115年:放射器材(2)

假設都卜勒角為0 度、超音波入射頻率為2 MHz、血液朝向探頭以速度10 cm/s 流動,則都卜勒頻率偏移約是多少kHz?

A0.26
B-0.26
C0.026
D-0.026

詳細解析

本題觀念

都卜勒超音波利用移動紅血球散射回波時產生的頻率改變,估算血液速度及方向。計算頻移時,不能只看發射頻率,還要納入血流速度、都卜勒角度與組織中的聲速;超音波先由探頭送到血球,再由血球散射回探頭,所以反射式血流都卜勒公式有雙程因子 2。若血流朝向探頭,沿聲束方向的速度分量使接收頻率上升,依本題採用的符號慣例,頻移為正。這題最容易失分的地方不是公式本身,而是把 10 cm/s 換算成 m/s 時少了一個十倍,或因看到選項的負號而忽略流動方向。

選項分析

A 正確。 取軟組織中聲速 c 約 1540 m/s,發射頻率 f₀=2 MHz=2,000,000 Hz,血流速度 v=10 cm/s=0.10 m/s,都卜勒角 θ=0°,所以 cos θ=1。反射式都卜勒頻移為:

fd=2f0vcosθc=2×2,000,000×0.10×11540 Hz259.7 Hz=0.2597 kHz.f_d=\frac{2f_0v\cos\theta}{c}=\frac{2\times2,000,000\times0.10\times1}{1540}\ \text{Hz}\approx259.7\ \text{Hz}=0.2597\ \text{kHz}.

四捨五入後約為 0.26 kHz;血流朝向探頭,故符號為正。

B 錯誤。 負號通常表示物體速度的朝向使回波頻率下降,也就是血流遠離探頭,或依某些系統的定義代表相反的速度方向。本題明確設定血液朝向探頭,在題目採用的符號約定下應為正,因此不是 −0.26 kHz。數值大小雖接近,但方向判定不符。

C 錯誤。 0.026 kHz 比正確結果小十倍,常見原因是把 10 cm/s 誤換成 0.01 m/s。長度換算是 1 cm=0.01 m,因此 10 cm/s=10×0.01 m/s=0.10 m/s。修正單位後,代入公式得到約 0.260 kHz,而不是 0.026 kHz。

D 錯誤。 D 同時有兩個問題:負號與血流朝向探頭的設定不符,且 0.026 kHz 的量級來自錯誤的速度換算。即使先不判斷方向,正確的頻移絕對值也應接近 0.26 kHz,而非 0.026 kHz。

答案解析

本題可依固定順序處理。先把所有量換成一致的 SI 單位:2 MHz 是 2×10⁶ Hz,10 cm/s 是 0.10 m/s。再使用反射式都卜勒公式 fd=2f0vcosθ/cf_d=2f_0v\cos\theta/c。角度為 0° 時,聲束與血流方向完全平行,cos 0°=1,速度投影最大;以軟組織聲速 1540 m/s 計算,結果為 259.7 Hz,換成 kHz 是 0.2597 kHz,約 0.26 kHz。最後才檢查方向:朝向探頭的運動使回波週期變短、接收頻率提高,故本題頻移取正值。答案為 A。

雙程因子很重要。若只寫成 f0vcosθ/cf_0v\cos\theta/c,會少算一半;那是未完整反映發射波到達移動散射體,以及散射波返回探頭兩個階段的錯誤做法。實際儀器也可能以不同方式呈現正負方向,判讀時要先確認系統的 sign convention;在本題的選項設計中,朝向探頭對應正號。角度若不是 0°,就必須乘上 cos θ,角度越偏離聲束方向,能測得的軸向速度分量越小;若接近 90°,頻移接近零。這些關係能同時檢查答案的正負與數量級。

核心知識點

  • 反射式血流都卜勒頻移:fd=2f0vcosθ/cf_d=2f_0v\cos\theta/c
  • 反射式公式的 2 來自入射與回波兩段頻率變化。
  • 軟組織聲速常取約 1540 m/s。
  • 10 cm/s=0.10 m/s;先統一單位再計算。
  • θ=0° 時 cos θ=1,速度投影最大;血流朝向探頭時,本題符號為正。
  • 頻移大小與發射頻率、速度及 cos θ 成正比,與介質聲速成反比。

參考資料

  1. Duplex Ultrasonography
  2. Vascular Ultrasonography
  3. Doppler Effect - ScienceDirect Topics