深圳大學Doppler譜分析

1、超聲多普勒血流檢測的原理原理: 當超聲波生源與反射或散射目標之間存在相對運動時，接收到的回波信號將產(chǎn)生多普勒頻移，它的幅值大小及符號與相對運動速度大小和方向有關(guān)。 大多數(shù)應(yīng)用運動結(jié)構(gòu)反射回來的超聲波束，檢測出其中的多普勒頻移，作為探查目標的運動速度信息，然后通過監(jiān)聽、用儀器去分析、用圖像去顯示或者用影像去顯現(xiàn)人體內(nèi)部器官的運動狀態(tài)。 例如:當紅細胞流經(jīng)心臟大血管時，從其表面散射的聲頻將發(fā)生改變，這種頻移可指示血流 的方向和速度；如紅細胞朝向探頭，發(fā)射的聲頻將提高；反之，聲頻降低；當通過大血管時，若血流正常，紅細胞平移，鄰近的紅細胞血流方向相同且速度相近；1檢測出多普勒頻移信號，從而可以求出速度

2、，血流速度估計就是一個譜估計問題。2人體內(nèi)的運動目標： 1.運動器官； 2.大量的血紅細胞顆粒。探測的主要目標是： 大量血細胞顆粒散射形成的血流速度。運動器官的診斷用M型超聲診斷儀完成。在被測定部位，原來為層流信號血管處的，發(fā)生紊流或湍流變異，流速信號變大，就表明此處有病變存在，如有血栓。3血流方向的定義： 當血流朝向探頭時，稱為正向流；當血流方向順著離開探頭的方向時，稱為反向流。血流方向信息的提取采用的方法通常有三種： 1.單邊帶直接分離法； 2.外差式檢測法； 3.正交相位檢測法。正交相位檢測法是 最普遍使用的方法。血流速度幅值信息的提取和流速波形再處理有以下方法： 1.過零檢測方法 2.

3、 平均頻率解調(diào)器 3.頻譜分析法4Doppler 譜分析在血管的橫截面方向 ,距離中心不同 半徑處的紅細胞以不同的速度運動, 因此采集到的Doppler signal 是所有頻移疊加的結(jié)果。譜分析:是在混合的頻率中提取各個頻率分量 并分析個頻率分量的過程. 在譜分析中常用FFT分析.5region1region2region3region3region1region2complex doppler信號頻譜分析將時間波形S(t)做傅里葉變換的頻譜S(w)6頻譜分析法 是對生物體產(chǎn)生的多普勒信號的頻譜分布進行分析，目前顯示多普勒頻移信號的方式主要有如下三種： （一）頻移（速度）時間顯示譜圖 最常用

4、的譜圖，橫軸代表時間（S），縱軸代表多普勒頻移，即運動目標的運動速度（cm/s）。頻譜幅值，表示血流速度。7frequencyTime segment frequencymagnitudemagnitudefrequencymagnitudefrequency頻移（速度）時間顯示譜圖8中間的水平軸線代表零頻移線（基線），上方為正，表示血流方向迎著換能器而來；下方為負，表示學歷方向遠離換能器而去。頻譜灰度即亮度，表示某一時刻取樣容積內(nèi)，速度相同的紅細胞的多少，速度相同的紅細胞多，則散射回聲強，灰度亮；反之則灰度暗。頻譜寬度，頻移在垂直方向上的寬度，表示某一時刻取樣血流中紅細胞速度分布范圍的大小。

5、速度分布范圍大，頻譜寬；速度分布范圍小，頻譜窄。9人體正常的是層流，速度梯度小，頻譜窄；病變下血流呈湍流，頻譜寬。從超聲多普勒實時譜上，可以得到很多有用的血流動力學資料。如：平均流速；阻力指數(shù)；搏動指數(shù)。平均速度：一個心動周期內(nèi)的平均血流速度Vmean。阻力指數(shù)（RI）：（收縮期峰值速度-舒張末期速度）/平均血流速度搏動指數(shù)（PI）：（收縮期峰值速度-舒張末期速度）/收縮期峰值速度10（二）功率譜圖顯示 在頻譜圖上，橫軸表示頻率（速度），縱軸表示振幅（紅細胞數(shù)目）。由于頻率和振幅的乘積即頻譜曲線下的面積，等于信號的功率，故稱這種譜圖為功率圖，如圖所示。在心臟和血管的多普勒檢測中，功率譜可以看作

6、是取樣容積或聲束內(nèi)的紅細胞 流速與紅細胞數(shù)量之間的關(guān)系曲線。11 頸總動脈彩色超聲多普勒聲像圖12頸總動脈彩色超聲多普勒聲像圖13頻譜分析和顯示的局限性（一）CW法的局限性 cw無距離選通能力，凡聲束遇到的運動目標都能產(chǎn)生多普勒頻移信息，因而不能用作定位診斷，并且聲束遇到各種運動目標時還會產(chǎn)生偽差，靈敏度稍低，對弱回聲的檢測能力較差，而且對采用單晶片探頭檢測B超時不能同時顯示CW。14（二）PW法的重復頻率對最大測量速度的限制 脈沖重復頻率是兩個相鄰超聲脈沖期間td的倒數(shù)，即PRF=1/td。 根據(jù)采樣定理，要準確顯示頻移的大小和方向，PRF必須大于fd的2倍，即fd1/2PRF。1/2PRF

