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全国大型医疗设备使用人员彩色多普勒技术考试辅导材料 (第一章 第四章)中国医学科学院基础医学研究所 袁光华 中国医学科学院阜外医院 程克正,第一章 物理基础第一节 超声显像物理基础一、超声波基本物理量： 1、超声波是声源振动的频率大于20000Hz的机械波 2、超声波有三个基本物理量，即频率（f），波长（），声速（c），它们的关系是：c = f或=c / f，传播超声波的媒介物质叫做介质，不同频率的超声波在相同介质中传播时，声速基本相同。在人体软组织中声速为1540m/s。探测1cm深度目标所需的时间约13.4s. 3、相同频率的超声波在不同介质中传播，声速不相同，人体软组织中超声波速度总体差异约为5%。利用超声方法进行测距的误差也是5%左右。 4、临床常用的超声频率在2MHz10 MHz之间。,二、超声波的物理性能1、超声波在介质中传播时，遇到不同声阻的分界面，会产生反射和折射，反射的能量由 Z2 - Z1 2 反射系数RI = 决定。 Z2+ Z1 Z1、Z2为两种介质的特性声阻抗，Z=pc（密度声速）当Z1 = Z2，为均匀介质，则RI=0，无反射。当Z1 Z2 (如水和气)则RI很大，产生强反射。当Z1Z2，RI0，则反射存在。2、人体软组织声阻抗差异很小，但只要有1的声阻抗差，就会产生反射回波，所以超声波对软组织分辨力很高。3、当超声波垂直于不同声抗阻分界面入射时，可得到最佳的反射效果。,4、当分界面两边的声速不同时，超声波透入第二种介质后，其传播方向将发生改变即产生折射。 5、超声波在介质中传播时，有声能占据的空间，叫做声场。 6、多振子探头的声场分布呈“花瓣”状，其“主瓣”越细（窄）越好，而“副瓣”在声束扫描时将产生伪象。声束处理技术之一就是消除“副瓣”，突出“主瓣”。 7、超声波在介质中传播时，随着距离增加，声能将随之减弱，这就是衰减。引起衰减的原因主要有： 由于“内磨擦”，超声波机械能变为热能被组织“吸收”。 波束发散，能量的散射及反射，使得保持在介质中原始前进方向上的能量减小。,8、为了使深度回声信息清楚，在诊断中要使用STC（TGC）调节，补偿声能的衰减。衰减用IX=I0e -2x来描述。IX是距离声源X点的声强，X是距离声源的距离。I0是X=0处的声强 为衰减的系数 e为自然对数之底，e=2.71声强或声压的衰减吸收以分贝（dB）作单位，组织的衰减系数用dB/cm表示。在人体组织中衰减程度一般规律是：骨组织肝组织血液若进一步细分：骨（或钙化）肌腱（或软骨）肝（或肾）脂肪血液尿液（或胆汁）。组织中含胶原蛋白和钙质越多，声衰减越大，液体内含蛋白成分的声衰减大。,9、超声波在介质中传播时，如遇声阻不同的障碍物（目标点）则声束方向和声强将发生改变，其改变程度与障碍物之大小及声阻抗有关。当障碍物的直径大于1/2，在该障碍物表面产生回声反射。10、当障碍物的直径等于或小于1/2，超声波将饶过该障碍物而继续前进，反射很少，这种现象称为衍射，故超声波波长越短，能发现障碍物越小。这种发现最小障碍物的能力 称为显现力。 从单纯理论上计算，能测到物体的最小直径，称做最大理论分辨力，在数值上为1/2，但实际显示的分辨力要低于理论分辨力58倍。,11、超声波在传播中遇到粗糙面或极小的障碍物（或一组小障碍物形式）时，这时将有一部分能量被散射，散射声波可进行组合，等频同相波迭加后能量（幅度）加强，等频反相迭加后能量减弱。 红细胞的直径比超声波要小得多，红细胞是一种散射体，其反（后）向散射信息是研究、分析红细胞运动规律的极有用的信息，声束内红细胞数量越多，后向散射强度就越大。,三、超声多普勒效应 1、当声源与反射界面（或散射体）作相对运动时，由于超声波在一定介质中传播的速度是恒定的，故可看作超声的波长被压缩或扩展。波长的变化必将伴随着频率的移动（改变），它仍需满足C= f的关系，这种现象称之为多普勒效应。 2VcosQ 其多普勒公式为：fd=fR-f0= fO C fd为多普勒频移，fO为入射频率，fR为反射频率，V为反射物体运动速度，C为声速，Q为运动方向与入射波间的夹角。 2、当fO=3 MHz fR=3.005 MHz 则fd= fR - fO=5000Hz=5KHz所以fd一般都在音频范围内。检出fd后，以声音发出响声来监听，并通过FFT对fd进行频谱分析，所以多普勒频移属于声波范畴。