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1、第五章第五章 超声多普勒诊断仪器基本原理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信号的产生机理 超声多普勒诊断仪器的基本原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脉冲波式超声多普勒诊断仪器 彩色超声多普勒诊断仪器彩色超声多普勒诊断仪器目录目录5-1 5-1 超声多普勒信号的产生机理超声多普勒信号的产生机理 一、多普勒效应一、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
2、脏、血管、血流和胎儿心率的诊断，相应的一项技术。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、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。超声血流速度剖面测试仪等。0cvffcu 式中，式中，c为超声波在介质中的传播速度，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为波源相对于介质的运动速度，度，v为接收体行对于波源的速度。为接收体行对于波源的速度。0coscoscvffcu5-1 5-1 超声多普勒信号的产生机理超声多普勒信号的产生机理 在超声多普
3、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与与c，入射波、反射波与血流运动方向的夹角分别为（入射波、反射波与血流运动方向的夹角分别为（-i i)、r。在此过程中将存在。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：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：0cosicvffc 第二次频移，接收器接收运动目标反射或散射超声波，相
4、当于接收器静止、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：波源运动，接收频率为：0coscoscosrircffcvcvfcv5-1 5-1 超声多普勒信号的产生机理超声多普勒信号的产生机理 0(1coscos)irvvffcc02202221cos1cos1coscoscoscos1cosiririrrvcffvcvvvcccfvc22cv一般情况下，一般情况下，有有 00(coscos)Dirvffffc多普勒频移为：多普勒频移为：5-1 5-1 超声多普勒信号的产生机理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，
5、因此实际应用中，发射与接收装置通常固定在一个探头中，因此r i，则有，则有02 cosDvffc 如果血流方向朝向超声发射与接收探头时如果血流方向朝向超声发射与接收探头时(图图a)，fD0；反之，；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。频率的变化量并加以分析。5-1 5-1 超声多普勒信号的产生机理超声多普勒信号的产生机理 二、超声波与血流的相互作用二、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。超声波束与血流的相互作用是
6、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。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，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，直径约为的形状一般为扁平的圆盘状，直径约为8.5m，
7、中央下凹。以超声工作频率为，中央下凹。以超声工作频率为3MHz为例，其波长为为例，其波长为0.5mm，约为红细胞直径的，约为红细胞直径的60倍，因此红细胞是很好的倍，因此红细胞是很好的超声散射源。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。在红细胞容积率为细胞容积率为26时，出现最大的时，出现最大的 散射系数。散射系数。5-1 5-1 超声多普勒信号的产生机理超声多普勒信号的产生
8、机理 一般认为，在红细胞容积小于一般认为，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，则总散射功率胞在散射超声时，呈各向同性，则总散射功率P为：为：2PpcL r式中：式中：p为单个红细胞的散射功率为单个红细胞的散射功率 c为红细胞浓度为红细胞浓度 L为取样血管长度或截取血管的声束长度为取样血管长度或截取血管的声束长度 r为声束的直径为声束的直径 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
9、一个多普勒频移散射作用，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。即红细胞的运动速度，一般为每秒钟几十厘米。5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理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，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多普勒诊断仪更成为不可或缺的有力诊断工具。断工具。原理应用：运动结构（如心脏瓣膜）或原理应用：运动结构（如心脏瓣
10、膜）或散射子集合（如血管中的红细胞群体）反射散射子集合（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，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。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右图：超声多普勒胎音仪与彩色能量图5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 一、系统的一般结构一、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
11、及监测三大部分组成。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。图图5-1 超声多普勒诊断仪的一般结构示意图超声多普勒诊断仪的一般结构示意图 5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理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，这一过程称为取出多
12、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。多普勒频移解调包括非定。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。边带滤波法、外差法和正交相位解调法等。1、非定向解调：、非定向解调：血流的方向不能确定血流的方向不能确定 n相干解调相干解调 由于多普勒频移由于多普勒频移fD比超声发射频率比超声发射频率f0要小很多，较方便的检测方法是将回要小很多，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
13、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。相敏检测。5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 设发射的超声波信号设发射的超声波信号E(t)为参考信号，其幅值为为参考信号，其幅值为1，初相位为零，则，初相位为零，则E(t)为：为：02Dvc0()cosE tt0()cos
14、()DDDRtBtt回波中的频移信号为：回波中的频移信号为：0()cos()oOR tAt同时从静止目标返回的杂波信号为：同时从静止目标返回的杂波信号为：式中，式中，A、B分别为杂波和频移信号的幅值，分别为杂波和频移信号的幅值，D与与o分别为其相对于参考波的分别为其相对于参考波的初相位，初相位，D为多普勒角频移为多普勒角频移。5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 000()cos()cos()DDR tAtBtt杂波和频移信号的线性组合得到总的回波信号杂波和频移信号的线性组合得到总的回波信号R(t)：0000()cos()cos()cosDDD tAtBtt
15、t将发射信号将发射信号E(t)与回波信号与回波信号R(t)相乘，可得：相乘，可得：0000()cos(2)coscos(2)cos()22DDDDABD ttttt展开后得到：展开后得到：0()coscos()22LDDABD tt首先滤去信号中的高频分量（首先滤去信号中的高频分量（20），滤波后得到），滤波后得到5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 00()cosR tBt0()coscos()22LDDABD tt 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
16、分。通过相干解调已将载波（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）信号滤除，只留下频移信号，但是在处理过程中无法反映过程中无法反映D的正负号，因此损失了频移信号中所包含的方向信息。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。把为经过衰减和相移了的发射信号，但其频率保持不变。把R0(t)视为参考信号后，视为参考信号后，可取可取00，则有，则有00()coscos()DDR tAtBtt则回波信号则回波信号R(t)为：为：5-2 5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理超声多普勒诊断仪器的基本原理 00()coscos()DDR tAtBtt00000coscoscos()sinsin()cos()cossin()sinDDD
