Ультразвуковая ангиология - часть 12

ФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. РЕЖИМЫ СКАНИРОВАНИЯ. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ 

развуковой волны) ни находилось на пути распрост-
ранения постоянно-волнового излучения, все они бу-

дут детектированы, а следовательно, результирую-

щий допплеровский сигнал и отражающий его доппле-
ровский спектр является суммой сдвигов частот (или 
скоростей) нескольких отражателей. Например, если 
на пути распространения ультразвуковой волны лежат 

два сосуда с одинаковым направлением потока (со-

поставимые по диаметру и интенсивности кровотока), 

допплеровский спектр в результате суммации не бу-
дет истинно отражать ни один из потоков, существен-

но превышая каждый из них. 

В повседневной практике при исследованиях со-

судистой системы значительно бо-

лее важным оказывается получение 
сигнала из строго определенной об-
ласти пространства (просвета сосу-
да). В связи с этим широкое распро-
странение получил импульсный 
допплеровский режим. В данном 

режиме излучателем и приемником 
является один и тот же пьезокрис-

талл. Прибор генерирует электри-
ческие потенциалы, поступающие 
на грани пьезокристалла в виде им-

пульсов, в результате чего вслед-
ствие колебания граней кристалла 
возникают импульсные ультразву-
ковые волны (частота их является 

средней частотой датчика, f

0

). Вслед 

за излучением каждого импульса 
следует период «молчания», когда 

происходит прием отраженного 
сигнала с конкретной глубины, оп-
ределяемой глубиной залегания 

сосуда (рис. 3.21). Импульсы гене-

рируются с заданной частотой (ча-
стотой повторения импульса, ЧПИ, 
PRF - уравнение 3.5). 

Анализ допплеровских сиг-

налов также осуществляется им-
пульсно (рис. 3.22). Допплеров-
ский сигнал представляет собой 

множество различных по частотным характерис-

тикам колебаний (причем, как уже говорилось 

выше, вовсе необязательно симметричных по 

форме). Чтобы получить представление об истин-
ном характере допплеровского сигнала, опрос его 
прибором должен осуществляться с определен-

ной частотой. В противном случае высокочастот-
ные колебания (или допплеровские сдвиги) не бу-

дутучитываться, что повлечет за собой утрату важ-

ной информации. Частота опроса прибором рав-
на частоте повторения импульсов (PRF). Ограни-
чения для данной частоты вытекают из теоремы 
Найквиста, согласно которой PRF должен быть 

Рис. 3.17. Структура допплеровского спектра. 

A. Серошкальное представление (обычный размер, увеличение фрагмента в 300 раз) -

интенсивность определяется яркостью свечения пикселя (оттенком серого). Б. Цве-

товое представление с использованием монохромной шкалы (обычный размер, уве-
личение фрагмента в 300 раз) - интенсивность определяется цветом пикселя. 

B. Цветовое представление с использованием полихромной шкалы (обычный размер, 

увеличение фрагмента в 300 раз) - интенсивность определяется цветом пикселя. 

Рис. 3.18. Конфиг урация ультразвукового импульса. 

А. Симметричный импульс. Б. Асимметричный импульс. 

52 

ФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. РЕЖИМЫ СКАНИРОВАНИЯ. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ 

больше удвоенной величины допплеровского 
сдвига частот [8, 36,38]: 

Величина PRF, равная удвоенной величине доп-

плеровского сдвига частот, называется пределом 
Найквиста, превышение его влечет за собой возник-
новение aliasing-эффекта, когда часть сигнала, не по-
павшая в окно приема, оказывается в следующем 
(простой aliasing-эффект) или нескольких следующих 
окнах (множественный aliasing-эффект) [39-42]. 

При импульсном сканировании анализируется 

информация, получаемая из интересующей исследо-
вателя области (окна опроса). Нетрудно рассчитать, 
сколько времени необходимо ожидать импульсов, 
отраженных от наиболее близкой (t

1

) и отдаленной 

отдатчика (t

2

)точекокнаопроса(рис. 3.23). Разница 

данных временных интервалов (t

2

-t

t

) равна необхо-

димой длительности открытия датчика для приема. 