,四、超声波分辨力，穿透力1、分辨力指能在荧光屏上被分别显示为两个点的最小间距的能力，一般可分为轴（纵）向和侧（横）向两种。2、轴向分辨力系指声束方向，能被分辩前后两点间的最小间距，它与超声波的频率有关，频率越高，波长越短，则轴向分辨越好。3、侧向分辨力系指与声束相垂直的面上，能被分辨两点的最小间距，它与超声束的宽窄有关。声束越窄（细），其侧向分辨越好。4、穿透力是指超声在介质中传播能到达最大深度的能力，它与声衰减系数有关，并与频率成正比，用dB/cm /MHz表示，所以频率高的超声波在人体中衰减也越大。,一、超声显像的一般规律 1、回声来源：来自大界面的反射和散射体的散射。 2、界面反射与声束角度：界面与声束角度对图像影响较大，球形病灶常仅有前后壁回声，侧壁声常常消失形成侧声影。 3、衰减对成像的影响：物体衰减特征主要表现在后方的回声。 4、囊性物体的声像图特征：内部为无回声区；前壁和后壁回声增强；侧壁回声消失；后方有回声增强和侧声影。 5、多重反射：超声遇强反射界面，在界面后出现一系列的间隔均匀的依次减弱的影像，称为多重反射，这是声束在探头与界面之间往返多次而形成。,第二节 超声诊断图像基础,二、不同器官组织成分的显像特点 1、皮肤：呈线状强回声。 2、脂肪：回声强弱不同，层状分布的脂肪呈低回声。肿瘤组织中脂肪与其它组织成分混杂分布时，常呈现强回声反射。 3、纤维组织：纤维组织与其它成分交错分布，其反射回声强，排列均匀的纤维瘤回声则 较弱。一般纤维组织的衰减程度较明显。 4、肌肉组织：回声较脂肪组织强，且较粗糙。 5、血管：形成无回声的管状结构，动脉常显示明显的搏动，有时能看到红细胞散射点状 回声。 6、骨组织、钙化或结石，形成很强的回声，其后方留有声影。 7、实质脏器：形成均匀的低回声。 以肝脏为标准：脾脏回声较肝脏低而均细 肾脏实质较肝脏实质回声也低 胰腺回声较肝脏高而且粗糙 8、空腔脏器：其形状，大小和回声特征因脏器的功能状态改变而有不同充满液体时可表现为无回声区充满含有气体的肠内容物可形成杂乱的强回声反射气体反射常曳有多重反射的斑纹状强回声，称为彗星尾征,三、病理声像图的特点 1、实质脏器的弥漫病变 急性与慢性病变回声表现 急性病变 慢性病变 脏器大小 增大 增大或减少 脏器边缘 饱满、圆钝 不平或结节状 脏器回声 减低 增加 脏器结构 变化不大 变形或显示不清,2、占位病变囊性或实性病变的鉴别 囊性病变 实性病变 病变形态 球状或类球状 团块状 边界回声 清晰光滑 可不清楚不光滑 内部回声 无 有 后方回声 回声增强 回声增强或出现声影 周围组织 可有压迫推移 压迫推移或浸润破坏 良性或恶性病变的鉴别 良性病变 恶性病变 病变形态 多规则 多不规则 边界回声 清楚光滑 不清楚或浸润状 内部回声 均匀、中等回声 不均匀低回声 周围组织 可有挤压 可有浸润破坏,四、超声诊断的基本要求 1、针对性 客观性 独立性 系统性 科学性 2、客观性： 病变的解剖定位，病变形态大小，数目，临近结构 病变回声特点，边界回声，内部回声的特点及透声特性 病变的动态变化。 重要的阴性所见，以供鉴别诊断时参考 3、独立性： 任何结论不能离开回声图像的客观表现，切忌随意附和 或臆测,4、科学性：（1）超声图像的拍摄存储，图像具有代表性、对比性、系列性。 灰阶回声图像的方位及对病变的描写方法。（2）图像的方位：美国超声医学会1976年规定（大多数国家采用），并与X 线摄影、X-CT、放射性同位素成像方位一致。图像左侧代表头侧（H），右侧代表足侧（F）；上方在仰卧位时代表腹侧，俯卧位时 代表背侧；在额状切面的回声图像上，上则上方代表头侧，右侧代表左侧。乳房回声图像将乳头居上，胸壁居下，并注明头侧（H）或右侧（R）,（3）图像的描述： a ) 回声强弱的描述： 根据图像中灰度不同，可分为强或高回声，中等回声，低或弱回声，无回声。回声的高低，强弱应根据病灶回声与周围正常脏器的回声强度作比较来确定。 b) 后方回声的描述： 病灶界面有较强的反射以及有较强的衰减特性时，后方回声减弱乃至消失，称为声影。 当病灶或组织液体或衰减不明显时，其后方回声强于周围组织，称为回声增强； 当病灶本身形成低回声强度或无回声区，而其后方有回声增强出现时称为透声区。,c) 回声分布的描述： 可以按分布情况描述，“密集”、“稀”、“分布均匀”、“分布不均匀” 综观病灶内回声分布的状况可用“均质”或“不均质”来形容。 