超声多普勒血流检测显像

多普勒血流测量大都采用频谱（功率谱）分析法提取血流的特征信息，可以 得到采样容积中详细的血流信息。因为是一维显示，所以处理的数据量不大， 频谱分析的处理速度能够满足实时显示的需要。但是，对于二维的血流显像， 由于要考虑空间信息，并且以伪彩色显示出来，因此要处理的数据量大得多， 对处理算法的要求更高，传统的频谱分析已不适用，于是人们发明了自相关算 法等更简便、更快的算法来进行改进。除了自相关估计，已发明的还有很多其 他算法。如自回归估计、有限差分估计、互相关估计、窄带最大似然估计法以 及流速矢量超声检测一类的方法等。在彩超的很多方面已经很难取得突破性改 进的背景下，找到更好的数据处理方法以提高血流速度及方差提取速度与性能， 成为各国研究者探索的共同方向。
一个实际临床图片的例子
彩色经颅多普勒声谱图 ---将频率大小进行伪彩色编码后显示
二、多普勒血流显像 ——辉度显像与彩色显像
1、连续波多普勒显像仪
双晶 片探 头
与探头位置同步的信号
辉度显示与血 管投影图像：
（1）血管部位产 生多普勒频移信 号，控制光点的 亮度。 （2）有的显像仪 设有监测血流方 向的线路用以抑 制反向的血流信 息，以区别显示 的是动脉还是静 脉血管。
2vcos fDfRf0cvcosf0
由于c>>vcosθ，于是
fD2 vc c o s fS,
vC fD 2co s fS
（ 正号表示血流朝向探头运动，负号表示背离探头运动）
结论：当f0、c、θ一定时， △ fD与血液颗粒的流动速度v正比；因此，只要测 得△ fD就可求得相应的血液流动速度，这是多普勒技术测量血流的基本公式。
连续波
….
f0 fD
f0
v
….
皮肤 血管
发射 接收 脉冲波
f0
v
f0 fD 延迟
皮肤
血管
换能器 发射
接收
换能器
发射/接收
4、超声多普勒系统的
基本结构框图
将所获得的信息进行不 同的显示，就成为不同 的超声多普勒技术。
5、多普勒频移信号的解调
换能器接收到的回波信号是多种反射波的组合信号， 有运动目标的多普勒频移信号，有静止目标或慢速运动目标 等产生的回波信号，也有由于声、电泄漏和复杂界面的散射 波；后者是不可避免的不重要的波，称为杂波（clutter）。 多普勒频移解调的目的是从复杂的回波信号中提取有用的多 普勒频移信号。
则相位差估计：
ˆt0R zt0T的 相 tg 1 IR 角 em R R z ztt0 0T T
自相关法原理示意图：
设图b中各次采样
值为 zit0
• 上页图中，设t0时刻的各次采样值为：
zit0
（i=1～M）
• 则自相关值： R z t0TM 11iM 2zi t0 zi1*t0
v----红细胞的运动速度
θ----红细胞运动方向与发射极及接收极的夹角；
vcosθ---红细胞的运动速度在超声波入射线或反射线上的分量。
•
出现第一次多普勒频移时，血液颗粒接收到的频率为：fR
'
cvcos
c
f0
•
出现第二次多普勒频移时，接收极接收到的频率为：
fR
cvcos cvcos
f0
•
多普勒频移△ fD：
血流信号的方差：
2
2 T2
1
R(T) R(0)
5、彩色多普勒血流成像仪组成
（1）原理框图1 ： B mode + Doppler mode
血流信息以彩色方式叠加显示在黑白B型图像上
同一台机器上的“B超”和“彩超”图片
每一台彩超都具有B超及其它的一些功能，其中最重要的 就是对心脏及血管内血液的流动情况进行观察。
2、多通道定向型脉冲波多普勒显像仪
多个血流检测点同时进行测量----缩短检查时间
典型脉冲多普勒成像仪采用5MHz的工作频率，脉 冲重复频率为5kHz，在80Hz-2kHz之间处理多普 勒信号，低于80Hz的伪差信号（由人体与探头之 间的相对运动引起的）则加以滤除。
东芝Power Vision 8000全数字化全身性彩色多普勒超声诊断仪
z 1 t0z 2 * t0 A 2 t0 e j t0
t0 1 t0 2 t0
可见此乘积的相位便是ΔΦ
目前商用彩色血流成像仪的自相关法：
