第二节　多普勒技术的种类及用途

超声多普勒技术是研究和应用超声波由运动物体反射或散射所产生的多普勒效应的一种技术，主要用于运动目标的检测，尤其是应用于临床对心血管血流动力学的评价。它可以提供包括血流的起源、方向、速度、空间分布、时相变化、血流状态等特性，已广泛用于心血管疾病诊断及功能评估。同时，还能提供组织运动特征的信息。根据电路的结构和工作方式，可分为连续波式、脉冲波式、高脉冲重复频率多普勒、彩色多普勒、能量多普勒、组织多普勒等；根据其应用目的，分为高通滤波和低通滤波；临床上大致可分为听诊型、指示记录型、电子快速分析型和成像型四类。另外，组织向量速度成像还可动态显示血流中存在的涡流，可以量化评价。

一、多普勒频谱及血流参数

（一）多普勒频谱与血流分析

心血管内血流方向能通过频谱信息相对于零基线显示的位置决定。通常血流方向朝向探头被显示在零线（基线）的上面，即正向多普勒频谱，而血流方向背向探头则显示在零线（基线）的下面，即负向多普勒频谱。

在临床工作中，多普勒频谱有时会包括正向和负向的血流信息，需要加以分开并同时作独立处理。由于正向血流信号的频率高于发射频率，可以得到相位领先的输出信号血流信息，而负向血流信号可以得到相位落后的输出信号血流信息。频谱的血流方向相当于探头位置，即使探头固定不动，但由于超声束（取样位置不同）方向的改变，血流信息的曲线显示也不尽相同。

（二）多普勒频移信号的处理

傅里叶变换将信号从时域变换到频域，是数字信号处理方法中最常用的一种方法，用于分析信号所包含的各频率分量及不同频率对应的幅值。脉冲多普勒超声取样容积是一个三维的容积，其内有许多红细胞，且所有红细胞的运动速度却不尽相同，在同一时刻，产生的多普勒频移也不相同。因此，散射回来的超声脉冲多普勒信号是一个由各种不同频率合成的复杂信号，它有一定的频宽，如果取样容积内红细胞速度分布小，则频谱窄，反之频谱宽。由于血液流动的影响，信号频率和振幅必然随时间而变化；所以血流信息是空间和时间的函数。把形成复杂振动的各个简谐振动的频率和振幅分离出来，形成频谱，称为频谱分析。只有对这种信号经过频谱分析，并加以显示，才有可能对取样部位的血流速度、方向和性质作出正确的诊断。

（三）多普勒血流参数

1.收缩期峰值血流速度（vs）用S表示，舒张末期流速（vd）用D表示

血流速度在频谱图中直接测出。

2.时间平均峰值速度（time-average peak speed，TAPS）

TAPS是受检血管取样容积中一个完整的心动周期中空间最高血流速度的时间平均值。选取一个心动周期的曲线包络，由仪器直接计算出包络下的面积，即血流速度-时间积分（velocity time integral，VTI）。平均峰值速度是一个心动周期内的平均血流速度vmean。心动周期上的平均速度为血流速度积分被心动周期时间除而得。通过实时变化的频谱图能够计算某些指数。

3.搏动指数（pulsatility index，PI）

通常用来量化表示流阻抗，搏动指数（PI）=（收缩速度-舒张速度）/平均血流速度，其表达式为

PI=（vmax-vmin）/vmean。

其中，vmax表示最大流速，vmin表示最小流速，vmean表示平均流速。也可用心脏收缩速度S和心脏舒张速度D代替最大流速和最小流速：

PI=（S/D）/ vmean。

大部分超声多普勒仪器能自动计算平均速度，用户可用光标指示最大速度和最小速度点。如果搏动指数过大，一般是由于血液流经狭窄处阻力过大产生的。搏动指数的计算不依赖血管大小和角度，其值通常是固定的，可灵敏地指示异常血流，能发现太窄和太宽的血管。

