超声基础知识

△φ＝φ1－φ2 ＝ω0t1－ω0t2

＝ω0（2L/C－2L/C+2Vt/C） ＝2ω0Vt/C

由上式可以看出，只要我们能检测到连续发射的相邻两个超声短脉冲波之间的相位差△φ，就可以获得血流速度的值。血流的方向与相位差的极性一致。△φ为正值，表示朝向探头运动；△φ为负值，表示背向探头运动。在实际应用中，一般先通过直角相移检波器（也称正交检波器）把多普勒信号转换到低频范围处理。

自相关检测：如图6所示，把通过低频滤波后输出的cosω△t和sinω△t分别再分成两路进入混合乘法器。一路直接进入，另一路经过延迟电路进入，并且使延迟时间s等于发射超声脉冲的间隔时间T。设经过延迟电路的多普勒信号相位为φ1＝ω△t1,直接进入的多普勒信号相位为φ2=ω△t2，因为T=t1－t2，所以两者的相位差△φ=φ1－φ2＝ω△t。进入混合乘法器中的回路信号被进行如下运算：

cosφ1?cosφ2＋sinφ1?sinφ2＝cos（φ1－φ2） sinφ1?cosφ2－cosφ1?sinφ2＝sin（φ1－φ2）

其正切值tg△φ＝sinφ/cosφ。利用反正切函数，可以求得相位差△φ。

根据△φ＝ω△t及多普勒频移方程fd＝2Vf0cosθ/C，可获得血流速度 V＝Cfd/2f0cosθ

因为 fd ＝ △φ 所以 V＝ C△φ f0 ω0T 2ω0T cosθ

在检测过程中，总是把接收到的后一个多普勒频谱脉冲与它前面接收到的一个多普勒频谱脉冲组合在一起进行相关分析，所以谓之自相关技术。因为这一过程极为迅速，能在通常FFT处理所需的2msec内处理数十倍于FFT处理的回声，从而实现了以彩色标记的血流速度和空间分布的实时显示，即彩色多普勒血流图。 16．超声波测量距离（深度）的原理是什么？

振源连续地发出振动，这种振动形成的波动称为连续波。若振源作间歇振动，这种振动形成的波动称为脉冲波。如图7所示，设声速为C的介质内有两个距换能器距离分别为X和Y的两个目标A和B。换能器T向介质内的目标发射脉冲波后，经过时间t1和t2接收到两个回波。声波在时间ti和b内传播的距离分别为2X和2Y，则 X＝Ct1/2 Y＝Ct2/2 A和B两个目标的距离为 Y－X＝C（t2－t1）/2

所以测知换能器发出脉冲波到接受到反射回波的时间，即可知到目标的距离。 17．何谓动态范围？

动态范围泛指放大器能放大最低至最高信号电压的范围。最低信号指噪声之上的信号；最高信号指放大器不被饱和的信号。阴极射线管所能显示的明暗幅度也可用动态范围描述。某种限度以下的信号不显示亮度，超过某种限度以上的信号被饱和也不再增辉。动态范围装置可在这个范围内按需要对输入信号作相应的调整。一般动态范围值用dB表示，超声输入信号范围在100－120dB，其中传播衰减引起的输入信号变化为60－80dB，人体组织反时引起的输入信号变化为40－50dB。B超图像采用黑白显像管的亮度显示，对回声点由暗到最亮能显示的信号动态范围约为20dB；另外线性放大电路有效动态范围也只有30－40dB。基于上述原因，超声接收电路采用信号动态范围压缩技术，以压缩和删除无效的信号，并且使较大动态范围的有用信号也以恰当的比例压缩，以获得清晰的声像图。 18．壁滤波器的作用是什么？

用于调整脉冲波或连续波多普勒低频信号的滤过频率的装置。低频信号多数来自于壁运动信号，诸如心房壁、心室壁、血管壁、瓣膜以及腱索运动等。为了不使其干扰频谱显示，宜将其滤掉，但与此同时也将导致一些与其频率相近的低频血流信号被滤掉，因此滤过频率的选择需视检测要求而有所不同，如检测低速血流（腔静脉、肺静脉、房室瓣）可选择200－400Hz，正常高速血流（心室流出道、半月瓣）可选择400－800Hz，高速射流（瓣膜狭窄、返流，心内分流的射流）则以800－1600Hz为宜，视需要而定。 19．怎样应用能量输出调节？

调节发射脉冲的输出能量使之有足够的、适当的穿透能量通过人体组织结构是获得高质量声像图的途径之一。加大能量输出可使脉冲回波总增益提高，它是通过改变发射回路的阻尼来调节输出能量。输出的能量常以分贝（dB）为单位，0dB表示输出能量最大，－15dB表示能量输出最小。操作时，只要所用的超声能量足以显示出良好的声像图，便能获取必要诊断信息，在此前提下应尽可能降低超声能量输出。 20．何谓灰阶及灰标？

从最亮到最暗的像素变化过程，即从白到灰再到黑的过程，称为灰度。灰度的等级称为灰阶。灰阶可以被超声装置内的微处理机分为16、32、64、128、256级，目前多达512级。 监视器上显示的亮度用格数逐级递减的灰阶等级标志称为灰标。用以直观地表示出图像中所含的所有灰阶的亮度。

