超声波基础入门知识详细资料.doc

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1、超声基础部分 1何谓超声波?诊断用超声波是如何产生的? 人耳能感知的声波频率范围为 2020000Hz。低于 20Hz 者称为雌声波，高于 20000Hz 者称 为超声波。医用诊断用超声波的范围多在 115MHz。 超声波是机械波。可由多种能量通过换能器转变而成。医用超声波是由压电晶体（压电陶 瓷等）产生。压电晶体在交变电场的作用下发生厚度的交替改变，即机械振动。其振动频 率与交变电场的变化频率相同。当电场交变电频率等于压电晶片的固有频率时其电能转换 为声能（电声）效率最高，即振幅最大。 压电晶体只有两种可逆的能量转变效应。上述在交变电场的作用下，由电能转换为声能， 称为逆压电效应。相反，在声

2、波机械压力交替变化的作用下，晶体变形而表面产生正负电 位交替变化，称压电效应。 超声探头(换能器)中的压电晶片,在连接电极电压交替变化的作用下产生逆压电效应,称为超 声发生器;而在超声波机械压力下产生压电效应,又成为超声波接收器。这是超声波产生和接 收的物理学原理。 2超声波物理特性及其在介质中传播的主要物理量有哪些？它们之间有何关系？ （1）频率（frequency）：质点单位时间内振动的次数称为频率（f） 。 （2）周期（cycle）：波动传播一个波长的时间或一个整波长通过某一点的时间（T） 。 （3）波长（wavelength）：声波在同一传播方向上，两个相邻的相位相差 2 的质点间的

3、距离为波长（） 。 （4）振幅（amplitude）:振动质点离开平衡位置的最大位移称振幅，或波幅（A） 。 （5）声速（velocity of sound,sound velocity）:单位时间内，声波在介质中传播的距离称声 速（C） 。介质不同，超声在介质中的声速度也不同，但是在同一介质中，诊断频段超声波 的声速可认为相同。声波在介质中的传播速度与介质的弹性系数（k）和介质密度（）有 关。其声速与 k 和 比值的平方根成正比，即 式中 C 为声速，E 为杨式模量。 根据物理学意义，c、f、T、 之间有下列关系： f1/T，cf/ T，c/ f 超声在人体软组织（包括血液、体液）中的声速约

4、为 1540m/s；骨与软骨中的声速约为软 组织中的 2.5 倍；而在气体中的声速仅为 340m/s 左右。 近年来的研究发现，不仅离体组织与活体组织有较大的声速差别，而且使用不同的固定溶 液、固定速度也常影响声速。此外，声速尚与组织温度有关。通常，非脂肪组织的声速随 温度上升而增快，脂肪组织的声速随温度上升而减慢。当脂肪组织由 20o 升到 40o 时，声 速可下降 15之多。在进行精细的研究工作时，这些因素必须予以注意。 （6）超声能量与能量密度：当超声波在介质中传播时，声波能到达之处的质点发生机械振 动和位移。前者产生动能而后者产生弹性势能。动能和势能之和组成波动质点的总能量。 也即超声

5、波的能量。声波在介质中传播的过程，也是能量在介质中传递的过程。 设介质的密度为 ,声波传播到的质点体积元为V，其位移为 x，V 将鞠有的动能为 Wk，产生的势能为 Wp。则： WkWp1/2A22（V）sin2（tx/c）V 具有的总能量为： WWk+ WpA22（V）sin2（tx/c） 从表达式中可以看出超声波传播过程中总能量传递方式为：介质振动质点的动能和势能 随时间同时发生周期性变化。振动质点以获得能量又向下一质点放出（传递）能量的方 式传递声波。在超声波的传播中，表示单位体积介质中所具有的能量称为能量密度（w） 。即：ww/VA22sin2（tx/c） 由前所述可知，w 也时随时间而

6、变化的。在一个周期中，其平均值为： w1/2A22（单位：焦耳/厘米 3，J/cm3） 即平均能量密度与振幅的平方、角频率的平方和介质密度成正比。因此，在能量密度一定 的情况下， ，介质密度越小，振幅越大。 （7）声压：声压指声波在介质中传播时，介质单位截面积所产生的压力变化，也即介质中 有声波传播时的压强与无声波传播时的压强之差。根据声波传播的特点，声压也周期性变 化于正常值与负值之间，一个振动周期的声压为： PmCA（单位：N/cm2） 即声强与介质密度（） 、振动幅度（A） 、振动速度（）和传播速度（C）成正比。 （8）声强与声强级别（分贝）：超声波在介质中传播时，单位时间内通过与传播方

