基础知识：Ultrasound Physics and Equipment（Ⅱ）

UltrasoundPhysics and Equipment

Sarah B. Murthi, Mary Ferguson, and Amy C. Sisley

锈刀十一编译

超声的模式

 

超声的模式主要有三种︰ 二维 (2D)、 M 型超声及多普勒。每种模式都提供了重要的临床信息，具有独特的临床应用 (表 4-2)。

 

 

--------- 2D超声---------

 

若要生成一个移动（目标）的 2D 图像，需要多个压电晶体同时工作。64-128 个晶体的阵列用于产生的超声束。要观察随着时间变化的运动（目标），就必须对目标区域进行反复地扫查。

 

• 每个声束都是许多扫描线扫的集合，一个晶体产生一个扫描线。扫描线越多，提供的数据就越多和图像的分辨率就越高。

• 扫描线密度越高，向目标区域发射声束耗费的时间越长。

• 描述单位时间内扫查（次数）的是帧速率（帧频）。帧速率和扫描线数量成反比。

 

运动的器官如心脏，形成一个顺畅的移动图像需要高帧频（帧速率）。这就是所谓的时间分辨率，反映精确跟踪运动的器官的能力。为了说明这一概念，举例如主动脉瓣可以在0.04 s从全封闭到完全打开。如果帧速率是每秒 30 帧，则每次扫描耗时 0.03 s 。瓣膜很有可能在这一帧打开，而在下一帧关闭。而瓣叶的运动细节将会疏漏。所有超声的事情，都是一种权衡。在这种情况下，高帧速率的代价是减少扫描线密度和较差的图像分辨率。

 

 

--------- M型超声 ---------

 

M 型超声，最早的方法之一沿狭窄的区域发射一个信号，有时被称为'冰锥'图像 (图 4-3)。因为扫查区域非常小，所有短时或即时的分辨率有很大地提高。扫查靶目标虽小，但是连续地扫查。

• M型超声可以精确地测量室壁厚度的变化和瓣膜功能，是ICU中有用的工具

• 例子，在心包积液引起的心包填塞时，M超是最佳评估方法之一

• 如果舒张期右心室壁出现塌陷时，它可以证实心包积液阻碍了心脏回流，确认存在心包填塞

• M型超声也可用于定量测量下腔静脉随呼吸的变化，这将有助于判断患者是否存在可以增加患者CO的液体反应性(Fig. 4-3)

• M-型在刚开始时似乎很难理解，因为它不像二维超声那样直观。然而，在 ICU 中的应用相对简单明了，可以比较容易地掌握。

Figure 4-3. 左图的虚线（光标）称为“冰锥”，右侧为M型图像。

数字1和2表示下腔静脉（IVC）直径的测量。请注意在吸气时有＞50%的塌陷率，提示低血容量（见下文）

 

--------- 多普勒超声 ---------

 

2D超声中显示的是返回信号的振幅，类似于声响。不同的是，多普勒超声显示的是多普勒频移（Doppler shift ，f_dop)，它可用于测量血流速。

 

• 频移就像是倾听正在接近的高速行驶火车的熟悉的音调（频率）变化：当火车接近时，发动机的声音越来越响亮，而当火车远离时，则越来越低。

• 静止的物体会发射相同频率的原始信号。此时，f₀ = f_r,，f₀是指原始信号的频率，而 f_r是指反射波信号的频率。探头的频率是f₀

• 当物体相对于是运动的的时候，反射回探头的将是不同的频率

• 因为f₀是已知的，是探头自身的特性，而f_r是可以测量的，所有二者相减就很容易得到f_dop

• f_dop的范围比f₀小很多，在5–10 kHz范围内，人耳很容易就听到了。

• 示例：一个发射5MHz声波的探头，血流朝向探头时f_r,是5.01MHz，而背离探头时是4.09MHz。那么，f_dop是0.01 MHz或10kHz.

