深圳大学Doppler谱分析

超声多普勒血流检测的原理原理:当超声波生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，它的幅值大小及符号与相对运动速度大小和方向有关。大多数应用运动结构反射回来的超声波束，检测出其中的多普勒频移，作为探查目标的运动速度信息，然后通过监听、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。例如:当红细胞流经心脏大血管时，从其表面散射的声频将发生改变，这种频移可指示血流的方向和速度；如红细胞朝向探头，发射的声频将提高；反之，声频降低；当通过大血管时，若血流正常，红细胞平移，邻近的红细胞血流方向相同且速度相近；002cosDfvfffC检测出多普勒频移信号，从而可以求出速度，血流速度估计就是一个谱估计问题。人体内的运动目标：1.运动器官；2.大量的血红细胞颗粒。探测的主要目标是：大量血细胞颗粒散射形成的血流速度。运动器官的诊断用M型超声诊断仪完成。在被测定部位，原来为层流信号血管处的，发生紊流或湍流变异，流速信号变大，就表明此处有病变存在，如有血栓。血流方向的定义：当血流朝向探头时，称为正向流；当血流方向顺着离开探头的方向时，称为反向流。血流方向信息的提取采用的方法通常有三种：1.单边带直接分离法；2.外差式检测法；3.正交相位检测法。正交相位检测法是最普遍使用的方法。血流速度幅值信息的提取和流速波形再处理有以下方法：1.过零检测方法2.平均频率解调器3.频谱分析法Doppler谱分析在血管的横截面方向,距离中心不同半径处的红细胞以不同的速度运动,因此采集到的Dopplersignal是所有频移叠加的结果。。谱分析:是在混合的频率中提取各个频率分量并分析个频率分量的过程.在谱分析中常用FFT分析.region1region2region3region3region1region2complexdoppler信号频谱分析将时间波形S(t)做傅里叶变换的频谱S(w)频谱分析法是对生物体产生的多普勒信号的频谱分布进行分析，目前显示多普勒频移信号的方式主要有如下三种：（一）频移（速度）——时间显示谱图最常用的谱图，横轴代表时间（S），纵轴代表多普勒频移，即运动目标的运动速度（cm/s）。频谱幅值，表示血流速度。frequencyTimesegmentfrequencymagnitudemagnitudefrequencymagnitudefrequency频移（速度）——时间显示谱图中间的水平轴线代表零频移线（基线），上方为正，表示血流方向迎着换能器而来；下方为负，表示学历方向远离换能器而去。频谱灰度即亮度，表示某一时刻取样容积内，速度相同的红细胞的多少，速度相同的红细胞多，则散射回声强，灰度亮；反之则灰度暗。频谱宽度，频移在垂直方向上的宽度，表示某一时刻取样血流中红细胞速度分布范围的大小。速度分布范围大，频谱宽；速度分布范围小，频谱窄。人体正常的是层流，速度梯度小，频谱窄；病变下血流呈湍流，频谱宽。从超声多普勒实时谱上，可以得到很多有用的血流动力学资料。如：平均流速；阻力指数；搏动指数。平均速度：一个心动周期内的平均血流速度Vmean。阻力指数（RI）：（收缩期峰值速度-舒张末期速度）/平均血流速度搏动指数（PI）：（收缩期峰值速度-舒张末期速度）/收缩期峰值速度（二）功率谱图显示在频谱图上，横轴表示频率（速度），纵轴表示振幅（红细胞数目）。由于频率和振幅的乘积即频谱曲线下的面积，等于信号的功率，故称这种谱图为功率图，如图所示。在心脏和血管的多普勒检测中，功率谱可以看作是取样容积或声束内的红细胞流速与红细胞数量之间的关系曲线。颈总动脉彩色超声多普勒声像图颈总动脉彩色超声多普勒声像图频谱分析和显示的局限性（一）CW法的局限性cw无距离选通能力，凡声束遇到的运动目标都能产生多普勒频移信息，因而不能用作定位诊断，并且声束遇到各种运动目标时还会产生伪差，灵敏度稍低，对弱回声的检测能力较差，而且对采用单晶片探头检测B超时不能同时显示CW。（二）PW法的重复频率对最大测量速度的限制脉冲重复频率是两个相邻超声脉冲期间td的倒数，即PRF=1/td。