7、向垂直 的单位面积的能量，称为超声强度，简称声强（I） 。单位为瓦/厘米 2（W/cm2，mW/cm2） 。 声强与声场中的能量密度（w）和超声传播速度（C）成正比，即：I=CA22/2 也即声强与振幅的平方、角频率的平方、介质的密度成正比。 声强可以小到每平方厘米数维瓦，也可以大到每平方厘米数千瓦。人耳对声强变化的分辨 能力较差，声强每增加 10 倍，人耳主观感觉只增加 1 倍。为了解决声强很大差别在表示中 的不便，在时间应用中，一般采用声强的自然数来表示声强的级别，称其为声强级（L） ， 单位为贝尔（B） 。实际应用中以贝尔的 1/10 为单位，称为分贝（dB） 。按规定以一个最低 可闻声

8、强（I0）为基准来度量实际声强，即：L10lgI/I0（dB） 人耳能感受的声强范围为 10-12W/1W/m2，即声强的级别为 0120 dB。 （9）声功率：声功率指单位时间内通过介质某一截面的声能量。单位为 J/s，即瓦特（W） 。3什么叫声场、扩散角？ 介质中有声波存在的区域称声场。声源小，频率低的声波呈球面状传播，称为球面波。如 人耳可闻之声波。声源足够大时，声波呈直线传播称为平面波。超声探头内振动晶片的直 径为其振动波长的 20 倍以上。不足以形成完全的平面波，而是具有平面波和球面波的中间 性质，集中在一个狭小的立体角内发射，即具有指向性。直径为 D 的圆盘振子发射的超声 波以距离

9、声源 D2/（ 为波长）为界，近声源侧近似平面波，称为近场，而远声源侧近 似球面波，称为远场。 在近场，因干涉而形成复杂的声场，称 Fresnel 区。近场区长度 L（单位 mm）可以从下列 公式计算： Lr2/ 或 LLr2f/1.5（在人体软组织中） 其中 r 为声源半径（mm）; f 为频率（MHz） ； 为该介质中波长（mm） 。 例如，探头直径为 20mm 时，发射频率为 5 MHz，则近场区长度约为 333.333mm。 紧接近场区后的远场区，声波开始向周围空间扩散。扩散声场两侧边缘所形成的角称扩散 角（） 。扩散角与声源半径及波长有关，表达式为：sin0.61/r 可见，探头孔径

10、愈大，扩散角愈小，声束扩散愈小。 注意：近场和远场有其严格的定义。商用仪器 Near 和 Far 调节钮所表示的只是近程和远程 增益的调节，不能称其为近场和远场调节。 4什么叫声轴、声束和束宽？ 声轴（beam axis）为声波传播方向的曲线。通常与声波发出后介质中声强或声压最大的区 带一致，也即声能量密度最大的区带。 声束：（beam）指声轴周围6db（50）范围内的声场分布区。束宽：（beam width）指声束横断面的直径。 宽声束（声束较大）时，横向、侧向分辨力差。非聚焦的声束，横向分辨力等于或大于声 源的直径，不能分辨小结构。为了增加分辨力，B 型超声仪器采用声透镜、动态电子聚焦、

11、凹面晶片聚焦发射和接收等多种方式使声束变窄。经过聚焦的声束，称为聚焦声束。 5何谓声特性阻抗？它与声压、声强有何关系？ 声特性阻抗（acoustic characteristic impedance）是反映介质密度和弹性的物理量，用 Z 表 示。定义为介质密度 和介质中声传播速度 C 的乘积，即 ZC 对于纵波，也可表达为 ZB（B 为介质的弹性模量） 声特性阻抗的单位为瑞利，1 瑞利980dgn?s-1?cm-21g?sec-1?cm-2 特性阻抗与声强与声压存在如下关系： IPm2/Z=Pm2/C 6何谓声特性阻抗差、声学界面？如何分类？ 两种不同特性阻抗的介质的特性阻抗差值称为这两种介质

12、的声特性阻抗差。其接触面称声 学界面。根据大小，分为大界面和小界面。由于多次聚焦超声束的焦区束宽 23cm，所以 通常习惯把直径小于 2mm 的组织结构界面视为小界面。对大界面，根据其光滑程度，又 可分为光滑界面和粗糙界面，前者也称镜面，后者也称非镜面。 当两种介质的声特性阻抗差大于 0.1时，入射声波即在其界面发生反射和折射。对于入射 声束，界面使其发生反射、折射和/或散射。此时，界面相当于一个新的声源，称其为二次 声源。 7声反射、声折射、声透射、声散射和声绕射的物理意义是什么？ 声反射（acoustic reflection）指声波入射到界面上时引起声波部分或全部返回的过程。反射 的条件

