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1、医用超声多普勒原理及应用医用超声多普勒技术发展历史 观察者与波源之间有相对运动时，观察者测得的波频率与波源发出的波频率不同的现象。这一普遍物理现象是奥地利物理学家J.C.多普勒在1842年首先发现的。 1959年日本里村茂夫首次用超声多普勒效应研究心脏。 1969年瑞典学者Edler和Lindstrom应用世界上第一台商品连续多普勒仪进行了一系列的实验和研究。 1970年美国学者Baker和法国学者Peronnean领导的两个实验室几乎同时报告了脉冲式多普勒的新技术。 1975年第一台M型和多普勒结合的仪器问世，称为双功超声显示仪。 1978年Bradestini等报道了多通道脉冲多普勒技术，
2、能对二维超声切面内若干取样点同时进行探察。 1982日本ALOKE公司的Namekawa和美国Bommer等对多通道脉冲多普勒进行改进，采用自相关分析技术，创立了彩色血流显像新技术。 1983年日本ALOKA公司研制出世界上第一台彩色血流显像诊断仪（SSD-880型） 目前，超声多普勒技术仍处于继续发展之中。由于它能对运动目标进行无创检测，尤其适合于对血管疾病进行研究，其发展趋势着眼于研制专门的血管超声系统，特别有关腹部器官血流的研究正取得进展。腹部器官的血流不同于心脏和大血管血流，它的特点是：低流速、小血管、表浅或深部位，因而将血流信号从杂乱回波中分离出来的难度很大，它依赖于慢流速检测技术和
3、高信噪比、大动态范围的信号处理技术的进步。超声多普勒效应（Doppler effect）的基本原理（一）什么是多普勒效应 经典的多普勒效应 在静止的媒质中，如观察者不动，而波源以匀速沿与观察者的联线，向观察者运动，观察者测得的波频率为式中c是媒质中波传播的速度，f是波源发出的波的频率。这个公式指出，测得的波频率f与源的波频率f不同。多普勒频移为即测得的波频率大于源的波频率。如波源沿与观察者联线相反的方向运动时，vS为负，即测得的波频率小于源的波频率。如果波源不动而观察者沿与波源联线以匀速vR向波源运动，测得的波频率为多普勒频移为测得的波频率也大于源的波频率。如观察者沿与波源联线相反的方向运动时
4、，vR为负，测得的波频率小于源的波频率。当媒质、波源和观察者都在运动时，测得的波频率为 式中vM为媒质沿波源指向观察者方向的运动速度。如果波源或观察者的运动速度不沿着两者的联线方向，则上式中的vS 和vR分别表示波源和观察者的速度在联线上的投影。相对论的多普勒效应 在各同向性媒质中，无论什么参照系，电磁波（包括光波）都以确定的波速c传播，c是真空中的光速除以媒质的折射率（见狭义相对论）。因此它与声波的多普勒效应（属于经典的）有所不同。主要有以下三个方面。1.对声波，源运动引起的多普勒频移一般与观察者以同样的速度运动引起的频移不同；而对电磁波，多普勒频移仅与两者相对运动速度有关，而不论是源还是观
5、测者在运动。一个电磁波辐射源S以速度v相对观察者O沿与联线SO成角的方向运动（如图所示），观察者测得的频率为式中f是源的波频率。2.当源和观察者运动的方向与两者之间的联线成直角时，声波没有多普勒频移，对于电磁波，由公式（6）可知，是存在多普勒频移的。3.与声波不同，电磁波在媒质中传播时，观测到的波频率不受媒质运动的影响。O v S 运动的电磁波辐射源（二）血流测量中的多普勒原理上图中画出了利用多普勒收发式探头，根据反射法检测多普勒频移原理，测量血流速度v的情况。假定发射声波与血流运动方向成角，对于不动的发射器T，红血球是以运动的接收器。当红血球将声能散射，而由接收器R接收时，血球中的血球又相当
6、于一个以v相对于不动接收器运动的二次发射声源，假设接收器轴线与血流方向所成的角度为，则可根据（5） vM为0，vS 为-vcos，vR为-vcos，得到： 通常情况下，cv，因此：当血流方向朝向多普勒探头时，经过同样推导，可得：故有：或：所以在=时，可得：其中，c=1570m/s，知道了f,f，就可以得到血流速度。连续式多普勒诊断仪与脉冲式多普勒诊断仪连续式多普勒诊断仪，工作方式是由振荡器发出一定频率的高频连续振荡，送至双片或多片探头中的一片或其中几片，被激励的晶片发出连续超声。遇到活动目标（靶或界面）如红细胞，反射回来的回声已是频率改变了的连续超声，为双片或多片探头的另一片或另几片所接收并转