d) 回声图像上病变形态的描述： 应当根据不同切面的回声图像特征描述病变的整体形态，不仅描述回声图像的平面特点，而且要注意描述病灶的立体形态，一般不直接作出具体的病理诊断的结论。 e) 一些征象的描述： 形象化地把某些病变的回声图像特征命名为某征。 “靶环征”、“驼峰征”、“平行管征”、“双筒抡征”、“蝌蚪尾征”等。,第四节、超声生物效应 一、超声声强概念：对超声诊断设备的超声辐射，针对人体不同部位，规定了限定值人体不同部位超声强度的限定值 FDA（美国食品药品局）规定 Isppa (W/cm2) Ispta (mw/cm2) Im (w/cm2) 心脏 190 430 310 脉管 190 720 310 眼部 28 17 50 胎儿 190 94 310Isppa： 空间峰值脉冲平均声强Ispta： 空间峰值时间平均声强Im： 最大声强度Iob： 真实声束声强国际电工委员会：IEC 1157-92规定Iob 20 mw / cm2 胎儿Ispta 100 mw / cm2超出这些规定值应公布其声强输出，超声强度超出规定,将造成若干生物效应，如：育龄妇女早熟排卵，受孕率下降，胎儿体重减轻，产后儿童发育迟缓等。,名称,限定值,部位,二、超声对生物体影响的作用原理1、空化作用：在液体中产生强超声时，会出现一种类似雾状的气泡，就如轮船推进器在产生推动力的同时会溅出气泡那样，这就是空化作用。生物组织由于超声空化作用而产生不能复原的破坏性形变，以至使细胞坏死和整个生物组织坏死。2、热作用：生物组织在超声机械能作用下，由于沾滞吸收，将一部分超声能转化为热能，使生物组织的温度上升。3、超声的生物作用： 超声对组织器官的影响 在强超声作用下，将使坐骨神经、脊髓、淋巴细胞、肝组织损伤。 超声对细胞的影响 超声诊断声强较强时对子宫癌HELA细胞，人羊膜的FK细胞，三个月胎儿脑组 织的胎生纤维细胞有影响。 超声对染色体的影响 超声诊断声强较强时，对白细胞、淋巴、成纤维细胞有影响 超声对精子的影响 强超声对精子活动力及受精卵易发生危害。三、超声诊断的安全因素： 超声剂量（声强）的限定值 Ispta100 mw / cm2 超声照射时间：通常一次超声10-20分钟 超声波形的形态：脉冲占空比为0.001，1s发射，1ms接受。,第二章 彩色多普勒基础第一节 多普勒超声基础一、多普勒基本概念 1、多普勒超声血流检测技术主要用于测量血流速度，确定血流方向，确定血流种类：如，层流、射流等；获得速度、时间积分，压差等有关血流的参数。 2、多普勒方式表达血流速度的公式如下： c(fd)V= 2cosQ fo式中C为声速（1540m/s）fo：发射频率（已知）COSQ是血流与声束夹角的余弦函数，当相对固定时，则fd与流速成正比，fd即影响流 速值V。 当多普勒入射角（Q）恒定时，频移fd 仅决定于发射频率fo。对于某一定的fd，fo越小，则可测的血流速度V就越大。欲测高速血流，fo就应选择低频率的探头。, 当血流速度保持恒定时，如：100 cm/ s（以及恒定的fo和C），那影响fd的参数只有COSQ，即频移的数值依赖于入射角的变化，而速度的数值与入射角无关。Q角改变的一般规律：a)当OOQ900时，COSQ为正值，即血流迎超声探头而来，频率增加，fd为正向频移。b)当900 Q1800时, COSQ为负值,即血流背离超声探头而去，频衰减低，fd为负向频移。c)当时Q=0或Q=1800时, COSQ= 1,即血流与声束在同一线上相向或背向运动，这时fd最大。d)当时Q=900,COSQ=0时, 即血流方向与声束垂直，此时fd =0，检不出多普勒频移。,3、三种多普勒方式(1)连续波多普勒(CW) 采用两种超声换能器,一个发射恒定的超声波,另一个换能器恒定地接收其反射波(或后向散射波), 沿声束出现的血流和组织运动多普勒频移全部被接受,分析,显示出来。CW不能提供距离信息,即不具有距离选通性,不受深度限制,能测深部血流,无折返现象,可测高速血流。 连续波多普勒在取样线上有符号标记，其符号仅表示波束发射声束与接受声束的焦点，或声束与血流的焦点。,(2)脉冲波多普勒(PW)、采用单个换能器,在很短的脉冲期发射超声波,而在脉冲间期内有一个”可听期”。脉冲多普勒具有距离选通能力,可设定取样容积的尺寸,并调节其深度、位置，利用发射与反射的间歇接受频移信号，测值相对准确，但检查深部及高速血流受到限制。并受脉冲重复频率-PRF的影响，PRF越高，测量血流速度也越高。