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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 物理基础第一节 超声波的概念一、基本概念1、人耳的听觉范围：20-20000Hz。2、超声波是频率大于20000Hz的机械波。3、超声波具有声波的共同物理性质。4、临床常用的超声频率在2MHz10 MHz之间。,二、超声波基本物理量：1、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。2、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。,三、声场1、概念：发射超声在介质中传播时其能量所达到的空间称为声场，又称声束。2、声场特性：（1）扫描声束随探头的 形状、大小、阵元数及其排列、工作频率、有无聚焦以及聚焦方式不同而有很大差异，此外还受超声与人体组织间相互作用的影响。,（2）声束由一个大的主瓣和一些小的旁瓣组成。超声成像主要依靠探头发射高度指向性的主瓣并接收回声反射，旁瓣的方向总有偏差，容易产生伪像。（3）声场分近场和远场，以圆形单晶片探头为例，近场声束集中，呈圆柱形，其直径接近探头直径，长度取决于超声频率和探头的半径，横断面上声能分布不均匀。远场声束扩散，呈喇叭形，横断面上声能分布比较均匀。声束向两侧扩散的角度称为扩散角，扩散角越小，指向性越好。多振子探头的声场分布呈“花瓣”状。（4）超声波指向性优劣的指标是近场长度和扩散角。,3、声束聚焦与分辨力。聚焦后可使聚焦区超声束变细，减少远场声束扩散，改善图象的横向和侧向分辨力。（1）聚焦的方式：固定式声透镜聚焦、电子相控阵聚焦、二维多阵元聚焦等。（2）聚焦声束与非聚焦声束的比较。,第二节 超声的物理特性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，随着距离增加，声能将随之减弱，这就是衰减。与传播距离和频率有关。引起衰减的原因主要有：（1）介质对超声的吸收，超声波机械能变为热能被组织“吸收”。（2）声束发散，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。（3）能量被散射体散射掉。,6、为了使深度回声信息清楚，在诊断中要使用DCG（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，液体内含蛋白成分越多，声衰减越大。,6、超声波在介质中传播时，显示器上能够区分声束中两个细小目标的能力或最小距离，称为分辨力。其受多种因素影响，如频率、脉冲宽度、声束宽度、声场远近和能量分布、探头类型和仪器功能等。（1）轴向分辨力：指在声束长轴上区分两个细小目标的能力，与波长密切相关。频率越高，轴向分辨力越好。从单纯理论上计算，轴向分辨力在数值上为1/2，但实际显示的分辨力要低于理论分辨力58倍。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。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。,（2）横向分辨力：与探头厚度方向上声束宽度和曲面的聚焦性能有关。在聚焦最佳区的横向分辨力最好，在其聚焦区宽度一般小于2mm。（3）侧向分辨力：与探头长轴方向上扫描声束的宽度有关。聚焦声束越细，侧向分辨能力越好。,四、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，利用扬声器发出响声来监听，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。,五、超声的生物学效应一、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。,二、超声对生物体影响的作用原理1、空化作用：在液体中出现强超声时，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细胞等有影响。超声对染色体的影响 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,当电脉冲加至超声换能器后，电能转变成机械能，其实质是将“电功率”转换成“声功率”。超声在生物组织中传播，使介质分子微粒发生高频机械振荡，这形成了超声能量传递或功率作用。一、声强（intensity）的定义 是描述超声能量（energy）的物理量。超声束在单位时间通过单位截面积（CSA）的超声能。即指单位面积上被照射的声功率（W/cm2、瓦/平方厘米或 J/s.cm2、焦/秒.平方厘米）。一般诊断级超声在 100mw/cm2以下，不引起明显的生物效应，对人体无伤害。,二、常用的声强指标 脉冲超声声强 超声换能器发射脉冲超声，脉冲超声 的最大声强称“时间峰值”（TP）”声强和“时间平均（TA）”声强。由于声场中声强分布不均匀，而有“空间峰值（SP）”和“空间平均（SA）”声强的概念 空间峰值时间平均声强（ISPTA）W/cm2 在声场中或是某一指定平面上的时间平均声强的最大值。空间峰值脉冲平均声强（ISPPA）W/cm2 在声场中或是某一指定平面内的脉冲平均声强的最大值。最大声强（IM、Imax）W/cm2 在空间最大值处，具有最大时间平均声强的腺脉冲半周期内的时间平均声强。真实声束声强（Iob）,三、热作用和空化效应指标 1、热指数（Thermal index TI）超声照射到声学界面，产生温升与使界面温度升高 1oC的比值。TI在1.0以下无致伤，但对胎儿应调至 0.4以下；对眼球应调至 0.2以下。2、机械指数（Mechanical index）超声在弛张期的负压峰值（Mpa数）与探头中心频率（MHz数）平方根数的比值。通常认为 MI值在 1.0以下无致伤性，但对胎儿应调至0.3以下；对眼球应调至 0.1以下。,诊断用超声的安全性和应用原则（世界医学生物学超声联合会、“世超联 WFUMB”声明摘要 1992）1、目前使用的简单的 B型超声仪的声功率，不可能产生有害的温度升高作用，因此它在致热方面无禁忌征，包括经阴道、经腹壁和内镜超声的应用。2、某些 Doppler诊断仪在无血流灌注的实验条件下，可引起显著升温生物效应。将超声照射时间尽可能减少，可使升温作用降至最小，并调节到最低功率。