超声多普勒成像原理

超声多普勒成像原理

当声发射源与声接收器有相对运动时，接收器所接收到的声波频率与发射频率有所不同，这一现象称为多普勒效应。超声多普勒法成像就是应用超声波的多普勒效应，从体外得到人体运动脏器的信息，进行处理和显示。现已普遍用于血流、心脏和产科等方面的检查。超声血流测量仪、起声胎心检测仪、超声血管显像仪以及超声血压计、超声血流速度剖面测试仪等多种仪器在临床上广为应用。

超声波对血管内流动的红血球接收散射，根据多普勒效应，即反射频率于

，由下式给出：发射频率之间将产生偏移即多普勒频移f

d

=2v f0cosθ/C

f

d

式中v为红血球的运动速度，C为超声波的速度。由公式可以看出，与血流

就可求得v。

速度成正比，若检出f

d

超声多普勒法分连续多普勒和脉冲多普勒。前者的缺点是没有距离分辨能力，在射线方向上的所有多普勒信号总是重叠在一起；后者具有距离分辨能力，能够捡出某特定深度的多普勒信号，可用于清洁箱内部和大血管血流信号的检测。但由于采用脉冲波，受重复频率产生的重叠幻像的影响，测定深部高速血流具有一定的困难。

现在的超声多普勒成像装置大多采用与B超相结合的方法，在B超上一边设立多普勒取样，一边捡出血流信息。多普勒波束是与B超超声波束一起发射的。由同一探头接收放大，经延迟线和加法器后，进入混频电路和低通滤波器进行相位检波，然后通过取样状态设定电路和带通滤波器取出特定深度的多普勒信号，并将从心脏壁和血管壁来的运动滞后的低频多普勒信号滤除。取出的多普勒信号一路可以送到扬声器进行监听，一路可以经过A/D转换送到频谱分析器进行快速傅里叶变换(FFT)，通过变换后便可得到多普勒频谱。以横轴表示时间，纵轴表示多普勒频移（速度），各个多普勒频率强度（功率）用辉度显示。由于FFT变换频谱范围宽，可以判断是紊流还是层流。最后，经D/A变换后与B型、M型图像一起显示。

彩色多普勒成像装置

彩色多普勒体层成像是用脉冲多普勒法对于一点的血流信息进行实时二维显示。一般取流向探头的血流设为红色，远离探头的血流设为蓝色。其基本原理和脉冲多普勒法一样，所不同的是比脉冲多普勒成像装置多了MTI（移动目标指示装置）计算电路。接收到的多普勒回波信号经过混频电路和低通滤波器进行相位检波后，一路送到处理电路，进行频谱分析，以显示多普勒频谱；一路送到计算机电路，以得到彩色多普勒血流信息。为了滤除心脏壁、血管壁等反射的信号，以有效地检测超声射线方向的多普勒信号，使用了MTI滤波器。经过MTI滤波器的超声多普勒信号，进入自相关处理器进行自相关处理，在分别进行平均速度、分散和乘方运算，便得到彩色多普勒信号。将彩色多普勒信号、多普勒频谱信号以及B型、M型信号一起送入数字扫描转换单元（DSC），然后再进行彩色处理，得到红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色数字信号，最后经过数模转换（D/A），在彩色显示器上显示和录像机记录。

成像原理

超声诊断仪现在都是利用回波测距的方法工作的。声波在传播途中，遇到介质的不均匀界面时，发生反射与折射现象。产生的反射声波即回波。所谓脉冲回波测距法，是指向声传播介质中发射一个超声脉冲，经目标反射，接收其回波，并检出其中所携带的有关目标的信息，用于确定目标的方位与距离的方法。

人体组织和脏器具有不同的声阻抗，在声阻抗突变的界面会产生回波。将超声脉冲波发射到生物体内，再接收来自生物体的反射回波信号，完成对生物体组织的扫查，这种方法称为超声脉冲反射法，或称脉冲回波形扫查技术。由于超声波在人体内的传播速度比

X射线要慢很多，在发射完持续时间仅只几微秒的超声波脉冲后，随着超声脉冲波在人体内的传播，大约有七百微秒的时间可以用来接收、放大和处理和微波信号。因此，大多数超声诊断系统都采用超声脉冲反射法检测技术。

由于界面两边的声学差异，即声阻抗的变化，通常不是很大，故大部分超声能量声穿过界面继续向前传播，达到第二界面时又产生回波，并仍有大部分超声能量透过该界面继续行进。将回波信号依次接收放大，并在荧光屏上显示在不同时间所接收到的不同幅度脉冲波形或不同亮度的光点，根据脉冲发出至回波到达换能器所用的时间t，可以计算出传播的距离x为:

x=Ct/2

根据不同界面上的回波的返回时间，可以求出不同界面与超声探头（换能器）之间的距离。

超声回波信号有三种基本显示模式：

1.A型(Amplitude Modulation)：幅度调制。横轴表示深度，纵轴表示回波强度，以不同幅度的脉冲波形的形式表示。这是最基本的显示方法。

2. B 型(Brightness Modulation)：亮度调制。纵轴表示深度，得到的超声回波信号加到显示器的Z轴上进行灰度调制，以亮度表示回波的强弱。如再配以声束的扫描，使横轴表示声速扫描方向就可以得到超声波体层图像。

3.M型(Motion Modulation)：运动调制。将回波幅度加到显示器的Z抽上作亮度调制，纵轴表示深度，如同B型。将这样的回波信号在时间上拉开，即横坐标是时间，时基线以慢速沿轴方向移动。

超声波的物理特性

声速

声速与介质的体弹性系数和密度有关。由于介质的弹性系数与温度有关，因此声速也与温度有关。在超声诊断的频段中，人体组织的超声速度与频率无关，而且软组织中的声速都很接近，约为1540m/s。

波长、周期和频率

声波在介质中传播时，两个相邻的同相位点之间的距离，如相邻两点稠密部之间的距离（超声波在人体中一般是以纵波方式传播），称为声波的波长，以λ表示。波向前移动一个波长的距离所需的时间，称为声波的周期，以T表示。介质中任何一给定点在单位时间内通过的波敝，称为声波的频率，以f表示。它们之间的关系为

λ=C/f=CT

式中为声波的传播速度。

医学诊断中采用的超声波频率在1-20MHz范围内。

声阻抗

介质中任意点的密度ρ与该点处声波的传播速度C之积为此介质在该点处的声阻抗，以Z表示，即Z=ρC。它是表征介质的声学特性的一个重要物理量。声阻抗的变化将影响超声波的传播。声阻抗是采用反射回波法进行超声诊断的物理基础。

声压级与声强级

声压级L P是以分贝表示的某个声压P与参考分压P0的比值，即L P=20lg(P/P0)

声强级L

I 是以分贝表示的某个声强I与参考声强I

的比值，即L

I

=10lg(I/I

)