多普勒频谱技术的分析基础是快速富里叶变换-FFT。(3)高重复频率脉冲多普勒-HPRF是在脉冲多普勒基础上改进，探头在发射一组超声脉冲波之后，不等采样部位的回声信号反回探头又发射出新的超声脉冲群，这样在一组声束方向上，若有一组超声脉冲向心腔内发射，第二组超声发射后，探头接受的实际上是来自第一组超声脉冲的回声，依次类推，相当于PRF加倍，频移也就增加一倍，扩大了血流速度测量范围。,二、多普勒血流频谱分析基础 1、多普勒血流频谱分析是给出一种显示，它的两个正交轴分别代表时间（水平轴）和频率（垂直轴），而相应的信号幅度则用密度或亮度表示。 2、为什么要频谱分析（1）所有的血红细胞速度都不尽相同，在同一时刻，将产生许多频移，成为复杂波；（2）具有相同流速的红细胞的数量也不一样，产生的振幅信号强度也不尽一致；（3）又因血流脉动的影响，信号频率和振幅将随时间而变化。所以，血流信息是随空间和时间而变化的复杂信息。把形成复杂振动的各个简单振动的频率和振幅找出来，列成频谱图，成为频谱分析。 在心血管测量中，频率（频移）代表血流速度，振幅代表具有该流速的血细胞的数目。在频谱图中，若横坐标代表频率，纵坐标代表振幅，由于频率与振幅的乘积即频谱曲 线下的面积等于信号的功率，这种频谱图也称为功率谱。,3、在多普勒超声血流测量中，FFT技术是频谱分析的主要方式。在频谱显示为：速度/频率-时间显示谱图中有关概念：（1）谱图上“横轴”代表时间（时基），即血流持续时间，单位为秒；横轴线也代表零频移线，在基线上面谱图为正向频移，血流朝向探头；在基线下面则为负向频移，血流方向背离探头。（2）“纵轴”代表速度（频移）大小，用KHZ 表示（也可换算成速度）；（3）“收缩峰”指在心动周期内达到收缩峰频率和峰速的位置；（4）“舒张期末”将要进入下一个收缩期的最末点；（5）“窗”为无频率显示区域；（6）“频带宽度”表示频移在垂直方向上的宽度，即某一瞬间采样血流中血细胞速度分布范围的大小，如速度分布范围大，频带则宽，若速度分布范围小频带窄。（7）“频带灰阶”即信号幅度，表示血流速度相同的血细胞数目多少。,三、脉冲多普勒局限性 1、脉冲重复频率与最大测量速度脉冲重复频率-PRF为了正确显示频移大小和方向，PRF必须大于fd的两倍，即PRF2 fd，或写成fd1/2 PRF, 1/2PRF称为尼套斯特频率极限，如果多普勒频移（或换算为血流速度）超过这一极限，会产生频率失真，或频率混淆（折返）。所以要测量高速血流，PRF必须快。 2、脉冲重复频率与最大采样深度 最大采样深度dmax=C/2 PRF 如脉冲重复频率（PRF）愈高，两个脉冲间隔时间愈短，采样深度也愈小， 反之则采样深度愈大。 3、距离测量与速度测量 最大测量速度Vmax与最大深度dmax的关系为VmaxdmaxC2/8f0（常数）所以 探测深度越深，则可测的速度范围便越小,两者互相抑约。 4、距离分辨力与速度分辨力 距离分辨力好（采样溶积小），则速度分辨力便低（频带愈宽），反之亦 然。速度和距离的测不准原理。,第二节 彩色血流显像一、彩超发展历史与临床应用 1、1983年11月Aloka公司在世界范围内首次推出适用于临床的彩超SSD-880，从此彩色血流显像技术实用化、商品化，这是彩色多普勒血流显像技术发展的起始阶段首台彩色显像装置问世。 2、1989年以后彩色多普勒血流显像仪在技术上，功能上都有了很大的突破，多数都可达到全身性应用检查，他们的设计原理大致相同，基本上都属检测多普勒频移的范围。这是彩超技术发展的第二阶段改进和提高阶段，在这段时间，彩超的临床应用得到很大的发展，成为超声医学的重要阶段彩色多普勒时代。 3、1990年以来，重要特征是以数字化技术为代表，采用了许多与传统方式不同的信息检测及波束形成技术，使彩超的性能有新的突破，图像质量有很大的提高。这是彩超发展的第三阶段由模拟数字混合处理到全数字化处理的发展阶段即步入数字化时代。 4、1996年后形成具有综合图像形成及处理功能的全数字一体化工作站的彩色血流现显设备。它不仅有极佳的图像质量，同时有极强的处理功能，并向三维立体显像方向发展。这就是今日“彩超”的新面貌。“彩超”的发展已进入第四阶段全数字化多功能信息化时代。,二、彩色血流显像原理 1、彩色多普勒是使用一种运动目标显示器MTI法，检测血细胞的动态信息，并根据血细胞的运动方向、速度、分散情况，调配红、蓝、绿三基色，变化其颜色亮度，叠加在二维灰阶图像上的彩色血流图。 