动物实验表明，小于 38.5o C则可广泛使用，包括产科应用。,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，频率减低，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，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值流速的位置；（4）“舒张期末”是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称为尼奎斯特频率极限，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。,脉冲重复频率与深度的关系脉冲重复频率 近似的深度距离 最大可检出fd(KHz)(cm)(KHz)25 3 12.9 18 4.3 9 12.5 6 6.25,3、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。,速度m/s,深度（cm),速度与深度的关系曲线,四、提高脉冲多普勒检测血流速度的方法1、选择超声频率较低的探头当探测深度d一定时，最大可测血流速度Vmax与ft（探头频率）成反比，也就是说 ft越低，流速速可测值愈高。如表2-4-2所示。探头频率与最大多普勒速度的关系（cm/s）探头超声频率 深度（cm）25MHz 3.5MHz 5MHz 4 382 273 191 8 231 165 116 12 166 119 83 16 129 92 65 从表中可知，在12cm深度时，2.5MHz检测流速是5MHz的一倍。,2、增加脉冲重复频率 由式fd PRF可知，增加脉冲重复频率PRF则fd也随之增，而fd与血流速度是对应变化的。所以可采用高脉冲重复频率多普勒方式来增加血流速度可测值。3、减小取样深度 对同一频率的探头（即fo不变）探测距离短时，可测流速就大，即最大可测流速vmax与采样深度d成反比。在探查高速血流时，应尽量选取距探头近的采样容积，以防止采样过深时发生的频率混叠。,4、移动零位线采用单向测量方式进行检查显示0PRF之间的频移fd，使单方向的频移值增大一倍，即流速可测值增大一倍，从而防止单纯混叠发生，但是零位线向F移动后，正向频移的折返部分得到连续显示，而反向血流的频移信号仍然存在于屏幕上方，与正向频移的尖峰部分相互混杂，反之亦然。这点是必须注意的。所以移动零位线仅在不伴有负向（向下）或正向（向上）血流频移信号时才能增大流速可测值并防止频谱的混叠。,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显像设备。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（moving target indicator)，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，各次观察结果也不一样，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，方差和功率谱表示。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。它不能用于定量分析最大血流速度。,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。当血流速度范围超过仪器所规定的限度或血流方向紊乱不规则时，血流图像中出现附加的绿色斑点，即表示湍流。所以朝向探头的湍流出现黄色，背离探头的湍流产生湖蓝色。在明显的血流紊乱时，可出现红、蓝、绿、黄、青、白等多彩斑点的血流图像，称为镶嵌状图形。,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；出现血流湍流时，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。,（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。,零电平位移：当测量的血流速度很大，超出尼奎斯特频率极限（Nyqusit frequency limit），多普勒频率变化会出现大小和方向的伪差，即频率混淆，正向血流（或负向血流）会出折返现象颜色反转。这时可以将零电平线向下（或向上）移动，可把单一方向的最大血流测量速度扩大两倍，以避免高速血流的颜色混叠。零电平位移 在彩色多普勒血流成像中，当零电平向负向移动达7个色阶时，扩大了正向血流显示范围。反之，零电平向正向移动，可使兰色的反向血流显像扩展至正的范围内。扩大了负向血流的显示范围。,5、彩色血流显像的局限性：正常的较高流速：PW的频谱不出现频率失真。而CDFI可出现彩色逆转，易误为血流紊乱。CDFI显示的是平均血流速度，而非最大流速。CDFI不能用于血流速度的定量分析。采用零线位移方法，可使奎尼斯特频率极限增大1倍，但只能观察单一方向的血流。而不能同时观察正、反两种方向的 血流。湍流显示不确定性,当湍流存在时，定会出现绿点斑点，但出现绿点斑点并不一定就是湍流的存在。,彩色血流显像的几个基本概念 彩色多普勒血流图(CDI)(彩色血流、彩色透视、彩色余辉、彩色捕捉)彩色多普勒能量图(CDE)彩色多普勒方向性能量图(DCA)彩色多普勒组织成像图（TDI),滤波器的性能 血流显像的质量主要取决于MTI的特性。一般分为24级可调节选择（图3-2）高通滤波可截止起点高的频率，将低速血流频率滤去或除去来自胸腔等不必要的信号,用以显示高速血流，免受低速血流干扰。低通滤波，截止起点频率较低，用以显示较低速血流。图3-2 可变彩色滤波器 一个实际的彩色血流显像系统都精心设置高性能的MTI滤波器。如果滤波器的性能不佳，就会显现其它成分（如心壁、瓣膜等）信号，或出现整个图像带红色或兰色的伪象。,彩色血流速度标尺 用于标识最大速度显示范围、高速标尺适用高流速显示，低速标尺适用于低流速显示。红蓝两色的最大亮度代表彩色血流的的尼奎斯特频率极限。一般将红、兰两色分为16个色阶或亮度等级调节速度标尺。可调节显示血流的流速范围。当高速血流超过最大显示频率范围时（Nyquist频率范围的层流）将出折返现象。在彩色血流显像中，折返现象表现为几种色彩混叠。以红、绿、蓝三基色调配的不同色彩和辉度代表着血流不同方向、速度和性质。