13、是界面线度远大于波长。反射声波的强度和方向与构成界面介质的特性阻抗，入射 波声压、入射角等因素有关。构成界面的两种介质特性阻抗相差（声特性阻抗差）愈大， 反射愈强。入射角等于反射角。反射的强弱以反射系数表示。反射系数等于反射波的能量 与入射波的能量之比。在不考虑声能吸收的条件下，声压反射系数（Rp）为： Rp Z2Z1Z2Z1 声强反射系数（Ri）为： Ri( Z1Z2 ) 2Z1Z2 式中 Z1、Z2 分别为构成反射界面的两种介质声特性阻抗。因为存在反射，所以透射入深层 介质的声波能量减少。 声折射（acoustic refraction）指声波在通过不同传播速度的介质传播的过程中发生空间传

14、 播方向改变的过程。 声波在大界面上的折射服从折射定律：即入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于界面两 侧介质的声束之比，即 Sin = C1 Sin C2式中 、 分别为入射角与折射角，C1、C2 分别为第一层和第二层介质的声速。 由表达式可知，入射角声波垂直于界面时，不发生折射。两种介质的声传播速度决定了折 射角的大小。在 C1C2 时，随着入射角的增大，折射角也增大。假设入射角达到 b 值时， 折射角达到 90o，则入射声波在界面上发生全反射。无透射波进入深层介质。此时入射角b 值称为临界角。 声波经液体入射人体皮肤，临界角为 70o80o，即入射角超过 80o，则无透射声波。 声透射（a

15、coustic transmission）指声波穿过介质界面向深层的传播过程。 假定超声波垂直入射，经过三层介质，每层介质的声特性阻抗分别为 Z1、Z2、和 Z3，第二 层介质的厚度为 L，波长为 2,那么，超声通过第二层介质后的强度透射系数（T1）为： T1 4Z1Z3（Z1+Z3）?cos2 ( Z2+ Z1Z3 ) 2 ?sin2Z2 式中 2L/2，当 L 极薄时， 很小，sin0，cos1，所以T1 4Z1Z3（Z1Z3）2 ( Z2+ Z1Z3 ) 2Z2 当 Z1=Z3 时，T=1。当中间层极薄时，声波通过的声能损失很小。超声诊断中涂布极薄的耦 合剂，有利于减少声能的损失。在中间

16、介质的厚度 L 恰好是声波半波长的整数时， n，sin0，cos1，只要 Z1=Z3,T1 也等于 1。声能通过时损失同样很少。但是， 如果中间层的 Z3 很小，如空气，即是 L 极薄， 很小，由于 变得很大，T1 必然很小。此时，声能丧失太大，难以进入第三层介质。如果中间层的 Z2Z1Z3，而且其厚度为四分之一波长的奇数倍，即 L（2n+1）2/4,则 (2+1) /2;也即 sin1，cos0；那么由 T1 表达式可知 T1 4Z1Z3( Z2+ Z1Z3 ) 2Z2 4Z1Z3( Z1Z3+ Z1Z3 ) 2Z1Z3 1 由此可见，在第二和第三层之间匹配以某种能满足上述厚度和声特性阻抗要

17、求的介质，就 能使超声能量很少损失地进入第三层介质。此为超声换能器使用匹配层的原理和要求。 体内各层界面的反射带来各层组织的声特性阻抗信息。超声诊断装置从回声强度的高低中 提取信息所构成的超声图像，其实只是反映体内不同组织间声特性阻抗差的空间分布，并 非独立的生理参量或物理量，这是超声图像诊断的特异性受到很大限制的主要原因。 人体内界面复杂，入射超声波并不都与体内多层界面垂直入射，透射波或多或少都有折射， 即超声探头发出的入射超声波由浅而深地通过体内各层界面并非直线传播，然而由反射带 回的信息却被超声诊断装置设定为直线构成图像。因体内各软组织之间的声速和密度相差 不大，一般不致产生显著的误差，

18、但当偶尔遇到阻抗差较大的界面时，可能出现折射伪差。声散射（acoustic scattering）：超声波在传播过程中，遇到界面大小远小于波长的微小粒 子，超声波与微粒互相作用后，大部分超声能量继续向前传播，小部分能量激发微粒振动， 形成新的点状声源以球面波方式向各个方向发散传播，称为散射。此时的声场，实际是探 头发射后超声波声场与障碍微粒散射波声场的混合。探头可以在任何角度接收到散射波。 声像图背景中的大量像素即是由散射波造成的。 人体组织内的微粒结构在超声场中发生散射，是形成脏器内部图像的另一声学基础。多普勒血流仪即是利用血液中的红细胞在声场内有较强的散射，从而获得人体血流的多普勒频 移信