7、为电信号。此信号与本机信号（高频振荡器产生的）混频以后，经高频放大器放大，然后解调取出差频信号。此差频信号含有活动目标速度的信息。由于处理和显示的方式不同，目前有监听式、相位式诊断仪和指向超声多普勒血流仪、超声多普勒显像仪等。脉冲式多普勒诊断仪能提供距离信息，可以测定血管中的某点流速。现在，不仅获得了距离分辨率，而且由定性测量向定量测量迈了一大步。两种多普勒方式比较方式连续波CW脉冲波PW说明发射和接收信号分别使用不同的元件，可以随时发射接收超声波使用同一元件发射和接收超声波，能够计测的最大流速和诊断距离处于反比例关系优点能够计测的最大流速高（能测试10m以上的流速），适宜用于定量性检查具有轴
8、向分辨能力，能够指定取样位置，可以同时显示B模式和多普勒缺点不具备轴向分辨能力，不能指定取样位置，轴上的所有信息全都重叠在一起显示出来，不能同时显示B型和多普勒能够计测的最大流速低，不适宜定量性检查，如果提高了能够计测的最大流速，诊断距离就会缩短主要诊断用途为判断病患程度而测试血流最大流速时使用用于判断有无病患，掌握血流动态下面介绍几种脉冲式多普勒血流计测量技术。1. 距离选通：当短脉冲发射后，立即就有反射回波信号不断地到达接收器。这个随时间变化的回波信号，反映了不同深度处物体的运动情况。只要设法延迟一段时间T，再短暂地打开一下接收器，那么所接收的信号就是某一深度上运动目标反射的回波信。改变延
9、迟时间T重复上述过程，就可以得到不同距离处运动目标的运动信息。此种方法称距离选通。距离d=c/2T，c为超声在人体软组织中的传播速度，约为1540m/s。 采用距离选通技术的单通道脉冲式多普勒仪，需要逐个探测点测量，因而探测时间长，如对股动脉的单独断面扫查在找到血管后约需3min，多数的检查时间更长。采用许多血流检查点同时测量的多通道脉冲多普勒探测器，可以减少扫查时间。2. 方向性血流的探测：由于血管内红细胞运动的方向、速度各不相同，甚至同时存在正反向血流，因此脉冲多普勒仪接收的信号具有一定的频宽，方向性血流探测就是要把这一信号的上下边带分离开来。通常采用有单边带直接分离、外差式探测和正交相位
10、探测三种方法。3. 频谱处理：采用方向性血流检测系统与距离选通，就能获得血管一定深度处的红细胞散射的多普勒频移信号。其频谱显示可采用声谱图，其横轴为时间，纵轴为频率，扫迹的深浅或亮暗程度则为该频率成分在某瞬间的强弱。一般仅需测量平均流速时，可采用过零探测法及平均频率解调法。若要对血流进行较精确定量的实时分析时，则要采用实时频谱分析法（RTS）医用超声多普勒诊断的几种典型应用医用超声多普勒诊断法各有其特点和独立性，应用的种类如下：1. 多普勒超声听诊法：此法为应用胎心、胎动的监测等，也可以早期听取周围血管血流有无。2. 多普勒超声频谱诊断法与彩色多普勒超声：多在二维声像图上，固定取样线、取样点，
11、再提取多普勒信号，显示出多普勒频谱图，用脉冲多普勒可以探测心脏、血管内血液的流向、流速以及流量，并同时听取多普勒信号音。采用伪彩色编码技术，多用红蓝色代表血流的向背方向。颜色的深浅，代表血流的快慢，通称为彩色多普勒超声，简称CDFI（color Doppler flow imaging）。3. 颈颅多普勒超声诊断法及彩色三维颈颅多普勒超声诊断法：颈颅多普勒，通称为TCD（transcranial Doppler）。用较低频率的多普勒超声从颞（nie）部探测可检测大脑的前动脉、中动脉、前交通动脉、后交通动脉及颈内动脉末段。通过枕骨大孔可以检测出椎动脉颅内段、基底动脉和小脑下后动脉的血流信号。故T
12、CD在神经科颇有实用价值，普及甚快。近年又生产出彩色三维颈颅多普勒显像仪，是用两个探头扫查，将颅内血管的各种轴向多普勒信号输入计算机，再重建三维动脉图。用伪彩色编码技术标明动脉图中血流的方向和速度，从而显示出脑血管的模拟三维图象。4. 彩色多普勒血流成像法：全称应是实时二维彩色多普勒血流显像，这是将彩色多普勒与二维超声叠加的成像方法。在二维超声切面图内，显示彩色多普勒血流图。通用的彩色是红色代表近流，蓝色代表远流，绿色代表湍流。5. 彩色多普勒能量图法：简称CDE（color Doppler energy），是采取多普勒信号的强度与范围，能量也即信号振幅的大小来进行成像的方法，故称为能量图法。
