第8讲 超声多普勒原理与仪器2
超声多普勒原理
超声多普勒原理超声多普勒技术是一种利用超声波来测定物体运动状态的技术。
它广泛应用于医学、气象、航天等领域，尤其在医学上的应用更是深入人心。
超声多普勒技术的原理是基于多普勒效应，通过测量声波在运动物体上的频率变化来获取物体的运动信息。
接下来，我们将详细介绍超声多普勒原理及其应用。
首先，我们来了解一下多普勒效应。
多普勒效应是指当波源或接收器相对于介质运动时，波的频率会发生变化的现象。
在超声多普勒技术中，声波被用来探测运动物体的速度和方向。
当声波遇到运动物体时，由于物体的运动会引起声波频率的变化，这种变化被称为多普勒频移。
通过测量多普勒频移，我们可以计算出物体的速度和方向。
在医学领域，超声多普勒技术被广泛应用于血流速度的测量。
通过超声多普勒仪器发出的超声波，可以非侵入性地测量人体血管中血液的流速和流向，从而帮助医生诊断心血管疾病、血栓形成等疾病。
此外，超声多普勒技术也被用于产科超声检查，可以帮助医生监测胎儿的心脏活动和血流情况，确保胎儿的健康发育。
除了医学领域，超声多普勒技术还被应用于气象领域。
气象雷达利用超声多普勒原理可以探测大气中的降水情况，从而帮助气象学家预测天气变化，及时发布预警信息。
此外，超声多普勒技术还被用于航天领域，用于测量飞行器的速度和方向，确保飞行器的安全飞行。
总的来说，超声多普勒技术是一种非常重要的测量技术，它通过利用多普勒效应来获取物体的运动信息，广泛应用于医学、气象、航天等领域。
随着科学技术的不断发展，相信超声多普勒技术在未来会有更广阔的应用前景。
超声多普勒的原理和应用
超声多普勒的原理和应用
超声多普勒的原理基于多普勒效应，即当声源和接收器之间存在相对运动时，接收器接收到的声音频率会发生变化。
在超声多普勒中，探头发出超声波，并接收从血管内流动的红细胞反射回来的声波。
当红细胞朝着或远离探头运动时，反射声波的频率会发生变化。
通过分析这种频率变化，可以计算出血流的速度和方向。
超声多普勒技术在医学诊断中有广泛的应用，以下是一些主要应用领域：
1. 心血管系统：超声多普勒可以用于检测心脏的血流动力学参数，如流速、流量和瓣膜功能。
它对于诊断心脏病、评估心功能和检测血管狭窄具有重要意义。
2. 血管疾病：超声多普勒可以用于检测颈动脉、下肢动脉等血管的血流情况，帮助诊断血管疾病，如颈动脉狭窄、深静脉血栓等。
3. 胎儿监测：在产前检查中，超声多普勒可以用于评估胎儿的血流情况，检测胎儿的心率和脐动脉血流，提供关于胎儿健康的重要信息。
4. 肿瘤检测：超声多普勒可以用于检测肿瘤内部的血流情况，帮助区分良性和恶性肿瘤。
5. 手术导航：在一些手术中，超声多普勒可以实时监测血流情况，帮助医生避免损伤重要血管。
总之，超声多普勒技术是一种非侵入性的诊断工具，可提供关于血流动力学的重要信息，对于疾病的诊断和治疗具有重要意义。
实验8 多普勒效应
实验8 多普勒效应综合实验对于机械波、声波、光波和电磁波而言，当波源和观察者（或接收器）之间发生相对运动，或者波源、观察者不动而传播介质运动时，或者波源、观察者、传播介质都在运动时, 观察者接收到的波的频率和发出的波的频率不相同的现象，称为多普勒效应。
多普勒效应在核物理、天文学、工程技术、交通管理、医疗诊断等方面有十分广泛的应用。
如用于卫星测速、光谱仪、多普勒雷达，多普勒彩色超声诊断仪等。
【实验目的】1. 了解声波的多普勒效应现象,掌握智能多普勒效应实验仪的应用。
2. 测量超声接收器运动速度与接收频率的关系,验证多普勒效应。
3. 观察物体不同类型的变速运动的规律。
4. 掌握用时差法测量空气中声波的传播速度。
5.超声换能器特性测量。
【实验仪器】智能多普勒效应实验仪由A 718FB 型实验仪、测试架组成。
A 718FB 实验仪由信号发生器和功率放大器、接收放大器、微处理器，液晶显示器等组成。
测试架由步进电机，电机控制模块，超声收、发射换能器，光电门、小车等组成(如图2-8-1所示)。
【实验原理】1．声波的多普勒效应：设声源在原点，声源振动频率为f ，接收点运动和声波传播都在x 方向。
对于三维情况，处理稍复杂一点，其结果相似。
