彩色多普勒原理

之欧侯瑞魂创作

创作时间：二零二一年六月三十日 黑色多普勒血流成像(Color Doppler Flow Imaging, CDFI),是在频谱多普勒(Spectral Doppler)技术基础上发展起来的利用多普勒原理进行血流显像的技术, 有关频谱多普勒的理论, 在本书的有关章节已有论述.与频谱多普勒相比, 黑色多普勒血流成像是多普勒技术在医学领域应用的重年夜发展, 从只能逐点取样测血流速度发展到用伪黑色编码信号显示血流的流动, 使多普勒技术能更直观地显示血流的流动方向、流动速度、流动范围、血流性质、有无返流、分流等.

黑色多普勒血流成像技术于l 982年由日本的Namekawa、Kasai及美国的Bommer最先研制胜利, 日本Aloka公司于1982年生产第一台黑色多普勒血流成像仪, 日本尾本良三最早报道了此技术在心血管领域的应用.尔后, 黑色多普勒血流成像技术应用范围逐渐扩年夜, 1986年开始用于周围血管血流成像, 1987年开始用于腹部器官, 1988年开始用于颅脑血流成像.现在, 黑色多普勒血流成像以及在此基础上发展的能量多普勒(Power Doppler)血流成像, 已成为超声诊断不成缺少的技术.黑色多普勒血流成像的重要性在于它能无创、实时地提供有关血流的信息, 而这是X线、核医学、CT、MRI以及PET等所做不到的.

创作时间：二零二一年六月三十日

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第1节工作原理

黑色多普勒血流成像的显示方式属于二维技术.血流的黑色信号叠加在二维超声显像图上.现在的超声诊断仪都用自相关技术作信号处置, 以获得血流的二维多普勒信号.黑色多普勒血流成像与频谱多普勒分歧, 每帧图像有32～l28条扫描线, 每条扫描线有250～300个取样点, 每帧图像内有10, 000个以上的取样数据, 为了实时成像, 必需在几十毫秒内处置这些数据, 因此必需采纳比傅立叶(Fourier)分析更快的自相关技术. 一、自相关技术

自相关技术能在约2ms内处置年夜量的多普勒频移数据, 并计算出血流速度、血流方向和速度方差, 但须注意所计算的是每一瞬间内若干频率信号的平均速度, 不能得出取样部位瞬时流速的分布范围, 因此也不能获得瞬时的最年夜流速.

自相关技术包括两个信号间相位差的检测, 即检测接连发射的两个相邻超声脉冲回声信号的相位差, 从求得相位差的公式可以计算检测位置的血流速度, 从相位差的正、负性可了解血流的方向.

由于超声诊断目前都用兆赫(MHz)以上的超声频率, 因为高频信号的处置比力困难, 所以通过一个正交检测器把回声信号转换成低频范围.

经过正交检测器和相位差检测的回声信号, 最后通过自相关检测处置, 才华获得血流信号的显示.

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二、MTI滤波器

MTI滤波器即Motion target indication filter, 目的是滤失落非血流运动发生的回声信号, 例如血管壁、瓣膜等发生的低频运动, 这些低频运动强年夜, 可干扰血流运动的信号, 因此在正交检测器和自相关检测器之间, 插人MTI滤波器, 以滤失落非血流发生的低频信号.MTI滤波器具有分歧的频率响应特性, 以用于对静脉血流、心脏和年夜血管血流的检测, 对静脉血流用低频段频率响应高的MTI调节, 对心脏和年夜血管, 则用对低频段频率响应抑制的MTI调节. 三、黑色增强器

黑色多普勒血流成像技术是以黑色显示血流信号, 伪黑色编码由红蓝绿三种基本颜色组成.目前均设定朝向探头的血流以红色暗示, 叛变探头的血流以蓝色暗示.黑色的亮度(辉度)与血流速度的高低成正比, 速度高, 黑色亮度强, 速度低, 黑色亮度弱, 例如朝向探头的血流速度低时, 信号为暗红色, 叛变探头的血流速度低时, 信号为暗蓝色, 如血流速度很低, 黑色信号的亮度很弱即颜色很暗, 从荧光屏上分辨困难.因此, 设置黑色增强器, 以增年夜低速血流的黑色信号的亮度.黑色信号的亮度与血流速度增快成正比, 直至流速达到Nyquist(奈奎斯特)极限.为了表达更快速的血流速度, 有时用三种颜色暗示血流速度的快慢, 朝向探头的血流用从暗红到明亮的红色信号暗示, 如血流速度更快, 就从红色酿成黄色(红色与绿色的混合), 黄色再变绿色, 三种颜色并存

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暗示分歧的流速.叛变探头的血流, 更快的速度以青色、绿色来暗示.超声仪器上把黑色图(Color map)设置为两种, 一种只有红、黄及蓝、青两种黑色, 用于非心血管系的血流检测, 另一种在每个方向上有两至三种黑色, 用于心血管系的血流检测.

