(完整版)医学超声原理-第十三讲--多普勒测血流

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➢ 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,然后通过人耳监听、仪器分析、 图像显示或者用影像去显现人体内部器官的运动 状态。
单点运动目标的多普勒效应
单个点目标在连续被多普勒血流计的超 声波束中运动时,它的超声波形和相应的频 谱如下图所示。图(b)和(c)表示发射波形与谱 线。点目标的运动可以分解成两个分量,一 个与波束轴平行,另一个与波束轴垂直。前 者产生多普勒频移信号,后者引起反射波的 幅度调制如图(d),频谱如图(e)。幅度调制也 出现在多普勒差频信号中,如图(f),使多普 勒信号的频谱展宽如图(g)。
一 多普勒效应
1842年奥地利物理学家多普勒(Doppler) 发现并研究了声波的“频移”现象,后被命 名为“多普勒效应”。
此效应是指波源将某一频率的波以一种固定 的传播速度向外辐射时,如果波源与接收系统 产生相对运动,则所接收到的波的频率会发 生变化(即频移)。
Doppler effect
与本PPT配套的指定教材
目前,关于生物医学超声的参考书很多;但是 从教十年多来,一直很难找到一本非常适合本 科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的 主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理 基础,压电效应与换能器技术,超声成像诊断 原理,超声治疗技术,医学超声实验,医学超 声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练 习与思考题,以帮助读者巩固书中的内容,并 提高分析解决问题的能力。为配合双语教学, 本书保留了关键专业词汇的中英文对照。
移量Δf″=f″-f=2Δf′
Δf″= 2f·v/c
➢ 假定频率f为3.5MHz的超声波,向着以0.1m/s速 度运动的血流发射,正常声速c=1540m/s,
➢ 则回声的频移量Δf(由Δf= 2f·v/c 可得)约为±450Hz。
➢ 由此可见,多普勒频移量Δf与超声固有频率f及反 射目标的运动速度V成正比;与声波在某种组织 中的传播速度成反比。
第十三讲 超声多普勒测 血流与成像
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目前,关于生物医学超声的参考书很多; 但是从教十年多来,一直很难找到一本非 常适合本科生的教材。这也是编者下定决 心编写本书的主要原因之一。本书的内容 主要包括超声物理基础,压电效应与换能 器技术,超声成像诊断原理,超声治疗技 术,医学超声实验,医学超声的最新进展 等。每章节都配置了一定量的练习与思考 题,以帮助读者巩固书中的内容,并提高 分析解决问题的能力。为配合双语教学, 本书保留了关键专业词汇的中英文对照。
➢ 天文学家埃德温·哈勃发现:不同距离的 星系发出的光,颜色上稍稍有些差别。远 星系的光要比近星系红一些,即波长要长 一些,这种现象被称为“哈勃红移”。它 说明,各星系正以很高的速度彼此飞离。
➢ 现代天文学正是借助多普勒效应通过检测、 辨认宇宙深处恒星发光颜色的变化来判定 天体的运动状态的。
二 产生多普勒效应的原因
• 一列火车快速驶远时,它的汽笛声听来会沉 闷很多,因为声波相对于我们的频率变低、波 长变长了,这就是多普勒效应。
➢ 多普勒效应并非仅仅存在于声波传递中,任何以 波动形式进行的能量传递过程,均可产生多普勒 效应,如无线电波、高能X射线(或γ射线)、可见 光线以及其他电磁辐射等。
➢ 人类之所以最先在声波范畴内发现多普勒效应, 是由于声波本身属于人耳可感知的波动,且声波 在空气中的传播速度不高(340m/s),声源与人耳 的相对运动速度使声频率变化落在人耳的敏锐辨 别区内。
➢ 超声波向着流动中的红细胞集合体传播,遇到声障(红细
胞)时,相对于流动中的红细胞,声波f已经产生了一次
多普勒频移(f′),频移量Δf′=f′-f;而声障反射回来的
超声波(f′)仍沿着原来的传播路径向反方向传送至探头,
同时又迭加了一个相同方向的运动速度(v),因此探头
处检测到的超声波又产生了一次新的频移(f″),最终频
本书的特点是在注重基本概念,基本原理, 基本方法的同时,兼顾一定的工程技术实 用性,如包含声场的数值模拟,超声图像 的C语言程序处理,超声波发射电路原理, 换能器的匹配技术等。本书适合医学超声 以及相关领域的本科生作教材,也可供该 领域的研究生,科研及工程技术工作者参 考。
目录
一 多普勒效应 二 产生多普勒效应的原因 三 超声多普勒测血流 四 超声多普勒血流成像 五 超声多普勒的应用 六 超声多普勒信号的处理
➢ 将λ=c/f代入上式,有Δf=f·V/c ➢ 频移量Δf为相对运动速度与原声速的比值与波源
频率的乘积。
➢ 火车从身旁的铁路上呼啸而过时,会使我们非常 明显地听出鸣叫着的汽笛声突然间由尖锐变得低 沉起来。
➢ 当火车驰向我们时(V为正),我们所听到的汽 笛声(f1′)要比火车固定不动时的声音(f)尖锐 一些(Δf1>0, f1′> f );当火车背向我们驰去 时(V为负),所听到的汽笛声(f2′)要比原来的 声音(f)低沉一些(Δf2<0,f2′=f2′< f )。
➢ 2个输入信号分别为:①高频放大单元送来 的f′电信号;②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Δf=f′-f从输出端口 送出。
缺点:所有运动目标产生的多普勒信号混叠在一起,无 法辩识信息产生的确切部位,没有距离(深度)的信息。
连续多普勒小结
➢ 连续式超声多普勒成像仪被最早应用。它是由探 头中的一个换能器发射出某一频率的连续超声波 信号,当声波遇到运动目标血流中的红细胞群, 则反射回来的信号已是变化了频率的超声波。探 头内的另外一个换能器将其检测出来转成电信号 后送入主机,经高频放大后与原来的发射频率电 信号进行混频、解调,取出差频信号根据处理和 显示方式的不同,可转换成声音、波形或血流图 以供诊断。这种方式由于难以测定距离,不能确 定器官组织的位置,给应用诊断造成诸多不便。