19、号。 声衍射（acoustic diffraction）：超声波通过界面大小与波长相近的障碍物或不连接的介质 时发生散射。散射波又与入射波叠加，形成衍射，导致入射波的波前畸变，或超声波的传 播方向偏离，声波绕过障碍物后，仍按直线方向传播，又称绕射。绕射使得超声波能够到 达沿直线传播不能到达的区域。 8何谓声衰减？导致声衰减的主要原因有那些？ 超声波在介质中传播时，入射的声能随着传播距离的增加而减少，称为声衰减。导致声衰 减的主要原因为扩散、散射和吸收。 扩散衰减指声波随着传播距离的增加向声轴周围扩散而引起的单位面积声能的减少，即声 强减弱。 散射衰减是入射的声能发生分散，改变了传播方向，以致原

20、超声波入射方向中的声能减少。 散射衰减与频率的四次方成正比。因而高频声波衰减很快，穿透力较差。 吸收衰减主要由于介质的粘滞性在声场中产生内部摩擦、弹性迟滞、热传导和弛豫吸收等 原因所致。所以在气体和液体中，吸收衰减主要由内部摩擦和热传导造成，不存在弹性迟 滞。 超声波传播中的能量衰减可以用下列公式表示：IxI0e2x 式中 I0 为最初的声强，Ix 为声波经过 X 距离后的声强； 为衰减系数，其单位是奈倍 （Neper） ，1 奈倍8.686dB/cm；e 为自然对数的底数。 超声能量吸收主要与超声频率和传播距离有关。在医学上，常用半值层来说明生物组织对 声波吸收的特性。由于体内软组织的吸收衰

21、减与频率呈近似的线性关系，即在超声诊断技 术使用的频率范围内，吸收衰减系数 与频率 f 之比，大致是常数。若以分贝/（厘米?兆 赫）dB/(cm?MHz)作为单位来表示，颇为方便。 人体不同组织对入射声能的衰减不同。组织中以蛋白质对声能的衰减最大，特别是胶原蛋 白与纤维组织、瘢痕组织更大。水分衰减最小，故凡含水量较多的组织对超声衰减减低。 随着超声诊断医学的发展，人们试图通过超声衰减系数的测量，来实现组织定性，但至今 进展缓慢。 9何谓惠更斯原理？如何用惠更斯原理解释 球面波和平面波的传播？ 波动传播至介质中一些质点时，这些质点同时以相同的相位开始振动，连接这些质点所构 成的面称为波阵面或称波

22、前。波阵面上各点的相位相同，所以波阵面是同相面。起始于振 源并与波动方向一致的直线称为波线或波阵面的法线，波线垂直于波阵面。 即在自由声场中传播的超声。惠更斯原理认为：介质中波动传播到达的各个质点被激发产 生振动后，这些质点都可视为发射子波的振源，子波的包迹就是随后时刻的新波阵面。惠 更斯原理于 1690 年提出，是分析和描述声波传播方式最基本原理。 球面波：指波阵面为同心圆面的波动。如波动自振源以速度 C 向所有方向传播，在 t 时刻 的波阵面是以 RCt 为半径的球面 S。经过t 时间，它的新波阵面可依惠更斯原理求得。 S 面上的每一质点作为子波振源，以半径 rCt 划出许多半球形子波，如

23、图 2 所示，再作 公切于各子波的包络面就得到新的波阵面 S1，显然，S1 就是以 RC（t+t）为半径的球 面。声波就是沿着球面的法线方向离心发散传播。在自由声场中，球面波某点的声压与该 点至声源中心的距离成反比，离声源中心越远，质点振动的声压越小。 平面波：平面型压电晶片产生的超声波，原始波阵面就是晶体的表面 S，若 S 上的各质点 同时同相振动，经过t 时间后，S 上每一质点以半径 rCt 划出许多球面的子波，作公 切于子波的包络面就是新的与 S 平行的波阵面 Sa，平面波依此逐层向前传播，传播方向 A 与 Sa 垂直（图 3A） 。若 S 上的相邻质点 a、b、c、d 依次延迟t 振动

