UltrasoundPhysics and Equipment

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

銹刀十一編譯

超聲的模式

超聲的模式主要有三種︰ 二維 (2D)、 M 型超聲及多普勒。每種模式都提供了重要的臨床信息，具有獨特的臨床應(yīng)用 (表 4-2)。

--------- 2D超聲---------

若要生成一個移動（目標）的 2D 圖像，需要多個壓電晶體同時工作。64-128 個晶體的陣列用于產(chǎn)生的超聲束。要觀察隨著時間變化的運動（目標），就必須對目標區(qū)域進行反復地掃查。

• 每個聲束都是許多掃描線掃的集合，一個晶體產(chǎn)生一個掃描線。掃描線越多，提供的數(shù)據(jù)就越多和圖像的分辨率就越高。

• 掃描線密度越高，向目標區(qū)域發(fā)射聲束耗費的時間越長。

• 描述單位時間內(nèi)掃查（次數(shù)）的是幀速率（幀頻）。幀速率和掃描線數(shù)量成反比。

運動的器官如心臟，形成一個順暢的移動圖像需要高幀頻（幀速率）。這就是所謂的時間分辨率，反映精確跟蹤運動的器官的能力。為了說明這一概念，舉例如主動脈瓣可以在0.04 s從全封閉到完全打開。如果幀速率是每秒 30 幀，則每次掃描耗時 0.03 s 。瓣膜很有可能在這一幀打開，而在下一幀關(guān)閉。而瓣葉的運動細節(jié)將會疏漏。所有超聲的事情，都是一種權(quán)衡。在這種情況下，高幀速率的代價是減少掃描線密度和較差的圖像分辨率。

--------- M型超聲 ---------

M 型超聲，最早的方法之一沿狹窄的區(qū)域發(fā)射一個信號，有時被稱為'冰錐'圖像 (圖 4-3)。因為掃查區(qū)域非常小，所有短時或即時的分辨率有很大地提高。掃查靶目標雖小，但是連續(xù)地掃查。

• M型超聲可以精確地測量室壁厚度的變化和瓣膜功能，是ICU中有用的工具

• 例子，在心包積液引起的心包填塞時，M超是最佳評估方法之一

• 如果舒張期右心室壁出現(xiàn)塌陷時，它可以證實心包積液阻礙了心臟回流，確認存在心包填塞

• M型超聲也可用于定量測量下腔靜脈隨呼吸的變化，這將有助于判斷患者是否存在可以增加患者CO的液體反應(yīng)性(Fig. 4-3)

• M-型在剛開始時似乎很難理解，因為它不像二維超聲那樣直觀。然而，在 ICU 中的應(yīng)用相對簡單明了，可以比較容易地掌握。

Figure 4-3. 左圖的虛線（光標）稱為“冰錐”，右側(cè)為M型圖像。

數(shù)字1和2表示下腔靜脈（IVC）直徑的測量。請注意在吸氣時有＞50%的塌陷率，提示低血容量（見下文）

--------- 多普勒超聲 ---------

2D超聲中顯示的是返回信號的振幅，類似于聲響。不同的是，多普勒超聲顯示的是多普勒頻移（Doppler shift ，f_dop)，它可用于測量血流速。

• 頻移就像是傾聽正在接近的高速行駛火車的熟悉的音調(diào)（頻率）變化：當火車接近時，發(fā)動機的聲音越來越響亮，而當火車遠離時，則越來越低。

• 靜止的物體會發(fā)射相同頻率的原始信號。此時，f₀ = f_r,，f₀是指原始信號的頻率，而 f_r是指反射波信號的頻率。探頭的頻率是f₀

• 當物體相對于是運動的的時候，反射回探頭的將是不同的頻率

• 因為f₀是已知的，是探頭自身的特性，而f_r是可以測量的，所有二者相減就很容易得到f_dop

• f_dop的范圍比f₀小很多，在5–10 kHz范圍內(nèi)，人耳很容易就聽到了。

• 示例：一個發(fā)射5MHz聲波的探頭，血流朝向探頭時f_r,是5.01MHz，而背離探頭時是4.09MHz。那么，f_dop是0.01 MHz或10kHz.

多普勒頻移和血流速之間的關(guān)系可表述為：

f_dop= [ f (2 f0 v)/c  ]×(cosθ)

這里v是指血流速，c是常數(shù)，?是超聲波聲束與血流的夾角，稱為投射角度。因為f0是探頭自身固定不變的，c是常數(shù)，因此公式可以簡化為：

f_dop∝ v(cosq )