13、CDE只反映红细胞之多少，有的新仪器也可显示血流的方向。对心血管及各内脏器官、肿瘤内血管的检测甚为灵敏。应用计算机储存CDE信息，即进行三维重建，而成彩色多普勒三维能量图。超声多普勒诊断的临床意义在超声多普勒诊断中，这些仪器能提供描述血流流动情况的重要信息，主要有：（1）血流流动的方向 利用回波信号的频率相对于发射频率的频移特性（增加或减少）来判断流动方向（即正向或反向流动）。在频谱图上以信号在基线的上方或下方来区分正、反向流动。（2）平均流速 通常由回声信号的频谱中求出。（3）湍流血流中的湍流程度 可从频谱的方差求出，由于多普勒频率直接与超声照射区域内流速矢量有关，因此频谱的展宽和流动的扰动
14、状况相对应。对于层流情况，频谱分布范围很窄，这是因为均匀流动矢量得出单值的多普勒频移。根据上面这些信息，进一步可以作以下判断测算：1. 判断血流方向，明确时正常血流或异常血流。2. 判断血流的性质是层流、射流、涡流或紊流。3. 测定血流的速度，包括峰速、平均速度、加速度和减速度。4. 通过柏努利公式，测定瞬时最高压力阶差和平均压力阶差。5. 通过测得的压力阶差值，评估血流近心端和远心端之间是否存在狭窄及其狭窄程度。6. 通过测得的各种血流速度值，评价该血流近心端心腔的收缩和舒张功能。7. 通过血流速度和相应管腔内径测值，测定该管腔，即相应心腔的每搏量和每分钟排血量。8. 通过体循环和肺循环心排
15、出量测值之比评估心内外是否存在分流及其分流量的大小。9. 检出异常分流的部位，并定量估测分流量。10. 检出异常反流的瓣口，并定量估测反流量。11. 估测各房室腔内的压力。12. 通过多普勒的声调，估测血流的性质。13. 通过各种多普勒测值指标，包括瓣口压力减半时间、连续方程、PISA法等估测瓣口面积、心脏功能等，从而对心脏病的定性、定位、定量诊断提供重要或决定性信息。医用超声剂量超声的强度在0.1W/cm2以下时，不引起明显的生物效应，超声诊断用的平均功率多在0.01W/cm2以下，对人体是无害的。但对生殖细胞、胚胎等娇嫩组织是否有潜在危害，以及安全剂量的阕值何在？尚有待有公认的结论。超声的
16、强度在0.1W/cm2以上时，会引起人体组织发生功能性和器质性的变化，由此而产生的治疗作用。器质性的改变又分为可逆性的和非可逆性的，一般认为3 W/cm2以上的超声强度对某些组织即可产生非可逆性的器质变化。低强度超声治疗剂量一般为0.22.5 W/cm2，非损伤性疗法。超过3 W/cm2以上，为高强度损伤超声治疗法，例如超声碎石、超声治癌、超声减肥、超声手术刀等。有的聚焦强度达7500 W/cm2。多普勒系统的特性与发射声功率密切相关。平均功率越大，信噪比越大，则系统灵敏度就越高，但在医用超声检测中必须考虑安全因素，尤其是产科，声功率较低，信噪比也常常为临界值。，医用超声多普勒探头要根据用途选
17、用不同的工作频率、压电材料和结构来设计医用超声多普勒探头。在发/收型单晶片探头中宜选用发射常数（d33）与接收常数（g33）乘积大的材料。对于分割式探头，或多阵元探头，其中部分晶片是作为发射器用的，它们的材料就要选用发射常数（d33）大的，作为接收器用的晶片则选用接收常数（g33）大的材料。一种晶片材料，不可能比其它晶片材料既有很好的发射特性同时又有很好的接收特性。在分割式探头中的两片晶片，发射片的谐振频率应该与接收片的反谐振频率接近，才有良好的检测性能。采用多频或宽频发射时，探头发射各频带的能量就会下降，影响灵敏度和信噪比。为此，往往将这类探头制成多匹配层探头。因为，晶片的声阻抗为35106
18、kg/（m2s），而皮肤的声阻抗约为1.5106kg/（m2s），两者差异甚大，它们构成反射系数较大的界面，相当一部分声能不能进入人体。为了减少这种反射所造成的损耗和干扰，采用在晶片表面加入多层匹配层，使声阻抗的变化较平滑，使晶片和皮肤之间得到缓冲，使超声波容易通过，有效提高了检测灵敏度和信噪比。匹配层的厚度一般定在1/4波长的奇数倍。为了提高横向分辨率，往往在声阻抗匹配层前面加入声透镜，使超声波的波束有效的聚焦，也有直接将晶片制成凹形，同样达到声束聚焦的目的。为了压制不必要的振动，消除晶片背面的反射，减少干扰和提高纵向分辨率，在晶片的背面常会敷设背衬胶块。需要指出的是，医用探头在外壳、电缆（包括电缆护套）的等与人体能直接接触的材料选用上要求必须无毒。
