多普勒效应在超声心动图上的应用

张皓南 张麟

【摘要】自20世纪50年代起始，临床医师便始将M型超声心动图应用于心脏检查。经过几十年的发展，这一技术在临床实践中得以不断地提高与完善。目前超声心动图能够为临床医师提供心血管系统结构、心内血流和压力以及心脏功能等重要信息，已成为心血管专科医师在医疗工作中不可或缺的重要工具。超声心动图对很多心血管疾病起着决定性的诊断作用，譬如结构性心脏病、心肌疾病、心包积液、急性心肌梗死后机械并发症等。而目前的许多类型的超声心动图仪器，如连续波多普勒（CWD）、脉冲波多普勒（PWD）、彩色多普勒（CDFI）的基本原理都离不开多普勒效应，因此有必要以此为点具体探讨多普勒效应在超声心动图上的应用。

【关键词】多普勒效应;超声心动图;频移;超声血流成像系统

前言

1842年奥地利科学家克里斯琴·约翰·多普勒发现了红移现象，首次提出，星球发光颜色的变化，是星球运动相对于地球上观察者位置的函数。这种因光波和接收器之间的相对运动而引起光波频率变化的效应，被称为多普勒效应;光波频率的改变成为多普勒频移。。关乎多普勒效应，更贴近我们的一种定义是“当声源或观察者两者之中至少有一个相对于介质是运动的，观察者接收到的频率和声源发出的频率就会不同”，这种定义有利于我们的初步理解。我们本次主要探讨的是多普勒超声心动图，以此更深入地了解超声心动图的测量手段。

1 作用原理

1.1基本原理

由多普勒效应可知，入射超声进入人体后，遇到活动的小界面或大界面，散射或反射回声的频率发生改变，即多普勒偏移。界面活动朝向探头时，回声频率升高，呈正频移;反之，回声频率降低，呈负频移。频移的大小与活动速度呈正比。[4]由此我们可利用多普勒效应测算出有无血流或组织的活动，若有则可测得相应的活动方向及活动速度。

1.2具体测定血液速度的原理

我们体内的红血球无时无刻地在我们的血管中畅游，多普勒超声技术正是通过检测红血球反射回来的频移来求得血流速度。

有这样一个公式V=C△f/（2focosθ）其中V是指血流速度，而△f指多普勒频移，C是超声波在组织中的传播速度（为已知常量），fo是发射频率，θ是声束与血流方向的夹角，由此不难得出当超声束与血流平行时测得的流速最大，垂直时不产生多普勒效应，无法测出流速。

1.3利用多普勒效应测定心脏收缩功能

利用多普勒超声血流成像系统我们可以测定心输出量、主动脉血流频谱、心脏左室舒张功能等，在这里我们着重讨论测定心输出量这一模块。由1.2我们可自然地分析到利用多普勒超声测定心输出量要满足3个条件：

1）心脏瓣口或血管管腔横截面积的准确测量;

2）测量部位流速分布呈平坦型或近似平坦型;

3）多普勒超声束与血流方向平行

由于心脏各瓣膜的瓣环为纤维结构，直径在心動周期中无明显变化，血液流经时会发生凝集现象使自身呈现平坦分布，因此在瓣环部位每一瞬间每一点的流速几乎相等。因此脉冲多普勒取样容积（Sample Volume）测得的局部流速可代表整个横截面积的空间平均流速。测量时应控制θ角等于0或180度，每搏输出量（Sv）可得

Sv=A·VI

其中A为瓣环面积，VI为流速积分即每次心脏搏动时横截面积为A的血柱通过的距离。

2临床应用

2.1常见的超声多普勒及其应用

1）连续波多普勒：以频谱显示，可单独使用亦可与二维超声心动图结合，接收取样线经过部位上所有频移信号，常用于测定高速血流，缺点是不能区分信号来源深度。

2）脉冲波多普勒：也是用频谱显示，与二维超声心动图结合。其频谱可显示小容积血流的方向、性质、速度等，但一般不用于测定高速血流。

3）彩色多普勒：在心脏或血管内多线、多点取样，将回声处理后进行彩色编码，显示血液流速剖面图，最直观、信息最大、敏感性高，便于进行相关的定量分析。

2.2 超声心动图诊疗心脏病方面的优势

研究结果表明用超声心动图主要对患者的心脏的结构及血流方面进行更准确测量。而心电图主要对心脏的电活动进行精准监测。

总结

多普勒效应的发现与应用得以让超声技术更为流畅地融入医学临床领域中，超声心动图利用超声的特殊物理学特性检查心脏，并且结合探头发出的超声波进行不同部位和角度检测，由此可得到不同层次和方位的切面图，使医学诊疗效果更佳，诊治更全面。目前多普勒超声技术在心脏功能测定方面的研究已取得了很大的进展 ，尤其在心输出量方而积累了极为宝贵的经验并付诸应用。在今后的研究中，除了继续完善已经获得的参数外，我们应继续致力于为它寻找出一种更准确、简便、不受或少受心外因素影响的指标来估价心脏功能，这样才能继续让超声心动图技术在临床上得到更广泛的应用。

参考文献

[1]吴治湘.多普勒超声心电图的临床应用.[J].生物医学工程学杂志，1992，4：91-95

[2]报，1992，3：70-73

[3]盖丽平，王保芳.医用物理学[M].北京：科学出版社，2019.8

[4]朱天刚，霍勇，张运.超声心电图规范化培训教材[M].北京：石军.多普勒超声心动图测定心功能.[J]. 临沂医专学人民卫生出版社，2012.12

[5]Gardin JM.Estmation of volume flow by Doppler echocardio-graphy.Echocardiography 1987，4：11

作者简介：张皓南（2002）男，昆明医科大学2021级临床卓越班

通讯作者：张麟 昆明医科大学第二附属医院