max 8 8p pTfcv ff max 2pD ff 相 应 的 最 大 可 测 量 速 度 为 ： 三 、 速 度 限 制 如 果 目 标 的 运 动 速 度 v远 小 于 超 声 速 度 c， 那 么 多 普 勒 频 移 fD远 小 于 超 声 波 频率 fT. 在 超 声 脉 冲 碰 击 目 标 的 短 时 间 内 ， 目 标 移 动 过 的 距 离 只 占 超 声 波 长 的 一 个很 小 部 分 ， 因 此 在 单 个 脉 冲 中 不 可 能 观 察 到 多 普 勒 频 移 分 量 引 起 的 相 位 改 变 。但 是 在 许 多 脉 冲 的 周 期 内 ， 由 于 目 标 可 以 移 动 相 当 远 ， 在 相 继 返 回 的 各 回 波 的相 位 ， 已 有 显 著 的 变 化 。 5-4 脉 冲 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 max max 16cR v max 12 pR cT 四 、 距 离 速 度 限 制 除 了 受 速 度 限 制 外 ， 脉 冲 多 普 勒 系 统 与 B超 成 像 系 统 一 样 ， 还 有 最 大 距 离限 制 。 因 为 必 须 等 待 最 远 距 离 目 标 的 回 波 到 达 后 ， 换 能 器 才 能 发 射 下 一 个 超 声脉 冲 ， 最 大 距 离 Rmax为 ： 所 以 对 于 常 规 的 脉 冲 多 普 勒 诊 断 仪 ， 能 检 测 的 最 大 速 度 与 最 大 距 离 的 乘 积 为 一 个 常 数 ， 所 以 要 提 高 其 中 一 个 ， 必 定 以 降 低 另 外 一 个 作 为 代 价 。 5-4 脉 冲 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 五 、 主 要 技 术 指 标1、 超 声 波 频 率 fT （ 载 波 频 率 ） fT高 则 波 长 短 ， 距 离 分 辨 率 高 ， 对 同 一 目 标 获 得 的 多 普 勒 频 移 也 较 高 。但 是 fT高 ， 超 声 波 在 介 质 中 的 衰 减 快 ， 探 测 深 度 会 受 到 限 制 。2、 脉 冲 重 复 周 期 TP 决 定 最 大 探 测 深 度 和 可 测 量 的 最 大 流 速 。 3、 可 测 量 的 最 大 流 速 5-4 脉 冲 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 六 、 脉 冲 波 式 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 的 分 类1、 距 离 选 通 式 2、 多 通 道 式 采 用 距 离 选 通 技 术 的 单 通 道 脉 冲 多 普 勒 系 统 ， 由 于 逐 点 探 测 测 量 ， 因此 探 测 时 间 长 。 如 对 股 动 脉 进 行 单 独 端 面 扫 描 ， 找 到 血 管 需 要 3分 钟 。 采用 多 通 道 对 不 同 探 测 点 同 时 采 集 回 波 信 号 ， 则 可 以 大 大 缩 短 扫 描 时 间 。3、 定 向 式 利 用 单 边 带 解 调 、 外 差 解 调 和 正 交 相 位 解 调 法 将 血 液 流 动 方 向 信 息 检 出 。 4、 显 像 式 5-5 彩 色 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 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 技 术 。 一 维 多 普 勒 技 术 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 ， 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 血 流 成 像 仪 是 采 用 脉 冲 多 普 勒 技 术 和 B超 混 合 成 像 的 系 统 。其 基 本 原 理 是 ： 利 用 多 通 道 选 通 技 术 在 同 一 时 间 内 获 得 多 个 采 样 容 积 上 的 回波 信 号 ， 结 合 相 控 阵 扫 描 对 此 断 层 上 采 样 容 积 的 回 波 信 号 进 行 频 谱 分 析 或 自相 关 处 理 ， 获 得 速 度 大 小 、 方 向 和 方 差 信 息 ； 同 时 滤 除 静 止 组 织 的 低 频 信 号 ，再 将 提 取 的 信 号 转 变 成 红 色 、 蓝 色 、 绿 色 的 色 彩 显 示 。 将 血 流 图 象 和 B超 图 象 同 时 显 示 ， 不 仅 可 以 展 示 脏 器 的 解 剖 图 象 ， 还 可 以 显 示 在 心 动 周 期 不 同 时刻 的 血 流 情 况 。 5-5 彩 色 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 彩 色 多 普 勒 血 流 成 像 系 统 （ 彩 超 ） 的 特 点 ：（ 1） 彩 色 血 流 图 象 是 显 示 在 B超 图 象 上 的 ， 因 此 二 维 多 普 勒 血 流 取 样 必 须 与 B超 图 象 的 纤 细 重 合 。 为 了 满 足 这 一 点 ， 用 同 一 个 高 速 相 控 阵 扫 描 探 头 来 实 现 两 种 显 示 。（ 2） 二 维 彩 色 多 普 勒 系 统 中 ， 要 在 一 条 声 束 上 进 行 多 次 采 样 ， 且 相 邻 两 个 采 样 信 号 所 包 括 的 血 流 信 息 都 不 相 同 ， 广 泛 采 用 自 相 关 技 术 作 信 号 处 理 。（ 3） 血 流 图 象 是 叠 加 在 B超 图 象 上 的 ， 脏 器 的 B超 图 象 以 黑 白 显 示 ， 血 流 以 彩 色 显 示 与 脏 器 组 织 区 分 开 来 。 5-5 彩 色 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 一 、 工 作 原 理 图 5-12 彩 色 多 普 勒 诊 断 仪 基 本 原 理 框 图 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 。 