Расстояние до ближайшей точки окна опроса (D') со-
ставляет половину (так как волна проходит удвоен-
ный путь - от датчика до отражателя и обратно) про-
изведения скорости распространения ультразвука в 
среде (с) и времени (t

t

), до дальней (D) - половину 

произведения скорости распространения ультразву-
ка в среде (с) и времени (t

2

): 

Очевидно, что частота повторения импульсов не 

может превышать величины, равной отношению ско-
рости распространения к удвоенному значению мак-
симальной глубины: 

Учитывая допплеровское 

уравнение (3.13) и ограничения 
для значений PRF (3.15, 3.18), 

можно вывести уравнение для 
расчета максимальной (возмож-
ной для восприятия прибором) 

скорости сданной глубины [8,17]: 

Таким образом, в импульс-

ном допплеровском режиме су-
ществует жесткое ограничение 

для измерения больших скорос-
тей на больших глубинах. 

Кроме отображения инфор-

мации в виде допплеровского 
спектра и/или допплеровской 
кривой, возможно получение цве-

товых картограмм. Режим, позво-
ляющий осуществлять данный 

вид обработки, получил название 
«цветовое допплеровское коди-

Рис. 3.19. Допплеровский спектр и допплеровская кривая. 

рование». Результатом цветового кодирования явля-

ется получение плоскостного (двухмерного) распре-
деления допплеровского сдвига частот в зоне опро-
са. В настоящее время существует четыре основных 
вида цветового допплеровского кодирования (ЦДК): 

ЦДК допплеровского сдвига частот (скорости); ЦДК 
«энергии» допплеровского спектра; конвергентное 
ЦДК; ЦДК движения тканей. В ангиологии широко 
применяются все виды ЦДК, кроме ЦДК движения 

тканей (играющего существенную роль при допплер-
эхокардиографических исследованиях). 

Цветовое кодирование допплеровского сдвига 

частот [17, 43-48] (или скорости) (color doppler 
velocity, CDV) осуществляется следующим образом 
(рис. 3.24). В процессе преобразования Фурье 
(см. рис. 3.15) допплеровский сигнал раскладывает-
ся по интенсивности в зависимости от частоты (ско-

Рис. 3.20. Постоянно-волновое допплеровское сканирование. 

А. Строение ультразвукового датчика с постоянно-волновым типом излучения. 

Б. Границы инсонируемого поля и оптимальная глубина сканирования. В. Посто-
янство генерации ультразвука и детекции отраженных эхосигналов. 

53 

ФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. РЕЖИМЫ СКАНИРОВАНИЯ. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ 

Рис.  3 . 2 1 . Импульсный допплеровский режим (объяснение 
в тексте). 

Рис. 3.22. Частота опроса допплеровского сигнала (объяс-
нение в тексте). 

рости). Получаемая кривая отражает профиль скоро-
стей потока отражателей, проходящих через метку 
контрольного объема в каждый момент времени. 
Данная зависимость может быть представлена в виде 

допплеровского спектра (см. рис. 3.16). При ЦДК ско-

рости кривая зависимости интенсивность - частота 
(скорость) математически обрабатывается с выде-
лением среднего для нее значения скорости. Данное 
значение кодируется определенным цветом. При 
этом экстраполяция вычисленного значения осуще-
ствляется на вертикальную двухцветную шкалу, со-
стоящую из верхней и нижней частей (каждая из ко-
торых обычно имеет собственный перелив цвета). 

Вне зависимости от цвета и его переливов верх-
няя часть шкалы всегда кодирует сигналы, получен-
ные от отражателей, движущихся по направлению к 
датчику, нижняя - движущихся от датчика (следует 
иметь в виду, что шкалы могут быть инвертированы 
вручную). Соответственно положительные значения 
вычисленной средней скорости попадают в верхнюю 

часть шкалы, отрицательные - в нижнюю. Вертикаль-

ный перелив цвета каждой из шкал позволяет коди-
ровать числовое значение скорости. Линия, разде-

ляющая верхнюю и нижнюю части цветовой шкалы, 
называется изолинией (соответствует нулевой ско-
рости). Самая верхняя часть верхней шкалы и самая 

нижняя нижней - максимальные скорости, которые 
могут быть корректно кодированы (значения макси-
мальных скоростей цветовой шкалы могут быть про-
извольно изменены исследователем в зависимости 

от изучаемых потоков) (рис. 3.25). Таким образом, 
цветовое кодирование позволяет получать информа-

цию о скорости и направлении движения частиц. Дан-
ный вид кодирования обладает выраженной зависи-
мостью от величины допплеровского угла. 

