第三节　多普勒超声心动图

【概述及成像原理】

一、概述

尽管二维超声心动图是诊断心脏疾病成熟而可靠的技术，可以实时显示心脏的结构和功能，但无法检测心腔内的血流情况。多普勒超声心动图（Doppler echocardiography）应用多普勒效应，探测心血管系统内血流的速度、方向和运动性质，从而评价血流情况，在临床应用中需结合二维超声心动图。

二、成像原理

多普勒效应（Doppler effect）由奥地利物理学家及数学家克里斯琴•约翰•多普勒（Christian Johann Doppler）于1842年首次提出，即当物理波源与接收器之间存在相对运动时，发射频率与接收频率之间将出现差异，两者差值称为多普勒频移（Doppler frequency shift）。当波源与接收器互相接近时，接收频率增加，当波源与接收器互相背离时，接收频率降低。多普勒超声心动图即利用这一原理，应用探头发射的超声波探查心脏及血管内流动的红细胞或运动的心室壁，遵循多普勒效应的原理（图1-1-7），频移与红细胞或室壁运动速度的关系可以用以下多普勒方程表述。

fd = f1 − f0 = 2f0vcosθ/c

fd为频移，f0为发射频率，f1为接收频率，v为血流速度，θ为声束与血流方向的夹角。c为声速。

变换公式后可计算目标血流速度：v = cfd/（2f0cosθ）

声束与血流方向的夹角θ影响流速测定的准确性，θ角越小，测得的误差越小，θ角小于30°时误差很小，可以忽略不计，θ角大于60°时误差明显变大，因此应用多普勒技术测量血流速度时应尽量使声束与血流方向的夹角小于30°。

三、显示方式

多普勒超声心动图有着不同的显示方式，包括频谱多普勒、彩色多普勒血流成像和组织多普勒成像。

（一）频谱多普勒

指以音频和频谱图像的形式显示多普勒频移。频谱多普勒具有丰富的时间和速度参数，可以定性、定量诊断狭窄性、反流性和分流性心脏疾病，也可以间接评估心腔压力、瓣口面积、血流量、心脏功能等参数。

1.成像分类

按照多普勒发射和接收模式的特征，分为连续波多普勒（continuous wave Doppler，CW）和脉冲波多普勒（pulsed wave Doppler，PW）。连续波多普勒是临床上最早应用的频谱多普勒技术，通过连续发射和接收超声脉冲探测血流信号。采用双晶片探头，一个连续发射高频的脉冲波，另一个连续接受反射的回声，可以分析声束方向上的所有流速信息。因此连续波多普勒不受脉冲重复频率（pulse repetition frequency，PRF）的影响，可以测量高速血流，缺点是不具有距离选通的功能，无法识别异常血流的具体位置。

脉冲波多普勒是由同一晶片按固定频率发射脉冲波，选择性接收反射的回波，通过计算发射与接收脉冲波的时间，对不同深度的血流进行分析，即距离选通技术。但脉冲波多普勒的缺点是所测频移受脉冲重复频率的限制，无法准确测量病理状态下的高速血流。

脉冲重复频率是指单位时间内发射脉冲波群的个数，PRF越高，两组脉冲波之间的发射间隔越短。根据取样定理，脉冲波多普勒测得的最大频移为脉冲重复频率的一半，即：fd <（1/2）PRF。脉冲重复频率的一半又称为Nyquist极限频率，当测得的多普勒频移超过Nyquist极限时，会发生频谱混叠，即频谱的大小和方向发生倒错，不能准确显示实际频谱的流速大小和方向。此外，取样深度与PRF成反比，与能探测的最大血流速度成反比。因此脉冲波多普勒的特点是可以定点测量某一位置的血流速度，但无法测量超过Nyquist极限的高速血流。

2.频谱分析

多普勒接收器对返回的多普勒频移信号通过快速傅里叶转换等频谱分析处理，形成实时的血流频谱图像，其中脉冲波多普勒一般显示为频带中空的频谱图像，连续波多普勒一般显示为频窗充填的频谱图像。频谱图像显示的信息主要包括频谱的方向、时间、幅度、性质、辉度、形态和音频等。

（1）频谱的方向：

即血液流动的方向。常规设置下，基线上方的频谱为正值，代表血流方向朝向探头，基线下方的频谱为负值，代表血流方向背离探头。

（2）频谱的时间与时相：

频谱图像的横轴（x轴）表示血流持续时间，单位为秒（s），结合同步心电图记录可以分析血流时相。

（3）频谱的幅度：

频谱图纵轴（y轴）表示血流频移或速度的大小，单位多为kHz或m/s，频谱最高点即最大频移或峰值流速。

（4）频谱的性质：

指某时刻取样容积内红细胞运动速度的分布范围，即流速分布的离散度，用频带与频窗表示（图1-1-8）。频带的宽度指频谱在垂直距离上的宽度。若频带窄，有明显的频窗，表示速度梯度范围小，一般见于正常生理状态下的层流；若频带宽，频窗变窄，表示速度梯度范围大，见于病理状态下的湍流。当频带增宽至整个频谱的高度，此时无明显的频窗，则称为频窗充填。