声源、接收器和传播介质不动时，在x 方向传播的声波的数学表达式为：⎪⎭⎫⎝⎛-=x u t p p ωω cos 0 （2-8-1） （1）声源运动速度为S V ，介质和接收点不动：设声速为u ，在时刻t ,声源移动的距离为：)u x t (V S -因而声源实际的距离为： )(0u x t V x x S --= 所以00()/(1) ()/(1)SS S S V x x V t ux V t M =--=-- （2-8-2）其中u /V M S S =为声源运动的马赫数，声源向接收点运动时S V （或S M ）为正，反之为负，将式（2-8-2）代入式（2-8-1） ：⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛--=u x t M p p S 001cos ω可见接收器接收到的频率变为原来的SM 11-, 即 ：SS M 1ff -=（2-8-3）（2）声源、介质不动，接收器运动速度为r V ，同理可得接收器接收到的频率：f uV f M f rr r )1()1(+=+= （2-8-4） 其中uV M rr =为接收器运动的马赫数，接收点向着声源运动时r V （或r M ）为正，反之为负。
简述超声多普勒的原理和应用。
简述超声多普勒的原理和应用超声多普勒技术是一种基于声波的多普勒效应来进行医学成像的技术。
其基本原理是利用声波的频率变化来探测和测量血液流速和其他流体速度。
下面是多普勒超声的原理和应用的具体说明。
原理1. 多普勒效应：当波源或接收器相对于介质运动时，会引起波的频率变化，这种现象称为多普勒效应。
在医学超声中，当超声波遇到移动的红细胞时，反射回来的波的频率会发生变化，这种变化与红细胞移动的速度成正比。
2. 频谱多普勒和彩色多普勒：通过分析反射波的频率变化，可以得到血流速度的信息。
频谱多普勒通过显示频率变化的频谱图来提供这些信息，而彩色多普勒则通过不同的颜色来表示血流的方向和速度。
3. 脉冲波多普勒和连续波多普勒：脉冲波多普勒（PW）通过发射短时脉冲来工作，适合于检测高速血流。
连续波多普勒（CW）则通过连续发射声波来工作，适合于检测低速度血流。
4. 高脉冲重复频率多普勒（HPRF）：结合了脉冲波和连续波的优点，可以测量更大范围的速度。
应用1. 心脏检查：多普勒超声是评估心脏功能和心脏疾病的重要工具。
它可以提供心脏瓣膜的血流速度、心室充盈速度和血流量等信息。
2. 血管检查：用于评估血管狭窄、血栓、动脉瘤和其他血管异常。
3. 产科：评估胎儿血流和胎盘功能，对孕期监测尤为重要。
4. 外科手术：在手术中实时监测血流情况，帮助医生做出更精确的决策。
5. 流量计：在水利工程和环境监测中，多普勒超声波流量计用于精确测量水流速度和流量。
6. 其他：包括肌肉、甲状腺、乳腺等器官的血流情况评估。
多普勒超声成像系统由发射、接收处理和监测三大部分组成，广泛使用计算机处理系统和实时成像系统，提高了测量精度，并能显示多种参数。
这项技术以其无创、安全、有效的特点，在临床医学和其他领域中得到了广泛应用。
多普勒超声流量计工作原理
多普勒超声流量计工作原理
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多普勒超声流量计工作原理：
①超声波发射：流量计内的传感器向流体中发射超声波脉冲。
②多普勒频移：流体中的悬浮颗粒或气泡随着流体流动，当超声波遇到这些运动粒子时，反射回来的声波频率会因多普勒效应而发生变化，与原始发射频率产生差异。
③接收与分析：接收器捕捉到这些频率偏移的回波信号，并转换为电信号。
④计算流速：通过测量频率偏移的大小，结合多普勒频移公式，计算出流体中粒子的相对速度，进而推算出流体的平均流速。
⑤流量计算：知道流速后，结合管道截面积，根据速度面积法，计算出流体的体积流量。
⑥数据显示：处理单元将计算出的流量值转换为直观的读数显示在仪表上，或通过通信接口传输给控制系统。
该技术特别适用于含有悬浮颗粒或气泡的流体测量，如污水、泥浆或含有杂质的液体，而不适用于纯净的液体。
超声多普勒成像的基本原理
超声多普勒成像的基本原理
超声多普勒成像是一种利用声波的多普勒效应来观测物体运动和血流速度的成像技术。
它的基本原理如下：
1. 声波的传播：超声波是一种机械波，通过超声探头发射频率高达几百万赫兹的声波，并经由介质传播。
声波在介质中传播时，会与组织中的不同结构发生相互作用。
2. 多普勒效应：当声波与运动物体相互作用时，会出现多普勒效应。
多普勒效应是指当发射声波的源和运动物体之间有相对运动时，声波的频率会发生变化。