24、，则各质点的前半径分别为 4Ct、3Ct、2Ct、Ct。子波包络面所形成的波阵面为 Sb，其传播方向为与 Sb 垂直的 B。与 Sa 相比，Sb 发生偏移，传播方向发生改变（图 3B） 。同理若 S 上的 d、c、b、a 依次延迟t 振动，则形成图 3C 所示的波阵面 Sc。所以，控制激励振动源的延 迟时间，就可以改变波阵面方向改变的程度。这就是相控阵换能器振源位置固定而能进行 声束扇形扫查的原理。理想的平面波的波阵面上各点的相位与振幅都应相同。平面活塞式 超声探头（换能器压电晶片）发射的超声波，在其近场区内是平面波，及至远场，平面波 开始扩散。随着与声源的距离增大，平面波的扩散也逐渐严重，到

25、达足够远时，在理论上， 平面波势必也演变为球面波。 10何谓多普勒效应？ 接受体接受到的声波频率随接受体与声源相对运动而发生改变。这一现象在 1842 年由奥地 利科学者 Doppler 在理论上揭示了它的存在，故称之为“多普勒效应” 。这种变化的频率 （增量）称之为多普勒频移（fd） 。若声源的发射频率为 f0，接受体与声源的相对运动速度 为 V，介质的声传播速度为 C，由接收体接收到的频率为 f，则 fdff0Vf0/Cff0+ fd（1+V/C）f0 如果被探测组织运动方向与探头发出的声束方向的夹角为 1，返回的声束方向与运动方 向成夹角 2，则被探测组织运动速度相对于探头的运动速度应分

26、别为 vcos1 和vcos2，于是，总频移应为 fdVf0cos1/C+ Vf0cos2/C Vf0/C（cos1+ cos2） 因为超声多普勒检查发射和接收为同一探头，所以可认为 1=2。上述公式即简化为 fd2 Vf0/Ccos 由于探头的发射频率和介质的声传播速度是恒定的，所以，Dopple 频移就取决于反射和散 射体的运动速度和运动方向。反射体的运动方向朝向声束方向时，fd 为正值; 反射体的运 动方向背向声束方向时，fd 为负值; 反射体的运动方向与声束垂直时，fd 为零;而 0o 和 180o 时，fd 的绝对值最大。由于超声检查常用的发射频率为 25MHz，而血液流速通常 为数

27、厘米到数米，所以 fd 范围在数百到数千赫兹之间，为人耳所能听到的范围。如能获得 运动体的 Doppler 频移并知道其方向，我们就能够计算出其运动速度： VCfd/2f0cos Doppler 超声诊断仪就是以这一基本原理为基础设计的。 11连续多普勒法的原理是什么？ 连续多普勒法（continuous Doppler technique，CWD）是采用探头的一个晶片连续不断的向 检查目标发射超声波并用另一晶片同时接收发射和散射的多普勒回波，称连续波多普勒法。 由于发射和接收都是连续的，所以接收的回声能量较脉冲波法大，灵敏度高。同时，因为 不需要像脉冲多普勒法间断快速对回波处理，所以，检查目

28、标的速度不受限制。但是，连 续多普勒没有距离分辨能力，所接收的是整个声束通过径路多普勒回声的混合频谱，不能 判断回声的确切部位。当声束下有两个以上运动速度不同的发射体时，容易混淆，但不影 响最快血流速度的显示。12脉冲多普勒法的原理是什么？ 脉冲多普勒法（pulsc wave Doppler technique,PWD）综合脉冲波的距离鉴别能力和多普勒技 术的速度检测能力，对选定运动目标进行检查的方法，称脉冲多普勒法。如图 4 所示，探 头间隔发射短脉冲超声波（f0） ，每秒发射的超声短脉冲个数称脉冲重复频率（PRF） ，通常 为数千赫兹。当前一个脉冲声波发出后，以门电路电子开关控制接收其回波

29、的时间（T）和 每次接收持续的时间（t） 。接收到回波并对回波频谱进行快速分析处理后，再发射下一个 脉冲，如此循环工作。每一个脉冲所占时间很短（12s） 。由于接收时间 （T1、T2、T3）人为控制，所以，若发射脉冲后在很短时间（T1）接收，则接收到的是近距离（D1）的回声；若在较长的时间（T2）接收，则接收到较远距离（D2）的回声。人体 软组织平均声速 C 可认为是不变的，所以，D 应为从发射到接收时间内声波往返的距离， 即 DCT/2 于是，控制接收延长时间 T，就实现了目标的深度选择，故称为“时间选通” ，或“距离选 通” 。而控制每次接收回声（收集信号）的时间 t 的长短，就实现了在声

