医用超声多普勒的原理及应用培训讲义.doc

医用超声多普勒原理及应用 医用超声多普勒技术发展历史 观察者与波源之间有相对运动时，观察者测得的波频率与波源发出的波频率不同的现象。这一普遍物理现象是奥地利物理学家J.C.多普勒在1842年首先发现的。 1959年日本里村茂夫首次用超声多普勒效应研究心脏。 1969年瑞典学者Edler和Lindstrom应用世界上第一台商品连续多普勒仪进行了一系列的实验和研究。 1970年美国学者Baker和法国学者Peronnean领导的两个实验室几乎同时报告了脉冲式多普勒的新技术。 1975年第一台M型和多普勒结合的仪器问世，称为双功超声显示仪。 1978年Bradestini等报道了多通道脉冲多普勒技术，能对二维超声切面内若干取样点同时进行探察。 1982日本ALOKE公司的Namekawa和美国Bommer等对多通道脉冲多普勒进行改进，采用自相关分析技术，创立了彩色血流显像新技术。 1983年日本ALOKA公司研制出世界上第一台彩色血流显像诊断仪（SSD-880型） 目前，超声多普勒技术仍处于继续发展之中。由于它能对运动目标进行无创检测，尤其适合于对血管疾病进行研究，其发展趋势着眼于研制专门的血管超声系统，特别有关腹部器官血流的研究正取得进展。腹部器官的血流不同于心脏和大血管血流，它的特点是：低流速、小血管、表浅或深部位，因而将血流信号从杂乱回波中分离出来的难度很大，它依赖于慢流速检测技术和高信噪比、大动态范围的信号处理技术的进步。 超声多普勒效应（Doppler effect）的基本原理 （一）什么是多普勒效应 经典的多普勒效应 在静止的媒质中，如观察者不动，而波源以匀速沿与观察者的联线，向观察者运动，观察者测得的波频率为 式中c是媒质中波传播的速度，f是波源发出的波的频率。这个公式指出，测得的波频率f＇与源的波频率f不同。多普勒频移为 即测得的波频率大于源的波频率。如波源沿与观察者联线相反的方向运动时，vS为负，即测得的波频率小于源的波频率。如果波源不动而观察者沿与波源联线以匀速vR向波源运动，测得的波频率为 多普勒频移为 测得的波频率也大于源的波频率。如观察者沿与波源联线相反的方向运动时，vR为负，测得的波频率小于源的波频率。 当媒质、波源和观察者都在运动时，测得的波频率为 式中vM为媒质沿波源指向观察者方向的运动速度。如果波源或观察者的运动速度不沿着两者的联线方向，则上式中的vS 和vR分别表示波源和观察者的速度在联线上的投影。 相对论的多普勒效应 在各同向性媒质中，无论什么参照系，电磁波（包括光波）都以确定的波速c传播，c是真空中的光速除以媒质的折射率（见狭义相对论）。因此它与声波的多普勒效应（属于经典的）有所不同。主要有以下三个方面。 1.对声波，源运动引起的多普勒频移一般与观察者以同样的速度运动引起的频移不同；而对电磁波，多普勒频移仅与两者相对运动速度有关，而不论是源还是观测者在运动。 一个电磁波辐射源S以速度v相对观察者O沿与联线SO成θ角的方向运动（如图所示），观察者测得的频率为 式中f是源的波频率。 2.当源和观察者运动的方向与两者之间的联线成直角时，声波没有多普勒频移，对于电磁波，由公式（6）可知，是存在多普勒频移的。 3.与声波不同，电磁波在媒质中传播时，观测到的波频率不受媒质运动的影响。 O θ v S 运动的电磁波辐射源 （二）血流测量中的多普勒原理 上图中画出了利用多普勒收发式探头，根据反射法检测多普勒频移原理，测量血流速度v的情况。假定发射声波与血流运动方向成α角，对于不动的发射器T，红血球是以ν运动的接收器。当红血球将声能散射，而由接收器R接收时，血球中的血球又相当于一个以v相对于不动接收器运动的二次发射声源，假设接收器轴线与血流方向所成的角度为β，则可根据（5） vM为0，vS 为-vcosβ，vR为-vcosα，得到： 通常情况下，cv，因此： 当血流方向朝向多普勒探头时，经过同样推导，可得： 故有： 或： 所以在α=β=θ时，可得： 其中，c=1570m/s，知道了f,θ,Δf，就可以得到血流速度。 连续式多普勒诊断仪与脉冲式多普勒诊断仪 连续式多普勒诊断仪，工作方式是由振荡器发出一定频率的高频连续振荡，送至双片