第二节 多普勒超声
—、多普勒效应
多普勒效应是奥地利物理学家克里斯汀·约翰·多普勒（Christain Johann Doppler）于1842年首次提出来的。描述了光源与接收器之间相对运动时，光波频率升高或降低的现象。这种相对运动引起的接收频率与发射频率之间的差别称为多普勒频移（Doppler－Shift）或多普勒效应。
声波同样具有多普勒效应的特点。如当人站在站台，火车鸣笛由远而近驶来时，笛声的音调是不变的，可入耳听起来却不一样。火车越近听上去音调越高，火车驶离越远，音调越低。说明接收器不动，声源趋向接收器运动时频率升高，声源背离接收器运动时频率减低。声源发出的频率与接收器接收的频率之间产生一个差值。超声心动图诊断中最为重要的是对心脏及大血管血流检测，而多普勒超声最适合对运动流体的检测。心脏及大血管中的血液是不断流动的，多普勒超声作为声源置于流动的血液中的某一点时，就发生了血流与多普勒超声声源的相对运动，具体地说是血液中的红细胞与声源做相对运动。声源是固定的，运动的红细胞作为接收器。
二、多普勒超声心动图的诊断方式
根据多普勒效应的原理，应用于超声心动图诊断有以下几种基本方式：
（一）脉冲式多普勒
脉冲式多普勒（Pulsed－mode Doppler或Pulsedwave Doppler，PW）是由超声换能器以脉冲波的形式发射一组脉冲。在一选定的时间延迟后，接收回声信号。被接收的回声信号即频移信号，经放大后作相位检出。最后以频谱分析的声音两种方式显示出来。
脉冲式多普勒的最大特点是具有距离选通的功能。此功能在超声心动图诊断中具有定位定性诊断和体积血流定量测量的特点。
脉冲式多普勒的最大不足是因脉冲重复频率的影响而使所测血流速度受到限制。脉冲重复频率（PRF）是换能器每秒钟发射脉冲群的次数。换能器发射脉冲到取样容积位置，再返回到换能器的时间恰是两倍的传送时间，即发射脉冲的延迟间隔（td）。因此，脉冲重复频率与td是倒数关系，即PRF＝1／td。所以要接收到多普勒频移信号，脉冲重复频率必须大于多普勒频移（fd）2倍。即PRF＞2fd，则1／2PRF称尼奎斯特频率极限（Nyquisit frequency limit），如果多普勒频移（在实际应用中换算成血流速度）超过这一极限，脉冲式多普勒所测的频率改变就会出现大小和方向的伪差，称频率失真（Frequency alisaing）。频率失真使脉冲式多普勒对较高的血流速度不能显示其真实速度值。但采用移动基线（零位线）的方法可加大测量最大速度的能力。
脉冲重复频率与最大取样容积深度（dmax）有如下关系：dmax＝C／2PRF。由式中可看出脉冲重复频率越高，采样深度就越小。使尼奎斯特极限最小而不发生频率失真时PRF＝2fd，代入上式，则fd＝C／4dmax，将多普勒频移公式再代入此式，消除fd，得多普勒深度－速度乘积公式，即dmax·V＝C2／8f0，当f0给定时，取样容积深度越大，可测的速度范围就越小。f0为换能器频率，由上式同样可以看出，换能器频率越高，最大取样深度一定时，则所测速度范围越小。
（二）连续式多普勒
连续式多普勒（Continuous－mode Doppler或Continuous wave Doppler，CW）是在超声探头上使用两个换能器，一个换能器连续发射超声脉冲波，另一个换能器连续接收反射回波。由于它是连续发射和接收脉冲波，因此在超声束沿线的血流运动多普勒频移信号就全部被记录显示出来。连续式多普勒发射脉冲波无时间延迟，在理论上不受高速血流限制，但由于仪器实际性能的限制，在应用中连续式多普勒可测最大血流速度值为7m／s，此数值足够满足临床诊断需要。
连续式多普勒的不足是不具备距离选通功能。对其显示的多普勒频移信号无法确定具体来源，因此不能作为定位诊断。
（三）高脉冲重复频率式多普勒超声
高脉冲重复频率式多普勒（High pulsed repetition frequency Doppler）是在脉冲式多普勒基础上加以改进，在探头换能器发射一组超声脉冲波后，回声信号尚未反射回来时，又发射一组新的超声脉冲波。这样在同一超声束的不同深度可有一个以上取样容积。如果有三组超声脉冲波向心脏发射，则第二组脉冲波发射后，接收器接收的是来自第一组超声脉冲波反射回声信号。第三组超声脉冲波发射后，接收器接收的是第二组超声脉冲波反射回声信号，依此类推。由于脉冲频率增加了2倍，检测到的最大频移也就增加了一倍。例如，应用探头频率为2．5MHz，探查深度16cm，如使用单个取样容积的脉冲式多普勒，最大可测速度值为129cm／s。采用高脉冲重复频率式多普勒超声，如果采样容积增加到2个，等于使探测深度缩小到8cm，最大可测速度值增加到258cm／s。如果采样容积增加到3个，探测深度缩小到5．3cm，最大可测速度值就增加到377cm／s。高脉冲重复频率式多普勒增加了流速测值的范围，它是介于脉冲式多普勒和连续式多普勒之间的一种技术。