4.阻力指数（resistive index，RI）和收缩-舒张率（systolic/diastolic ratio）

阻力指数（RI）=（收缩速度-舒张速度）/收缩速度

RI=（vmax-vmin）/vmax。

收缩-舒张率=S/D。

因为不需要计算平均速度，这两个公式计算相对简单。收缩-舒张率通常用于产科检查中脐带和胎盘的检查。子宫内的阻碍可通过测量胎盘的阻抗评估。

压力梯度通常用最大速度的波形峰值估计，同时梯度值可用来计算加速度。若想得到较为精确的加速度值，傅里叶变换的时间窗要尽量短。若频谱展宽，则以最大速度归一化的平均速度或中值速度将减小。

5.流量

指单位时间内流经血管的血液总量，通过测量流速分布和血管截面积计算A。流速分布可计算平均血流速度。流量表达式为：

若要精确计算流量，所有幅度分量均要用于计算平均速度。适用于计算动脉血流量（artery blood flow，ABF）。

6.压力差（PG）

PG=4v2。

7.加速时间（acceleration time，AT）和平均加速度

加速时间为血流速度从基线至最高峰或某一瞬间所需的时间，在频谱图中直接测出。

平均加速度=峰值速度/加速时间。

8.减速时间（deceleration time，DT）和平均减速度

减速时间为血流速度从峰值下降至某一瞬间或基线所需的时间，在频谱图中直接测出。

平均减速度=峰值速度/减速时间。

9.充血指数（congestive index，CI）

充血指数=门静脉血流速度/门静脉截面积。

10.静脉血流量（vein blood flow，VBF）

血流量=πAB/4×0.57 vmax/cosθ·60。

式中，A和B分别为血管横截面的左右径和前后径。vmax为最大血流速度，θ为声束与血流的夹角。

11.压力减半时间（pressure half-time，PHT）

PHT=DT ×（1-0.707）。

12.流量差值法测算反流口有效面积

二尖瓣反流口有效面积=（二尖瓣血流量-主动脉瓣血流量）/血流速度积分

13.E峰峰值速度（peak E velocity）

在频谱图中直接测出。

14.A峰峰值速度（peak A velocity）

在频谱图中直接测出。

15.Tei指数

Tei指数=等容收缩期（ICT）+等容舒张期（IRT）/射血时间（ET）

16.心输出量

每搏输出量（SV）=A·VTI；

心输出量（CO）=A·VTI·HR=SV·HR。

式中，A为心脏瓣口或大血管腔的横截面积，VTI为血流速度-时间积分，HR为心率。在正常情况下，左心室输出量可分别在主动脉瓣口和二尖瓣口测定，右心室输出量可分别在肺动脉瓣口和三尖瓣口测定。测量主动脉和肺动脉血流量时，VI为收缩期流速积分；测量二尖瓣和三尖瓣口血流量时，VI为舒张期流速积分。在测量中应取连续3～5个心动周期，并将结果加以平均。

17.反流量

当单一瓣膜关闭不全，又无心内分流时，应用频谱多普勒法计算瓣口的前向血流量，再得出反流量。

二尖瓣反流量=舒张期二尖瓣前向血流量-收缩期主动脉瓣前向射血量

主动脉瓣反流量=收缩期主动脉瓣前向射血量-收缩期肺动脉瓣前向射血量

三尖瓣反流量=舒张期三尖瓣前向血流量-收缩期肺动脉瓣前向射血量

18.肺循环和体循环血流量

正常人肺循环血流量（QP）和体循环血流量（QS）应相等，其比值QP/QS=1。先天性心脏病左向右分流的患者，如心房间隔缺损、心室间隔缺损和动脉导管未闭，肺循环血流量可增加，QP/QS＞1。应用脉冲波多普勒超声心动图，在肺动脉和主动脉部位测出各自的血流量，分别代表肺循环和体循环血流量，即可计算出QP/QS值。比值表示左向右分流量。