当物体远离声源时，声波频率降低；当物体靠近声源时，声波频率增加。
3. 血流速度测量：在超声多普勒成像中，探头会发射连续的超声波，它们经由组织传播并与血液相互作用。
通过测量声波的频率变化，可以计算出血流速度。
这是因为血液中红细胞的运动与组织之间存在相对运动，从而引起声波频率的变化。
4. 彩色多普勒成像：彩色多普勒技术可以将测得的血流速度信息以彩色显示在图像上。
不同颜色对应不同的血流速度，利用这一特性，医生可以在显示屏上直观地观察血流速度的分布和流动方向。
总的来说，超声多普勒成像利用声波的多普勒效应来观测物体运动和血流速度。
通过测量声波频率的变化，可以绘制出物体或者血流的速度分布图像，为医生提供重要的诊断信息。
多普勒超声原理可用于说明
多普勒超声原理可用于说明1. 多普勒超声的基础知识大家好，今天我们聊聊一个挺有意思的东西，叫做多普勒超声。
听起来有点高大上，其实它就在我们身边。
首先，想象一下你在马路边等公交车，突然一辆警车呼啸而过，警笛声在你耳边响起。
是不是觉得那声音一开始很尖锐，过了一会儿却变得低沉？这就是多普勒效应在作怪！简单来说，多普勒效应就是当声音源移动时，声音的频率会发生变化。
嘿，这个现象可不光是在街上见到，咱们的多普勒超声正是运用这个原理来进行医学诊断的。
2. 多普勒超声的工作原理2.1 如何运作那么，多普勒超声到底是怎么工作的呢？想象一下，医生用一个小小的探头在你的肚子上移动。
这个探头就像是一位探险家，发出超声波，碰到你的血液流动，哗啦啦地返回信号。
医生通过分析这些信号，了解你的血流情况。
正所谓“来而不往非礼也”，探头的信号就像是打了个招呼，了解你身体里发生了什么。
2.2 血流速度的测量在这过程中，如果血液流动得快，返回的信号频率就高；如果流动得慢，信号频率就低。
这一来二去，医生就能轻松判断出你的血流速度。
就好像你在快餐店点了个套餐，服务员能根据你说的“快一点”或者“慢点”来决定你的饭菜上得多迅速一样。
通过这些数据，医生能判断你的心脏健康、血管是否畅通，简直就是为健康护航的超级侦探。
3. 多普勒超声的应用3.1 在医学上的神奇用途那么，大家可能好奇，这个多普勒超声到底在哪些方面大显身手呢？咱们首先来看看心脏方面。
多普勒超声可以帮助医生观察心脏瓣膜的运动，评估心脏的功能。
这就像是给心脏做一次全面体检，医生能够清楚地看到每一个“心跳”，真是太神奇了！3.2 检测血管健康另外，血管健康也能通过多普勒超声来监测，尤其是老年人和有心血管病史的人。
医生通过检测血流情况，可以及时发现动脉硬化、血栓等问题，就像是给血管做了个“X 光”检查，确保一切正常。
这不仅能预防重大疾病的发生，还能让患者心里有底，心理压力也随之减轻。
4. 未来的展望最后，聊聊这个技术的未来发展。
超声波多普勒流速流量仪的原理介绍
超声波多普勒流速流量仪的原理介绍超声波多普勒流速流量仪是一种用于测量流体中速度和流量的先进仪器。
它利用超声波的特性，在流体中进行测量，并通过信号处理和计算得出流量值。
这种仪器在各种工业和医疗应用中发挥着重要作用。
超声波多普勒流速流量仪的原理非常简单，但却非常有效。
首先，仪器通过发送高频率的超声波信号到流体中。
这些超声波信号会以声波的形式穿过流体，并与流体中的颗粒进行相互作用。
当超声波与流体中的颗粒碰撞时，会发生一种称为多普勒效应的现象。
多普勒效应是指当一个声源靠近或远离观察者时，声波的频率会发生变化。
这种变化可以用来确定流体中的速度。
为了测量流体中的速度和流量，超声波多普勒仪器需要接收回波信号并进行分析。
当超声波信号与流体中的颗粒碰撞后，它们会以不同的频率和振幅返回到传感器中。
接收到的回波信号会被放大和处理，然后用于计算流体中的速度。
这个计算过程是非常复杂的，需要精确的算法和计算能力。
除了测量流体中的速度，超声波多普勒流速流量仪还可以根据速度和流体的横截面积来计算流量。
横截面积是流体通过的管道或容器截面的大小。
通过将速度和横截面积相乘，可以得到流量值。
这个过程可以在仪器内部进行，同时显示在仪器的显示屏上。
超声波多普勒流速流量仪具有许多优点和应用。
首先，它可以非侵入性地测量流体的速度和流量，无需打开管道或中断流体的运动。
这对于一些需要保持流体连续流动的应用非常重要。
其次，超声波多普勒流速流量仪具有高精度和稳定性，即使在复杂的流动条件下也可以提供准确的测量结果。