探头在同一位置下做多次发射，取相邻回波在t0时刻乘积 的均值来估计相位：
R z t0TM 11iM 2zi t0 zi1*t0
② 间隔T发射第二个脉冲，此时动目标移到dP2
发射脉冲仍为： e t A si0 n t t1
则动目标回波脉冲为： rtBsi n0tt12dcp2
③ 比较两次回波的相位差：
0
t
t1
2dp2 c
0
t
t1
2dcp1
20 c
dp1 dp2
20 Tvcos
c
（相位差△Φ与轴向速度vcosθ成正比）
正交相位检测法：这是目前应用最广泛的血流方向检测方法， 是用数字滤波器实现的。又可分为时域处理、相域处理和频域处 理三种。其原理是用正交相位检测方法将正反血流信号取出，再 用频谱分析法将正反血流区分开来。
------详见万明习，《生物医学超声学》，P342-346
血流速度大小信息的提取
血流测量的一个基本问题是从前处理后的多普勒音频信号中提取速度信息，即 实现频率-电压的转换问题。目前常用的方法包括过零检测法、平均频率解调器、 多通道频谱分析器、扫掠滤波分析器、FFT分析器。（前三种方法详见《生物医
本课程将简要介绍多普勒血流检测和显像的基本原理和一些简单的算法。
一、多普勒血流检测
1、 超声多普勒效应的基本原理
超声多普勒效应：当声源、接收器、介质之间存在相对运动时， 接收器收到的声波频率和超声原先的频率有一定的差异。其频 率的变化量称为多普勒频移。
相向运动时： f cccuf0
背离运动时：
c c f cuf0
超声多普勒血流检Biblioteka Baidu与显像
概述
传统的A超、B超主要是对生物组织的解剖结构进行成像，而针对血 流信息的检测与显像是超声诊断的另一重要分支。与医学影像技术的其 他方法相比，超声血流检测与成像除了具有安全、无创、直观、价廉、 可实时成像、可重复检查等优点外，能实时提供组织和检测目标的运动 信息一直是它独具的优点和特色，因而它有任何其他医学影像技术都不 可比拟的优越性，在临床上得到了广泛应用。尤其在心血管系统疾病的 诊断中起到了各种形态学成像方法所无法替代的作用。
-----万明习，《生物医学超声学》，P342
6、多普勒频移信号的解调原理：
（1）解调的方法：
A、非定向型解调：----目标运动的方向不能确定。
具体方法有：
• 相干解调：**将发射信号作为参考信号，把它与被接收信号在 相敏检测器中进行比较；
• 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。这是一种较好的非定向解调系统。
在血流运动信息超声检测领域，多普勒（Doppler）技术目前仍是一 个非常重要的组成部分，受到了持续的关注、深入的研究和广泛的应用。 血流成像的发展历史走过了连续波超声血流成像、脉冲波超声血流成像、 多通道脉冲波超声血流成像等阶段。在这期间，基于多普勒技术的血流 运动信息获取方法存在的主要缺陷是成像速度太慢。20世纪80年代以来 对超声血流成像的研究在运动信息提取方法上获得了重大突破，无论是 在理论上、技术上，还是商品化上都得到了飞跃发展。其中，最有实质 意义的进步是血流运动信息的自相关估计和彩色编码技术的提出和发展。
探头
（2）原理框图2
发射器
接收器
黑白图像检波
黑白B/M型图像
正交检波器
A/D
• 由上式求得相位估计
• 求速度估计： v ˆt0 c t0 /20 T cos
• 令t0取不同值便可以得到沿声束各点的速度估计。
可见这一方法的特点是可以把沿声束各点的速度 一次同时估出，而无需采用多通道。
目前绝大多数彩色血流图仪中所采用的计算公式：
平均流速： v c 2cos 0
3、 超声多普勒血流测量原理
•在发射和接收过程中出现两 次多普勒频移现象
•依据超声波在血流中产生的 散射回波进行血流速度测量
fDff02C f0vcos
v C fD
2cos f0
测定 △fD
计算
血管或心脏中某个 位置上的血流速度
（大小和方向）
计算
血流的平均流速、 脉动指数、阻力
指数等指标
