超声多普勒诊疗和成像.pptx
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1、第七章第七章 超声多普勒诊疗与成像超声多普勒诊疗与成像超声多普勒诊疗和成像第1页n超声多普勒效应超声多普勒效应n多普勒原理在超声医学诊疗中应用多普勒原理在超声医学诊疗中应用n超声血流检测物理学基础超声血流检测物理学基础nD D型超声成像诊疗仪及其应用范围和型超声成像诊疗仪及其应用范围和特点(超声多普勒血流成像仪、能量特点(超声多普勒血流成像仪、能量多普勒血流成像)多普勒血流成像)主主要要内内容容超声多普勒诊疗和成像第2页n血流成像发展血流成像发展q连续波超声血流成像连续波超声血流成像q脉冲波超声血流成像脉冲波超声血流成像q多通道脉冲波超声血流成像多通道脉冲波超声血流成像q超声多普勒血流成像超声
2、多普勒血流成像一、多普勒效应一、多普勒效应超声多普勒诊疗和成像第3页n18421842年奥地利物理学家多普勒(年奥地利物理学家多普勒(DopplerDoppler)发)发觉并研究了声波觉并研究了声波“频移频移”现象,后被命名为现象,后被命名为“多普勒效应多普勒效应”。n多普勒效应是指波源将某一频率多普勒效应是指波源将某一频率f f波以一个固波以一个固定传输速度向外辐射时定传输速度向外辐射时,假如波源与接收系统假如波源与接收系统产生产生相对运动相对运动,则所接收到波频率,则所接收到波频率ff会发生会发生改变(即频移),即两个频率差值:改变(即频移),即两个频率差值:f=f f多普勒效应多普勒效应
3、超声多普勒诊疗和成像第4页超声多普勒效应超声多普勒效应n超声如同声音一样,以确定速度经过介质,超声如同声音一样,以确定速度经过介质,当碰到两种不一样介质分界面时就能发生当碰到两种不一样介质分界面时就能发生反射和折射。反射和折射。n当反射边界固定不变时,反射波频率等于当反射边界固定不变时,反射波频率等于入射波频率;入射波频率;n但当反射边界朝向声源移动时,反射超声但当反射边界朝向声源移动时,反射超声波波长就被压缩,反之被拉伸。波波长就被压缩,反之被拉伸。超声多普勒诊疗和成像第5页超声多普勒效应超声多普勒效应n因为超声波在传输介质中速度是恒定;因为超声波在传输介质中速度是恒定;n所以依据公式所以依
4、据公式c=c=f f,超声波波长改变造,超声波波长改变造成了频率移动,此现象被称为成了频率移动,此现象被称为超声多普勒超声多普勒效应效应。超声多普勒诊疗和成像第6页二、多普勒原理在超声医学诊疗中应用二、多普勒原理在超声医学诊疗中应用 n大多数应用运动结构反射回来超声波束,大多数应用运动结构反射回来超声波束,检测出其中多普勒频移,作为探查目标运检测出其中多普勒频移,作为探查目标运动速度信息,然后经过监听、用仪器去分动速度信息,然后经过监听、用仪器去分析、用图像去显示或者用影像去显现人体析、用图像去显示或者用影像去显现人体内部器官运动状态。内部器官运动状态。超声多普勒诊疗和成像第7页多普勒原理在超
5、声医学诊疗中应用多普勒原理在超声医学诊疗中应用 n临床上,当声源或发射界面移动时,所发临床上,当声源或发射界面移动时,所发射或散射超声,可认为是微小声源;射或散射超声,可认为是微小声源;n当红细胞流经心脏大血管时,从其表面散当红细胞流经心脏大血管时,从其表面散射声频将发生改变,这种频移可指示血流射声频将发生改变,这种频移可指示血流方向和速度;方向和速度;n如红细胞朝向探头,发射声频将提升;反如红细胞朝向探头,发射声频将提升;反之,声频降低;之,声频降低;超声多普勒诊疗和成像第8页多普勒原理在超声医学诊疗中应用多普勒原理在超声医学诊疗中应用 n当经过大血管时,若血流正常,红细胞平当经过大血管时,
