第6节超声多普勒成像仪一、多普勒效应1842年奥地利物理学家多普勒（Doppler）发现并研究了声波的“频移”现象，后被命名为“多普勒效应”。
此效应是指波源将某一频率f的波以一种固定的传播速度向外辐射时,如果发射波的波源与接收波的接收系统产生相对运动，则所接收到的波的频率f′会发生变化（即频移），两个频率的差值Δf=f′－f。
在声源与接收系统之间的运动为相向的情况下，Δf为正值（f′＞f，接收频率提高）；而相背运动的情况下，Δf为负值（f′＜f，接收频率降低）。
产生多普勒效应的原因可以这样来简单地解释，以声波为例：当声波在某种介质中以固定的传播速度c前进时，声速c(m²s-1)为波长λ(m)和频率f(s-1)的乘积，即c=λ²f；但如果声源与接收系统之间存在着相对运动，相对运动的速度为 v（v是一个具有方向性的矢量单位，相向运动时v取正值，相背运动时v取负值），则声波向接收系统的相对传播速度c′为：原来传播速度c与相对运动v的迭加，即c′=c+v。
在前式c=λ²f中波长λ不会因相对运动的存在而改变，只是声速c改变为c′。
此时，只有f也随之改变为f′才能维持c′=λ²f′成立，于是有:f′＝c′／λ＝（c＋v→）／λΔf＝f′－f＝（c＋v→）／λ－c／λ＝v→／λ将λ=c／f代入上式，有Δf＝f²v→／c此意为频移量Δf为相对运动速度与原声速的比值。
多普勒效应并非仅仅存在于声波传递中，任何以波动形式行进的能量传递过程，均可产生多普勒效应，如无线电波、高能X射线(或γ射线)、可见光线以及其他电磁辐射等。
只是这里所列举的各种波动的传递速度太快，而波源与接收系统间相对运动速度v→与波的原有传递速度（光速）的比值极小，因此频移量Δf 很难测出，尤其不能被人体直接感受到。
不过现代天文学正是借助多普勒效应通过检测、辨认宇宙深处恒星发光颜色的变化来判定天体的运动状态的。
人类之所以最先在声波范畴内发现并研究出多普勒效应，是由于声波本身属于人耳的可听闻波动，且声波在空气中的传播速度不高（341m/s,15℃,1个大气压），以及声源与人耳的相对运动速度常常使声频率变化f′(=f+Δf)落在人耳的敏锐辨识区内。
例如火车从我们身旁的铁路上呼啸而过时，会使我们非常明显地听出鸣叫着的汽笛声突然间由尖锐变得低沉起来。
也就是说当火车驰向我们时（v→为正），我们所听到的汽笛声（f1′）要比火车固定不动时的声音（f）尖锐一些（Δf1＝f1′－f＞0）；当火车背向我们驰去时（v→为负），所听到的汽笛声（f2′）要比原来的声音（f）低沉一些（Δf2＝f2′－f＜0）。
二、多普勒原理在超声医学诊断中的应用在经过30多年以来的临床实践后，超声多普勒方法的应用价值已愈加明显。
尤其在以运动器官为主要研究对象的心血管内、外科，超声多普勒诊断成像仪器更成为不可或缺的有力诊断工具；大多数应用运动结构（如心脏瓣膜）或散射子集合（如血管中的红细胞群体）反射回来的超声波束，检测出其中的多普勒频移，作为探查目标的运动速度信息，然后用耳去监听、用仪器去分析、用图像去显示或者用影像去显现人体内部器官的运动状态。
以人体内血流的运动状态检测为例，声波的发射源与接收器均为超声探头自身，在检测时刻探头是固定不动的。