30、束方向上的取样长 度选择。取样的横截面积取决于超声束的粗细。取样的体积称为取样容积（sample volume,SV） 。 通过分析处理的多普勒信号包括时间、频率和每隔频率的强度三个信息。在屏幕上，横坐 标表示时间；纵坐标表示频率的高低，即频率幅度，多直接标注为速度；以频移零为基线， 上方为正值，表示血流方向朝向探头，下方为负值，表示血流方向背向探头；频移在垂直 方向上的宽度（频谱宽度）表示某一时刻取样容积中红细胞速度分布的范围。频谱宽，速 度范围大；频谱窄，速度范围小。把频谱内无频移信号的部分称为“窗” 。层流的速度范围 小，频谱窄（窗大） ，而湍流的速度范围很大，频谱很宽（充填） 。频率信

31、息的强度是以灰 度表示的，其意义为取样容积内相同速度红细胞的多少。 12什么是尼奎斯特极限频率？其机制是什么？ 根据脉冲多普勒法原理，每次发射短脉冲后的时间间隔必须足够长，即脉冲重复频率 （PRF）必须足够低，才能保证有足够的时间接受和处理回声波，否则将引起识别上的混乱。 这就限制了采样的最大深度 Dmax。PRF 越高，Dmax 就越小；反之，Dmax 就愈大。即 DC/2PRF PRFC/2D 为了达到不发生混叠的目的，所探查的多普勒频移 fd 与 PRF、Dmax 和 C 之间应满足下列 条件： Dmax2fd 于是，又决定了最大可探查速度 Vmax VmaxPRF?C/4 f0cosC

32、2/8 f0Dcos 从上述公式可知，探查深度 D、探头使用频率 f0 和血流与声束的夹角 确定后，所允许 接收的最大频移值（fdmax）也就确定了。将此值称为尼奎斯特（Nyquist）极限频率，即：fdmaxPRF/2 当 fdmax 大于 PRF/2 时，一方面 Doppler 频谱出现混叠、折返或模糊频率伪差，另一方面， 超出最大测量深度的多普勒信号回声出现在本来不应该有多普勒回声的表浅部位，这种现 象称为模糊范围。 13何谓彩色多普勒血流显像法？ 彩色多普勒血流显像（color doppler flow imaging，CDFI） ，也称彩色血流图（color flow mapping

33、，CFM）或彩色血流显像（Colorflow imaging，CFI） 。使用多频道法获取断面不同深 度的脉冲多普勒信号，并用高速计算机进行快速傅立叶处理（FFT）和自相关处理，获得血 流的二维剖面血流分布状态，把断面图结构和血流在断面图上的流速空间分布状态以色调 的变化重叠显示，实现了解剖断面和血流空间和时间分布剖面的实时二维重叠显示，即彩 色多普勒血流显像，也称实时多普勒显像法或二维多普勒血流显像法。 彩色多普勒血流显示都采用国际照明委员会规定的彩色图，以红、绿、蓝三色做为基色， 其它颜色则由三基色混合而成。通常把朝向探头运动产生的正向多普勒频谱规定为红色， 背离探头运动产生的负向多普勒频

34、谱规定为蓝色，而方向杂乱的湍流规定为绿色。除用颜 色表示血流方向外，速度的快慢，即频移的大小用颜色的亮度来表示，称之为彩色的辉度， 所以显示器上所标的彩色辉标为上红下蓝，两端亮中间暗，分别标记血流的方向和平行于 探头发射声束的速度分量。由于血流多普勒频谱自相关处理所采用的是脉冲多普勒，所以同样具有前述脉冲多普勒的 使用限制，受到探查深度、血流速度、使用探头频率的相互制约。当接收频移超过一定限 度后，自相关器处理后输出的结果将出现混乱，形成彩色混叠，显示为彩色镶嵌的“马赛 克” （color mosaic）图形。 14频谱分析的快速傅立叶转换原理是什么？ 任何一种复杂的频率。都是单一简谱频率的混

35、合，可分解成若干单一频率，并能以正弦和 余弦的数学方法表示，即 F（t）A0/2+A1cos0t+ A2cos20t+ A3cos30t+?+B1sin0t+ B2sin20t+ B3sin30t+?式中 A0 和系数 A1、A2、A3?B1、B2、B3?由下式决定 其中 T0 为周期，0 为角频率，0=2f02/T0F（t）中的每一项A1cos0t?B1sin0t?称为 F（t）的频谱，F（t）频率范围称为频谱宽度，或频 带。把复杂混合频率分解的过程称为频谱分析，也即傅立叶转换（Fourier transform，FT） 。快速傅立叶转换（fast Fourier transform，FFT