MTI是彩色血流显像核心技术之一 MTI的滤波特性好坏与彩色显像质量直接相关。从接受到的回声中，只分离出血流信号成分，而滤去非血流信息（心室壁，瓣膜）。当用于TDI时，作用正相反。,2、自相关技术也是彩超的重要技术之一。它用于分析血流信号相位差，并将两个相邻的回声进行复数相乘，再经A/D转换成数字信号进行运算。 多普勒信号属于随机信号。随机信号不服从确定的规律，即便观察条件相同，各次察结果也不一样，根据过去已得知识不能准确预测其未来。这种信号的特征只能通过统计结果来描述。如对同一位置的采样线上的某一相同采样容积所获得的多普勒信息，必须用一些统计量来描述它在不同时刻的特征的总的结果，即不同时刻信号取值的相互关系，这就是自相关函数。一般用均值，均方，方差和功率谱表征。 为了形成二维彩色血流图，保证显像质量，每帧图像应有32条采样线，每条采样线有256个采样点或64条采样线，每条线上128个采样点。,3、血流分散 分散是表示血流的紊乱情况（显示红细胞速度，方向的分散情况），当血流为层流时，红细胞以基本的恒定速度朝大致一样的方向移动，当血流处于乱流状态时，红细胞的移动速度，方向皆不相同，这就有必要显示“分散”，它正好对应于频谱多普勒的频带宽度。频带窄=分散范围小，频带宽=分散范围大4、彩色显示 经过MTI滤波器后测出的红细胞运动的动态信息，有方向、速度、分散三个因素组成（1）彩色血流的特点是： 血流方向朝向探头，显示红色； 血流方向背向探头，显示兰色； 出现血流紊流时，以红蓝混合色表示 当高速血流超过最大显示频率范围时，（尼奎斯特频率极限）将出现与PW频谱同样的折返现象。折返现象表现为几种色彩的套叠，如同炽光的光焰色。,（2）二维彩色血流图每帧采样点可达到64256或32512个，采样点多，能提高信噪比及敏感度，（3）彩色显像的角度范围一般从300-900选择，角度大则成像速度降低，帧频下降；检查血流的深度与彩色显像帧速度也有关，增加深度将减少帧数。 所以彩色血流显像的帧速率与采样点数，角度大小，探测深度是相互制约的。在实际临床应用时注意到这点是必要的。 当其相互间的矛盾解决得越好，这说明该彩超设备的技术水平越高，而彩色血流显像必须要保证一定的帧速度率，最低可视帧频不能少于1012帧/秒。（4）在常规的PAL，NTSC制式的监视器显示中，必须和电视同步扫描，超声显示的帧数必须是50的约数，否则即为非同步扫描，将造成不稳定。,5、彩色显像的局限性：彩色显像与PW同样，存在类似的问题，显示深度受脉冲频率影响，减少脉冲频率最大速度又受影响，增加角度，每秒的成像速度也受影响。,6、小结：（1）彩色血流显像的基本构成及工作流程应包括： 由探头获取多普勒信息，经正交检波器，低通滤波，A/D转换，并将A/D转换后形成的数字信号输入到自相关器，计算出平均多普勒速度，血流分散和平均功率后而得到血流速度，方向和湍流的有关数据，进行彩色编码，并作彩色处理。（2）在一定角度范围内形成若干条采样线，每条线上设置若干采样点，形成二维的彩色血流图后再与二维灰阶图像叠加，构成一幅完整的彩色多普勒血流图。,（3）彩超仪器有多种专门显示血流的彩色标尺（Coler Bar 或Coler map），常用的有速度、方差、功率方式。（4）彩色血流显像可表示血流的存在，血流速度和方向及血流性质等，属于间接转换的二维显示方式。（5）彩色多普勒能量图（CDE），不受声束与血流夹角的影响，不存在折返现象，它与血流中红细胞的浓度（数量）有关，对于低速血流灵敏度高，可更理想地显示血流的空间分布。CDE不能表达血流的速度和方向。,第三节 彩超、伪彩一、彩色基础 1、在图像处理中应用彩色是由于人的眼睛能分辨几千种彩色色调和强度。而人眼对灰度 只有十几到二十级的分辨能力。 2、我们从一个物体上察觉的颜色基本上决定于物体反射的性质。 所有可见光都平衡反射时，则观察物体呈白色，若观察物体呈某种颜色，则该颜色的波长光波被反射。 3、各种彩色是不同波长的光混合的结果。红色、绿色、兰色为三种基本颜色，即三基色。基色叠加后构成二次色，如品红色（红加兰），青色（绿 加兰），和黄色（红加绿）。彩色电视接收机就是彩色光相加性质的一个例子。,二、彩超彩色多普勒血流显像CDFI实时彩色显示血流方向，血流速度，血流分散；在血流接近超声波束时（“近”流）用红色表示血流方向；在血流远离超声束时（“远”流），用兰色表示血流方向；多普勒频移的大小（流速）用不同强度的颜色色调表示；多普勒频移分散（湍流）用绿颜色与红、兰混合色表示。