二、多普勒种类

（一）脉冲波多普勒

脉冲波（pulsed wave，PW）多普勒是超声探头沿某一固定方向发射接收超声波，即在一条超声声束线获取图像，将这条声束线的射频信号进行正交解调，从而获取视频信号，在这条声束线某一部分取样（取样容积SV），采集视频信息，进行傅里叶变换，从而获取频移信号。与二维超声成像不同之处是它在选择性的时间延迟后才接收一定时间范围的回声信号，它所分析的是血细胞散射信号的频移成分，并以灰阶的方式显示出来，在时间轴（横轴）上加以展开，以观察这种频移与时间的变化关系。脉冲多普勒成像技术的发射与接收是在脉冲重复的情况下进行的，具有脉冲重复频率（pulse repetition frequency，PRF），故此定名为脉冲多普勒。但它受到尼奎斯特频率极限的限制，即最大可测多普勒频移为1/2PRF，超出这个值就会出现混叠现象。

（二）连续波多普勒

连续波（continuous wave，CW）多普勒是连续地发射和接收超声波的一种多普勒成像技术，分别用不同的晶片发射和接收，这样最大可测多普勒频移不受尼奎斯特极限限制，但所获得的速度信息是整个超声扫描线上运动物体的回声信号，因此无法确定声束内回声信号的深度来源，不具定位能力。通常采用两个独立探头或者孔径分别连续发射和接收超声波，获得有关血流信息。一个探头发射频率及振幅恒定不变的超声波时，而另一个探头接收其反射波。

（三）高脉冲重复频率多普勒

高脉冲重复频率（high pulse repetition frequency，HPRF）多普勒是在脉冲多普勒技术的基础上，通过提高脉冲重复频率，从而提高最大可测多普勒频移。它是通过探头发射一组超声脉冲后，不等取样容积部位回声返回探头，又继续发射一组或多组超声脉冲，这样在一超声束方向上，沿超声束的不同深度可有一个以上的取样门，这就提高了脉冲重复频率，从而提高了最大可测血流速度。高脉冲重复频率多普勒是介于脉冲波多普勒和连续波多普勒之间的一种技术，其对异常血流定位的准确度不如脉冲波多普勒，频谱质量也较脉冲波多普勒者为差。

（四）彩色多普勒

彩色多普勒血流成像是采用脉冲多普勒与二维超声图像混合成像的系统装置。其机制是利用多道选通技术在同一时间内获得多个取样容积上的回波信号，结合相控阵扫描对此切面上取样容积的回波信号进行频谱分析或自相关处理，获得速度大小、方向及血流状态的信息；同时滤去迟缓部位的低频信号，再将提取的信号转变为红、蓝及绿色的色彩显示。不仅可以展现解剖结构图像，还可以显示在心动周期不同时相上的血流情况。因此，彩色多普勒血流成像所提供的是一幅既有解剖结构的实时二维图像，又有动态变化的彩色多普勒图像的结合图像。

（五）能量多普勒

能量多普勒（color Doppler energy，CDE）血流成像是以多普勒能量积分为基础的超声成像技术，与彩色多普勒血流成像的不同，主要在于彩色编码所取的参数不一样。能量多普勒取平均功率（血细胞散射信号振幅的平方），而彩色多普勒取平均速度（频率）。能量多普勒是利用血流中红细胞的密度、散射强度或能量分布，即单位面积下红细胞通过的数量以及信号振幅的大小进行成像，故能量多普勒所显示的参数不是速度而是血流中与散射体相对应的能量信号。但方向性能量多普勒彩色编码所取的参数既有功率成分，又包含频率信息，因而具有方向性。

利用颜色的亮度来表示多普勒信号的反射强度即彩色多普勒能量图。

由于反射强度不依赖角度，多普勒能量图对角度的依赖性较小；由于来自细小血管的能量很弱，微弱的信号被噪声所掩盖，在滤掉噪声的时候也滤掉了血流信号，所以微小血流不能显示。但是如果把多次获取的信号加在一起算平均处理，由于噪声信号的随机性，微小血流信号就会突现出来，从而提高了血流成像的灵敏度。

如果把方向信号与之合成像，即形成了聚合彩色多谱勒（convergent color Doppler，CCD）。是CDFI和CDE两者优点的结合，既拥有CDE对低速血流的灵敏度，又兼顾了CDFI的血流方向性。