并和二维灰阶图像叠加构成了彩色血流图像。,彩色血流显示方式速度方差显示（VT）显示血流速度及方向，同时显示湍流（变化 程度）多用于心脏高速血流检查：速度显示（V）显示血流速度及方向，彩色（色调）表示方 向，颜色的饱和度表示平均速度范围。用于 腹部及低速血流检查方差显示（T）显示血流分散，彩色的饱和度显示湍流的大 小，彩色（色调）表示血流存在紊乱。用 于高速湍流血流检查。能量显示（P）用彩色的饱和度显示血流能量强度，多用于 中低速血流检查。,提高彩色显示帧频 确保高帧数的几种方法是 缩短检查部位距离：超声波发射出来并反射回去的时间也就缩短，从而能提高帧数。缩小扫描角度：缩小扫描角度到30度，效果相当显著。通过角度变化可提高帧数。提高彩色运算装置的性能，采用多相位同步接收处理的新技术可以大大提高帧速率。,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 彩超和彩阶一、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、彩阶灰阶到彩色变换 对二维灰阶图像进行彩色编码处理，用于彩色增强即彩阶（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。2、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。,3、流体阻力：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与长度L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。,4、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。,5、流率：流率系指单位时间里的流体体积。即 q=AV 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。,6、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，称为流体的粘滞性。,7、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。其分布规律符合泊肃叶方程。即：P2-P1 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 P2-P1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：P2-P1 V=R2 8L,8、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扩大时，血流速度剖面产生相应的变化。9、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，血流获得较大的动能。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。,10、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。,11、弯曲血管：当血流流入一条弯曲的血管时，流体内各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，空间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。,12、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紊乱的旋涡喷射，血流运动变化反复无常，这便形成湍流。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、流体能量和柏努利方程 在血流动力学中，遵循能量守恒定律，它是由柏努利方程（Benoulli 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。三、血管弹性与平均动脉压（略）平均动脉压不是收缩压和舒张压得平均值，而是要比其小。血管顺应性的概念意义。,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荷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。耦合剂的作用是使探头与检查部位的声阻抗匹配良好，消除气体影响。,二、超声探头的种类与临床应用 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2-3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3MHz12MH 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，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，再行处理。,选频接收,动态频率接收,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46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。,1024 阵元探头,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）代表时间时间扫描线得出“位置时间曲线”可用于心脏测量计算,4、D型5、CDFI6、三维成像,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，发射出一束超声，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8190度，最大深度为20cm。成像速率为30帧/秒，常用于心脏检查。,四、电子凸阵扫描适合于腹部脏器的检查。,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，超声图像记录，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