最后，它还可以适用于各种流体，包括液体和气体，并且可以在不同的温度和压力下工作。
总而言之，超声波多普勒流速流量仪利用多普勒效应来测量流体中的速度和流量。
通过发送和接收超声波信号，并进行信号处理和计算，这种仪器能够提供准确的测量结果。
它在工业和医疗领域有着广泛的应用，并且可以在各种流体条件下工作。
对于需要测量流体速度和流量的应用来说，超声波多普勒流速流量仪无疑是一种非常有用的工具。
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经过解调后
Va [A cos2 ( f0 f )t A cos2 ( f0 f)t]sin 2f0t Vb [A cos2 ( f0 f )t A cos2 ( f0 f)t]cos2f
滤波后
VA
1 2
A
sin
2ft
1 2
A
sin
2ft
VB
1 2
A
c os 2f t
fdPSV
2
f0vPSV c
c os
4870(Hz )
fdEDV
2
f0vEDV c
c os
974(Hz )
频移按血流搏 动的有节律地 变化
音频范围为约20Hz～ 20kHz
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8
多普勒胎儿心率监护
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9
血流方向信息的提取
1.单边带直接分离法
是分别用一个高通滤波器和一个低通滤波器把上 下频带直接分离的方法，它是无线电雷达通讯设备的 一种原理。
20
我们知道 F () f (t)e jtdt
把VC代入
F()
(
A
e j (t1)
A
e j(t2 ) )e jt dt
2
2
1 2
( Ae j1
e
dt j( )t
Ae
j2
e j( )t dt)
Ae j1 ( ) Ae j2 ( )
式中，+=2f+, +=2f+。
1 2
A
c os 2f t
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正反血流信号的分离
(1) 时域处理
设在只有正向血流时， A- = 0。
VA
1 2
A
sin
2ft
VB
1 2
A
c os2f t
此时，VA在时间上领先VB。逻辑电 路判断为正向， KA合上， KB断 开， VA通过。同理只有反向流存在 时候， VB通过。
正反向血流都存在时，时域处理方法不合适。
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正反血流信号的分离 (2) 相域处理★
VB 经过 90° 相移后变为 V'B
VB
1 2
A
sin
2ft
1 2
A
sin
2ft
VVAA
VB VB
A sin 2ft A cos2ft
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正反血流信号的分离 (3) 频域处理
2ft
1 2
A
sin
2ft
VB
1 2
A
c os 2f t
1 2
A
c os 2f t
微分得 VA fA sin 2ft fA sin 2ft
1 2
(2f
A2
2f
A2
)
1 2
A2
1 2
Байду номын сангаас
A2
f
( f A2 f A2 ) A2 A2
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3. 频谱分析法
设 VC VB jVA
f 2P( f )df
N 2
0
(1)，
f P( f )df
f
0
(2)
二阶矩
0 P( f )df
一阶矩
0 P( f )df
式中，P(f)是信号的功率谱， f 为平均频率。
N 2 ( f 2 2) 2 f 2 为功率谱的方差
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2.平均频率解调器
由
VA
1 2
A
sin
fd )t
]
1 2
cos(2f
d
t
)
低通滤波和音频放大 cos(2fdt )
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7
设超声在人体内的速度为1540m/s，超声的工作