多普勒血流测量的两种方法：连续波式和脉冲波式
B、定向型解调：（主要运用的方法）
---- 血流速度方向信息的提取
具体方法有： – 单边带解调法 – 正交相位解调法 – 外差法
单边带分离法：利用一个高通滤波器和一个低通滤波器把接 收到的混合信号即频谱的上、下边直接分离开来。
外差式检测法：单边带分离法的技术困难主要是直接分离高频 边带信号的晶体滤波器很难制作。如果把信号的整个频谱从射频 段平移到音频范围或中频范围，然后再进行边带分离，即外差式 检测法。
由于血流的速度远小于发射波声速，故要求解调器能检 出频率为发射频率百分之一以下的多普勒频移信号。另外， 回波中杂波分量的幅度通常比有用的频移信号大得多，所以 还要求解调器检出被杂波所掩盖的频移信号。
一个典型的连续波多普勒接收信号窄带谱
发射波为频率为f0的正弦信号，可见接收信息不是单一频率的射频信号， 而是一个随机窄带信号。窄带谱的上边带包含正向流信息，下边带包含反向流 信息。f0附近（如f0取5MHz，在5MHz+200Hz范围内）是血管壁等缓慢运动目标 产生的多普勒频移信息，这是血流测量中不需要的。由血管壁产生的回波信号 幅度远大于由血细胞产生的散射回波信号。血管壁运动速度远小于血管中的血 流速度，但与管壁内侧附近的流速比较接近，这给管壁内侧附近低流速信息获 取带来了困难。
学超声学》P346-349）
时域处理
过零检测器
平均频率解调器
多通道频谱分析器 频域处理 扫掠滤波分析器
FFT分析器
频谱显示：
功率谱： 左图：是在一个三维坐标系中描述随时间变化的血流信号功 率谱。每一次功率谱计算的结果在这个三维坐标系中表现为 一条沿频率轴分布的功率谱密度函数。 右图：当在监视器上显示血流信号的动态功率谱图时，功率 谱计算值的大小用平面中像素不同的灰度值表示。
如果声束方向同时存在多个运动散射子，则各速度均可由各自的 相位差估算，因此只用一个通道就可测得血管内流速的剖面图。
• 设第一次和第二次回波经解调后的复数信号分别为：
z 1 t A te j 1 t, z 2 t A te j2 t
• 任意时刻t0的ΔΦ(t0)可以通过相邻两次回波在t0时刻的共轭乘积求 得
黑白灰度声谱图
声谱图中各参数的物理意义：
（1）横轴：时间
纵轴：频移（血流速度）
中间水平轴：基线
（2）频谱幅值：频移大小，表示红细 胞或血流速度大小
（3）频移方向：基线以上为正，基线 以下为负。
（3）频谱强度（灰度）：某一时刻取 样容积内速度相同的红细胞相对数目 的多少
（4）频谱离散度：以频谱在垂直距离 上的宽度表示。代表某一时刻取样血 流中红细胞速度分布范围的大小。层 流时，频谱宽度较窄；湍流时，速度 变化大，频谱宽度变宽。
推车式彩色超声多普勒
便携式彩色超声多普勒
4、彩色超声多普勒成像中一些关键技术
（1）MTI技术 ----运动目标
指示技术
含义： 发射两次相干的 超声脉冲，通过 “静目标对消”， 以突出动目标的 信息。
（2）相位差的检测算法----自相关法 ----实际上即可得血流速度信息
相位差与血流速度的关系 ----通过检测两次运动目标回波的相位差，可以获得
c---声波在介质中传播速度；
f0----声源频率，f ----接收器接收到的声波频率， λ----波长， u-----声源相对介质的运动速度；
v----接收器相对介质的运动速度。
2、测量血流的基本公式的推导：
----以连续波多普勒为例
设：
f0----发射极发射的超声波频率； fR’----红细胞接收到的超声波频率 fR----接收极接收到的红细胞散射回来的超声波频率； c----超声波在血液中的传播速度；
运动目标的速度。
发射脉冲：
e t A s i0 n t t1
探头到目标点距离： dp1
**推导过程：
① t1时刻发射第一个脉冲，tp1时刻收到由p返回的动目标回波：
往返时间：
t p1
t1
2dp1 c
则动目标回波脉冲为：
rt B si0 n t t1 tp 1 t1 B si0 n t t1 2 d c p 1