ЦДК «энергии» допплеровского спектра [17, 45, 

49-57] (color doppler energy, CDE) кодирует не ско-

рость, а величину площади под кривой интенсив-
ность - частота (скорость) (рис. 3.26). В связи с этим 
налюдается ряд особенностей. Во-первых, значения 
площади не могут оказаться отрицательными, поэто-
му шкала моноцветна; во-вторых, величина площа-

ди не зависит от направления и скорости, а опреде-
ляется уровнем интенсивности потока, или (упро-

щенно) «количеством» движущихся через метку кон-

Рис. 3.23. Импульсный допплеровский режим. Принципы 
получения информации из окна опроса. 

Рис. 3.24. Цветовое допплеровское кодирование скорос-

ти (объяснение в тексте). 

54 

ФИЗИКА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. РЕЖИМЫ СКАНИРОВАНИЯ. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ 

Рис. 3.25. ЦДК скорости. Цветовая шкала. Кодирование по-

токов с разными направлением и скоростью. 

трольного объема отражателей; в зависимости от ин-
тенсивности потока кодируемое значение попадает 

в определенную цветовую точку монохромной шка-

лы с горизонтальным переливом (обычно наиболее 
темный цвет характеризует минимальную интенсив-
ность движения, яркий - максимальную; при много-
цветных переливах минимальное значение кодиру-
ется слева, максимальное - справа). Отсюда выте-
кает ряд принципиальных положений, характеризу-
ющих данный вид ЦДК. ЦДК «энергии» допплеровс-
кого спектра отражает факт наличия движения в дан-
ной области пространства и его интенсивность, ин-

Рис.3.26. Цветовое допплеровское кодирование «энергии» 
(объяснение в тексте). 

формация о направлении и скорости при этом отсут-
ствует. Как и любая другая допплеровская техноло-
гия, ЦДК «энергии» допплеровского спектра являет-
ся уголзависимой, однако зависимость эта, в связи 
с тем что анализу подвергается не сдвиг частоты 
(скорость), а интенсивность, значительно менее вы-
ражена, нежели при других способах обработки доп-
плеровского сигнала. В общем случае «энергетичес-
кая» шкала не имеет скоростных детерминант, одна-
ко в некоторых современных системах данный вид 

шкалы также градуируется значением скорости. 
Смысл этих значений сводится к тому минимально-
му уровню скорости движения частиц, который ко-

дируется прибором, т. е. чем ниже установленный 

скоростной уровень энергетической шкалы, тем бо-

лее низкоскоростные потоки будут отражены в ре-
зультирующей цветовой картограмме. Название дан-

ного вида ЦДК сложилось исторически и, как следу 
ет из описания принципов получения изображения, 
мало отражает сущность технологии (речь идет об 
анализе не «энергии», а интенсивности потока), по-
этому термин «энергия» заключен в кавычки. В даль-
нейшем при описании данного режима и его практи-
ческого применения мы будем прибегать к обозна-
чению «энергетическое цветовое допплеровское ко-

дирование». 

При сравнении технологий ЦДК скорости и 

«энергии» необходимо выделить несколько ключевых 
моментов [17, 45, 51]. 

1. Технология ЦДК «энергии» позволяет коди-

ровать низкоскоростные потоки со значительно бо-

лее высоким качеством (рис. 3.27). Это связано с 

разницей в характеристиках низкоскоростных по-

токов и шумов. Низкоскоростные потоки, как и вы-
сокоскоростные, складываясь из большого количе-
ства частиц, движущихся с разной скоростью (и со-
ответственно дающих различные по величине доп-

плеровские сдвиги), при формировании кривой за-

Рис. 3.27. Кодирование низкоскоростных потоков. 

А. ЦДК скорости (полная дискриминация низкоскоростных по-
токов в связи со сходными значениями их амплитуд и ампли-
туд шумов). Б. ЦДК «энергии» (возможность выделения низ-

коскоростных потоков за счет значительного отличия площа-

ди под их огибающими от площади под огибающими шумов). 

55