6、若血流正常,红细胞平移,邻近红细胞血流方向相同且速度相近;移,邻近红细胞血流方向相同且速度相近;n由这些移动红细胞产生由这些移动红细胞产生DopplerDoppler频率,符频率,符号相同,均为正或均为负,即含有相当一号相同,均为正或均为负,即含有相当一致特征,致特征,“音调音调”平稳,称为层流。平稳,称为层流。超声多普勒诊疗和成像第9页多普勒原理在超声医学诊疗中应用多普勒原理在超声医学诊疗中应用 n因为左右分流或瓣膜疾病,致使心内血流因为左右分流或瓣膜疾病,致使心内血流受到干扰,各个红细胞移动不平行;受到干扰,各个红细胞移动不平行;n在受干扰血流区各个红细胞以不一样方向在受干扰血流区各个红细
7、胞以不一样方向和速度移动,所产生和速度移动,所产生DopplerDoppler频移正负兼频移正负兼有,且频移波动范围很大,出现频谱较宽、有,且频移波动范围很大,出现频谱较宽、音调粗糙,称为湍流。音调粗糙,称为湍流。超声多普勒诊疗和成像第10页多普勒原理在超声医学诊疗中应用多普勒原理在超声医学诊疗中应用 n声源与发射界面或散射体之间存在相对声源与发射界面或散射体之间存在相对运动时,接收到声波信号频率与入射声运动时,接收到声波信号频率与入射声波频率就存在差异;波频率就存在差异;n频移幅度与相对运动速度成正比。频移幅度与相对运动速度成正比。超声多普勒诊疗和成像第11页n频率偏移大小:频率偏移大小:其
8、中:其中:C C为声速,为声速,f f为超声波传输频率,为超声波传输频率,V V为物体运动速度,为物体运动速度,为声速与物体运动方为声速与物体运动方向夹角;向夹角;从式中能够看到,多普勒频偏与物体运动从式中能够看到,多普勒频偏与物体运动速度成正比速度成正比。超声多普勒诊疗和成像第12页n当超声发射体当超声发射体(探头探头)和反射体之间有相对和反射体之间有相对运动时,回声频率有所改变,此种频率改运动时,回声频率有所改变,此种频率改变称之为频移。距离变近则频率增加,距变称之为频移。距离变近则频率增加,距离变远则频率降低。离变远则频率降低。n检测出多普勒频偏,就能够得出运动器官检测出多普勒频偏,就能
9、够得出运动器官或血流运动速度,而超声多普勒频偏正负或血流运动速度,而超声多普勒频偏正负能够反应出运动方向。能够反应出运动方向。超声多普勒诊疗和成像第13页n n利用由运动结构反射回来超声波束多普勒利用由运动结构反射回来超声波束多普勒频移来提供人体器官或物体(如心脏壁和频移来提供人体器官或物体(如心脏壁和血液)运动速度信息超声多普勒方法,已血液)运动速度信息超声多普勒方法,已被广泛应用于人体运动结构临床诊疗中,被广泛应用于人体运动结构临床诊疗中,而且含有相当高诊疗价值。而且含有相当高诊疗价值。多普勒原理在超声医学诊疗中应用多普勒原理在超声医学诊疗中应用超声多普勒诊疗和成像第14页多普勒原理在超声
10、医学诊疗中应用多普勒原理在超声医学诊疗中应用 n优点:优点:q安全、无创、直观安全、无创、直观q可实时成像、可重复检验可实时成像、可重复检验q能实时提供组织和检测目标运动信息能实时提供组织和检测目标运动信息q可提供血流动力学信息可提供血流动力学信息n人体血管血流形态图人体血管血流形态图n流速、流动稳定性流速、流动稳定性 超声多普勒诊疗和成像第15页多普勒原理在超声医学诊疗中应用多普勒原理在超声医学诊疗中应用 n缺点:缺点:q不能实现对血流运动情况无偏预计不能实现对血流运动情况无偏预计q无法确保预计可信度和速度分辨力无法确保预计可信度和速度分辨力q接收频谱受各种展宽、畸变和含糊原因接收频谱受各种