（5）频谱的辉度：

频谱辉度的明暗表示频谱信号的强度，代表某时刻取样容积内具有相同血流速度的红细胞数量。相同速度的红细胞数量越多，回波信号强度越大，图像越明亮；反之，相同速度的红细胞数量越少，回波信号强度越小，图像越暗淡。

（6）频谱的形态：

心脏内不同位置的血流频谱的外形是不同的，比如在正常生理状态下二尖瓣与三尖瓣瓣口血流频谱为舒张期正向双峰形态，主动脉瓣与肺动脉瓣瓣口血流频谱为收缩期负向单峰形态，且主动脉瓣口血流频谱加速时间较短，肺动脉瓣口血流频谱加速与减速时间基本相同（图1-1-9）。

（7）频谱的音频：

频谱的音频亦能反映心脏内的血流状态，层流的血流音频一般为柔和的乐音，湍流的血流音频一般为粗糙的噪声。高速血流的音频音调较高，低速血流的音频音调较低。

（二）彩色多普勒血流成像

彩色多普勒血流成像（color Doppler flow imaging，CDFI）以脉冲波多普勒的原理和技术为基础，应用自相关技术，提取并分析相同取样部位两个连续多普勒频移信号相位差，计算出每个取样点的血流速度，并在二维图像上，用彩色编码的方式显示心血管系统内血流的速度、方向、时相和途径等信息，可以同时并实时显示心脏血流与解剖结构间的相互关系。但需注意的是CDFI也具有脉冲波多普勒的局限性，即受Nyquist极限频率的限制，无法准确显示高速血流。

与脉冲波多普勒单一取样点不同，彩色多普勒血流成像的感兴趣区为可以调节大小的取样框，其内包含多个取样容积，单位取样框内取样容积个数越多，彩色分辨力越高，取样容积个数越少，彩色分辨力越低。

CDFI采用彩色编码方式表示血流的方向与大小。在常规设置下，红色代表血流方向朝向探头，蓝色代表血流方向背离探头。血流速度越快，颜色越明亮，血流速度越慢，颜色越暗淡。通常在显示屏上有条状彩色速度标尺，分为上下两部分，基线上方代表朝向探头的血流颜色，基线下方代表背离探头的血流颜色，标尺两端数值为Nyquist极限，若探测的血流速度超过Nyquist极限，则会发生彩色混叠，以五色镶嵌样花彩血流显示。层流血液在彩色多普勒图像上颜色较单纯，中心明亮，边缘暗淡。湍流血液一般流速较快，方向不定，在彩色多普勒图像上颜色非常明亮，呈黄色或青色，甚至为五色镶嵌样。

【临床应用】

多普勒超声心动图在所有心血管疾病的诊断中均发挥着重要作用，不同显示方式提供的信息各有侧重，因此所观察的内容有所不同。

一、观察内容

（一）频谱多普勒

频谱多普勒可以在二维或彩色多普勒超声心动图图像上进行，将取样容积置于感兴趣区进行脉冲波或连续波多普勒检查，注意选择清晰的二维切面且取样线与血流方向的夹角应尽量小。

频谱多普勒图像上具有丰富的血流速度和时间信息，通过各种测量和计算方法可以获取速度、时间、流量、压力阶差、有效瓣口或反流口面积和心脏功能等参数，定性、定量地对心脏的血流动力学异常进行诊断、鉴别诊断、程度分级，也有助于治疗方案的选择与疗效评估。如获取肥厚型心肌病患者左心室流出道频谱，测量速度及压差，以此鉴别梗阻型或非梗阻型肥厚型心肌病；主动脉瓣狭窄者可以测量主动脉瓣及左心室流出道的前向血流量，应用连续方程法估测主动脉瓣瓣口面积，评估瓣膜狭窄程度，指导临床治疗。此外，频谱的形态也有助于识别某些疾病状态，如正常二尖瓣口血流频谱为双峰，而房颤（心房颤动）患者的二尖瓣口血流频谱为大小不等的单峰。

（二）彩色多普勒血流成像

在二维图像显示清晰的条件下，将彩色多普勒取样框置于感兴趣区，并使声束与血流方向尽量平行，可以显示心腔及瓣口血流的速度和方向。

彩色多普勒血流成像可以定性诊断狭窄性、反流性和分流性疾病。对于先天性心脏病，彩色多普勒可以显示心房、心室和大动脉水平的异常分流，以及动静脉血管的异常起源与连接等。彩色多普勒血流成像和频谱多普勒都是针对心脏内流动的血液进行分析，但与频谱多普勒不同的是，彩色多普勒可以直接显示正常或异常血流发生的位置、走行方向以及异常血流束的数目（图1-1-10），结合同步心电图还有助于识别异常血流发生的时相。此外，彩色多普勒还可以定量或半定量判断疾病的程度，对于反流性疾病，可以在彩色多普勒图像上测量反流束的长度、面积和缩流颈宽度等以估测反流的程度；对于狭窄性疾病，可以用近端等速表面积法（PISA法）评估瓣膜狭窄程度；对于分流性疾病，可以根据分流束宽度判断分流量大小，如分流束较宽时，分流量一般较大，对于多数先天性心脏病来说，当分流束宽、颜色暗淡时，说明分流两侧腔室压力差较小，应高度注意肺动脉高压的发生。