（四）彩色多普勒血流显像
彩色多普勒血流显像（Colour Doppler flow imaging，CDFI）是在脉冲波多普勒技术的基础上发展起来的一项超声诊断技术。
彩色多普勒血流显像是在二维超声切面的每帧图像上设立32～128条扫描线，每条扫描线上设250～500个取样点，使每帧图像的取样点达1万个以上，来获取所规定区域中的全部血流信息。为了实现实时频谱分析，在彩色多普勒血流显像技术中采用了自相关技术。此技术有较高的数据处理速度，可在2ms时间内处理来自大量取样点的多普勒频移信号，迅速得出血流速度、血流方向和速度方差，这种技术为彩色多普勒血流显像实时显示提供了必要条件。
彩色多普勒血流显示采用了彩色编码的方式，将经过自相关技术处理的多普勒频移信号以色彩形式直观地显示在荧光屏上。通常血流色彩规定为朝向超声探头方向的血流为红色，背离超声探头方向的血流为蓝色，并通过改变红色和蓝色的色彩辉度来表示速度的大小。而以红蓝混合的杂乱色彩表示血流出现湍流时血流方向的不一致。彩色多普勒血流显像有三种输出入方式：
1．速度方式（Velocitymode）。速度方式用于显示血流速度的大小和方向。血流速度在二维超声中可定义为与扫描线垂直和平行的两个分量。在平行方向速度分量朝向探头的血流，以红色表示。背离探头的血流以蓝色表示，而与扫描线垂直的血流速度分量无色彩显示。血流速度大小以颜色的色调来表示。血流速度越快，色彩越亮；血流速度越慢，色彩越暗；无血流则不显色。无论红色还是蓝色血流，色彩最亮处为多普勒尼奎斯特频率极限，在仪器中以限速范围表示。超过尼奎斯特频率极限即限速范围，用相反颜色表示，也就是彩色逆转，如红色血流中夹带有蓝色。
2．方差方式（Variancemode）。当血流速度超过所规定的速度显示范围和血流方向发生紊乱时，彩色血流图像中出现绿色斑点。这就是利用了方差显示方式。彩色血流图像中的绿色代表实际血流中的湍流，湍流的速度方差值越大，绿色的亮度越大；速度方差值越小，绿色亮度就越小。根据三基色原理，红、蓝、绿三基色混合可产生二次色。即红色加绿色产生黄色，蓝色加绿色产生湖蓝色。红、蓝、绿三色相加产生白色。在彩色多普勒血流显像中利用三基色和二次色表示血流速度方向及湍流。朝向探头方向的红色血流如出现湍流，则表现为红色为主、红黄相间的血流频谱。如果湍流速度很快，出现色彩逆转，则显色为以红色为主、五彩镶嵌状的血流频谱。背离探头方向的蓝色血流，在血流速度、方向改变后也同样出现以蓝色为主、五彩镶嵌状血流频谱。
3．功率方式（Powermode）。功率方式表示多普勒频移功率的大小，是对多普勒信号频率曲线下的面积即功率进行彩色编码。血流速度大小和方向的色彩色调与速度方式一样。色彩亮度表示功率大小，功率大，色彩亮度大；功率小，色彩亮度暗。由于信号功率的大小取决于采样容积中具有相同流速的血细胞相对数量的多少，因而不受声束血流夹角的影响。无论高速还是低速血流都能得到良好的显示。因此功率方式有以下特点：
（1）功率方式克服了尼奎斯特频率极限的限制，能正确显示血流方向。
（2）当出现低速血流时，功率方式可清楚地显示血流的空间分布。
（3）利用功率方式测量彩色血流束直径或横断面积较速度方式更为准确。
彩色血流显像的帧频数在心脏超声诊断中也是重要的。在心脏超声诊断中，超声诊断装置以30帧／秒的速度提供所需的图像。如果帧数大大小于30帧／秒，则图像就会失真，彩色血流显示的画面呈间断的闪动状，失去血流连贯流动的实时特点。
为确保高帧数图像显示，有以下方法：
（1）缩小扫描角度：缩小扫描角度可使帧数增加。如把常用的90°扫描角度缩小三分之一，即30°，帧数可提高到原来的3倍。如果原装置8帧／秒时，缩小扫描角度后可提高到24帧／秒，使彩色血流实时状态更逼真。
（2）缩小扫描距离：对于心脏和大血管较表浅的血流显示可用缩短扫描距离的方法提高帧数，扫描距离不能少于18cm。
当然根本的办法是提高彩色运算装置的性能。
彩色多普勒血流显像目前存在的一些限制：
（1）彩色多普勒血流显像与脉冲波多普勒一样，显示血流速度范围受脉冲重复频率的影响。因此，在显示高速血流时出现色彩重叠以及镶嵌状图像。如果多个部位在同一画面出现上述情况，同时又有湍流出现时，那么分析判断血流的性质就较困难。
（2）受每秒帧数范围的限制。为了获得较大范围的彩色血流显示，每秒帧数必须减少，这样就使实时程度减低。而如果为了提高每秒帧数缩小扫描角度，有时会影响对整体结构血流的判断。
（3）二维图像质量与彩色多普勒血流显像之间需互相兼顾，往往彩色血流显示清晰时，二维图像质量却减低。
（4）血流显像受仪器性能影响。同一血流不同仪器即使在相同增益下也可有不同显示效果。而同一仪器对同一血流，使用条件不同也可出现不同效果。
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