11、展宽、畸变和含糊原因影响影响q运动信息提取准确性易受影响运动信息提取准确性易受影响超声多普勒诊疗和成像第16页n应用种类:应用种类:q多普勒超声听诊法多普勒超声听诊法q多普勒超声频谱诊疗法与彩色多普勒多普勒超声频谱诊疗法与彩色多普勒超声超声q经颅多普勒越声诊疗法及彩色三维经经颅多普勒越声诊疗法及彩色三维经颅多普勒超声诊疗法颅多普勒超声诊疗法q彩色多普勒血流成像法彩色多普勒血流成像法q彩色多普勒能量图法彩色多普勒能量图法多普勒原理在超声医学诊疗中应用多普勒原理在超声医学诊疗中应用超声多普勒诊疗和成像第17页n彩色多普勒超声普通是用自相关技术进行彩色多普勒超声普通是用自相关技术进行多普勒信号处理,
12、把自相关技术取得血流多普勒信号处理,把自相关技术取得血流信号经彩色编码后实时地叠加在二维图像信号经彩色编码后实时地叠加在二维图像上,即形成彩色多普勒超声血流图像。上,即形成彩色多普勒超声血流图像。n由此可见,彩色多普勒超声(即彩超)既由此可见,彩色多普勒超声(即彩超)既含有二维超声结构图像优点,又同时提供含有二维超声结构图像优点,又同时提供了血流动力学丰富信息,实际应用受到了了血流动力学丰富信息,实际应用受到了广泛重视和欢迎,在临床上被誉为广泛重视和欢迎,在临床上被誉为“非创非创伤性血管造影伤性血管造影”。超声多普勒诊疗和成像第18页n主要优点:主要优点:q能快速直观显示血流二维平面分布状态。
13、能快速直观显示血流二维平面分布状态。q可显示血流运行方向。可显示血流运行方向。q有利于区分动脉和静脉。有利于区分动脉和静脉。q有利于识别血管病变和非血管病变。有利于识别血管病变和非血管病变。q有利于了解血流性质。有利于了解血流性质。q能方便了解血流时相和速度。能方便了解血流时相和速度。q能可靠地发觉分流和返流。能可靠地发觉分流和返流。q能对血流束起源、宽度、长度、面积进行定能对血流束起源、宽度、长度、面积进行定量分析。量分析。超声多普勒诊疗和成像第19页三、超声血流检测物理学基础三、超声血流检测物理学基础n血液超声散射主要是由红细胞产生。血液超声散射主要是由红细胞产生。n超声散射回波取决于血液
14、流场、入射波超声散射回波取决于血液流场、入射波类型、各散射子之间相干结果所产生类型、各散射子之间相干结果所产生“净净”贡献。贡献。超声多普勒诊疗和成像第20页超声血流检测物理学基础超声血流检测物理学基础n散射子模型包含(见表散射子模型包含(见表7.17.1):):q分立散射子模型分立散射子模型q连续介质模型连续介质模型q混合(混合(HybirdHybird)模型)模型超声多普勒诊疗和成像第21页超声血流检测物理学基础超声血流检测物理学基础n血细胞对超声波散射是超声血流检测物理血细胞对超声波散射是超声血流检测物理学基础:学基础:q经过检测散射信号多普勒频偏,或跟踪经过检测散射信号多普勒频偏,或跟
15、踪回波信号时延或相位改变;回波信号时延或相位改变;q实现血流信号超声检测。实现血流信号超声检测。q超声血流信号检测分为:超声血流信号检测分为:n多普勒方法多普勒方法n非多普勒方法非多普勒方法超声多普勒诊疗和成像第22页四、四、D D型超声成像诊疗仪型超声成像诊疗仪nD D型超声成像诊疗仪型超声成像诊疗仪(Doppler Ultrasound),),也即超声多普勒诊疗仪也即超声多普勒诊疗仪n分为:分为:q连续波多普勒连续波多普勒(CWD)(CWD)q脉冲式脉冲式q实时二维彩色实时二维彩色 超声多普勒诊疗和成像第23页1 1、连续波多普勒连续波多普勒(CWD)(CWD)q探头中一个换能器发射出某一
