115年:放射器材(2)

當血流往超音波探頭方向移動時,若與超音波發射頻率相比,超音波探頭所接收到的訊號頻率會如何變化?

A減少
B不變
C增加
D視血流速度來判斷增加或減少

詳細解析

本題觀念

本題考的是都卜勒效應在血流超音波中的方向判讀:當紅血球沿著超音波束朝探頭移動時,探頭收到的回波頻率會比發射頻率高,因此正確答案是 C,頻率增加。這裡的「增加」不是泛指血流越快就一定增加,而是先由相對運動方向決定頻移的正負,再由速度大小決定頻移量的大小。換句話說,朝向探頭是正頻移,遠離探頭是負頻移;若血流方向與超音波束垂直,沿波束方向的速度分量為零,理想情況下就不會有都卜勒頻移。

超音波儀器先發出中心頻率為 f0 的聲波。聲波遇到會移動的紅血球後,紅血球就像移動中的反射體,把入射波散射回探頭。紅血球朝探頭靠近時,連續抵達探頭的波峰間隔縮短,所以單位時間內接收到的週期數變多,接收頻率升高;紅血球離開探頭時,波峰間隔拉長,接收頻率降低。血流超音波的重點不是只背「紅色代表增加、藍色代表減少」,而是確認色彩或頻譜顯示所依據的探頭方向與超音波束方向。

選項分析

A.減少:不正確。頻率減少代表負都卜勒頻移,典型情況是散射體沿著超音波束遠離探頭。題目已明確說血流往探頭方向移動,所以方向與減少相反。若題目改成血流離開探頭,或主要速度分量背離探頭,才會選擇頻率降低。

B.不變:不正確。只有在紅血球相對探頭沒有沿超音波束的速度分量時,接收頻率才可近似等於發射頻率。例如血流方向與聲束呈九十度,速度雖然不為零,但其投影到聲束方向的分量為零,因而沒有一階都卜勒頻移。本題則明確指定朝探頭移動,已有朝向探頭的速度分量,不能視為不變。

C.增加:正確。朝探頭移動的紅血球使反射波的波峰更密集,回波接收頻率高於原本發射頻率,形成正都卜勒頻移。實際頻移的大小還和血流速度、入射角、發射頻率及介質中的聲速有關,但在方向已知為朝向探頭時,頻率變化方向就是增加。

D.視血流速度來判斷增加或減少:不正確。速度大小會改變頻移量,速度越大且其他條件相同,頻率偏移的絕對值通常越大;可是增加或減少的正負,主要由朝向或背離探頭的方向決定。即使血流速度很慢,只要方向朝探頭,仍是正頻移;速度很快也不會因為快而把朝向探頭的正頻移變成負頻移。

答案解析

都卜勒頻移可用方向性公式表示為

Δf = 2 f0 v cosθ/c。

其中 Δf 是接收頻率相對發射頻率的變化,f0 是發射頻率,v 是血流速度,θ 是血流方向與超音波束之間的夾角,c 是組織中的聲速。公式前面的二代表超音波先由探頭到達移動紅血球,再由紅血球反射回探頭,因此包含兩段相對運動。當血流直接朝探頭而來時,可視為 θ 接近零度,cosθ 為正,Δf 為正,所以接收頻率 fr = f0 + Δf,大於發射頻率。當血流背離探頭時,方向項轉為負,接收頻率就低於發射頻率。

臨床儀器通常透過頻譜都卜勒或彩色都卜勒把這個頻移轉成速度與方向資訊。角度校正很重要,因為當 θ 接近九十度時,cosθ 接近零,儀器測得的頻移會很小,速度估計也容易受到角度誤差影響;常見血管測量會讓聲束與血流保持適當夾角,而不是把聲束正好放在垂直血流的位置。題目沒有要求計算數值,也沒有提供角度或速度,只要抓住「朝探頭」造成正頻移,即可判斷 C。

核心知識點

一、頻率變化方向由相對運動方向決定:散射體朝探頭移動,接收頻率增加;散射體遠離探頭,接收頻率減少。

二、速度大小與方向要分開看:速度大小影響 Δf 的絕對值,方向與夾角中的 cosθ 決定正負與投影效果。

三、超音波束只測到沿聲束方向的速度分量,不是把血流全部速度直接量出來。血流與聲束垂直時,理想頻移為零。

四、紅血球是主要散射體;儀器分析發射波與回波間的頻率差,再換算血流方向與速度。彩色顯示的顏色意義仍須配合該儀器的色彩標尺與探頭方向判讀。

五、看到「往探頭方向」可先聯想到正都卜勒頻移與較高接收頻率;看到「離開探頭」則聯想到負都卜勒頻移與較低接收頻率。

參考資料

  • Vascular Ultrasonography - StatPearls:說明朝向或遠離探頭的血流與正、負都卜勒頻移及角度公式。連結
  • Doppler Ultrasound Principles:說明移動反射體朝向探頭時接收頻率增加、遠離時減少。連結
  • Doppler effect:整理接近運動造成觀察頻率升高及醫學都卜勒應用。連結