where
• V is the velocity of waves in the medium • Vr is the velocity of the receiver relative to the medium; positive if
the receiver is moving towards the source. • Vs is the velocity of the source relative to the medium; positive if the
1.超声波的产生、发射和反射
➢ 主频振荡器产生并输出频率为f的振荡信号, 送入声发射驱动单元,经过放大后驱动探 头中的压电换能器向外辐射出频率为f的连 续超声波。
2.频移信号的检测和频移量的获得
➢ 接收到的频率为f′的回声波,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。
➢ 当声波在某种介质中以固定的传播速度c前进时, 声速为波长和频率的乘积,即c=λ· f;
➢ 但如果声源与接收系统之间存在着相对运动,相 对运动的速度为V,则声波向接收系统的相对传 播速度c′为原来传播速度c与相对运动V的迭加, 即c′=c + V。
➢ 于是有: f′=c′/λ=(c+V)/λ Δf=f′-f=(c+V)/λ-c/λ=V/λ
(1)声源至运动界面
fcg

fi
(1

V
cos
c
i
)
(2)运动界面至接收通路
fr

c
r

fcg
1 (V cos r
/ c)
(3) 多普勒频移
图1 多普勒效应原理
f

fr

fi
V c
(cos i
cos r ) fi
➢ 在医学超声多普勒技术中,超声波发射和接收器固定, 由人体内运动目标,如运动中的血细胞和运动界面等, 产生多普勒频移,由此确定运动速度和方向以及其在人 体内的分布。
通用的多普勒频移公式
➢ In classical physics, where the speeds of source and the receiver relative to the medium are lower than the velocity of waves in the medium, the relationship between observed frequency f and emitted frequency f0 is given by:
本书的特点是在注重基本概念,基本原理,基 本方法的同时,兼顾一定的工程技术实用性, 如包含声场的数值模拟,超声图像的C语言程 序处理,超声波发射电路原理,换能器的匹配 技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本 科生作教材,也可供该领域的研究生,科研及 工程技术工作者参考。
1 血流测量原理
当超声波声源与反射或散射目标之间存在相对运动时, 接收到的回波信号将产生多普勒频移,它的符号及幅度大 小与相对运动速度的幅值与方向有关。(试着推导下式?)
4.2脉冲波式超声多普勒成像仪
不但能得到频移信息 ,而且可以得到距离 与位置信息。
与本PPT配套的指定教材
目前,关于生物医学超声的参考书很多;但是 从教十年多来,一直很难找到一本非常适合本 科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的 主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理 基础,压电效应与换能器技术,超声成像诊断 原理,超声治疗技术,医学超声实验,医学超 声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练 习与思考题,以帮助读者巩固书中的内容,并 提高分析解决问题的能力。为配合双语教学, 本书保留了关键专业词汇的中英文对照。
四 超声多普勒血流成像
➢ D型超声成像诊断仪(Doppler Ultrasound, D超) 即超声多普勒诊断仪,是利用声学多普勒原理, 对运动中的脏器和血液所反射回波的多普勒频移 信号进行检测并处理,转换成声音、波形、色彩 和辉度等信号,从而显示出人体内部器官的运动 状态。
• 发展的主要阶段
1. 连续波式多普勒系统(continuous wave doppler)
又不延长换能器到达血管的传播
距离,克服了传播衰减。
图3 收发声速与流速关系
当血流方向朝向探头时,f d>0, 称为正向流。 当血流方向离开探头时,f d<0, 称为反向流。
当血流方向与声束方向垂直时,f d=0.
以人体内血流的运动状态检测为例:
➢ 声波的发射源与接收器均为超声探头自身,在检测时刻探 头是固定不动的。
source is moving away from the receiver.
➢ The frequency is decreased if either is moving away from the other.
三 超声多普勒测血流
➢ 超声多普勒应用于临床以来,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;
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2. 脉冲式多普勒系统(pulsed wave doppler)
3. 彩色多普勒血流成像系统(color doppler flow image,CDFI) ,也被称为彩色血流
图(color flow mapping, CFM)。
4.1 连续式超声多普勒成像仪
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。
发射信号为载波频率等于f0的正弦超声波。 C是组织中的声速,V是血流速度的幅值。 则接收信号中, 由血液 运动产生的接收 信号多普勒频移的大小为:
图2 血流测量原理图
fd
f

fr

fi
V c
(cos i
cos r ) f0

实际中最常采用的角度?

时,
横向流与轴向流的灵敏度相当。
且保证轴向与横向灵敏度的同时,
➢ 另外,常用超声频率在人体组织中产生的多普勒 频移量Δf恰好在人耳的敏锐听觉辨别范围内(大 约200~1200Hz),因此只要将此信号检测放大 后,仅凭有经验的医生聆听,就可以获得有价值 的临床诊断信息。
➢ 在实际应用中,超声的发射与接收并不一定正 对着探测目标的运动方向,多数情况下它们之 间会存在一个夹角θ,因此上述多普勒频移量 Δf的完整表达式应为:Δf=2fcosθ·v/c
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