16、频率连探头中一个换能器发射出某一频率连续超声波信号,当声波碰到运动目标续超声波信号,当声波碰到运动目标血流中红细胞群,则反射回来信号已血流中红细胞群,则反射回来信号已是改变了频率超声波。是改变了频率超声波。超声多普勒诊疗和成像第24页1 1、连续波多普勒连续波多普勒(CWD)(CWD)q混频、解调混频、解调 q声音、波形或血流图声音、波形或血流图超声多普勒诊疗和成像第25页n多普勒频谱多普勒频谱q频谱处理中,波束成形数字信号经过频谱处理中,波束成形数字信号经过数字滤波,并经过正交本振信号数字滤波,并经过正交本振信号(L(LO O,频率为发射频率频率为发射频率)混频至基带信号,然混频至基带信号,
17、然后以发射脉冲重复频率后以发射脉冲重复频率(PRF)(PRF)进行采样。进行采样。q利用复杂快速傅里叶变换利用复杂快速傅里叶变换(FFT)(FFT)取得多取得多普勒频谱,以重现接收信号速度信息。普勒频谱,以重现接收信号速度信息。超声多普勒诊疗和成像第26页n多普勒频谱多普勒频谱qFFTFFT输出每个二进制信号幅度经过计算输出每个二进制信号幅度经过计算和压缩,使其到达显示图像所要求动和压缩,使其到达显示图像所要求动态范围。最终信号幅度作为时间函数,态范围。最终信号幅度作为时间函数,显示在超声设备显示器上。显示在超声设备显示器上。q在连续波多普勒在连续波多普勒(CWD)(CWD)成像系统中,信成像
18、系统中,信号处理过程基本相同。号处理过程基本相同。超声多普勒诊疗和成像第27页n多普勒频谱多普勒频谱q除了处理这些显示信号外,频谱处理除了处理这些显示信号外,频谱处理器还产生左、右声道立体声音频信号,器还产生左、右声道立体声音频信号,表示正向和负向运动。表示正向和负向运动。qDACDAC对这些信号进行转换,驱动外部扬对这些信号进行转换,驱动外部扬声器和耳机。声器和耳机。超声多普勒诊疗和成像第28页1 1、连续波多普勒连续波多普勒(CWD)(CWD)n多数心脏检验和一些通用超声成像系统中,多数心脏检验和一些通用超声成像系统中,经常使用连续波多普勒经常使用连续波多普勒CWDCWD以确保准确测以确保
19、准确测量心脏内高速流动血液。量心脏内高速流动血液。nCWDCWD模式下,超声传感器单元以传感器孔模式下,超声传感器单元以传感器孔径为中心分割成对等两部分。二分之一单径为中心分割成对等两部分。二分之一单元用于发射,产生元用于发射,产生CWDCWD聚焦波束;另二分聚焦波束;另二分之一单元用于接收,产生聚焦接收波束。之一单元用于接收,产生聚焦接收波束。超声多普勒诊疗和成像第29页1 1、连续波多普勒连续波多普勒(CWD)(CWD)n发射单元驱动波形为多普勒频率方波,频发射单元驱动波形为多普勒频率方波,频率范围通常为率范围通常为1MHz1MHz至至7.5MHz7.5MHz。n发射波形抖动必须足够小,以
20、预防相位噪发射波形抖动必须足够小,以预防相位噪声对多普勒频移检测影响。声对多普勒频移检测影响。n经过正确调整发射波形相位,实现发射波经过正确调整发射波形相位,实现发射波束聚焦。束聚焦。n类似地,经过正确调整接收波形相位并进类似地,经过正确调整接收波形相位并进行叠加,实现行叠加,实现CWDCWD接收信号聚焦。接收信号聚焦。超声多普勒诊疗和成像第30页1 1、连续波多普勒连续波多普勒(CWD)(CWD)n在此模式下,发射和接收同时进行,有用在此模式下,发射和接收同时进行,有用多普勒信号频率和不移动人体组织在发射多普勒信号频率和不移动人体组织在发射基波频率下产生强反射信号频率相差只有基波频率下产生强