根据采样定理，要准确显示频移的大小和方向，PRF必须大于fd的2倍，即fd1/2PRF。1/2PRF称为奈奎斯特频率极限，如果fd超过这一极限，频谱就会出现方向和大小的伪差，产生频率失真，也成为频率混叠。Doppler发射信号在脉冲doppler血流仪中常用的波形信号是单载频脉冲选通信号S（t）=P(t)cos（2πf0t）P(t)是幅度为A周期T，脉宽为tc的脉冲信号。各种差生误差或伪像的原因★混叠(Aliasing)★频谱多普勒镜像伪差(Spectralmirrorartifact)★时间分辨力伪差（需要一定的脉宽）★壁运动幻影(wall-motionghost)★旁瓣伪差(SpectralbroadeningalsocalledTransittimebroadening)★混叠(Aliasing)？脉冲重复频率相当于取样频率，多普勒检测所得的频移值应在PRF的1/2以下时，才能正确显示频移的大小和方向，不致失真。可产生流速曲线正向波峰去顶后又返折到零基线负侧，或负侧返折到正侧，这种现象称为曲线混迭。当高速分量大于Nyquistlimitation(PRF=2fmax)就会产生混迭（Aliasing）.Vmax=PRF*C/4*f0cosθ又最大探测距离Rmax=C/2PRF因此Vmax=C*C/8f0Rmaxcosθ0cos2ffCvD0cos2ffCDv要清楚PRF与f0的概念不同消除混迭的方法：曲线混迭消除方法：①调高速度标尺(量程)范围：也即增大脉冲重复频率，使取样频率又恢复到不超过Nyquist频率：②改用发射频率较低的探头：可扩大探测频移的范围，如以发射频率为5.0MHz探头为例，当脉冲重复频率为6kHz时，探测最大流速是0.47m/s，而当事人改用发射频率为3.5MHz时，则探测最大流速为0.70m/s；③基线移动调节：即正向血流倒错时，调节基线下移，增大正向血流频谱的显示范围；负向血流倒错时则调节基线上移，增大负向血流频谱的显示范围；④改用连续多普勒(CW)检测：因为CW不受脉冲重复频率的限制，可测量高流速，但缺点是无距离选通能力，无法选定回声信号的深度。2频谱多普勒镜像伪差(SpectralDopplerimagingartifact)在频谱多普勒检测中，按多普勒方程式计算，当入射声束与血流方向成垂直时，预示应无频移信号，但在二维超声检测时，由于声束系组合发射、组合接收，在被测某点的血流方向，对探头的部分阵元是朝向运动，而对另一部分阵无为离向运动，因此，在零基线两侧可出现对称性的流速曲线分布，其中之一较亮，另一方较暗，对血流方向判断困难，常被误认为是双向血流。此时，彩色血流也显示暗淡、红蓝色混杂，误认为有反流。消除方法：①改变探头角度，使入射声束与血流方向间夹角减小；②降低多普勒增益。3壁运动幻影(wall-motionghost)这是来自心壁或血管壁活动而产生的类如血流低频信号，其特点是色彩暗淡，闪烁不定。这种信号显示色彩与心壁、血管壁运动方向和速度有关，收缩期向前呈红色，舒张期后壁向后呈兰色，弥散分布在心脏与血管腔内及外侧方实质部分，呈弥散而暗淡的红、兰色彩区。消除方法：用滤波器消除壁低频信号。4时间分辨力伪差(TemporalResolutionArtifact)在彩色多普勒检测中，有时会遇到彩色框显示的血管腔一侧出现限局性混迭，而另一侧则为层流色彩，但用频谱多普勒检测从一侧到其他一侧面的血流速是相同的。这种现象是与彩色图像获取帧画面时间过长有关，在这帧画面中，收缩期发生在扫描的左侧，而帧画面是随后才全部完成，这种伪差的产生原因是与彩色图像时间分辨力差有关，这种伪差的发生与使用不同仪器和同一仪器使用不同探头均有关系。5旁瓣伪差(Side-lobeArtifact)探头发射超声能量主要集中在主瓣内，但在主瓣周围还有许多旁瓣，它们包围主瓣，当纵向检测血管长轴时，主瓣真实取样容积的血流曲线是在基线上方，而其一侧旁瓣接收到的低弱血流信号则是反方向的，在基线上方显示：若以横断面检测血管，将取样门置于血管外一侧，而旁瓣声束此地可接收来自血管腔内血流信号，而在主瓣声束方向上显示出来，从而造成错误判断。消除方法：1.侧动探头改变声束入射角度；2.降低多普勒增益使旁瓣低弱信号消失。?