黑色增强功能虽然使黑色信号的亮度随血流速度增快而增强, 但实际上这种功能主要是对低速血流, 提高低速血流的黑色信号亮度.当血流速度低于或达到Nyquist速度时, 黑色信号的亮度增强就达到饱和, 血流速度再增年夜, 黑色信号的亮度也不再增强. 另一方面, 非血流运动发生的低速运动信号, 可用MTI滤波器删去, 即达到黑色抑制的目的. 四、黑色多普勒血流成像技术的种类

黑色多普勒血流成像技术的种类有两种.除传统的黑色多普勒成像技术外, 还有一种为混合黑色多普勒或称聚合黑色多普勒(Convergent Color Dopplor, CCD), 此种技术综合了黑色多普勒血流成像与黑色多普勒能量图的优势, 可以显示血流速度的快、慢与血流方向, 又可以用黑色多普勒能量图显示低速、低流量的血流.有关黑色多普勒能量图的原理, 本书有专章叙述, 在此不再重复. 第2节检查方法 一、仪器调节

1．黑色图(Color Map)的设定 心、腹两用的超声仪, 黑色图都有两种设定, 以双色显示血流速度快、慢的用于腹部、外围

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血管的检测, 用黑色的亮度暗示血流速度的快、慢, 如朝向探头的血流为暗红→鲜亮红色→黄色.以三色显示血流速度快、慢的用于心血管, 除红、黄及蓝、青色外, 对朝向探头的血流以绿色暗示最快的速度, 对背向探头的血流以绿色暗示最快的速度, 可减少混叠(Aliasing)现象的呈现.

2．黑色图速度标尺(Scale)的设定 速度标尺的设定须与被检测的血流速度相匹配, 对高速的血流如速度标尺设定偏低, 很容易呈现黑色信号的混叠；对低速血流如速度标尺偏高, 则低速血流(例如静脉血流)可能不被显示或显示不完全.

3．壁滤波器的调节 一般有1～4档, 滤波频率随档的数字增年夜而增年夜, 高通滤波用于高速血流检测, 可以“切除\"呼吸等低频运动的干扰.低通滤波用于低速血流的检测, 便于低速血流的显示, 不至于被“切除”.

4．零位基线的调节 零位基线向下移动, 使朝向探头的血流可丈量的范围增年夜, 即速度标尺数据增年夜, 反之亦然.零位基线的移动, 有两种用途：①增年夜对血流速度的丈量范围.②消除黑色信号混叠(或称倒错、翻转)现象, 当血流速度超越 Nyquist极限时, 即超越速度标尺所能丈量的最年夜值后, 黑色信号逆转或翻转酿成反方向的颜色, 为了克服黑色信号的混叠(倒错), 可移动零位基线, 扩年夜速度标尺的丈量范围.通过移动零位基线, 可使速度丈量扩展至Nyquist极限的两倍.

5．取样容积调节 用黑色多普勒血流成像技术检测血管, 如

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黑色的血流信号“溢出”血管外．除与增益调节过高有关, 还由于取样容积过年夜使黑色信号描绘的血流失真.黑色多普勒技术显示的帆流年夜小, 与血管的内径其实不完全相等, 不能用丈量主黑色血流信号的粗细来代表血管的内径.应恰当调节取样容积的年夜小, 使血管内的黑色血流信号完整地充盈血管, 但又不“溢出”到血管外, 对低速、低流量的血流, 可适当增年夜取样容积, 以便于“捕捉”血流.

