超声心动图的工作原理与检查方法

超声心动图是用超声波检查心脏和大血管的解剖结构及活动状态的无创性技术。目前已有M型（M-mode echocardiography）、二维超声心动图（2D echocardiography）、频谱多普勒超声技术（spectral Doppler echocardiography）和超声造影（contrast echocardiography）4大部分以及从上述技术发展而来的彩色多普勒血流成像（color Doppler flow imaging）、多普勒组织成像（Doppler tissue imaging）、三维超声成像（3D echocardiography）及血管内超声成像（intravascular ultrasound imaging）。目前，这些技术在心血管超声诊断中都起着重要的作用。

一、M型超声心动图

M型超声心动图（M-mode echocardiography）是最早应用在心血管诊断的超声技术，1954年由瑞典学者Edler和 Hertz最先报道。它是将心脏和血管随时间运动的变化情况用曲线形式表达的方法，是一种单一超声束扫描的超声成像模式。在M型模式下，垂直方向代表人体组织或脏器自浅至深的空间位置，水平方向代表时间，沿着一狭长的超声束中的所有深度和方位的组织都在屏幕上滚动显像，形成一种实时、随时间联系变化的组织切面图。M型显像每秒钟更新达1000次，能提供优于二维超声心动图的时像转换。M型超声心动图既能对心脏结构运动在心动周期内的时相准确定位，也能评价心脏特定结构的细微运动，因此应用M型超声心动图很容易测量心腔大小，距离以及心脏组织运动速度，评价心脏功能及二尖瓣和主动脉瓣结构和活动情况。

患者平卧或左侧卧位，平静呼吸。探头置于胸骨左缘第3或第4肋间，涂耦合剂后进行定点，或探头做弧形转动扫查。从心底部扫查到心尖部，必要时在剑突下或胸骨上窝探查。正常波群一般划分为4区：①4区。又称心底波群，是声束自前至后分别穿透胸壁、右心室流出道、主动脉根部及左心房，其回波在相对应的部位显示在荧光屏上，分别代表各层组织回声的强弱和运动状态。②3区。探头从4区略向下转即移行为3区。声束自前至后可分别见到胸壁、右心室、室间隔、左心室流出道、二尖瓣前叶、左心房或房室交界处的回声，并可见到主动脉前壁延续为室间隔，主动脉后壁与二尖瓣前叶相接。一般在此区测量左心室流出道。③2区，2区又分为2（b）区和2（a）区。2（b）区又称二尖瓣波群。探头稍向下指，声束分别穿透胸壁、右心室，室间隔、左心室流出道、二尖瓣前后叶及左心室后壁。2（a）区又称心室波群，探头置于胸骨左缘第4肋间，回声所代表的解剖结构自前至后为胸壁、右心室前壁、右心室、室间隔、左心室及左心室后壁。一般心室的内径、室间隔及左心室后壁的厚度均在此区测量。④1区。声束指向心尖部，即可见1区。此处心腔内径较小，左心室后壁之前可见乳头肌等结构。

二、二维超声心动图

二维超声心动图（2D echocardiography）是应用超声波回声探查心脏和大血管以获取有关信息的一组无创性检查方法。二维超声心动图将从人体反射回来的回波信号以光点形式组成切面图像，亦称辉度调制型（brightness-mode）。由于探头发出的声束方向与位置不断变化，因此当声束扫过组织的平面即显示由光点组成的切面图像。如果声束重复扫查组织的次数超过16次/s，即能实时地显示心脏活动的情况。探头由多片晶体构成，按工作方式不同可分为机械扫描和相控阵扫描两种。探头较小，由于声束作扇形扫查，只需要较小的透声窗就能检查较大范围的心脏结构，能清晰、直观、实时显示心脏各结构的形态、空间位置及连续关系等，是基本的检查方法。