当血流速度增快，流量大，彩色多普勒成像的敏感度也提高。,三、伪彩灰阶到彩色变换 对二维灰阶图像进行彩色编码处理，用于彩色增强即伪彩，可以提高图像的分辨力，丰富影象层次，增加实感，提高B型超声对病理组织变化的可视度。 所以“彩超”主要对血流，“伪彩”主要对灰阶图像，即把不同等级的灰度变换为某种颜色灰阶到彩色变换。两者是不同的概念，应用领域亦不同，所以彩超与伪彩完全不同。目前众多彩色血流显像仪均带有以灰阶为基础的“B”彩，其作用是增强显示图像的边界分辨力。,第四节 血流动力学基础一、基本概念 1、稳流：流体元素以恒定的速度和方向运动时，这种流动称为稳定流稳流。在稳流中，流体元素的速度被认定为在时间t通过的距离 s即：s/t在人体血流中，静脉血流和毛细血管内的的血流可看成稳定流动。当流体元素内任何一点的速度大小和方向均随时间而变化时，这种流动称为非稳定流 动，在人体内，动脉血流显现脉动的性质，即非稳定流动。,2、粘滞性：在实际流体元素流动时都具有粘滞。由于粘性作用，必须在流体元素上施加一个力，以克服流体阻力。流体阻力可由泊肃叶定律推导出。在稳流中流量Q与L长度上的压差P2- P1的关系为： 8LnQ 8Ln p = p2 - p1= ， R= r4 r4 即单位时间的流量Q与管端压差P成正比，与流动阻力R成反比。 决定流体阻力大小的主要因素是血管的半径r，流体阻力与半径的四次方成反比。半径的微小变化即可引起流体阻力的明显改变。血管的收缩对于调节心血管系统的外周阻力和血流量，显然具有重要的作用。,3、流量：所谓流量是指流体元素在一段时间里通过管腔横截面的体积。 由于血管腔是圆形的，因此把血流系统流量Q看作是一圆柱体积，即：Q=A.L式中A为管腔横截面积，L为血柱的长度，即在给定的时间里血流通过的距离。因距 离等于速度时间的乘积，即L=V.t，所以，流量Q=V.t.A。对于匀速运动的流体来说，流量等于横截面积A、流速V和时间t三者的乘积。如果流速随时间变化，应将瞬时速度Vi对时间t加以积分，对于非匀速流动的流体，流量等于横截面积A和流速积分的乘积。流量的单位为体积，常用 cm3 或 ml 表示。,Q 4、流率：流率系指单位时间里的流体体积。即 q = AV= t 当流体匀速流动时，流率等于管腔横截面积与流速的乘积。在非匀速流动时， 流速qI = AVI 即流率等于横截面积和瞬时流速的乘积。 流率的单位是流量/时间，常用ml /s 或L/min表示。 当流体流动时，由于粘性作用，流体各处的速度出现差异。在圆筒形容器中，形成层流状相互滑落。 层流状滑落各流层之间形成速度梯度，不同速度的流层之间相互制约，流体流动时产生内磨擦力的这种性质，称为流体的粘性。,5、层流：粘性血流在血管中形成稳定的层流时，血细胞在血管中以相同的方向作规则的分层流动，但血管断面上各点的血流速度分布是不相同的。其分布规律由泊肃顺方程。 即： P1- P2 V = (R2 r2 ) 4L式中：V为距离血管为轴心r处的层流速度 R为血管的半径 P1- P2 为长度L两端的压差 为血液的粘滞系数 L为血管中某一段长度 P1- P2血管中心轴线上，即r=0 处 V0 = R2 此处血流速度最大。 4L在血管壁r=R处，速度为零，血管腔横断面积上的平均流速为： P1- P2 V = R2 8L,6、加速度：在动脉系统中，由于心脏的收缩，血流在收缩早期产生加速度，在收缩晚期产 生减速度。 当血流为稳定流动时，驱动压差与流动阻力相平衡，速度分布为抛物线状。当血流 加速时，流体的驱动动压差逐渐增大，粘性磨擦力的作用不断减弱，边界层越来越薄，出现平坦化的流速分布；当血流减速时，流体的驱动压差逐渐减小，粘性磨擦力的作用不断增强，边界层越来越厚，近管壁处甚至出现逆向血流，出现尖峰状的流速分布。 在舒张期恢复到抛物线状的流速分布。 在动脉系统中，血流的加速度对流速分布的形成起着主要作用。 在静脉系统中，流速分布一般为抛物线形。 在周围动脉血管中，舒张期流速分布近似于抛物线形。 在收缩早期，血流的加速度使流速分布变为平坦形， 在收缩晚期，血流的减速可导致管壁附近的血流逆转。 当血液流经的横截面积突然缩小或手扩大时，血流速度剖面产生相应的变化。,7、入口效应：血液流经横截面积突然变小处，会产生会聚形的流速截面，如锥形状管道内血流速分布。 由于通过管腔的流量不变，面积的缩小必然导致流速的增加，血流获行较大的动能。粘性磨擦力的作用相对减弱，出现平坦形态的流速分布。