CDFI原理及其质量控制.

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CDFI原理及其质量控制

【摘要】 从物理学角度深入系统阐述了CDFI原理，探讨了CDFI的伪像及其质量控制对策。

【关键词】 CDFI MTI 自相关技术 彩色显示 伪像 奥地利物理学家多普勒（C.Doppler）于1842年发现，由于声源与接收者之间相对运动，使接收器接收到的频率与声源发出的不一样，后人为了纪念他，把他发现的这种现象称为多普勒效应（Doppler effect）。物理学及各个领域相关技术的发展表明，多普勒效应绝不仅仅是声波本身所单独具有的，所有的波动过程，包括超声波、光波、无线电波等都能产生多普勒效应。研究和应用超声波是由运动物体反射或散射所产生的多普勒效应的一种技术，即为超声多普勒技术。实时彩色多普勒显像或者称为彩色多普勒血流显像（Color Doppler blood flow imaging, CDFI），是采用脉冲超声多普勒和B超混合成像的系统。 1 CDFI原理

它是利用超声多普勒原理对心脏和血管进行无损检测的最新诊断技术。主要是根据多普勒效应和频移规律在超声显像和超声心动图的基础上，利用运动目标指示器（Moving target indication ,MTI）原理和自相关技术（Self?correlation tecchnique）获得血液中的红血球动态。比如红血球的移动方向、速度、分散情况等信息，同时滤去迟缓部位的低频信号，然后将提取的信号转变为红色、蓝色、绿色的色彩显示。目前的彩超利用先进的实时二维彩色超声多普勒成像系统，使血流图像与B超同时显示。这种图像既能展现解剖图像，也可以显示心动周期不同时相上的血流情况。 1.1 MTI

MTI是一种比较理想的显示速度剖面的技术，它是将雷达运动技术中运动目标指示器的原理应用于心脏瓣膜运动的超声检测，其实质是检测运动目标相继返回的各回波的相位差，测出该目标相对应的运动速度和通过的距离。 设超声脉冲重复频率的周期为Tp,运动目标P离开换能器的速度为vp，在两个脉冲间隔期间，P将移动一段距离ΔZp，即ΔZp=vp?Tp（1） 这个ΔZp将引起P的回波有一个小延时Δtp，即超声波到达目标P的新位置时，来回所需时间增加了Δtp时间。 Δtp=(2vp?Tp)／C（2）

由此产生了两个信号之间的相位差Δφp ，它等于超声波的角频率ω0与延时Δtp的乘积：Δφp=ω0?Δtp=ω0?(2vp?Tp)／C（3）

上式说明，沿着回波的每一点上，相位比较器的输出正比于相应距离上的目标运动速度vp，即目标运动速度越大，相应Δφp越大。

如果运动目标是血流，则相位比较器的输出代表了沿超声路径上的速度剖面。只要发射适当数目的脉冲，就可应用这种方法制成实时检测的速度剖面测量仪。

CDFI中使用的MTI，是由多普勒探头向人体器官或组织发射超声波。接收到的回声是由运动粒子与组织回声的合成，所以在测量血流速度时，接收到的信号往往包括诸如心壁、瓣膜、血管壁等反射的无用信号，它对血流信号形成干扰，实际上需要把这些无用的信号滤掉。滤掉这些无用信号的任务就是由运动目标指示器完成的。当探头发射一次脉冲时，探头会接收到壁层的反射及红细胞反射的两个反射信号，此后探头发射下一个超声波。众所周知，红细胞即血流的运动速度比壁层的移动速度快得多。正是这个原因，第一次红细胞


反射的位置与第二次红细胞反射的位置不一样，而第一次壁层的反射波与第二次壁层的反射波的位置几乎相同。相位比较器将第一次和第二次回波相减，壁层的反射回波就相消了。两次回波相减之后，形成的第三种回波波形，只包含二次红细胞回波相减的结果。实际上这便是我们要获得的运动信息，即红细胞两次回波的多普勒频移信号。 1.2 自相关技术

自相关技术是检测两个信号间的相位差的一种方法，这一技术的实现是通过自相关器完成的。从根本上讲自相关技术即是将从MTI获取的流动血液形成的两个回声的多普勒频移信号转换成该两回声信号之间的相位差。把从MTI获取的多普勒频移信号分解为一对正交信号，并分别用余弦函数和正弦函数表示。自相关检测把这对正交信号分成两路，一路直接送入混合乘法器，另一路通过一个延迟电路直接送入混合乘法器，经混合乘法器的计算输出一对正交信号cosΔφp和sinΔφp。先求得这一对信号的商

tgΔφp=sinΔφpcosΔφp，再利用反正切函数，即可求得相位差Δφp。如果朝着同一个方向多次发射超声波，并沿着回波的每一点进行检测，根据（3）式进行分析，这时即使探头和反射血细胞之间的距离不能知道，只要能检测到接连发射的相邻两个超声脉冲回声之间的相位差Δφp，代入（3）式，即可求得探测位置的血流速度vp。而相位差的正和负则指示了血流的方向。由于在混合自相关检测器中，总是把输出的正交信号中反射回声脉冲的余弦部分和另一路中它前面的反射回声脉冲的正弦部分组合在一起完成分析过程，所以这种信号处理技术称为自相关技术。 1.3 血流彩色显示

彩色多普勒的血流显像采用了彩色编码的方式，将通过自相关技术处理的多普勒频移信号经频率?色彩编码器转换成彩色，实时地叠加在B型的黑白图像上，从而被人的肉眼所分辨并用于诊断。彩色多普勒血流显像仪采用国际照明委员会规定的彩色图，它有红、绿、蓝三种基本颜色，其他颜色都是由这三种基本颜色混合而成的。根据三原色原理，可用红色表示正向流，即表示当相位差0°<Δφp<180°时血流朝向探头的方向流动。用蓝色表示反向流，即表示当相位差-180°<Δφp<0°时，血流背向探头的方向流动，并用红色和蓝色的亮度分别表示正向流和反向流的大小。流动越快的血流，色彩越明亮；反之，流动越慢，色彩越暗淡。此外用绿色及其亮度表示血流速度分散程度的大小。所谓分散就是血流的紊乱情况。当一个像素中的红血球都以基本相同的速度大致朝一样的方向移动时，称这种血流为层流。所显示出来的一个像素中的平均速度、方向和各个红血球的移动基本一致，此时其色彩变动较小。当一个像素中的各个红血球的移动速度、方向皆不相同时，则称血流处于湍流状态，此时色彩变动较大。绿色的亮度，表示血流紊乱的程度，即越紊乱，绿色越明亮。如果血流图像中某部位呈现黄色，则意味着该处血流朝向探头方向且速度较分散。当某一部位呈现青色时，则意味着该部位血流背向探头方向，且速度较分散。

2 CDFI的伪像及其质量控制

所谓伪像即是由于成像系统原理上的不够严密、技术方法的限制、方法上的不完善、诊断上的主观推断等客观条件和人为因素造成的图像畸变或假象，使检测到的数据与真实情况有差异的均属于伪像。由于超声图像失真造成的伪像可分为两种情形：一种是形状位置失真造成的伪像；另一种是亮度失真造成的伪像。CDFI的伪像由于其特殊的成像方法，主要的伪像有多普勒混叠和

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