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CDFI原理及其质量控制 【摘要】 从物理学角度深入系统阐述了CDFI原理，探讨了CDFI的伪像及其质量控制对策。【关键词】 CDFIMTI自相关技术彩色显示伪像奥地利物理学家多普勒于1842年发现，由于声源与接收者之间相对运动，使接收器接收到的频率与声源发出的不一样，后人为了纪念他，把他发现的这种现象称为多普勒效应。物理学及各个领域相关技术的发展表明，多普勒效应绝不仅仅是声波本身所单独具有的，所有的波动过程，包括超声波、光波、无线电波等都能产生多普勒效应。研究和应用超声波是由运动物体反射或散射所产生的多普勒效应的一种技术，即为超声多普勒技术。实时彩色多普勒显像或者称为彩色多普勒血流显像，是采用脉冲超声多普勒和B超混合成像的系统。1 CDFI原理 它是利用超声多普勒原理对心脏和血管进行无损检测的最新诊断技术。主要是根据多普勒效应和频移规律在超声显像和超声心动图的基础上，利用运动目标指示器原理和自相关技术获得血液中的红血球动态。比如红血球的移动方向、速度、分散情况等信息，同时滤去迟缓部位的低频信号，然后将提取的信号转变为红色、蓝色、绿色的色彩显示。目前的彩超利用先进的实时二维彩色超声多普勒成像系统，使血流图像与B超同时显示。这种图像既能展现解剖图像，也可以显示心动周期不同时相上的血流情况。 MTI MTI是一种比较理想的显示速度剖面的技术，它是将雷达运动技术中运动目标指示器的原理应用于心脏瓣膜运动的超声检测，其实质是检测运动目标相继返回的各回波的相位差，测出该目标相对应的运动速度和通过的距离。 设超声脉冲重复频率的周期为Tp,运动目标P离开换能器的速度为vp，在两个脉冲间隔期间，P将移动一段距离Zp，即Zp=vpTp 这个Zp将引起P的回波有一个小延时tp，即超声波到达目标P的新位置时，来回所需时间增加了tp时间。 tp=(2vpTp)C 由此产生了两个信号之间的相位差p ，它等于超声波的角频率0与延时tp的乘积：p=0tp=0(2vpTp)C 上式说明，沿着回波的每一点上，相位比较器的输出正比于相应距离上的目标运动速度vp，即目标运动速度越大，相应p越大。 如果运动目标是血流，则相位比较器的输出代表了沿超声路径上的速度剖面。只要发射适当数目的脉冲，就可应用这种方法制成实时检测的速度剖面测量仪。 CDFI中使用的MTI，是由多普勒探头向人体器官或组织发射超声波。接收到的回声是由运动粒子与组织回声的合成，所以在测量血流速度时，接收到的信号往往包括诸如心壁、瓣膜、血管壁等反射的无用信号，它对血流信号形成干扰，实际上需要把这些无用的信号滤掉。滤掉这些无用信号的任务就是由运动目标指示器完成的。当探头发射一次脉冲时，探头会接收到壁层的反射及红细胞反射的两个反射信号，此后探头发射下一个超声波。众所周知，红细胞即血流的运动速度比壁层的移动速度快得多。正是这个原因，第一次红细胞反射的位置与第二次红细胞反射的位置不一样，而第一次壁层的反射波与第二次壁层的反射波的位置几乎相同。相位比较器将第一次和第二次回波相减，壁层的反射回波就相消了。两次回波相减之后，形成的第三种回波波形，只包含二次红细胞回波相减的结果。实际上这便是我们要获得的运动信息，即红细胞两次回波的多普勒频移信号。 自相关技术 自相关技术是检测两个信号间的相位差的一种方法，这一技术的实现是通过自相关器完成的。从根本上讲自相关技术即是将从MTI获取的流动血液形成的两个回声的多普勒频移信号转换成该两回声信号之间的相位差。把从MTI获取的多普勒频移信号分解为一对正交信号，并分别用余弦函数和正弦函数表示。自相关检测把这对正交信号分成两路，一路直接送入混合乘法器，另一路通过一个延迟电路直接送入混合乘法器，经混合乘法器的计算输出一对正交信号cosp和sinp。先求得这一对信号的商tgp=sinpcosp，再利用反正切函数，即可求得相位差p。如果朝着同一个方向多次发射超声波，并沿着回波的每一点进行检测，根据式进行分析，这时即使探头和反射血细胞之间的距离不能知道，只要能检测到接连发射的相邻两个超声脉冲回声之间的相位差p，代入式，即可求得探测位置的血流速度vp。而相位差的正和负则指示了血流的方向。由于在混合自相关检测器中，总是把输出的正交信号中反射回声脉冲的余弦部分和另一路中它前面的反射回声脉冲的正弦部分组合在一起完成分析过程，所以这种信号处理技术称为自相关技术。 血流彩色显示 彩色多普勒的血流显像采用了彩色编码的方式，将通过自相关技术处理的多普勒频移信号经频率色彩编码器转换成彩色，实时地叠加在B型的黑白图像上，从而被人的肉眼所分辨并用于诊断。