三、多普勒超声心动图

（一）频谱多普勒技术

1.多普勒效应　多普勒效应是奥地利物理学家、数学家及天文学家克里斯琴·安得列亚斯·多普勒（Christian Andreas Doppler）于1942年首次揭示，这一原理在自然界动物身上存在极其普遍，例如蝙蝠、海豚等，这些动物利用多普勒效应以获得猎物的运动信息。在多普勒理论中，认为频移（frequency shift）是由于波源与观察者之间的相对运动。将多普勒效应应用在医学领域中主要用于检测血流速度，人体血液内有很多红细胞，它能反射和散射超声，可以认为是微小的声源。探头置于肋间隙不动而发射超声波，红细胞在心脏或大血管流动时，红细胞散射的声频发生改变。红细胞朝向探头运动时，反射的声频增加，反之则降低。这种红细胞与探头作相对运动时所产生声频的差值称为多普勒频移。它可以显示血流的速度、方向和血流的性质。多普勒超声心动图（spectral Doppler echocardiography）又分为脉冲多普勒超声心动图、连续波多普勒超声心动图、彩色多普勒超声心动图。应用最多的是脉冲多普勒超声心动图，它可以在二维图像监视定位情况下，描记出心内任何一点血流的实时多普勒频谱图。

2.多普勒频谱的分析与显示　频谱多普勒检测的是血流，实在取样容积（sample volume，SV）内的众多红细胞，由于取样容积内红细胞运动速度及方向不尽相同，频移信息均不相同，因此血流信号的频移、方向、振幅也随时间而不断变化，这些回声被探头接收后，形成频谱波形，再对其进行分析处理，可以得到被检测血流的速度等信息。

多普勒频谱图形的横轴代表时间，纵轴代表频移信号的振幅。在零位线上方的频谱代表血流朝向探头流动，在零位线下方的频谱代表血流背向探头流动。频谱在纵轴上的幅度，代表频移大小，直接用（m/s）表示。如果在取样检测的瞬间，取样容积内运动速度相同的红细胞数量多，则辉度大即亮度高，反之则亮度低。频谱宽度指频移在频谱垂直方向上的宽度，表示在某一瞬间取样容积中的红细胞运动速度分布范围的大小。频谱宽度与取样容积（SV）的大小及动脉血管直径有关，取样容积小，容易获得窄频谱，取样容积大，可能导致宽频谱。

（二）脉冲多普勒超声心动图

脉冲多普勒（pulsed wave Doppler echocardiography，PW Doppler）是频谱多普勒的一种，在二维或 M型图像监视定位下，利用多普勒原理，将取样容积放在心脏或大血管内一定部位，取一定容积的血流信息，经快速变换，实时地以频谱的方式显示某点的血流速度、方向和性质。据此可以判断各瓣膜口有无狭窄、反流，了解心内有无分流，并且计算心排血量和跨瓣口的压力阶差。血液在正常人心脏和大血管内流动时，其血流方向相同，但其横截面上各点的流速不同。研究证明，流经各瓣口的血流为层流，其频谱特点为频谱窄、光点密集，中间空虚，音频输出可听到柔和平滑的多普勒声。当血流经过狭窄的瓣膜或管腔时，血流速度增加，血流方向和速度均不相同，产生湍流，其特点是频谱宽，光点分散，中间充填，可听到粗糙刺耳的血流声。血流过快测量将受限制。频谱图的纵坐标反映血流的方向和速度，血流朝向探头流动即产生向上的频移，反之则产生向下的血流图，频移幅值代表血流速度的高低；横坐标代表时间。脉冲多普勒可以对一定深度的血流定位检查，同时此技术也具有一定局限性，主要在于对高速血流的测量能力有限及最大检测深度距离也受限制。在实际应用中，检测＞3.5m/s的血流，使用连续多普勒的效果更好。

（三）连续波多普勒超声心动图

连续多普勒的发射方式不是脉冲式而是连续不断，所以不存在脉冲重复频率（PRF）的限制，从理论上应能测量无穷大的流速，但由于现有技术的原因，还不能达到测量无限大的速度。在医学诊断方面，能测量＞7m/s的流速已可满足需要。连续多普勒是探头内有两个换能器，探头连续不断地发射超声可以测量过高的血流速度，但由于换能器直径较小，超声在体内易发生衍射，故不能明确最高流速的具体位置，其敏感性低于脉冲多普勒。一般只用于瓣膜或血管狭窄远端血流速度的测定。