36、） ，指根据前述 FT 原理，利用计算机对取样多 普勒复杂信号进行的高速频谱分析，也称离散性傅立叶转换（discrete fourier transform，DFT） ，即进行时间和频率两个范围的有限数量取样值间的 FT。通过模数变换 （A/D）器每隔一定时间（取样间隔 ts）交换为信号波形，只在限定的时间内（时间窗 tw）集中对被抽样的每一个值进行 FFT。 如果把包含在多普勒频移中的最大频率作为极限 Fmax，根据连续选择定理，抽样频率 fs 必须大于或等于 2Fmax，即 fs1/ts2 Fmax 与脉冲多普勒法中脉冲重复频率与尼奎斯特极限频率的制约关系相同。这 是因为每发送一次脉冲，抽

37、样一次，所以 fsPRF。FFT 的频率分解能力 fc 就取决于时间 tw 的长短。即 fc1/tw 由上式可知，如果频率变化急骤，频率分解能力就会变差，不能跟踪。为了解决这一限制， 必须使连续的时间窗在时间上保持互相重叠。 为了实现频率变化的跟踪，时间窗重复的部分平均运算开始的时间就必须延迟 tw/2。例如， 为了分析 5kHz 的多普勒信号的频率，由 fs2Fmax 知，取样频率必须大于 10kHz，那么， 取样间隔只能短于 1/10 kHz，即短于 100s。如果用于 FFT 的取样点为 100 个，时间窗的 长度 tw100100s10ms。频率分解能力 fc1/10ms100Hz 平

38、均运算开始时间延迟就为 10ms/25ms。 因此，多普勒信号就比即刻显示的心电图、心音图、M 型心动图在时相上延迟。使收缩时 的部分频率在舒张期显示。这点在没有自动 ECC 延时显示的仪器上分析多普勒频移时相时 必须注意。 15何谓自相关技术？ 自相关技术是基于 WienerKhintchine，将连续发射的声波脉冲与自体内同一部位连续返 回的多普勒频谱进行比较，提取两者相位差，并进行分析。从相位差来判断血流的方向并 计算血流速度的频谱处理方法。这一过程是通过相位差检测和自相关检测完成的。 相位差检测：如图 5 所示，用同一个探头发射超声波短脉冲，并接受遇到运动物体时返回 的多普勒频移信号。

39、如果相邻脉冲的间隔时间为 T，物体朝向探头的运动速度为 V，第一 个脉冲波到达运动物体时所经过的距离为 L，介质的声传播速度为 C，则探头接收到返回的 多普勒频移声波的时间延迟 t2L/C 如果发射的声波为一谐振波 cos0t，则回波可以表达为： e1（t）cos0（tt1）或e1（t）cos（0t1） 式中的 10t1，即因时间产生的相位延迟。 同理，若第二个发射脉冲波到此运动物体时，物体已向探头移动了L（Vt）的距离，则 回波返回探头的时间延迟 t22（LL）/C2L/C2Vt/C。其回波可以表示为： e2（t）cos（0t2） 式中 20t2，即第二个脉冲的回波的相位延迟。 两个回波相邻

40、之间的相位差： 12 0t10t20（2L/C2L/C+2Vt/C） 20Vt/C 由上式可以看出，只要我们能检测到连续发射的相邻两个超声短脉冲波之间的相位差 ，就可以获得血流速度的值。血流的方向与相位差的极性一致。 为正值，表示朝向 探头运动； 为负值，表示背向探头运动。在实际应用中，一般先通过直角相移检波器 （也称正交检波器）把多普勒信号转换到低频范围处理。 自相关检测：如图 6 所示，把通过低频滤波后输出的 cost 和 sint 分别再分成两路 进入混合乘法器。一路直接进入，另一路经过延迟电路进入，并且使延迟时间 s 等于发射 超声脉冲的间隔时间 T。设经过延迟电路的多普勒信号相位为

41、1t1,直接进入的多 普勒信号相位为 2=t2，因为 T=t1t2，所以两者的相位差=12t。 进入混合乘法器中的回路信号被进行如下运算：cos1?cos2sin1?sin2cos（12） sin1?cos2cos1?sin2sin（12） 其正切值 tgsin/cos。利用反正切函数，可以求得相位差。 根据t 及多普勒频移方程 fd2Vf0cos/C，可获得血流速度 VCfd/2f0cos 因为 fd 所以 V Cf0 0T 20T cos在检测过程中，总是把接收到的后一个多普勒频谱脉冲与它前面接收到的一个多普勒频谱 脉冲组合在一起进行相关分析，所以谓之自相关技术。因为这一过程极为迅速，能在