6．黑色信号的增益调节 增年夜增益调节, 可使黑色的亮度增年夜, 便于观察, 但增益增年夜后, 噪音信号也被放年夜, 干扰对黑色血流信号的观察.对低速低流量的血流检测, 增益应适当增年夜, 以便这些血流能清晰地显示, 但同时应注意防止因增益过年夜而呈现噪音信号, 影响对血流的观察, 甚至造成假象. 7．脉冲重复频率的设定(PRF) 脉冲重复频率(PRF)是探头在单元时间内重复发射超声的次数, 脉冲重复频率越高, 能检测的血流速度越快, 但检测深度越浅.黑色多普勒使用的是脉冲多普勒技术, 脉冲多普勒关于脉冲重复频率与检测深度、检测血流速度的关系可应用于黑色多普勒技术.发射超声达到被检测对象(检测深度)、反射回声被探头接收, 都需要一定的时间, 设检测深度为D, 超声速度为C, 则超声由体表至检测深度D所需的往返时间T为： T=2D/C

因此, PRF与T的关系为

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PRF=1/T

PRF与检测深度的关系, 因脉冲重复频率必需年夜于被检测物体多普勒频移(Fd)的两倍, 才华显示其频移年夜小和方向： Fd<1/2PRF

防止发生频率失真的最小PRF为： PRF=2Fd

脉冲重复频率的1/2就是Nyquist频率极限, 即在脉冲重复频率内所能检测的最年夜速度, 脉冲重复频率与检测深度(R)间的关系为： PRF=C/2R

从上式可知, 增年夜PRF, 使检测深度变小, 减低PRF, 可使检测深度增年夜.在超声仪上, 调节取样容积年夜小可用以调节脉冲重复频率, 取样容积的宽度为取样深度处的超声束直径, 其长度可调, 取样容积长度就是脉冲继续时间, 脉冲继续时间短, 脉冲重复频率就增高.

8．取样框年夜小的调节 电子相控阵探头的扇形扫查角度, 在有些超声仪是可变的, 例如30°、45°(50°)、60°、90°(80°).当使用超声仪的黑色多普勒血流成像这一功能时, 有一取样框用以观察感兴趣区的血流, 取样框的年夜小也可调节.扇扫角度或取样框年夜小(主要调节取样框的角度)的调节, 主要与图像的帧速有关.帧速即帧频的快慢, 在心血管检测时非常重要, 帧速太慢, 时间分辨力下降, 直接影响黑色血流成像的清晰度.有

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关帧速的公式如下： nTNF＝1

上式中N为组成一帧图像的扫描线数, T为发射脉冲的间隔时间(T＝1/PRF), n为在同一方向上发射超声脉冲多普勒的数量, F为帧速.因此, 如想提高帧速, 可通过降低T即提高脉冲重复频率PRF来达到, 但PRF提高后, 能检测的最年夜深度变小.降低n和N, 即减少单元时间内发射脉冲多普勒的数量和减少每帧图像的扫描线数, 后者即为缩小扇扫的角度或取样框的角度. 9．探头频率的选择 在脉冲重复频率的设定中提及脉冲重复频率与检测最年夜深度和最年夜检测速度的关系公式： PRF＝C/2R ＝2Fd 合并上述两式： Fd＝C/4R

多普勒频移的经典公式为： Fd一2f.VCosθ/C

将Fd＝C/4R代人多普勒频移公式得下式： RV＝C2/8f0.

从上式可知：发射超声频率f.与能检测的最年夜深度(R)及最年夜速度(V)成反比, 即超声频率越高, 能检测的最年夜深度及速度都降低.因此, 检测深部的血管需用较低的超声频率, 例如2.0～3.5MHz, 检测高速血流也需用较低的超声频率, 成人心血管

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经常使用2.O～3.5MHz的探头, 表浅部位或探头距病变部位距离近, 例如甲状腺、乳腺及经直肠检测前列腺、经阴道检测子宫及附件时, 可用高至6.0～7.0MHz的超声频率, 对低速血流在能达到被检测血流的深度的前提下, 也应使用尽可能高的超声频率. 10．余辉(Persistence)的调节 余辉在二维超声成像时是指帧(图像)重叠, 用在黑色多普勒血流成像时, 对低速度、低流量的血流, 可使之显示清晰, 便于观察.

二、检查方法

黑色多普勒血流成像的检查方法, 与二维超声成像的检查方法相同.黑色多普勒血流成像是在二维超声成像的基础上, 把血流的伪黑色编码图像叠加在二维超声图像上, 因此, 对各脏器、各系统的切面图的运用, 完全与二维超声成像相同.在完成二维超声成像后, 启动仪器上黑色多普勒血流成像的功能, 进行上述的仪器调节, 就可完成检查. 三、黑色多普勒血流成像的意义

即从黑色多普勒血流成像中, 可观察了解血流的有关特点及其意义.

