(完整版)医学超声原理-第十三讲--多普勒测血流

➢ 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
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
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?
当
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，
➢ 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
（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。
•
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
➢ 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。
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？)
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。
➢ 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
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)
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。
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。
• 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。
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。
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:
➢ 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
➢ 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ulsed 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。
➢ 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
➢ 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