频率为2.5MHz，颈动脉收缩期血流峰值速度(PSV)、 约为 300cm/s，舒张末期血流速度(EDV)约为60cm/s， 多普勒角为60度。则这时多普勒频移为：
上述算法采用FFT实现。
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4.自相关方法
血流流速信号是大量血红细胞（直径 d << λ 声波 波长）产生散射运动的一个统计结果，因此它具有近 似平稳随机信号的特性。它的速度值是一个统计分 布，因此它具有数学期望平均频率值 ω 和方差分布值 σ2。
A 2
c os (2f t
1)
A 2
c os (2f t
2)
j[
A 2
sin(2ft
1)
A 2
sin(2ft
2)]
A 2
c os (2f t
1)
j
A 2
sin(2ft
1 )
A 2
c os (2f t
2)
j
A 2
sin(2ft
2)
A e A e j(2ft1)
j (2ft2 )
2
2
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血流速度的提取
从前面处理过的多普勒血流信号中提取速度信号， 即是频率-电压转换的问题。
f P( f )df
f
0
0 P( f )df
v c
2 f0 cos
f P( f )df
0
P( f )df
0
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1.过零检测方法
基本原理是统计波形在单位时间里过零的次数 N， 用它来近似表示血流的平均速度V。
医学超声仪器原理
第8讲 超声多普勒原理与仪器
Ultrasound Doppler
Principle and Instrument
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2
本讲内容
1. Hemodynamics 2. Doppler Effect 3. Spectral Doppler Displays 4. Color-Doppler Displays 5. Coded Excitation
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3
超声多普勒血流测量
多普勒血流信号频谱示意图
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4
血流速度测量与成像中所要获知的信息是： 1. 流速方向； 2. 流速幅度； 3. 流速在血管中的分布； 4. 被测血管离人体表皮的深度和角度； 5. 血管内径大小； 6. 血流动态速度谱。
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5
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10
2. 外差式检测法
是把信号的整个频谱从射频段平移到音频范围或 中频范围，然后进行边带分离的方法。
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3. 正交相位检测法 发射信号
VT cos 2f0t
接收信号
VR A cos 2 ( f0 f )t A cos 2 ( f0 f )t
式中：A+ 和 f + 分别是正向流产生的幅度和频移； A- 和 f- 分别是正向流产生的幅度和频移。
VO VA VA
VA sin 2f pt VB sin 2f pt
1 2 [ A
cos2 (
fp
f )t
A sin 2 (
fp
f )t]
经过频域处理，把信号频谱移到 fp 的两边。f > fp 的 信号相当于正向流； f < fp 的信号相当于反向流。
和外差式检测方法相比，正交检测方法滤除了血管 壁运动产生的强回波信号。
连续波式超声多普勒
Continuous Wave Doppler, CW
连续波式超声多普勒成像仪原理示意图
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6
发射信号 cos 2f0t
接收信号 cos[2 ( f0 fd )t ]
乘法器解调 cos[2 ( f0 fd )t ]cos 2f0t
1 cos 2[(2
2
f0