1．显示出二维超声成像中未能检出的血流比力小的动、静脉血管, 用二维超声经常不能显示其血管壁, 非心血管系的其他系统、器官, 尽管位置比力表浅, 也罕见这种情况.例如颅内血管, 目前只有年夜脑中动脉的片断在部份患者中可显示其血管壁.用黑色多普勒血流成像, 可以使3mm以下的小血管的血流成像, 因此

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可以检出实质脏器肿瘤如肝、肾等肿瘤的血流.

2．鉴别二维超声成像的管道结构是否血管用黑色多普勒血流成像检查, 如有血流成像, 就是血管, 而非其他结构, 这对腹腔器官、外周血管的检测尤其具有诊断意义.例如胆道末端梗阻, 肝内胆管扩张明显, 需与肝内血管鉴别, 用黑色多普勒血流成像, 可很容易识出肝内的血管.

3．识别血流成像的血管是动脉或静脉

动脉血流特征是有时相的分歧, 即收缩期血流充盈血管, 且血流速度快, 舒张期血流速度低, 舒张早期可能有血流翻转, 舒张中期及末期无血流充盈, 外周动脉这些特征尤其明显.静脉血流为继续存在, 但速度低, 血流速度受呼吸影响年夜.在黑色多普勒血流成像时, 如速度标尺调节较高, 静脉血流可不显示或成像不充沛, 只有动脉血管显示, 动脉血流的成像呈闪动呈现, 静脉血流成像继续呈现, 用较低的速度标尺时, 动脉血流成像的黑色信号亮度高, 而静脉血流成像的黑色亮度不如动脉血流.当动脉、静脉血管并列时, 以上特征比较更为清晰, 例如检测肾动脉和肾静脉、肾的叶间动脉和静脉(interlobary artery、vein), 可以很容易清晰地识别出动脉、静脉血管.

4．显示血流的起源、走向、时相 朝向探头的血流以红色信号暗示, 背向探头的血流为蓝色信号, 例如在心尖四腔图, 从左房到左室有一股红色的血流信号, 结合心血管的解剖生理知识, 以及分歧黑色标识表记标帜血流的方向, 可以判断血流起源于左

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房.右主动脉窦瘤破裂向右室时, 在收缩期、舒张期均有分流血流信号, 室间隔缺损以左向右分流为主时, 收缩期分流血流明显, 只要观察到分流血流, 可以判断是收缩期的血流. 5．反映血流的性质

正常层流的黑色多普勒血流成像, 黑色的血流信号显示色彩比力均匀, 用较低的速度标尺时, 血管腔中央部份黑色的亮度高于外缘近血管壁处, 如用较高的速度标尺, 则为均匀的黑色, 黑色信号的亮度从血管腔中央到外缘没有分歧.瓣口狭窄、以及心腔内、心腔与年夜血管间的分流血流, 在其最高速的部份即射流(jet f10w), 因流速常超越仪器测速度的Nyquist极限, 血流的黑色信号常呈现黑色混叠.颈总动脉的血流进入颈动脉分叉时, 因管腔从年夜小均一突酿成膨年夜, 血流在膨年夜部的边缘呈现血流分离及旋涡流, 即血流方向与颈总动脉、颈动脉分叉部中央的血流方向相反, 用黑色多普勒检测可清晰显示颈动脉分叉处的旋涡流.

6．表达血流速度的快慢

动脉管道中的血流速度分布特点为中央部份最快, 越向边缘速度越慢, 管壁处的流速最慢.从黑色多普勒信号的亮度可年夜致反映上述流速的变动, 如速度标尺选择适当, 从黑色的亮度反映流速的快慢是很直观和清晰的.有些超声仪可以加上另一种黑色, 用以反映流速最快或最慢在那些区域.也可以用电子测速直接丈量黑色亮度分歧处的平均流速, 也可说明黑色亮度能反映流速的快慢.

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7．指引频谱多普勒的取样位置

黑色多普勒血流成像的黑色信号亮度, 可以标识表记标帜流速的快慢, 可以暗示血流性质, 例如层流、射流等, 因此根据黑色信号所暗示的血流特点, 可以指导频谱多普勒的取样位置, 检测到准确的血流参数.四、黑色多普勒血流成像的应用技术

黑色多普勒血流成像叠加在二维超声成像的图像上, 除与二维图像同时显示外, 还可与M型、频谱多普勒同时显示. 1．M型黑色多普勒 M型能完整记录到瓣膜、室壁、血管壁等的运动曲线, 血流在上述结构的各

种运动时相时是否呈现, 流速的快慢, 比从实时二维图像上观察更清晰, M型对心脏解剖结构的显示很清晰, 对黑色多普勒血流成像也能成为非常有用的解剖标识表记标帜.