（六）组织多普勒

组织多普勒成像（tissue Doppler imaging，TDI）显示的是组织运动的彩色图像，如心肌组织在心脏跳动过程中的周期性运动，其成像机制和处理过程与CDFI几乎相同。其主要的不同之处在于血流的速度通常较大，从每秒数十厘米到每秒数米；组织运动的速度较低，如正常心肌收缩的速度为6～24cm/s。在具体的信号处理过程中，CDFI是采用高通滤波器将运动速度较低的组织信息过滤掉，保留血流信息；TDI则相反，采用低通滤波器将运动速度较高的血流信息过滤掉，保留较低的运动速度，再按彩色多普勒血流成像相同的彩色编码规则进行彩色显示。TDI可提高负荷超声和心肌超声造影的临床应用价值。

三、多普勒技术的临床应用

（一）脉冲波多普勒

临床上相控阵探头用于正常心脏血流动力学定量分析，诊断各瓣膜轻度狭窄或关闭不全及心腔内轻度分流；凸阵及线阵探头用于正常血管血流动力学定量分析，诊断动脉狭窄、静脉瓣功能不全及动-静脉瘘。

（二）连续波多普勒

临床上应用相控阵探头测定各瓣膜狭窄口处的血流速度，分析窄口两端的压力阶差，从而判断瓣膜狭窄的严重程度，计算瓣膜狭窄口处的面积，估计肺动脉压力，估计分流口两侧腔室之间的压力阶差。

（三）高脉冲重复频率多普勒

主要用于血流速度较高的正常心血管或轻度心血管病变情况下的定量分析。在现代新型的多普勒超声仪器中，实际上只要根据需要增加多普勒血流速度的量程，仪器本身可自动地由脉冲波多普勒方式转换成高脉冲重复频率多普勒方式，以满足量程增加。但与连续波多普勒之间的转换需要手动进行。

（四）彩色多普勒

临床上应用相控阵探头用于正常心脏血流和病理性瓣膜狭窄、关闭不全以及心腔内分流等血流定性或半定量分析；凸阵及线阵探头用于正常血管、动脉疾病（狭窄、闭塞）、静脉疾病（静脉血栓、静脉瓣功能不全）及动-静脉瘘血流定性或半定量分析。

（五）能量多普勒

临床上应用相控阵探头用于正常心脏腔内血流显示，可增强心肌超声造影的效果。凸阵及线阵探头用于实质性器官的血流灌注，显示较普通彩色多普勒血流成像灵敏度高，有利于末梢血流、低速血流的显示。

（六）组织多普勒

临床上应用相控阵探头通过组织多普勒成像分析室壁节段性运动异常，结合心肌造影、负荷超声，可提高心肌缺血诊断的灵敏度；通过组织多普勒成像加速度模式运用半定量方法确定加速度的变化和方向，从而有助于对心肌缺血程度和心肌活性的评价。组织多普勒成像M型模式和多普勒频谱模式用于定量评价某一特定部位长轴方向上运动速度和方向，用于评价心肌收缩功能；常用的取样部位为房室瓣环、室间隔中部、心尖部等，以确定该部心肌收缩期运动的最大速度、速度积分、速度频谱形态和时相等与心肌收缩性能和除极的瞬间关系；同样，可直接定量或半定量地显示心室壁特定部位舒张期的心肌运动速度大小、方向和分布，用于评价心肌舒张功能；在舒张期，房室瓣环运动速度频谱呈负向双峰，正常人第一峰（Em峰）高于第二峰（Am峰）；当舒张功能受损时，Em峰低于Am峰；限制舒张功能减低时，Em峰和Am峰均明显减低，Em峰高于Am峰，Am峰小；当二尖瓣口舒张期血流频谱假性正常化，二尖瓣环的运动速度频谱呈Em峰低于Am峰。加速度模式观察室壁心肌在窦性心律失常时加速度改变的起始点和传导顺序，与正常心动周期进行比较，可以间接反映窦性心律失常的异位起搏点位置（室性心律失常异位起搏点），加速度模式可以准确显示预激综合征室壁异常加速度改变的起始点，从而确定旁道的位置。加速度模式引导射频消融术治疗预激综合征和顽固性室性心律失常，加速度模式可以准确评价右心室起搏电极的起搏效果。