7、稱為奈奎斯特頻率極限，如果fd超過這一極限，頻譜就會出現(xiàn)方向和大小的偽差，產(chǎn)生頻率失真，也成為頻率混疊。15Doppler發(fā)射信號在脈沖doppler血流儀中常用的波形信號是單載頻脈沖選通信號 S（t）= P(t) cos（2 f0t） P(t)是幅度為A周期T，脈寬為tc的脈沖信號。 16 各種差生誤差或偽像的原因 混疊 (Aliasing) 頻譜多普勒鏡像偽差 ( Spectral mirror artifact )時間分辨力偽差（需要一定的脈寬）壁運動幻影 (wall-motion ghost) 旁瓣偽差( Spectral broadening also called Transit

8、time broadening)17 混疊 (Aliasing) ？脈沖重復頻率相當于取樣頻率，多普勒檢測所得的頻移值應(yīng)在PRF的1/2以下時，才能正確顯示頻移的大小和方向，不致失真?？僧a(chǎn)生流速曲線正向波峰去頂后又返折到零基線負側(cè)，或負側(cè)返折到正側(cè)，這種現(xiàn)象稱為曲線混迭。 當高速分量大于Nyquist limitation (PRF=2fmax) 就會產(chǎn)生混迭 （Aliasing）. Vmax=PRF*C/4*f0cos又 最大探測距離Rmax=C/2PRF 因此 Vmax=C*C/8f0Rmaxcos要清楚PRF與f0的概念不同18消除混迭的方法：曲線混迭消除方法：調(diào)高速度標尺(量程)范圍：

9、也即增大脈沖重復頻率，使取樣頻率又恢復到不超過Nyquist頻率：改用發(fā)射頻率較低的探頭：可擴大探測頻移的范圍，如以發(fā)射頻率為5.0MHz探頭為例，當脈沖重復頻率為6kHz時，探測最大流速是0.47m/s，而當事人改用發(fā)射頻率為3.5MHz時，則探測最大流速為0.70m/s；基線移動調(diào)節(jié)：即正向血流倒錯時，調(diào)節(jié)基線下移，增大正向血流頻譜的顯示范圍；負向血流倒錯時則調(diào)節(jié)基線上移，增大負向血流頻譜的顯示范圍；改用連續(xù)多普勒(CW)檢測：因為CW不受脈沖重復頻率的限制，可測量高流速，但缺點是無距離選通能力，無法選定回聲信號的深度。192 頻譜多普勒鏡像偽差(Spectral Doppler imag

10、ing artifact) 在頻譜多普勒檢測中，按多普勒方程式計算，當入射聲束與血流方向成垂直時，預示應(yīng)無頻移信號，但在二維超聲檢測時，由于聲束系組合發(fā)射、組合接收，在被測某點的血流方向，對探頭的部分陣元是朝向運動，而對另一部分陣無為離向運動，因此，在零基線兩側(cè)可出現(xiàn)對稱性的流速曲線分布，其中之一較亮，另一方較暗，對血流方向判斷困難，常被誤認為是雙向血流。此時，彩色血流也顯示暗淡、紅藍色混雜，誤認為有反流。消除方法：改變探頭角度，使入射聲束與血流方向間夾角減??；降低多普勒增益。 3 壁運動幻影 (wall-motion ghost) 這是來自心壁或血管壁活動而產(chǎn)生的類如血流低頻信號，其特點是色

11、彩暗淡，閃爍不定。這種信號顯示色彩與心壁、血管壁運動方向和速度有關(guān)，收縮期向前呈紅色，舒張期后壁向后呈蘭色，彌散分布在心臟與血管腔內(nèi)及外側(cè)方實質(zhì)部分，呈彌散而暗淡的紅、蘭色彩區(qū)。消除方法：用濾波器消除壁低頻信號。 204 時間分辨力偽差(Temporal Resolution Artifact) 在彩色多普勒檢測中，有時會遇到彩色框顯示的血管腔一側(cè)出現(xiàn)限局性混迭，而另一側(cè)則為層流色彩，但用頻譜多普勒檢測從一側(cè)到其他一側(cè)面的血流速是相同的。這種現(xiàn)象是與彩色圖像獲取幀畫面時間過長有關(guān)，在這幀畫面中，收縮期發(fā)生在掃描的左側(cè)，而幀畫面是隨后才全部完成，這種偽差的產(chǎn)生原因是與彩色圖像時間分辨力差有關(guān)，這種偽差的發(fā)生與使用不同儀器和同一儀器使用不同探頭均有關(guān)系。 5 旁瓣偽差(Side-lobe Artifact) 探頭發(fā)射超聲能量主要集中在主瓣內(nèi)，但在主瓣周圍還有許多旁瓣，它們包圍