2．频谱多普勒与黑色多普勒 黑色多普勒血流成像可以引导频谱多普勒的取样位置, 如两者能同步或接近同步, 根据黑色血流信号的呈现, 可随时修正频谱多普勒的取样. 3．黑色多普勒与其他超声技术的联合应用

①与负荷试验并用, 因负荷试验使血流速度增快、流量增年夜, 黑色多普勒血流成像的灵敏度因此也提高, 血流更易成像.②与超声造影并用, 超声造影可提高频谱多普勒信号强度15～25dB, 同时也提高黑色多普勒信号的强度, 超声造影与黑色多普勒并用, 可使血流更易被检出.

五、黑色多普勒的伪像及其鉴别

创作时间：二零二一年六月三十日

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由于黑色多普勒技术自己的缺陷、现有超声仪性能存在的某些缺乏、以及对仪器调节不妥等原因, 黑色多普勒与二维超声成像技术相同, 在应用过程中可能呈现某些伪像, 对这些伪像的正确识别, 有助于防止毛病的判断.

1．超声人射角度对黑色信号显示血流方向的影响 检测髂总动脉、髂内外动脉等外周血管时, 因血管较长, 如呈水平显示在荧屏上, 因超声入射角度的变动, 如左侧部份的血流信号为红色, 则右侧部份的血流信号就酿成蓝色, 而正中部份因超声束方向与血流方向垂直, 没有多普勒频移, 不显示黑色信号.左侧部份因血流方向与探头的关系, 呈朝向探头流动, 而右侧部份因血流方向呈叛变探头, 故黑色信号的颜色与左侧相反, 但实际上血流在血管内的流动并没有中断, 血流方向也无改变. 2．低频运动引起的噪音信号

心脏运动的传布、血管壁的搏动、呼吸运动、肌肉的不随意运动等都能发生多普勒频移, 这些低频运动发生的黑色信号干扰了对血流成像的观察, 称为“闪烁伪像”(Flash artifact)或“运动伪像\"(Motion artifact).性能良好的超声仪都设有抑制这些噪音信号的装置, 但还不成能完全消除.增高壁滤波频率, 可帮手消除这些低频噪音信号, 但低速血流可能也同时被“切失落”, 目前比力可行的方法是让患者屏气, 暂停呼吸, 可完全消除这些噪音信号.但邻近心脏的年夜血管例如下腔静脉近右房人口处, 受心脏运动传布引起的噪音信号的影响, 仍无法消除.

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3．镜像反射

超声穿透心脏壁后, 仍有足够的能量, 在心后壁心外膜处发生反射, 心外膜的反射在心腔内血流区发生背向反射, 背向反射到心外膜又被反射, 并被探头接收, 由于第二次在血流区的反射方向与第一次反射方向分歧, 故以心后壁为界, 在心外等距离区处呈现类似血流区的黑色信号, 但颜色相反.黑色多普勒的镜像反射发生原理, 与二维超声的镜像反射相同, 都是由于超声在通过组织结构时发生二次反射, 发生二次反射的原因又由于超声通过被检测的组织后, 还有较强的声能, 足以发生二次反射.因此, 减低声输出功率, 改变超声反射角度(当超声束垂直入射到被检的组织时, 反射能量最年夜), 或用频率高的探头, 均可明显减弱或消除镜像反射.也可用较浅的深度调节, 使镜像反射被屏弃于图像之外. 4．黑色信号混叠或倒错

即在同一方向上的血流信号, 呈现红、蓝色同时存在, 其发生往往与仪器调节不妥有关.对高流速的血流, 使用了低的速度标尺、低的脉冲重复频率、高的超声频率, 容易引起黑色信号混叠, 把以上使用条件改变, 可以消除黑色信号倒错.如已使用最高的速度标尺、最高的脉冲重复频率和最低频的探头, 被检的高速血流仍呈现黑色混叠, 呈所谓五彩镶嵌, 这时的黑色混叠, 具有诊断意义, 说明被检测的是高速血流.

创作时间：二零二一年六月三十日 创作时间：二零二一年六月三十日