42、通常 FFT 处理所需的 2msec 内处理数十倍于 FFT 处理的回声，从而实现了以彩色标记的血流速 度和空间分布的实时显示，即彩色多普勒血流图。 16超声波测量距离（深度）的原理是什么？ 振源连续地发出振动，这种振动形成的波动称为连续波。若振源作间歇振动，这种振动形 成的波动称为脉冲波。如图 7 所示，设声速为 C 的介质内有两个距换能器距离分别为 X 和 Y 的两个目标 A 和 B。换能器 T 向介质内的目标发射脉冲波后，经过时间 t1 和 t2 接收到两 个回波。声波在时间 ti 和 b 内传播的距离分别为 2X 和 2Y，则 XCt1/2 YCt2/2 A 和 B 两个目标的距离为

43、YXC（t2t1）/2 所以测知换能器发出脉冲波到接受到反射回波的时间，即可知到目标的距离。 17何谓动态范围？ 动态范围泛指放大器能放大最低至最高信号电压的范围。最低信号指噪声之上的信号；最 高信号指放大器不被饱和的信号。阴极射线管所能显示的明暗幅度也可用动态范围描述。 某种限度以下的信号不显示亮度，超过某种限度以上的信号被饱和也不再增辉。动态范围装置可在这个范围内按需要对输入信号作相应的调整。一般动态范围值用 dB 表示，超声 输入信号范围在 100120dB，其中传播衰减引起的输入信号变化为 6080dB，人体组织 反时引起的输入信号变化为 4050dB。B 超图像采用黑白显像管的亮度显

44、示，对回声点由 暗到最亮能显示的信号动态范围约为 20dB；另外线性放大电路有效动态范围也只有 3040dB。基于上述原因，超声接收电路采用信号动态范围压缩技术，以压缩和删除无效 的信号，并且使较大动态范围的有用信号也以恰当的比例压缩，以获得清晰的声像图。 18壁滤波器的作用是什么？ 用于调整脉冲波或连续波多普勒低频信号的滤过频率的装置。低频信号多数来自于壁运动 信号，诸如心房壁、心室壁、血管壁、瓣膜以及腱索运动等。为了不使其干扰频谱显示， 宜将其滤掉，但与此同时也将导致一些与其频率相近的低频血流信号被滤掉，因此滤过频 率的选择需视检测要求而有所不同，如检测低速血流（腔静脉、肺静脉、房室瓣）可

45、选择 200400Hz，正常高速血流（心室流出道、半月瓣）可选择 400800Hz，高速射流（瓣膜 狭窄、返流，心内分流的射流）则以 8001600Hz 为宜，视需要而定。 19怎样应用能量输出调节？ 调节发射脉冲的输出能量使之有足够的、适当的穿透能量通过人体组织结构是获得高质量 声像图的途径之一。加大能量输出可使脉冲回波总增益提高，它是通过改变发射回路的阻 尼来调节输出能量。输出的能量常以分贝（dB）为单位，0dB 表示输出能量最大，15dB 表示能量输出最小。操作时，只要所用的超声能量足以显示出良好的声像图，便能获取必 要诊断信息，在此前提下应尽可能降低超声能量输出。 20何谓灰阶及灰标？

46、 从最亮到最暗的像素变化过程，即从白到灰再到黑的过程，称为灰度。灰度的等级称为灰 阶。灰阶可以被超声装置内的微处理机分为 16、32、64、128、256 级，目前多达 512 级。监视器上显示的亮度用格数逐级递减的灰阶等级标志称为灰标。用以直观地表示出图像中 所含的所有灰阶的亮度。 21什么是 特性、 校正和 校正电路？ 特性：指电视系统中景物的亮度和显像管重显图像的亮度之间关系的特性。以景物亮度 的对数作横坐标，显像管上图像亮度的对数作纵坐标，特性曲线的斜率称为 。当整个图 像传输过程保持良好的直线性关系时，该曲线的斜率 为 1。由于显像管与摄像管的光电 转换特性皆非线性，因此整个电视传输

47、系数也是非线性的，即 不等于 1。超声诊断成像 系统情况也是这样。要使 等于 1，就必须进行校正。 校正：利用非线性的传输特性，人为地改变电视传输系统的特性，以达到 为需要值 所作的校正。半导体二极管和三极管具有非线性特性，因此常用来组成校正电路。 校正电路：能引入非线性的输出输入特性，对阴极射线管的灰度系数有效值实行校正 的电路。在超声诊断显像中常用感光胶片或其它硬拷贝材料取得永久保存的图像记录。同 一图像在记录前后的亮度之间不是线性关系，因记录材料而异。故预先要对存储器中所有 像素的幅度进行校正，使硬拷贝上得到正确的灰度显示。超声诊断仪中往往把操作观察用 与拍照用的显示器分开，后者是经过 校正的。也有的是按动拍照键时才进入 校正的。22Doppler 组织成像（Doppler t