（四）彩色多普勒血流成像

彩色多普勒血流成像（color Doppler flow imaging，CDFI）是以彩色的亮度表现红蓝相混的杂色，可更清楚地显示结构异常和血流动力学异常的关系。它所显示的是二维血流图，与频谱多普勒的区别在于能对血流成像，它是以脉冲多普勒原理为基础发展的技术。彩色多普勒血流显像技术采用自相关技术和彩色编码处理，一般将血流朝向探头的显示为红色，背向探头的血流显示为蓝色，以色彩的亮度表示血流速度，出现涡流时，由于血流方向不同，出现红蓝相混的杂色，这样便可以观测心脏或大血管内血流的方向、途径、血流性质，有无异常血流束等，可以诊断瓣膜有无狭窄、反流，有无异常的分流等。本法主要优点为：①快速筛选正常和异常血流，尤其是检测异常的分流和反流；②区别发生在相同心动周期，来自不同部位而方向相似的血流，如联合瓣膜病变的和多发性分流；③通过射流方位的显示，指导连续波或脉冲多普勒探测，提高定量分析心排血量及压差的准确性；④对反流和分流病变，可提供简便的半定量诊断方法。不足之处是二维结构显像的质量因帧数减少而降低。

在心血管检查的临床应用主要在于：①检测心脏瓣膜口狭窄的高速血流，瓣膜关闭不全的反流，通过观察反流血流信号进行半定量判断；②对心腔间、心脏与大血管间的分流血流进行定性检测，判断反流方向、途径及分流时相；③引导频谱多普勒进行血流速度及参数的测量，计算；④应用彩色多普勒技术进行瓣口面积、反流量等的测量计算，测量计算狭窄瓣口的面积，计算瓣口反流量。

（五）多普勒组织成像

多普勒组织成像（Doppler tissue imaging，DTI）是把彩色多普勒血流成像用于解剖结构成像。多普勒组织成像也称为组织多普勒成像（tissue Doppler imaging，TDI）、组织速度成像（tissue velocity imaging，TVI）、彩色多普勒心肌组织成像（color Doppler myocardial imaging，CDMI）。多普勒组织成像的显像方法与彩色多普勒血流成像相同。用自相关技术处理频移信号，以彩色编码显示室壁的运动。多普勒组织成像的临床应用于：①对于室壁运动异常的检测诊断；②对于收缩及舒张功能的检测；③应用于心脏传导系统的电生理研究及心肌超声造影等检查。多普勒组织成像还可应用于经食管超声、三维成像、扩大和增加了多普勒组织成像的用途。

血液和心室壁的多普勒信号在声学特征上有两点区别：①血液流动速度显著高于室壁运动速度，后者一般低于10cm/s。②室壁运动多普勒信号强度大于血流信号。TDI可从各个不同声学窗观察检测不同心肌节段的心肌运动速度。目前TDI观察心肌运动的技术有测定心肌的应变率（strain rate，SR）以及心肌速度阶差（myocardial velocity gradient，MVG），SR和MVG不受心脏位置移动的影响，可反映局部心肌的收缩和舒张功能等。

（六）超声造影

超声造影（ultrasoniccontrast agents）始于1968年，是把造影剂注入血液中，在超声检测时造影剂产生强烈的背向散射回声，根据造影剂回声信号。对病变进行分析判断。超声造影在临床主要应用于：①右心造影。即从外周静脉注入后，经腔静脉回右心再到肺动脉便可。造影剂有二氧化碳（CO2）、氧（O2）和微气泡。主要用于识别右心解剖结构，诊断心房、心室、肺动脉及主动脉、心室与主动脉的右向左分流，并协助检查心内、心腔与大血管的左向右分流，并能测定心内膜边界，提高右心功能测量的准确性等。②左心及心肌造影。对于左心腔超声造影与右心造影相似，但可观察左向右分流。诊断二尖瓣、主动脉瓣反流。对于心肌超声造影，可以用来检测心肌灌注情况，判断心肌梗死的心肌范围，观察冠心病的心肌缺血区，观察有无侧支循环建立，识别冬眠心肌与顿抑心肌，测定冠脉血流储备及评价冠心病介入效果。