这种现象称为人口效应。8、出口效应：当血液流经一个横截面积突然扩大的管腔时，产生扩散形的血流截面，这便是出口效应。 由于通过管腔的流量不变，面积的扩大必然导致流速的减低。 这种流速减低主要发生于血流的边缘部分，而血流的中心部分仍以原来的速度流动一段距离，因此形成尖峰形的流速分布。 如果血流扩散程度较大，将造成血流与管壁的分离，从而导致涡流。,9、弯曲血管：当血流流入一条弯曲的血管时，流体内积压点受到向心力的作用而产生向心加速度。向心力的方向由管腔的外侧缘指向内侧缘，这一向心力由一大小相同但方向相反的压差所平衡，结果导致外侧缘的流速低于内侧缘；当血流沿弯曲管道继续流动时，由于粘性磨擦力的作用，靠近管壁的流速逐渐降低，而管腔中心的流速逐渐升高；血流绕过弯曲的血管后，由于流速较高的中心血流已具有较大的离心惯性，相对不弯曲管道的影响，因此向管腔的外侧缘移动，迫使原位于管腔外侧缘的流速较低的血流移向内侧缘，导致管腔外侧缘的流速高于内侧缘，导致管腔外侧缘的流速高于内侧缘。速度分布沿弯曲管道不断发生改变，产生扭曲形的流速分布。,10、湍流流动：当血流在血管中流动遇到阻塞时，障碍物对流体产生加速和瀑乱的旋涡喷射，血流运动变化反复无常，这便形成湍流。在湍流状态时，流体万分间相互错杂交换。此时压差和流率之间不遵循泊肃叶流体定律。 在心血管系统疾患中，湍流常发生于血流从高压心腔经过窄孔进入低压心腔时，如狭窄瓣口、狭窄隔膜、返流瓣口、异常缺损或分流通道。当血流经过窄孔时，血流分布可分为射流区、湍流区、射流旁区、边界层和再层流化区等几部分。,二、流体能量和柏努力方程 在血流动力学中，遵循能量守恒定律，它是由柏努利方程（Emoulli equation）来描述的。 1）流体能量：理想流体在流管中作稳定流动时，其流体能量为单位体积的压强P、动能1/2v2和势能gh之和为一常数，他们之间可以互相转换。E=P + gh +1/2v2=常数上式称为理想流体的柏努利方程。 2）狭窄处血流动力学：在狭窄口两端的压力阶差，可用简化的柏努利方程来测算。当血流经过狭窄口时，流速和压强均要发生变化。 P=4V2 2 即为简化的柏努利公式简化柏努利方程不仅用于计算狭窄口的压差，还用于解释动态压强对于血流梗阻的影响；红细胞的轴向集中；弯曲血管中的流速分布。,第三章 超声仪器第一节 超声探头一、压电换能器超声探头的核心是压电晶体或复合压电材料。为了向人发射超声波，并将经组织界面反射回来的信息转换为图象信号，能完成这功能的器件就是超声换能器。当在晶片上加一机械振动时，则此时晶片将产生电苛将机械能转变为电能，这种效应称为正电压效应，当在晶片是加一交变电信号，则此材料将产生与交变信号同样频率的机械振动将电能转变为机械能，这种效应称为逆压电效应。产生超声波是晶体的逆压电效应，或泛称为压电效应。,二、超声探头的种类与临床应 线阵探头、凸阵探头主要用于腹部、妇产、外围血管 扇形扫描探头 主要用于心脏 环阵扇形探头 主要用于腹部 探头是超声仪器的重要部件，使用时应避免探头摔打，牵拉导线，用不带腐蚀性的清洁剂擦洗探头残余耦合剂，仪器不用时应冻结图像。 特点比较 电子探头 机械探头噪声小、无震动 噪声大、有震动电子扇扫体积小 体积较大适用于腹部 适用于心脏继续发展 停止发展,三、探头频率与振子 单频探头：探头的标称频率（如3.5MHz），为发射时振幅最强的频率。也是探头的工作频率。 变频探头：通过面板控制，对同一探头可选择23种频率（如 3.5MHz. 5.0Mhz）探头频率可变。,宽频探头：发射时：有一很宽的频带范围， 如2MHz12MH 接收时：分三种情况（1）选频接收：在接收回声中选择某一特定的中心频率，保证能达到所要求的诊断深度，尽可能选择较高频率的回砀，以获得最佳的图像质量（2）动态接收：在接收时，随深度变化选取不同的频率，近场，中场达到好的分辨力和好的穿透力的要求（3）宽频接收：接收所有频率的回声在中近场包含不同频率回声取中频，远场只保低频取高频，在远场由于高频成分衰减，只保留稍低频率的回声。,四、高频探头：当频率在40MHz100MHz范围时，称之为高频超声探头，主要用于皮肤成像，冠状动脉内成像及眼部成像，如：超声生物显微镜。,任何种类的探头晶片前面均有匹配层，探头匹配层可保护压电振子，减少声波的谐振，增加频宽，使声阻抗与皮肤相近，保证声波有效透入人体，保证纵向声波传播。 探头的压电振子保护层，振子引线，吸声层，探头及接插机构等是探头质量的重要因素。