請注意，多普勒頻移與血流速呈正比

• 多普勒波形的峰值是該時間點血流速的測量值

• 在精確測量血流速時，投射角度非常重要

• 當超聲束與血流平行時，投射角度為0°，請注意，0°的正弦值是1

• 當投射角度從0°增加到90°時，正弦值從1降到0

• 如果多普勒聲束從任何大于0°而不是近似平行的角度投射時，都可能明顯地低估血流速。重復測量中最大的血流速可能是最準確的

• 有趣的是，與高頻探頭相比，低頻探頭可以更好的評估血流

• 不同于2D超聲，(2D)高頻探頭的分辨率更好

• 多普勒超聲時，最好的是探頭平行血流

• 2D超聲則相反，最好的是探頭垂直于靶目標

---------多普勒超聲的種類 ---------

多普勒超聲有三種 ︰ 脈沖(PW)、 連續(xù)(CW) 和彩色血流 (CF)。在 PW和連續(xù)多普勒，像素值表示的是圍繞基線的回波信號的頻率。如f_dop是正值時，血流朝向探頭，圖像在基線上方，而如果是負值則在基線下方顯示 (圖 4-4)。

Figure 4-4.，左側(cè)的虛線（光標），在右側(cè)顯示為多普勒圖像。

光標垂直地穿過主動脈瓣（AV）,與血流平行，投射角度為0°(cosq = 1)。主動脈瓣血流向探頭反方向運動，圖像在基線下方顯示。峰值（P）是通過瓣口最高的血流速(120 mm/s)。曲線下面積為總血流量。

連續(xù)多普勒（CW）

• 連續(xù)多普勒是使用2套晶體同時發(fā)射和接收信號

• 連續(xù)多普勒可以精確地測量采樣區(qū)的高速血流

• 優(yōu)點：在評估反流型和狹窄型心臟瓣膜病變時，CW是很有用的，因為病變時的血流速非?？?/span>

• 缺點：因為沒有停頓時間，CW不能確認測量的深度

• 在ICU中，CW多普勒常用于估測肺動脈壓

• 因為大多數(shù)患者存在一些三尖瓣反流的表現(xiàn)，所有測量多普勒峰值可用于估算肺動脈收縮壓

• 與所有類型的多普勒一樣，重要的是探頭應(yīng)盡可能地平行血流，否則會造成血流速的低估

• 檢查者常通過幾個聲窗測量三尖瓣反流束，并選取最高值作為最準確的數(shù)值

脈沖多普勒（PW）

• 脈沖多普勒僅使用一套晶體間斷地發(fā)射和接收信號

• 優(yōu)點：PW可以隨著時間精確地評估血流

• 缺點：對于血流速的最大值范圍，PW評估是有限制

• 這是一個很大的問題，在反流或狹窄型心臟瓣膜病變是，PW不能準確地測量高速血流

• 在ICU中，PW常用于以下測量:

• 通過主動脈瓣的總流量

• 可用于計算CO和CI

• 也可使用CW

• 二尖瓣瓣尖的血流

• 準確地評估舒展功能

彩色血流多普勒（CF）

• 彩色血流多普勒（CF）是脈沖信號加上對反射信號進行的彩色編碼，即彩色加上2D圖像

• 朝向探頭的高速血流表現(xiàn)為紅色，而背離探頭的低速血流表現(xiàn)為綠色

• 顏色的方案和靜脈或動脈血流沒有任何關(guān)系

• CF對于評估經(jīng)瓣口的總血流量非常有用，也常用于穿刺引導時的血管評估

• CF可用于診斷2個解剖結(jié)構(gòu)之間的異常血流，如室間隔缺損（VSD）,房間隔缺損，主動脈靜脈瘺（圖.4-5）

Figure 4-5.上圖為VSD的2D圖像，一位室間隔遠端損傷的車禍患者。

下圖為CF多普勒發(fā)現(xiàn)通過破口的異常血流

--------- 混淆（或失真，Aliasing） ---------

混淆是一種偽像，尤其是多普勒超聲。脈沖式的信號，包括CW和彩色血流，對于高速血流的成像存在明顯的不足。當血流速超過測量的最大血流速時，產(chǎn)生混淆。

• 混淆的閾值可以用奈奎斯特（Nyquist）方程式進行計算：fdop = PRF/2.

• 如果血流速很高，產(chǎn)生的f_dop超過了PRF的一半，則會出現(xiàn)混淆。這是因為PRF決定了能取樣的f_dop有多大，如果取樣速率太低，就會出現(xiàn)取樣錯誤

• 同樣的現(xiàn)象可以出現(xiàn)在電影中，前進的車輪看上去像是在后方轉(zhuǎn)動。此時電影的幀頻低于車輪自轉(zhuǎn)的2倍，所以無法捕捉車輪的整個轉(zhuǎn)動。

• 這將導致反流或狹窄束的測量更加復雜(圖. 4-6).

• 連續(xù)多普勒（CW）不會如此，這就是為什么CW可以測量高速血流的原因

• 混淆對于2D超聲不是問題，因為2D超聲測量的是振幅而不是頻率

Figure 4-6. 二尖瓣水平的經(jīng)食道脈沖多普勒超聲。舒張期血流背離食道探頭，表現(xiàn)為基線下圖像。分別標記了E波和A波。二尖瓣關(guān)閉瞬間，出現(xiàn)了一個朝向探頭的高速血流束。因為PRF低于2倍的f_dop，所以在基線下可以看見混淆。