超声波向着流动中的红细胞集合体传播，遇到声障（红细胞）时，相对于流动中的红细胞，声波f已经产生了一次多普勒频移（f′），频移量Δf′＝f′－f；而声障反射回来的超声波（f′）仍沿着原来的传播路径向反方向传送至探头，同时又迭加了一个相同方向的运动速度（v），因此探头处检测到的超声波又产生了一次新的频移（f″），最终频移量Δf″＝f″－f′＝2Δf′，即Δf″＝2f²v→／c假定频率f为3.5MHz的超声波，向着以0.1m/s速度运动的血流发射，正常声速c=1540m/s，则回声的频移量Δf″由上式可得，约为±450Hz（相向运动时f″＝3.5MHz＋450Hz；相背运动时f″＝3.5MHz－450Hz）。
由此可见，多普勒频移量Δf与超声固有频率f及反射目标的运动速度v→成正比；与声波在某种组织中的传播速度成反比。
并且采用超声多普勒方法的一个特点：由于常用超声频率在人体组织中产生的多普勒频移量Δf恰好在人耳的敏锐听觉辨别范围内（大约200～1200Hz），因此只要将此信号检测放大后，仅凭有经验的医生聆听，就可以获得有价值的临床诊断信息。
不过在实际应用中，超声的发射与接收并不一定正对着探测目标的运动方向，多数情况下它们之间会存在一个夹角θ，因此上述多普勒频移量Δf的完整表达式应为：Δf＝2fcosθ²v→／c式中，Δf为探头与目标间的相对运动速度所检测到回声的频移量；f为探头发射出超声的固有频率；v→为探头与目标间的相对运动速度，相向运动时取正值，相背运动时取负值；c为超声在某种人体组织内的正常传播速度；θ为探头发射超声方向与目标运动方向之间的夹角。
参见图7-22。
图7-22（a）为目标相对于声源固定，回波频率未变化；图7-22（b）血流背向声源运动，v→＝－｜v→｜，回波频率降低（f′＜f）；图7-22（c）血流朝向声源运动，v→=＋｜v→｜，回波频率升高（f′＞f）。
图7-22 应用在血流探查中的超声多普勒原理三、连续波式超声多普勒成像仪连续波式超声多普勒成像仪的工作原理见图7-23。
图7-23 连续波式超声多普勒成象仪原理示意1．超声波的产生、发射和反射主频振荡器产生并输出频率为f的振荡信号，送入声发射驱动单元，经过放大后驱动探头中的压电换能器向外辐射出频率为f的连续超声波。
如果超声波指向的目标处于相对静止状态，那么反射回来的超声波（回声信号）的频率依旧为原来的f；可是如果发射波指向的目标为运动状态，回声信号超声波的频率就应当为前述的频移f′，频移量Δf＝2fcosθ²v→/c（但是Δf并非是从此处得出，而是从后面将要叙述的Δf＝f′－f处获得）。
2.频移信号的检测和频移量的获得连续波式多普勒诊断仪的探头内通常设计为双换能器结构，以独自完成各自的发射和接收任务，一只换能器连续不断地发射出频率为f的超声信号，另一只换能器则不停地接收反射频率为f′的回声波，并将之转换为电信号，通过电缆线送至机器的高频放大单元，经过信号幅度放大后再送至混频解调器作解调处理。
混频解调器是一个非线性差频处理单元电路，它有2路输入信号端口和1个信号输出端口。
2个输入信号分别为：①高频放大单元送来的f′电信号；②主频振荡器分出的参照f电信号。
在混频解调器内，这2路信号进行混频、相差处理，将差频信号Δf＝f′－f从输出端口送出。
由于频移f′中实际上已包含了相对运动速度v→、夹角θ和声速c等变量因素信息，因此解调出的Δf即为2fcosθ²v→／c的最终结果。
3．信息的处理和显示前已述及，Δf的频率范围处在200～1200Hz之间，这正是人耳可闻音频范围内的敏锐部分，所以可以通过音频放大器放大，然后送入扬声器重现为音频声波，作为一种形式的诊断信息提供给医生。
这种最为直接的显示方式称为监听式诊断仪。
此外，显示方式还有：相位式、指向式和显像式等。
