第七节 多普勒效应和多普勒超声成像技术
多普勒效应是超声多普勒诊断的物理基础。波源和观察者之间的相对运动会使观察到的波动频率发生变化，这种现象称为多普勒效应。这是一种在声波、光波等各种波动现象中普遍存在的物理现象。光波的传播速度很快，因此光波的多普勒现象要用狭义相对论的方法研究。声源、介质和观察者的运动以及声波的传播的具体方式会影响多普勒效应的具体表现。在超声诊断中采用的是反射模式，不动的超声探头向人体内发出超声波，遇到血流等运动目标时发生反射，反射波携带了目标运动的信息。这种反射波再被探头接收，经过处理，给出诊断。
在超声场中，由于目标的运动或振源的运动，接收信号的频率发生改变，频率移动的大小与运动的速度成正比，这就是超声诊断中应用的多普勒原理。如血流的运动，红细胞使散射回波发生频移，体外检测频移的大小，就可知血流的运动速度。
1.根据多普勒原理测量血流速度的原理
在医学超声中，通常使用反射式探头，假设发射超声频率为fO，接收频率为fλ，则频移fD大小：
式中c为声速，v为血流速度，θ为声束与血管的夹角。
心脏、瓣膜、血管壁以及血流都是人体中的运动体，用超声在体外扫查会产生多普勒效应，接收、处理回波信号，就可达到无损检测的目的。特别是对血流流速的无损检测有重要的临床意义。
2.多普勒信号的解调
以回波信号（高频信号）中解出频移信息（低频信号）称为解调。目前常用的有检波器和乘法器解调两类，前者检出了频移中的幅度信息，而丢失了其相位信息，因而不能决定速度的方向，但因该方法简单，易于实现而在简易型设备中得到应用，如多普勒听诊器等。
乘法器解调则是目前主要的方法。令超声多普勒回波信号与参考信号相乘，经过低通滤波器，滤去高频分量，可得出输出信号，从而达到了解调的目的。
3.多普勒信号的频率分析
由于解调后的多普勒信号代表了目标运动速度，可用一些曲线和图表来表示这些信息。
血管中的流速剖面：在血管中流速各处不同，中心处最大，管壁处为零，存在径向分布。血管壁狭窄时流速剖面将变得更为复杂，并可能破坏层流状态，出现湍流或涡流。
用频谱图显示的是声束采样体积中血流的流速分布，不同位置、不同的采样体积所得到的结果将是不一样的。
4.连续波（CW）多普勒和脉冲（PW）多普勒
连续波多普勒是利用两个探头或一个探头中的两组单元，其中一个探头或一组单元发射陆续波，另一个探头或一组单元接受反射回的信号，并对接收到的所有信息进行分析后，以时间-频率（速度）频谱形式将所有信息叠加在同一频谱图上。连续波多普勒常用在不需要区分血流深度，只需检血流有否、大小、方向及分布的场合，如超声听诊器，胎心胎动超声监护，也用来检测血流速度特别高的场合。
脉冲多普勒是用脉冲采样的方式来分析血流信号的多普勒频移。在脉冲重复间期通常采用对控制电子门控制技术来调节取样容积的位置和大小，因此具有深度分辨力高的特点。通过调节电子门的开放时间的早晚和持续时间的长短，来调节取样容积的位置和大小。脉冲多普勒通过电子门控制技术选择，测量不同的深度，不同的范围内的血流分布。其有两个限制：①最大距离与最大测量速度之间的限制，最大距离与最大测量速度的乘积要不超过某一特定的值。②距离分辨率与速度分辨率之间存在矛盾，欲距离分辨率高，此时采样门窄（采样容积小），则速度分辨率就低，反之亦然。另外，由于脉冲占空比小，接收信号的信噪比较差，要求发射能量加大，但又受安全因素约束。20世纪40年代，克劳德·艾尔伍德·香农（Claude Elwood Shannon）证明：在一定条件下，用离散的序列可以完全代表一个连续函数。因此脉冲多普勒用脉冲采样的方式分析多普勒信号，是可行的，但要符合采样定理。采样定理的定义为：一个频率为f连续信号，可以由小于或等于1/2f的均匀时间间隔Δt上的取值唯一地确定。采样定理写成数学表达式即为：
Δt≤1/2f
在脉冲多普勒中，Δt=PRP=1/PRF。
因此，根据采样定理，脉冲多普勒要求最大频移（fmax）小于PRF/2。PRF/2称为奈奎斯特（Nyquist）频率。同理，下述的彩色多普勒成像也是采用脉冲波，因此也受到奈奎斯特频率的限制。
5.彩色多普勒成像
脉冲多普勒与二维超声相结合出现的彩色多普勒成像，可显示血流二维分布的动态情况，采用超声多普勒技术，根据血流动力学理论，对血管中的血流作出直观、迅速和准确的诊断，在临床中得到广泛的应用，多普勒超声在20世纪50年代中期开始发展，在70年代开始用于临床，随后进一步迅速发展起来。以后，从连续式非方向性多普勒功能到连续方向性脉冲距离选通门式多普勒系统都得到进一步发展，功能也迅速地得到完善。多功能超声设备使用同一探头可以得到B型扫查的B型声像图，又可以得到图像中任意取样点的多普勒信息，将B型显示和多普勒技术相结合，避免了单纯使用多普勒超声的盲目取样问题，从而可以获得确切部位的血流运动信息，使多普勒诊断更为准确可靠。80年代初期，该类设备又发展起来彩色编码多普勒血流成像技术，它可以在实时的B型图像中显示心脏或取样区域中细小血管中的血液流动情况，并以彩色来显示血液流动方向，使超声诊断系统从形态学进入到与血流动力学相结合的“形态生理学”诊断范围。
超声信号经过探头发射和接收后，对接收的回波信号进行正交解调得到解析的回声多普勒信号，在该信号中由于存在一些运动组织或器官的回波信号，并且信号幅度远远大于血流回波信号的幅度，但是信号的多普勒频移较血流信号低，所以通过一个具有一定高通特性的壁滤波器进行滤波，然后将得到的血流多普勒信号进行自相关平均血流速度和方差估计，最后将得到参数作彩色血流成像的色彩参数使用，像素的色彩与血流速度参数的关系在一般系统中是这样规定的：正向血流方向表示朝向探头的血流，反之就是负向血流；正向速度值采用红色像素分量，负向速度值采用蓝色像素分量，而速度的方差值为像素的绿色分量。如果血流的速度是恒定的，则没有绿色分量，红色的程度越深表示血流的速度越快，蓝色像素表示负向血流，蓝色的程度越深表示血流的速度越快；当血流中有湍流时，绿色分量的加入使血流图五彩缤纷；而且采用图像一侧用彩色条来表示血流速度，进一步得到定量的描述。这就是彩色血流多普勒成像系统的基本工作原理。实际上，不可能获得空间域上的连续信号，只能通过脉冲发射和空间采样获得空间采样序列，自相关算法实质上就是利用空间某点的N个回波采样值，比较该点回声信号的相位差来计算信号的平均频率和方差。