21、反射信号频率相差只有几几kHzkHz。n处理如此大信号所需要动态范围已经超出处理如此大信号所需要动态范围已经超出了图像接收通道了图像接收通道VGAVGA、AAFAAF和和1212位位ADCADC能够承能够承受范围。所以,受范围。所以,CWDCWD必须使用其它高动态范必须使用其它高动态范围接收处理方案。围接收处理方案。超声多普勒诊疗和成像第31页1 1、连续波多普勒连续波多普勒(CWD)(CWD)nCWDCWD接收机通常使用两种方法处理接收机通常使用两种方法处理CWDCWD信号。信号。q第一个方法是高性能超声系统在第一个方法是高性能超声系统在LNALNA输出端输出端提取接收到提取接收到CWDCW
22、D信号。信号。q本振频率等于发送频率混频器对信号进行本振频率等于发送频率混频器对信号进行波束成形,再混频至基带进行处理。波束成形,再混频至基带进行处理。qI/QI/Q本振信号能够逐通道调整相位,对接收本振信号能够逐通道调整相位,对接收到到CWDCWD信号相位进行偏移。混频器输出相叠信号相位进行偏移。混频器输出相叠加,经带通滤波器,最终进入加,经带通滤波器,最终进入ADCADC进行采样。进行采样。超声多普勒诊疗和成像第32页1 1、连续波多普勒连续波多普勒(CWD)(CWD)nCWDCWD接收机通常使用两种方法处理接收机通常使用两种方法处理CWDCWD信号。信号。q采样得到基带波束信号处于音频范
23、围采样得到基带波束信号处于音频范围(100Hz至至50kHz),采取工作在音频频率,采取工作在音频频率范围范围ADCADC对对I I和和QCWDQCWD信号进行数字化。信号进行数字化。q这些这些ADCADC需要出众动态范围,方便处理需要出众动态范围,方便处理运动组织产生较大低频多普勒信号和血运动组织产生较大低频多普勒信号和血液产生微弱信号。液产生微弱信号。超声多普勒诊疗和成像第33页1 1、连续波多普勒连续波多普勒(CWD)(CWD)nCWDCWD接收机通常使用两种方法处理接收机通常使用两种方法处理CWDCWD信号。信号。q另一个方法是使用延迟线接收另一个方法是使用延迟线接收CWDCWD信号,
24、信号,该方法惯用于低成本设备。该方法惯用于低成本设备。q在此方法中,信号还是从在此方法中,信号还是从LNALNA输出提取,输出提取,然后转化成电流信号。然后转化成电流信号。q经过一个交叉开关对相同相位通道进行经过一个交叉开关对相同相位通道进行叠加,产生叠加,产生8 8至至1616路独立输出,详细由接路独立输出,详细由接收波束成形器决定。收波束成形器决定。超声多普勒诊疗和成像第34页1 1、连续波多普勒连续波多普勒(CWD)(CWD)nCWDCWD接收机通常使用两种方法处理接收机通常使用两种方法处理CWDCWD信号。信号。q延迟线产生延迟,并将这些信号求和组延迟线产生延迟,并将这些信号求和组成一
25、路波束成形成一路波束成形RFRF信号;信号;q然后利用一个本振频率等于发送频率然后利用一个本振频率等于发送频率I/QI/Q混频器将信号混频至基带;混频器将信号混频至基带;q然后将基带音频信号滤波后,转换至数然后将基带音频信号滤波后,转换至数字形式。字形式。超声多普勒诊疗和成像第35页n超声多普勒胎心率监护仪和超声多普勒血流仪设超声多普勒胎心率监护仪和超声多普勒血流仪设计原理。计原理。n其中超声波发射可分为连续波和脉冲波两种。其中超声波发射可分为连续波和脉冲波两种。n用连续多普勒仪器组成血管二维扫描基本上是一用连续多普勒仪器组成血管二维扫描基本上是一个平面图,它代表血管在皮肤上投影。个平面图,它
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