相位显示方式是将音频Δf 信号放大供慢扫描示波器或记录仪扫记；指向式的仪器可以将Δf=f′－f的大小和正负转换为v→的运动方向信息；连续波式多普勒显像方式仅能简单地在示波管上产生一个血管在皮肤表面上的投影图像。
总的来说，连续波超声多普勒诊断仪由于显示的信息量较小，其临床应用已日渐趋少。
四、脉冲波式超声多普勒成像仪连续波式超声多普勒诊断仪的优点是灵敏度高、速度分辨能力强，很高的血流速度它都可以检测出来，且不受深度限制，只要在波束内运动的任何物体的回声信号都能探得。
也正因为如此，所有的运动目标都产生了多普勒信号并混叠在一起，因而无法辨识信息产生的确切部位，所以它没有距离（深度）的信息，无轴向距离分辨力。
脉冲波式成像仪正是为解决这一问题而设计的。
1.单元构成与工作原理参见图7-24。
整机由主控制单元、发射单元、探头单元及接收处理单元中的多普勒信号处理通道和B（M）型辉度调制处理通道组成。
图7-24 脉冲式多普勒成象仪结构框图主控制单元是以中央微处理器、超声频率振荡发生器为核心的中枢机构，它可以改变振荡器发生的频率f，控制发射单元中脉冲形成的周期（或脉冲重复频率FPR），协调探头的收、发工作状态以及启、闭接收电路中的距离选通门。
振荡器产生的超声波频率信号分为两路：一路送至发射电路中的门控电路，供其调制成脉冲信号送出；另一路传至接收电路中作为原始信号的相位参考标准。
发射单元中的脉冲波源采自振荡器送来的超声频率(f)信号。
门控电路执行主控电路的命令，将连续波f截取成重复频率为FPR的脉冲段（也可按主控器的程序，调成其他频率或其他函数形式的波形），送至发射驱动器、探头等转换成超声波发射。
接收单元中有2路通道，一路将回声信号按B型（辉度调制型）即时显示出断面影像；另一路则主要处理回声中的多普勒频移信号，最终以声音或图形的信号显示出来。
由于超声发射是以脉冲方式间歇进行的，所以发射和接收信号可以由探头中的同一块晶体完成。
而探头中排列有许多的晶振阵元，就能在几乎是同一时间内完成许多通道的收、发工作。
发射脉冲的宽度比较窄，只有1～2μs，但前后2个脉冲之间的间隔时间较脉冲本身的宽度大得多。
换能器在发射完第1个脉冲后即处于接收状态，入射超声穿过人体各层组织时会产生一系列回声，被探头换能器接收后，转换成一系列电脉冲信号。
通过收、发切换电路送进接收放大电路处理。
至下一个发射脉冲到来时，切换电路状态反转，使换能器停止接收，重新工作于发射状态，周而复始。
上述工作过程与B型诊断仪的收发过程一致，因而它可以和B型显示通道共用一个探头，同时完成B型断层成像和D型信号显示。
2.探测距离的选通为了获得人体内部所需探测目标的回声信息，就必须采用距离（或深度）选通接收门控制器。
在人体软组织中，超声的传播速度差别不大，可以将平均声速视为常数（c=1540m/s），故从发射出脉冲信号的前沿为起始时刻(t0)计起，至返回信号的脉冲到达时间的长短与运动器官距离换能器的深度成正比。
于是只要调节“距离选通门”的启闭时间，就能控制探测距离和沿着这一距离方向上的一段长度（又称作“容积”），这样就可以只接收感兴趣目标的回声信号，滤除前后的无关信号。
设距离选通门的开启时刻为t1，关闭时刻为t2，探头换能器至探测目标之间的距离为d，由于t1-t0为声波在人体传播的往返时间，则有d=c²(t1-t0)/2。
如果再改变“距离选通门”的关闭时间t2，又可以控制接收信号的长度，即τ=t2-t1的时间长短。