,五、振子数是超声探头的重要指标，也是决定整机具体使用结果的关键技术之一 超声探头由若干振子（阵元）组成，并与一定数目的通道对应。振子数可用一定方法测得。,阵元与振子通道的关系：一个阵元可以包括4-6个振子如256振子只有64阵元，一个阵元包括4个振子，256振子可与256个采集通道对应也可与64采集通道对应，即256振子，64采集通道。振子数多（包括128、256、512、1024振子及通道）理论上成像质量越好，高密集探头使声束扫描线密度高，多方向同时接收回声信号，不需要进行插补处理，图像细腻，分辩力好。 在数字化波束形成中，接收回声时全部振子及通道均起作用。,第二节 实时超声显像原理一、超声诊断仪器类型 1、A型：显示单超声束界面回声幅度，称为振幅调制型，以脉冲波的振幅来显示回声的强弱。 2、B型：显示与超声束径向一致的切面回声图像，界面回声强弱由明暗度（灰阶）表示，它属于亮度调制型的二维图像。 3、M型：M型是一种单超声束超声心动图，显示心脏各层次的运动回声曲线，也是一种亮度调制型。Y轴（垂直方向）代表界面深浅X轴（水平方向）代表时间时基扫描线得出“位置时间曲线”可用于心脏测量计算,二、电子线性扫描将多个晶片组成一个线阵，用电子开关按一定时序，将激励电压；加至某些阵元换能器上，发射出束超声，同时由电子开关按一定时序去接通某阵元接收反射回超声信息。由此形成声束扫描。线阵扫描成像主要用于腹部妇科等部位脏器显像。三、电子扇形扫描电子扇形扫描是利用雷达天线相控阵扫描原理以实现人体超声成像电子扇形扫描角度为8090度，最大深度为20cm。成像速率为30帧/秒常用于心检查,四、机械扇形、环阵扫描机械扇形扫描由单晶体摆动，位置编码检测，驱动电机等构成，可获得30度90度的扫描，每秒30帧成像速率，每帧128线的扇形图像,常用于心脏检查环阵扫描可获得此机械扇扫更多的焦点，因此声场特性好，图像优于机械扇扫。但由于机械磨损，噪声均随使用时间长而增大，寿命不及电子探头。,第三节 超声仪器工作流程超声诊断仪基本组成包括：发射与接收单元（TX/RX），数字扫描转换部（DSC），超声图像显示，超声图像纪录，超声电源等。一、发射/接收、电子聚焦。超声信息单元产生发射脉冲并施加到探头上，换能器由排列在一直线上的若干个振子组成。一定数目的换能器振子按一定规律的组合发射/接收，进行顺序扫描。超声波辐射人体内，辐射的超声波在人体中产生回波，并在探头上产生感应电压（换能器的正压电效应）。这一感应电压被放大、对数压缩和检波，然后这些检波信号传送到数字扫描转换部件。超声波是通过电子聚焦方式聚焦。采用动态聚焦，三个焦点在深度方向上可设计确定。,二、数字扫描转换器（DSC）。数字扫描转换器是借助数字电路技术和存储媒介，把以不同扫描方式所获得的超声图像信息，通过数控IC存贮器存入超声信息，然后变成标准的电视扫描制式进行图像文字显示。在DSC中对超声信息还要进行插补，以增加超声信息线密度。 DSC主体是IC图像存贮器，图像具有16、64级灰阶或256级灰阶。DSC中也就是可将线性扫描、凸阵扫描、扇形扫描、圆形扫描等不同扫描格式变换成用标准电视 制式显示，有利于图像质量的提高、显示稳定（克服图像闪烁）、记录装置的标准化。 DSC的另一作用可以使回声数据存入存贮器后进行图像插补处理，以增加信息密度，提高图像的清晰度。,在超声诊断仪的数字扫描转换器中，涉及到电子技术方面的概念、定义和公式，在这里作一简要说明。像素（像点、像元）。图像中一个最小的基本单元叫做图像的像素或像点（Pixel）。图像（Imaging）。若干像点的集合便组成图像（也往往称影像）。图像中像素愈多，其空间分辨率愈高。灰阶（Grey Scale）。图像中像素的亮度等级，由黑到白可分为256级灰阶，但人眼一般只能分辨出16级左右灰阶。所以B型超声诊断仪常采用64级灰阶。灰阶级数愈多，其图像对比分辨率愈好。一幅超声图像的质量，一般取决于像素的多少和灰阶级数。,存贮容量（Memory Capacity）。一个存贮器容量包括了像素与存贮位数的乘积。如图像按N行（Row）、M列（Column）排列，则行与列的交点就构成了一个像素。如256行、512列，则总像素为B=NM。N、M一般表示为2的整倍数。如27=128，28=256。灰阶级数G=2m为存贮位数即比特（bit）。通常超声诊断仪的存贮容量用B表示： 即 B=NMm 如m=6bit ，N=256, M=512 则 B=2565