 

多普勒频移和血流速之间的关系可表述为：

f_dop= [ f (2 f0 v)/c  ]×(cosθ)

 

这里v是指血流速，c是常数，?是超声波声束与血流的夹角，称为投射角度。因为f0是探头自身固定不变的，c是常数，因此公式可以简化为：

 

f_dop∝ v(cosq )

 

请注意，多普勒频移与血流速呈正比

 

• 多普勒波形的峰值是该时间点血流速的测量值

• 在精确测量血流速时，投射角度非常重要

• 当超声束与血流平行时，投射角度为0°，请注意，0°的正弦值是1

• 当投射角度从0°增加到90°时，正弦值从1降到0

• 如果多普勒声束从任何大于0°而不是近似平行的角度投射时，都可能明显地低估血流速。重复测量中最大的血流速可能是最准确的

• 有趣的是，与高频探头相比，低频探头可以更好的评估血流

• 不同于2D超声，(2D)高频探头的分辨率更好

• 多普勒超声时，最好的是探头平行血流

• 2D超声则相反，最好的是探头垂直于靶目标

 

---------多普勒超声的种类 ---------

 

多普勒超声有三种 ︰ 脉冲(PW)、 连续(CW) 和彩色血流 (CF)。在 PW和连续多普勒，像素值表示的是围绕基线的回波信号的频率。如f_dop是正值时，血流朝向探头，图像在基线上方，而如果是负值则在基线下方显示 (图 4-4)。

Figure 4-4.，左侧的虚线（光标），在右侧显示为多普勒图像。

光标垂直地穿过主动脉瓣（AV）,与血流平行，投射角度为0°(cosq = 1)。主动脉瓣血流向探头反方向运动，图像在基线下方显示。峰值（P）是通过瓣口最高的血流速(120 mm/s)。曲线下面积为总血流量。

 

连续多普勒（CW）

• 连续多普勒是使用2套晶体同时发射和接收信号

• 连续多普勒可以精确地测量采样区的高速血流

• 优点：在评估反流型和狭窄型心脏瓣膜病变时，CW是很有用的，因为病变时的血流速非常快

• 缺点：因为没有停顿时间，CW不能确认测量的深度

• 在ICU中，CW多普勒常用于估测肺动脉压

• 因为大多数患者存在一些三尖瓣反流的表现，所有测量多普勒峰值可用于估算肺动脉收缩压

• 与所有类型的多普勒一样，重要的是探头应尽可能地平行血流，否则会造成血流速的低估

• 检查者常通过几个声窗测量三尖瓣反流束，并选取最高值作为最准确的数值

 

脉冲多普勒（PW）

• 脉冲多普勒仅使用一套晶体间断地发射和接收信号

• 优点：PW可以随着时间精确地评估血流

• 缺点：对于血流速的最大值范围，PW评估是有限制

• 这是一个很大的问题，在反流或狭窄型心脏瓣膜病变是，PW不能准确地测量高速血流

• 在ICU中，PW常用于以下测量:

• 通过主动脉瓣的总流量

• 可用于计算CO和CI

• 也可使用CW

• 二尖瓣瓣尖的血流

• 准确地评估舒展功能

彩色血流多普勒（CF）

• 彩色血流多普勒（CF）是脉冲信号加上对反射信号进行的彩色编码，即彩色加上2D图像

• 朝向探头的高速血流表现为红色，而背离探头的低速血流表现为绿色

• 颜色的方案和静脉或动脉血流没有任何关系

• CF对于评估经瓣口的总血流量非常有用，也常用于穿刺引导时的血管评估

• CF可用于诊断2个解剖结构之间的异常血流，如室间隔缺损（VSD）,房间隔缺损，主动脉静脉瘘（图.4-5）

Figure 4-5.上图为VSD的2D图像，一位室间隔远端损伤的车祸患者。

下图为CF多普勒发现通过破口的异常血流

--------- 混淆（或失真，Aliasing） ---------

 

混淆是一种伪像，尤其是多普勒超声。脉冲式的信号，包括CW和彩色血流，对于高速血流的成像存在明显的不足。当血流速超过测量的最大血流速时，产生混淆。

• 混淆的阈值可以用奈奎斯特（Nyquist）方程式进行计算：fdop = PRF/2.

• 如果血流速很高，产生的f_dop超过了PRF的一半，则会出现混淆。这是因为PRF决定了能取样的f_dop有多大，如果取样速率太低，就会出现取样错误

• 同样的现象可以出现在电影中，前进的车轮看上去像是在后方转动。此时电影的帧频低于车轮自转的2倍，所以无法捕捉车轮的整个转动。

• 这将导致反流或狭窄束的测量更加复杂(图. 4-6).

• 连续多普勒（CW）不会如此，这就是为什么CW可以测量高速血流的原因

• 混淆对于2D超声不是问题，因为2D超声测量的是振幅而不是频率

Figure 4-6. 二尖瓣水平的经食道脉冲多普勒超声。舒张期血流背离食道探头，表现为基线下图像。分别标记了E波和A波。二尖瓣关闭瞬间，出现了一个朝向探头的高速血流束。因为PRF低于2倍的f_dop，所以在基线下可以看见混淆。

 

声   明

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