多普勒现象是1842年奥地利学者C.Doppler首先发现的一种自然界中广泛存在的现象,它是指当反射器与接收器发生相对运动时,接收到的频率与发生频率不同,即存在频移。人们通过检测频移,依据多普勒方程计算出两者之间相对运动的速度。这一技术称为多普勒技术。
超声多普勒检查是利用超声多普勒效应来观察心脏和血管内血流状态、方向、速度和流量,进而诊断血管疾病。其成像原理为,探头接收运动红细胞产生的向后散射信号而产生的超声血流回声。早期应用连续多普勒诊断仪检查,因不能选择检测目标,应用范围受到很大限制。20世纪80年代多普勒技术与实时超声显像结合(双功能Duplex)及快速傅里叶变换(FFT)技术的应用,可选择取样部位的血流频谱,这就是脉冲多普勒技术。它能取得以往只能用侵入性方法才能获得的心脏血管结构与血流动力学信息。其后脉冲多普勒技术和连续多普勒技术的联合应用,进一步提高了血流测定的准确性。彩色多普勒血流显像还能进一步获得人体血流的直观图像,是超声显像诊断的重大进展。其将超声显像诊断从解剖形态学诊断上升至形态-血流动力学功能联合诊断,诊断显像大大丰富,不但能提供解剖形态学图像,还能从血流动力学功能角度反映人体组织器官的生理和病理状况。1983年最早开始将彩色多普勒血流显像用于心脏疾病的诊断,近年来随着彩色多普勒血流显像技术的迅速发展,已经用于全身各个脏器血管的血流显像诊断。
1.彩色多普勒血流显像是一种应用多普勒技术原理,在二维切面显像和M型超声心动图基础上,用彩色实时显示血流的方向和相对速度,提供心脏和血管内血流的时间和空间信息的多普勒诊断技术。目前大多数彩色多普勒血流显像超声诊断仪,一般由运动目标显示器、自相关器、彩色编码及显示器等主要部分组成。人体组织器官和心脏血管血流的反射信号经结构分析和血流分析处理后,可在荧光屏上显现黑白的实时二维超声切面声像图上叠加彩色实时血流显像。彩色多普勒血流显像显示有以下几种。
(1)色强显示(流向显示):以红蓝两种颜色表示迎向或背离探头的两种血流方向,颜色深浅表示平均血流速度。
(2)色彩显示(血流速度增加显示):在色彩显示血流方向的基础上,以色彩亮度深浅反映血流速度。
(3)色差显示(湍流显示):在色强显示基础上,掺和绿色表示平均血流速度差值,用于显示湍流。
高敏感度彩色血流显像(慢速血流)在很大程度上开拓了彩色多普勒血流显像的应用范围,已应用在临床各科疾病的诊断,为解决好检测快速血流和慢速血流的矛盾,在技术上采用了最大拟然法(maximum likelihood method,MLM)和最大熵法(maximum entropy method, MEM)。为了解决对组织运动的评价,新近发展了一种组织多普勒显像,并利用高频技术(quad signal proccessing,QSP,四重信号处理),可以提供组织运动速度和方向的信息,即它是从运动的心肌中采集多普勒频移信息,删除血流信息,用彩色多普勒编码心肌的运动,并可采用速度方式、加速度方式和能量方式,对快速检测和评价心肌灌注、心肌收缩舒张功能等提供重要信息。
2.近年出现了一种利用运动粒子后散射回声能量的不同,在二维图像上利用颜色显示血管的彩色血管显像技术,称为能量图(power imaging),也称超声造影(ultrasound angio)或彩色多普勒能量图像(color Doppler powerimaging,CDPI)。
(1)彩色多普勒能量图像以多普勒信号的强度(振幅)为信息来源,以强度的平方值表示其能量而得到能量曲线(能量频率曲线)。该曲线有以下性质。
①呈高斯分布,峰位于平均频移位置。
②曲线形态表示取样范围内红细胞频移分布范围,受频移波动(variance)的影响。
③曲线下面积表示取样区域内红细胞多普勒散射能量的总和,与局部红细胞总数相关。
④声束入射角(Q)的改变,只改变该曲线形态但曲线下面为一定值,不受Q角影响。
(2)CDPI将多普勒能量曲线下面积进行彩色编码,形成一幅二维彩色血流显像并叠加到二维断层图像上,因而从另一角度描述了体内血流状态。基于CDPI的原理,使之与CDFI相比,存在以下特点。
①提高了新的信息。CDPI中彩色表示血流的存在,彩色亮度表示多普勒散射能量的大小,即取样区域内红细胞数目。
②相对不依赖Q角的变化。Q角只改变能量曲线的形状,而作为CDPI彩色编码依据的曲线下面积为一定值,不受Q角影响。
③提高了信噪比。这是因为能量曲线下面积明显大于多普勒噪声线下面积,故CDPI可明显提高检测血流的敏感性,尤其有利于显示低流量、低流速血流。
④无混叠现象。CDFI所显示的平均频移大于PRF/2时,血流显示出现混叠。而CDPI不受平均频移的影响,只与能量曲线下面积有关。
⑤CDPI信号可覆盖平均频移为0的区域,此区域在CDFI无彩色信号。因红细胞运动方向不定,某一取样区域内红细胞平均频移为0时,红细胞能量不为0,故CDPI可显示。
⑥CDPI不显示血流方向及速度的信息。
⑦人体心脏搏动和呼吸运动对CDPI可造成闪烁伪像。
CDPI在显示肾皮质血流、阴囊病变的血流变化、卵巢的细小血管、胎盘内的细小血管、肌肉骨骼系统感染性病变局部灌流改变,以及准确描述动脉狭窄程度等方面,均优于CDFI。Allen等的研究表明CDPI能提高诊断动脉狭窄的敏感性和特异性。CDPI还用于超声造影剂应用效果的评价。Bums等应用超声造影剂增强能量多普勒效应,使得在抑制闪烁伪像的同时,仍可以观察到细小血管。CDPI较CDFI能更敏感地显示细小血流而不受角度的影响,在临床实践中有着广泛的用途。其临床应用的广度和深度有待探索。
3.另外最近又推出另一种彩色显像技术,即彩色速度显像/定量技术(color velocity imaging TM and quantification CVI TM/CVI-Q TM)时域CKI angio TM。超声血管造影技术能灵敏清晰显示不同方向的低速血流,并能清楚显示各级血管结构。CVI-Q TM彩色速度显像定量技术能准确测量出瞬间和平均血流容积速度并可同时测量血管直径。晚近又新研制出能量加方向的彩色显像技术,既能敏感显示细小血流又不受角度影响,还能定量检测血流速度等参数。
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