21．什么是γ特性、γ校正和γ校正电路？ γ特性：指电视系统中景物的亮度和显像管重显图像的亮度之间关系的特性。以景物亮度的对数作横坐标，显像管上图像亮度的对数作纵坐标，特性曲线的斜率称为γ。当整个图像传输过程保持良好的直线性关系时，该曲线的斜率γ为1。由于显像管与摄像管的光电转换特性皆非线性，因此整个电视传输系数也是非线性的，即γ不等于1。超声诊断成像系统情况也是这样。要使γ等于1，就必须进行校正。

γ校正：利用非线性的传输特性，人为地改变电视传输系统的特性，以达到γ为需要值所作的校正。半导体二极管和三极管具有非线性特性，因此常用来组成校正电路。 γ校正电路：能引入非线性的输出－输入特性，对阴极射线管的灰度系数有效值实行校正的电路。在超声诊断显像中常用感光胶片或其它硬拷贝材料取得永久保存的图像记录。同一图像在记录前后的亮度之间不是线性关系，因记录材料而异。故预先要对存储器中所有像素的幅度进行校正，使硬拷贝上得到正确的灰度显示。超声诊断仪中往往把操作观察用与拍照用的显示器分开，后者是经过γ校正的。也有的是按动拍照键时才进入γ校正的。 22．Doppler组织成像（Doppler tissue image，DTI）的原理和应用是什么？ DTI也称多普勒组织速度成像（tissue velocity imsge，TVI）。在超声波进入人体传播的经路中，所遇到的介质不仅有含微粒的液体，而且有运动的组织。所获得的Doppler信息可以分为两大部分，即速度（频率）和振幅信息。血流产生的散射型Doppler信息，其特点是频移大的Doppler信息；组织运动产生的 Doppler信号，其特点是频率低、振幅大。此外还有低速血流产生的散射型Doppler信息，它的频移、振幅都小。对于组织运动，常采用壁滤波器加以消除。消除的同时也去除了低速血流信息。DTI的实质是检测组织运动（幅度）的信息。其技术是利用特定的逻辑电路和不同的算法进行幅度和频率的双重鉴别，去除血流信号，将运动组织的Doppler信息和低速血流的Doppler信息取出，达到显示组织运动特征的目的。 23．何谓彩色多普勒能量图（color Doppler Energy，CDE）？ CDE又称能量多普勒超声图（power Doppler ultrasonography）、能量彩色图（power color image）、彩色振幅成像（color amplitudeimaging）等，是通过检测组织或血流散射信号的振幅，经过平方处理后进行编码显示，就可得到能量图像。能量图的优点在于： （1）不受声束与速度之间夹角θ的影响。

（2）不产生频谱混叠（aliasing）。

（3）对低速血流也具有较高的灵敏度。 能量图并非十全十美，因能量信息与速度方向无关即无方向性，这对于需要了解流速方向造成困难，但有时无方向性却能抑制背景噪声反而使图像中的有用信息得到突出，对软组织运动很敏感，易受运动组织回声的干扰。 24．谐频成像和声学造影的原理是什么？

声波在人体内传播过程中除了发射的频率（基础频率）外，还产生另一类与发射频率成整数倍的谐振频率（倍频、组合频率等）。接收和处理这些谐频，使声像图含有更丰富的诊断信息，就发展了新的成像技术－谐频成像技术。如发射2MHz，可接收4MHz的谐频回波进行成像。其优点在于周围组织背景（基频）都被消除，噪声大为下降。谐频Doppler技术，使心脏、肾脏、血管的轮廓得到显著改善，但是谐波的衰减系数要比基波大，在测量深度上受到限制。声学造影是将与人体组织声学特性有差异的声学特征物质注入人体的特定部位，人为地扩大待查部位与周围组织间的差异，从而使超声图像更为清晰的方法。声波在造影剂中传播，其特征参数（压力、密度等）之间的关系是非线性的。产生的非线性参数约为人体组织的几十倍以上，这意味着声波在造影剂中产生的倍频的幅度要比在周围介质中产生的倍频幅度高几十倍以上。利用谐频成像可以获得非常强的信号，显著提高灵敏度。 25．血管内血液流动的特点是什么？ 圆管中的粘性流体具有如下特征：

（1）粘性流体的流动分为层流（也称片流）和湍流（也称紊流）两种基本状态。两者之间存在过渡状态，但过渡状态不稳定。

（2）粘性流体的流动状态取决于流体的流动速度V、粘滞系数η、密度ρ及管道直径d。四者可综合分为一个无量纲的量，用以判断流体流动状态。这个量就是雷诺数，用Re表示： Re＝ρVd/η

当Re大于约13800时，流动呈现湍流，称为上临界雷诺数；当Re小于2320时，流动呈现层流，称为下临界雷诺数。当Re间于两者之间时，可能为层流，也可能为湍流，呈不稳定状态。通常取下临界雷诺数作为判断层流和湍流的依据。在圆管中的流体，若其Re大于2000，即可以认为存在湍流。

