多普勒效应在血管超声中的应用

在血管超声中，多普勒效应被用来研究血流情况。最简单的多普勒超声仪器使用含有两组压电晶片的探头，其中一个发射超声声束，另一个用来接收红细胞背向散射的回声（图3-2）。在这种情况下，发生两次多普勒效应。第一次探头是静止的，而红细胞是移动的超声波接收者（图3-1B）。之后超声波从红细胞背向散射回探头，是作为移动的声源，而探头此时是静止的声波接收者（图3-1D）。观测到的多普勒频移取决于初始发射的超声波的频率及红细胞的移动速度，同时还取决于超声声束与血流移动方向之间的角度。多普勒频移fd（即发射频率ft与接收频率fr之间的差值）等于：

此处v是血流速度，θ是超声声束与血流方向的夹角（也称声束入射角），c是组织中的声速。等式中的系数2是因为发生了两次多普勒效应。

例如，使用5MHz探头来检查一条血流速度为50cm/s的血管，声束入射角度为60°，组织中的声速取1 540m/s，用多普勒公式可以计算出多普勒频移为1.6kHz。事实上，人体主要血管的血流速度与医用超声的发射频率导致的多普勒频移刚好在人耳的听力范围内（20Hz至20kHz）。最简单的多普勒系统使用扩音器输出多普勒频移，使操作者可以听到血流的多普勒频移。

多普勒公式显示多普勒频移取决于声束入射角θ，通过cosθ校正。表3-1显示了角度从0°～90°变化时cosθ从1～0的变化。当声束入射角为90°时，cosθ=0，所以无法检测到多普勒频移。当声束入射角为0°（即多普勒声束与血流方向平行）时，cosθ=1，对于特定的血流速度和发射频率，多普勒频移达到最大值。图3-3显示随着角度变化，探测到的多普勒频移也随着变化。当探头朝向血流方向时，将探测到正的频移；相反，如果探头背离血流方向时将检测到负的频移。接收声波角越小，频移越大，当声束入射角接近于90°时，则很难检测到频移。

图3-2　最简单的多普勒超声仪器使用两组压电晶片，一组用来发射超声波，另一组用来接收血细胞的背向散射波

图3-3　多普勒频移随声束入射角的变化而变化

表3-1　cosθ值随着声束入射角的变化而变化

血液的背向散射

血液由悬浮于血浆中的红细胞、白细胞和血小板组成。红细胞占总血容量的36%～54%。红细胞为双凹盘状，直径约为7μm，远小于用于探测血流的超声波的波长。这就意味着在超声波中，红细胞是作为散射体存在的。

探头接收到的从血液中背向散射回来的信号很微弱，部分原因是由于背向散射导致能量从各个方向丢失，另外一部分原因是血细胞的有效截面积比声束的宽度小得多。背向散射的能量与频率的4次方（f 4）成正比，所以随着发射频率的提高，背向散射的能量也提高。但是提高频率会导致组织中的声衰减增加。超声系统在多普勒成像中一般采用低于二维成像的发射频率，二维成像和多普勒发射频率通常会显示在屏幕上。当血流速度很慢或者血细胞静止不动（如动脉瘤或静脉血流）时，细胞可能聚集成团，可以产生足够高振幅的背向散射信号进而在二维图像中显像（图13-22）。