彩色多普勒血流显像仪采用国际照明委员会规定的彩色图，它有红、绿、蓝三种基本颜色，其他颜色都是由这三种基本颜色混合而成的。根据三原色原理，可用红色表示正向流，即表示当相位差0p180时血流朝向探头的方向流动。用蓝色表示反向流，即表示当相位差-180p0时，血流背向探头的方向流动，并用红色和蓝色的亮度分别表示正向流和反向流的大小。流动越快的血流，色彩越明亮；反之，流动越慢，色彩越暗淡。此外用绿色及其亮度表示血流速度分散程度的大小。所谓分散就是血流的紊乱情况。当一个像素中的红血球都以基本相同的速度大致朝一样的方向移动时，称这种血流为层流。所显示出来的一个像素中的平均速度、方向和各个红血球的移动基本一致，此时其色彩变动较小。当一个像素中的各个红血球的移动速度、方向皆不相同时，则称血流处于湍流状态，此时色彩变动较大。绿色的亮度，表示血流紊乱的程度，即越紊乱，绿色越明亮。如果血流图像中某部位呈现黄色，则意味着该处血流朝向探头方向且速度较分散。当某一部位呈现青色时，则意味着该部位血流背向探头方向，且速度较分散。 2 CDFI的伪像及其质量控制 所谓伪像即是由于成像系统原理上的不够严密、技术方法的限制、方法上的不完善、诊断上的主观推断等客观条件和人为因素造成的图像畸变或假象，使检测到的数据与真实情况有差异的均属于伪像。由于超声图像失真造成的伪像可分为两种情形：一种是形状位置失真造成的伪像；另一种是亮度失真造成的伪像。CDFI的伪像由于其特殊的成像方法，主要的伪像有多普勒混叠和角度对彩超的影响等。 多普勒混叠 CDFI时血流速度是以彩色的亮度表示的。发生多普勒混叠时，主要表现为图像的颜色将突然反转，即彩色逆转。并显示相反的血流方向，比如红色将变成蓝色，或蓝色将变成红色。彩色逆转会造成对血流方向的误判。产生多普勒混叠的主要原因是显示血流速度范围受脉冲重复频率的影响。在血流速度过快时，频移过高，当超过超声脉冲重复频率的阈值时，就会出现多普勒混叠及镶嵌状图像。 一维多普勒中，克服多普勒混叠现象采用基线移动调节的方法，就是当正向血流混叠时，调节基线下移，用于增大正向血流频率的显示范围。同样道理，在二维多普勒中，则常常使用彩色零线移动调节方法消除混叠现象。 角度对彩超的影响 利用多普勒效应公式，可以计算出超声探头发射超声频率和接收的回波频率的差，即多普勒频移：f=2f0vcosc。即是说，多普勒频移f的大小，除取决于血流速度v和发射频率f0外，还与速度矢量和声束轴线间的夹角密切相关。当=0时，cos=1，此时多普勒频移最大；而当=90时，cos=0，多普勒频移也为零。在CDFI中，由于血流的色彩是由血流的方向决定的，所以即使是同一流向的血流，当其处在与声束夹不同角度时，血流的色彩也可能不同。例如，若血流从左向右流动并在扫描扇面的左边，血流速度沿超声束上的分量是向上的，即朝向探头方向，故呈现红色。在扫描扇面的右边，血流速度沿超声束上的分量是向下的，即远离探头方向，故呈蓝色。而中间因血流方向与声束方向垂直，故多普勒频移为零，色彩呈现黑色。临床要结合被检查的具体情况，努力排除角度对多普勒检查的干扰。表示二维彩色血流图的采样点越多就越能提高血流信噪比和检查血流的灵敏度，但显像帧速率就会降低。彩色显像的角度范围一般在30 90 之间选择。另外增加检测深度将减少帧数。它们彼此制约，在实际临床应用中要合理兼顾。 3 CDFI的临床应用 CDFI是应用多普勒原理与B型图像与M型超声心动图相互结合，用彩色实时显示血流方向和相对速度提供心脏和大血管内血流的时间和空间信息。它可以同时显示心脏某一断面上全部血流束的分布及数目、腔室的大小；表现血流途径及方向；辨别层流、湍流或涡流；测量血流束的面积、轮廓、长度和宽度；清楚显示血管结构异常与血液动力学异常的关系；也可以与M型心动图重叠，获得观测血流的时相资料。临床应用于心脏瓣膜病、先天性心脏病、心肌病、心脏肿瘤的无创伤诊断。 CDFI的优点是血流图像实时二维显示直观、形象、检测快速，诊断灵敏度和准确率都很高。 CDFI的出现，使超声心动图发展到了一个新的阶段，由于这种技术在无损伤的情况下显示心血管内的血流，所以不仅可以加快此前B超对心脏疾病的检查速度，而且可以直接采集到心内血流速度的信息，这对于临床是十分重要的。 【参考文献】 1 霍纪文， 王秀章，主编.医学成像技术. 沈阳：辽宁科学技术出版社，1994，6265. 2 张泽宝，主编.医学影像物理学. 北京：人民卫生出版社，2005，219222.3 朱翠玲，等主编.现代医学影像学. 济南：山东科学技术出版社，2000，448451.