5-5 彩 色 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 图 5-12 彩 色 多 普 勒 诊 断 仪 基 本 原 理 框 图 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 。 5-5 彩 色 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 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 出 频 移 量 f， 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 t， 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 。 自 相 关 信 号 处 理 在 混 合 自 相 关 检 测 器 中 ， 把 输 出 的 正 交 信 号 中 回 波 脉 冲 的 余 弦 部 分 与令 一 路 中 它 前 面 的 回 波 脉 冲 的 正 弦 部 分 组 合 在 一 起 ， 完 成 分 析 过 程 。 5-5 彩 色 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 二 、 信 号 输 出 的 显 示 方 式 彩 色 多 普 勒 的 血 流成 像 采 用 了 彩 色 编 码 的方 式 ， 将 自 相 关 技 术 处理 的 多 普 勒 频 移 信 号 经频 率 色 彩 编 码 器 转换 成 彩 色 ， 实 时 地 叠 加在 B型 超 声 的 黑 白 图 象上 。 采 用 国 际 照 明 委 员 会 规 定 的 彩 色 图 ， 采 用RGB三 基 色 ， 红 色 表 示正 向 血 流 、 蓝 色 表 示 反相 血 流 ， 并 用 红 色 和 蓝色 的 亮 度 表 示 流 速 大 小 。用 绿 色 及 其 亮 度 表 示 血流 出 现 湍 流 或 者 紊 乱 的程 度 。 图 5-13 血 流 的 彩 色 显 示 规 律 5-5 彩 色 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 彩 色 多 普 勒 血 流 显像 5-5 彩 色 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 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 。 速 度 方 式 显 示 5-5 彩 色 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 超 声 射 向 流 动 的 红 细 胞 ，接 收 到 红 细 胞 散 射 回 声 ，提 取 Doppler shift （ 多 普 勒 频 移 ） ， 经 处 理 ， 形 成 频 谱 显示 。 频 谱 在 base line以 上 者 为 迎 向 探 头 的 血流 ， base line以 下 者为 离 开 探 头 的 血 流 。 5-5 彩 色 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 功率方式显示 把 提 取 红 细 胞 散射 的 多 普 勒 信 息 ， 用积 分 法 处 理 。 彩 色图 像 也 叠 加 在 二 维 声像 图 上 。 此 法 与 红 细 胞 散 射的 能 量 强 度 有 关 ， 与 频 移 无 关 ， 故 无 方 向性 ， 不 存 在 混 叠 。 5-5 彩 色 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 四 、 临 床 效 果 评 析 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 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 。 5-5 彩 色 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 五 、 彩 超 的 局 限 性 彩 色 多 普 勒 血 流 图 是 在 二 维 影 像 的 每 条 扫 描 线 上 采 用 脉 冲 波 式 多 普 勒技 术 进 行 多 门 选 通 ， 收 集 大 量 血 流 信 息 ， 再 经 过 处 理 将 其 以 彩 色 表 示 的 血流 速 度 叠 加 在 二 维 图 象 上 ， 是 一 种 二 维 的 多 普 勒 技 术 。 优 点 是 可 以 显 示 血流 的 部 位 、 形 状 和 分 布 。 但 是 也 存 在 一 些 局 限 性 ， 目 前 可 归 纳 如 下 ：n 显 示 血 流 速 度 范 围 受 脉 冲 重 复 频 率 的 影 响 ， 因 此 显 示 高 速 血 流 时 会 出 现色 彩 重 叠 及 镶 嵌 状 图 象 。 如 果 有 多 个 部 位 在 同 一 画 面 出 现 上 述 情 况 ， 同时 又 有 湍 流 出 现 时 ， 分 析 判 断 血 流 此 时 的 状 态 就 会 发 生 困 难 。 n 受 每 秒 帧 数 范 围 的 影 响 。 为 了 获 得 较 大 范 围 的 彩 色 血 流 显 示 ， 每 秒 帧 数必 然 减 少 ， 使 图 象 实 时 程 度 减 低 。 如 果 为 了 提 高 帧 数 减 小 扫 描 角 度 ， 则会 影 响 对 整 体 结 构 血 流 的 判 断 。 5-5 彩 色 超 声 多 普 勒 诊 断 仪 器 n 二 维 图 像 质 量 与 彩 色 多 普 勒 血 流 现 象 之 间 相 互 兼 顾 ， 但 往 往 出现 需 要 彩 色 血 流 显 示 清 晰 时 ， 二 维 图 象 质 量 却 减 低 。n 血 流 显 像 受 仪 器 性 能 影 响 。 同 一 血 流 不 同 仪 器 即 使 在 增 益 相 同情 况 下 也 可 有 不 同 的 显 示 效 果 。n 彩 色 多 普 勒 血 流 图 采 用 的 是 自 相 关 技 术 ， 可 迅 速 技 术 出 血 流 速度 、 血 流 方 向 和 速 度 方 差 ， 但 是 无 法 提 供 流 速 的 瞬 时 分 布 ， 不能 定 量 分 析 峰 值 流 速 。