依据Re公式，对于不同的流体，在管径和流速不变的情况下，粘滞度越大，密度越低，就越不容易出现湍流。而同一种流体，在管径一定的情况下，流速增高到一定值就可出现湍流。此外，流体在大管腔（如心脏）内容易出现湍流。

血液为粘性流体，血管为弹性管腔。血流在血管内呈脉动流动，血管中的血液流分为三种状态：

（1）层流：血液在血管中以层流状态稳定流动时，设血管的半径为a，长度为L，血流粘滞系数为η，两端的压力阶差为P1－P2，那么可以计算出血管内任意一点的血流速度V，设某一点与血管中心轴的距离为r，则该点的速度： V（r）＝ P1－P2 （a2－r2） 4ηL

可见速度剖面呈一抛物线。当r＝a时，即血管壁处，V＝0；当r＝0时，即中心处速度最大。 血管内的平均血流速度V应为Vmax的一半。若为层流，测知最大流速，即可知其平均流速。 （2）湍流：血流的速度分布因横向动量交换而发生改变。平均流速V与最大流速Vmax的关系也变的复杂，而且随着雷诺数的增大，平均流速与最大流速更为接近，使V/Vmax也增大。通常V＝0.8Vmax。

26．不同血流状态的多普勒特征是什么？

层流：层流时血管内血流速度梯度小，方向一致，所以多普勒声音单调而平滑（乐音）。频

谱呈窄带非充填型，回声点集中浓密，包络线光滑自然。CDFI呈色彩单一的整齐彩色束，中心较边缘明亮。但是，由于取样区内脉动血流方向与声束夹角在连续变化，平直血管内的血流也常显示彩色量度的均匀性变化；在弯曲血管，出现彩色过渡或消失，当血管较细，或彩色增益过大，灵敏度过高时，彩色带常比二维声像图显示的血管内径宽，此为伪像。此外，当取样面积过大，或速度范围调节过小时，可出现混叠现象，使正常层流显示为彩色镶嵌的湍流图形。调节仪器，缩小取样面积，增大速度范围，即可显示正常层流彩图。 湍流：血流不仅流速快、梯度大，而且血细胞运动方向杂乱，所以多普勒声音嘈杂而粗糙（噪音）。频谱声音散乱，频带增宽呈充填型，甚至呈双向，包络线毛糙不齐。CDFI呈较亮的彩色镶嵌图形，彩色成分较多。

涡流：多普勒取样容积置于涡流部位时，多普勒声音粗糙；频谱呈展宽的双向宽带充填型，回声点分散；CDFI在涡流部位呈现彩色镶嵌，彩色成分明显增多，类似湍流的彩色图形。 这里需强调检查角度、仪器调节等对多普勒频谱的严重影响，提醒检查者在分析多普勒图形时，不要忘记结合其物理学基础综合分析，以减少对图形的错误解释。 27．不均匀管内血流速度与压力差的关系是什么？ 为了便于理解，把血管内复杂的血流三维空间流体假定为没有粘性的一维方向的稳定理想流体。在此状态下，管道内任意一处流体单位体积的动能（ρV2/2）与静压强能（P）之和像等，即

P+ρV2/2＝C

这一方程式给出了压强和流速的关系，称为伯努利方程，C为常量。

由于血液是粘滞流体，流动中有压强损失，而且血管也不是均匀的刚性管道，所以，伯努利方程在应用于血流这种非理想流体时，必须加以修正。

设血流从不均匀管道的位置1，经过狭窄区到达位置2，其压强损失为△P，根据能量守恒定律，则有：

P1+ρV12/2＝P2+ρV22/2+△P

式中P1、P2和V1、V2分别为血液在位置1和位置2的压强和流速。压强损失△P多数消耗于粘滞损失R（V）和产生血流加速的需要。可表示为： △P＝R（V）+ρ

式中ρ为流体密度，V为速度矢量，ds为行程积分元。 从上述公式可得到：

因为管道中两处距离较接近，如瓣口两端，加速度消耗和粘滞消耗损失极小，所以上式可以近似地表示为：

P1－P2≈ ρ（V22－V12）

若血流的密度ρ取1g/cm3，V的单位取m/s，经过换算，上式又可表示为： P1－P2≈4（V22－V12）mmHg 从上式可知，只要用多普勒方法测知血管中距离较近的两处血流速度，就可以方便地得到两处间的压力阶差。如果用于二尖瓣口，由于左房内的血流速度很低，所以可以忽略不计，因此上式可以进一步简化为： P1－P2≈4V22mmHg

上式被称为简化的伯努利方程式，据此，可以更方便地利用多普勒技术估测二尖瓣口的压力阶差，进而估计其瓣口面积，判断狭窄程度。

注意：简化的伯努力方程式仅在V1与V2相比可忽略时才正确，不可乱用。 28．多普勒法血流定量测定的影响因素有哪些？

（1）影响多普勒频谱的因素：多普勒血流定量测定的资料来源于多普勒频谱，任何影响多普勒频谱的因素，都会造成定量测定误差，甚至出现严重错误。所以，了解这些影响因素的