第五篇 超声多普勒诊断仪器基本原理 PPT

第五章 超声多普勒诊断仪器基本原理
§5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理
设发射的超声波信号E(t)为参考信号，其幅值为1，初相位为零，则E(t)为：
回波中的频移信号为：
E(t) cos0t
RD (t) B cos(0t Dt D )
同时从静止目标返回的杂波信号为：
Ro (t) A cos(0t O )
混频输出的外差信号（相干解调器的参考信号）可表示成：
H (t) cos(0t ht)
相干解调中，两信号相乘得到：
D(t)

1 2
A cos(20t
ht
0
)

BF
cos(20t

Ft
ht
F
)
BR cos(20t Rt ht R ) Acos(ht 0 )
§5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理
正交相位解调法
该方法的基本思想是：先检出多普勒频移信号的实部和虚部，然后以几 种不同的方法加以处理，从而获得流向信息。该方法效果较好，在定向型多 普勒诊断仪中使用较多，可工作于连续波式或脉冲波式。
令 X A B cos(Dt D ), Y B sin(Dt D )
则有：R(t) X cos0t Y sin(0t) X 2 Y 2 sin(0t )
考虑到血流的频移信号幅度远小于杂波信号幅度，因此有：
X 2 Y 2 (A2 2AB cos(Dt D ))1/2 A B cos(Dt D )
f ' c v cosi
c
f0
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：
f
c
f'
c v cosr
c v cosi c v cosr
f0
第五章 超声多普勒诊断仪器基本原理
§5-1 超声多普勒信号的产生机理
f

1

v c
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
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 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， 可取φ0＝0，则有
R0 (t) B cos0t
则回波信号R(t)为：
P pcL r2
式中：p为单个红细胞的散射功率 c为红细胞浓度 L为取样血管长度或截取血管的声束长度 r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 散射作用，使换能器接收的回波信号产生一个多普勒频移Δf。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。
式中，A、B分别为杂波和频移信号的幅值，φD与φo分别为其相对于参考波 的初相位，ωD为多普勒角频移。
D

2v c
0
第五章 超声多普勒诊断仪器基本原理
§5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理
杂波和频移信号的线性组合得到总的回波信号R(t) ：
R(t) Acos(0t 0 ) B cos(0t Dt D )
第五章 超声多普勒诊断仪器基本原理
§5-1 超声多普勒信号的产生机理
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。 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0.1%，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8.5µm，中央下凹。以超声工作频率 为3MHz为例，其波长为0.5mm，约为红细胞直径的60倍，因此红细胞是很好 的超声散射源。
一、多普勒效应
f

cv cu
f0
式中，c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 度，v为接收体行对于波源的速度。
f
c v cos c u cos
f0
第五章 超声多普勒诊断仪器基本原理
§5-1 超声多普勒信号的产生机理
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f0与c， 入射波、反射波与血流运动方向的夹角分别为（π-φi)、 φr。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：
R(t) Acos0t B cos(0t Dt D )
第五章 超声多普勒诊断仪器基本原理
§5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理
R(t) Acos0t B cos(0t Dt D ) Acos0t B cos0t cos(Dt D ) B sin0t sin(Dt D ) [A B cos(Dt D )]cos0t B sin(Dt D ) sin0t
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 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26％时，出现最大的 散射系数。
第五章 超声多普勒诊断仪器基本原理
§5-1 超声多普勒信号的产生机理
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 胞在散射超声时，呈各向同性，则总散射功率P为：
§5-1 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，因此φr＝ φi＝ θ，则有
fD
2v cos
c
f0
如果血流方向朝向超声发射与接收探头时(图a)，fD>0；反之，fD<0。
（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 频率的变化量并加以分析。
D )]
首先滤去信号中的高频分量（2ω0），滤波后得到
DL (t)

A 2
cos
0

B 2
cos(Dt
D )
第五章 超声多普勒诊断仪器基本原理
§5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理
DL (t)

A 2
cos
0

B 2
cos(Dt
D )
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 移成分。通过相干解调已将载波（ ω0）信号滤除，只留下频移信号，但是在处理 过程中无法反映ωD的正负号，因此损失了频移信号中所包含的方向信息。
§5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理
在实际解调时，用精密调谐的射频滤波器，在频移信号中将多普勒上、下 边带( ω0+ ωF）、 ( ω0-ωR）分离。这需要采用一个高通、一个低通两个滤波器 来完成，分别让超声回波经放大后的多普勒上、下边带通过。然后上、下边带 在独立的通道中进行相干解调，从而分别获得顺向和逆向的多普勒频移信号， 同时获得血流的流速与方向信息。但该方法对电路要求极高，要求滤波器必须 很精密、稳定性能好。
右图：超声多普勒胎音仪与彩色能量图
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§5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理
一、系统的一般结构
超声多普勒诊断仪器一般由发射、接收处理以及监测三大部分组成。
图5-1 超声多普勒诊断仪的一般结构示意图
第五章 超声多普勒诊断仪器基本原理
§5-2 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
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 取出多普勒频移信号，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 边带滤波法、外差法和正交相位解调法等。
cosi
1

v c
cos
r
f0

1
v c
cosi

v c
cosr

1
v2 c2
cos2
v2 c2
r
cosi
cosr
f0
一般情况下， c2 >> v2 有
f

(1

v c
cos
i

v c
cos
r
)
f0
多普勒频移为：
fD

f

f0

v c
(cos
i
cosr ) f0
第五章 超声多普勒诊断仪器基本原理
此时，回波信号为：
R(t) [ A B cos(Dt D )]sin(0t )
利用一般的整流、滤波电路即可滤除载波，检出多普勒频移信号。连续多 普勒诊断仪一般采用该方法进行解调。
第五章 超声多普勒诊断仪器基本原理
§5-2 超声多普勒诊断仪器的基本原理
2、定向解调：同时检测出血流速度与方向信息。包括单边带解调法、 外差解调法及正交相位解调法。
BF cos(Ft ht F ) BR cos(ht Rt R )
由低通滤波，滤除高频分量2ω0后得：
DF
(t)

1 2

A cos(ht
0
)

BF
cos(ht

F t
F
)

BR
cos(ht
Rt
R
)
第五章 超声多普勒诊断仪器基本原理
第五章 超声多普勒诊断仪器基本原理
目录
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 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 彩色超声多普勒信号的产生机理