此外，彩色多普勒血流成像还可以联合M型超声心动图、三维超声心动图和心脏声学造影以丰富血流动力学信息。

（三）组织多普勒成像

遵循多普勒原理，心脏组织包括心肌及心脏纤维支架的运动也可以被记录，对心脏组织进行的多普勒成像称为组织多普勒成像（Doppler tissue imaging）。与多普勒血流成像相比，不同的是由于组织作为靶目标远大于红细胞，因此产生的反射振幅高，而组织运动速度较红细胞慢，因此对组织运动信号的提取与对红细胞运动信号的提取正好相反，技术上使用低通滤波。

与多普勒血流成像一样，组织多普勒也可以有频谱和彩色两种显示模式，而由于组织运动速度低不需要连续多普勒，其频谱模式仅为脉冲多普勒。同样，组织多普勒可以对组织运动进行方向和速度的测量，当然也受角度依赖的限制。早期曾应用该技术对心肌运动速度进行测量，从而评价局部心肌收缩功能，后被二维斑点追踪成像取代。目前，组织多普勒对房室瓣环运动速度的测量在对右心室整体收缩功能和左心室舒张功能评价方面仍有重要价值。

二、注意事项

与二维超声心动图一样，多普勒超声心动图在实际应用中也需注意仪器的调节与伪像的识别。

（一）仪器调节

多普勒超声心动图需要检查者根据实际情况实时调整仪器设置与参数。

1.频谱多普勒

根据频谱的实际形态调节基线和量程，使频谱完整显示于屏幕中央，如二尖瓣口血流方向一般朝向探头，频谱位于基线上方，需向下移动基线。调节频谱增益使频谱以适合的辉度显示，使频谱边缘显示清晰，减小测量误差。此外，扫描速度的调节可以控制显示的频谱个数，当受检者心率较慢时，相同时间内显示的频谱较少，应适当减慢扫描速度，使更多的频谱显示在屏幕上。

2.彩色多普勒血流成像

彩色多普勒血流成像的仪器调节与参数设置包括以下内容。

（1）彩色速度标尺设置：

彩色速度标尺两端的速度数值代表可探测的最大速度即Nyquist极限，当发生颜色混叠时，说明血流速度大于Nyquist极限，应尽量调高Nyquist极限速度以使高速血流显示清晰。当所探测血流流速较低、颜色暗淡时，应调低Nyquist极限速度更好地显示低速血流，如房间隔缺损合并肺动脉高压的患者，房水平分流速度较低，探查房间隔分流时应调低Nyquist极限，避免房水平异常分流的漏诊。

（2）取样框设置：

取样框过大虽能显示较大范围的彩色血流，但帧频减低；取样框过小可以保证足够的帧频，但面积的减小不利于彩色血流显示的完整性。因此检查者应兼顾两者选择合适的取样框大小。取样框的深度也会影响彩色血流的显示，取样框深度增加时，帧频减低，脉冲重复频率与Nyquist极限降低，容易发生颜色混叠现象。同时应注意取样框位置的选择，应保证声束与血流方向夹角尽可能小。

（3）彩色增益：

与二维增益相似，彩色增益过高会产生过多噪声，掩盖真实血流，彩色增益过低则无法显示真实的血流。在实际应用中，在合适的彩色速度标尺条件下，可将彩色增益调大，产生弥漫的斑点状噪声，再逐渐减小增益至噪声消失。

（二）伪像

在实际操作中，多普勒超声也会产生一些伪像，干扰诊断的准确性，主要包括混叠伪像、闪烁伪像、溢出伪像和镜面伪像等（图1-1-11）。

1.混叠伪像

当出现混叠伪像时说明所测血流速度超过Nyquist极限，彩色混叠的调节方法如前所述，脉冲波多普勒频谱的混叠现象表现为方向倒错，可以改用连续波多普勒进行扫查。

2.闪烁伪像

心脏跳动、呼吸运动、语言等引起的组织震动会产生彩色信号干扰，并非血流运动的彩色信号。可以通过降低彩色增益，提高壁滤波等方式消除此种伪像。

3.溢出伪像

由彩色增益过高引起，表现为彩色多普勒显示范围大于实际的解剖结构，掩盖病变处的异常血流，此时应降低彩色增益。

4.镜面伪像

原理同二维超声伪像。

【小结】

综上，多普勒成像技术实现了对心脏和大血管内血流的定性与定量分析，与二维超声对心脏结构的评价互补，二者共同构成超声心动图的基础，现行的心脏大血管多普勒检测均在实时二维超声心动图上同步进行。组织多普勒的应用丰富了对心脏结构运动的评价，在心功能评价方面是重要的补充。需要指出的是由于多普勒的角度依赖性，在临床应用时合适切面的选择、恰当的仪器设置和参数调节是至关重要的。

（杨　军　王俊力　牟立欣）