第五篇 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第五章超声多普勒诊断仪器基本原理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诊断仪器目录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、多普勒效应超声多普勒技术是研究超声波经运动的物体反射或者散射所产生的多普勒效应的一项技术。在临床中被广泛应用于心脏、血管、血流和胎儿心率的诊断，相应的仪器包括超声血流测量仪、超声胎心监测仪、超声血管显像仪及超声血压计、超声血流速度剖面测试仪等。0cvffcu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。0coscoscvffcu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：0cos'icvffc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：0'coscoscosrircffcvcvfcv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0(1coscos)irvvffcc02202221cos1cos1coscoscoscos1cosiririrrvcffvcvvvcccfvc一般情况下，c2v2有00(coscos)Dirvffffc多普勒频移为：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02cosDvffc如果血流方向朝向超声发射与接收探头时(图a)，fD0；反之，fD0。（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。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。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：2PpcLr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。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超声多普勒效应应用于临床以来，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。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，然后被人耳监听、用仪器去分析、用图像去显示或者用影像去显现人体内部器官的运动状态。右图：超声多普勒胎音仪与彩色能量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。1、非定向解调：血流的方向不能确定相干解调由于多普勒频移fD比超声发射频率f0要小很多，较方便的检测方法是将回波信号的频率与发射超声波频率进行比较，产生差频信号。由于杂波与发射超声波频率相同、相位关系确定，所以杂波对输出的差频信号只贡献一个直流电平，经滤波后便可提取出多普勒频移信号。该过程称为相干解调，或者相敏检测。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：02Dvc0()cosEtt0()cos()DDDRtBtt回波中的频移信号为：0()cos()oORtAt同时从静止目标返回的杂波信号为：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。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000()cos()cos()DDRtAtBtt杂波和频移信号的线性组合得到总的回波信号R(t)：0000()[cos()cos()]cosDDDtAtBttt将发射信号E(t)与回波信号R(t)相乘，可得：0000()[cos(2)cos][cos(2)cos()]22DDDDABDttttt展开后得到：0()coscos()22LDDABDtt首先滤去信号中的高频分量（2ω0），滤波后得到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00()cosRtBt0()coscos()22LDDABDtt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。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00()coscos()DDRtAtBtt则回波信号R(t)为：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00()coscos()DDRtAtBtt00000coscoscos()sinsin()[cos()]cossin()sinDDDDDDDDAtBttBttABttBttcos(),sin()DDDDXABtYBt令22000()cossin()sin()RtXtYtXYt则有：2221/2(2cos())cos()DDDDXYAABtABt考虑到血流的频移信号幅度远小于杂波信号幅度，因此有：0()[cos()]sin()DDRtABtt此时，回波信号为：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。单边带解调法图5-2单边带解调法结构示意图为了讨论方便，可将接收换能器接收的频移信号表示为：00()cos()cos()DFFRRRtAtAt式中：AF、ωF为顺流多普勒信号的振幅和频移；AR、ωR为逆流多普勒信号的振幅和频移。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。图5-3单边带滤波波形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外差解调法主振荡器产生的高频信号ω0不直接作为相干解调器的参考信号，而是与另外一个外差振荡器产生的信号ωh，经混频器后产生差频信号（ω0-ωh）作为参考信号。然后再与包含方向信息的回波信号进行相干解调，使之输出（ωh＋ωF）和（ωh-ωR）的信号，从而获得速度和方向双重信息。图5-4外差解调法方框图该方法可用于“连续波式”和“脉冲波式”多普勒诊断仪器。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在”连续波式“工作方式时，设含有杂波、顺流和逆流分量的回波信号R(t)可表示为：0()cos()hHttt000()cos(0)cos()cos()FFFRRRRtAtBttBtt01()cos()cos()cos()2FhFhFFRhRRDtAtBttBtt000001()cos(2)cos(2)2cos(2)cos()cos()cos()hFFhFRRhRhFFhFRhRRDtAttBtttBtttAtBttBtt混频输出的外差信号（相干解调器的参考信号）可表示成：相干解调中，两信号相乘得到：由低通滤波，滤除高频分量2ω0后得：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正交相位解调法图5-5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。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图5-5正交相位解调法具体做法是：将回波信号经放大后分两路进入两个相干解调器：一个解调器的参考信号取自主控振荡器，称为直接通道；另一个通道的参考信号取自主控振荡器经90o移相后的信号，称为正交通道。这两个参考信号频率相同，相位相差90o。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接收信号为R(t)（包括杂波、顺流和逆流分量），用参考信号cosω0t与R(t)相干解调，并滤去2ω0t高频部分，得到直接通道的输出信号D(t)为:0111()sinsin()sin()222FFFRRRQtABtBt11()cos()cos()2211()cos(90)cos(90)22FFFRRRooFFFRRRDtBtBtQtBtBt0111()coscos()cos()222F