彩色多普勒血流显像（color Doppler flow imaging，CDFI），又称彩色多普勒（color Doppler）或彩色血流成像（color flow mapping，CFM），是一种对心血管三维血流实体的切面（二维）血流成像技术，它是以显示解剖结构的二维声像图为背景，对感兴趣的血流区域进行实时的多点取样、用自相关技术作信号处理，然后进行彩色编码，用红和蓝两种颜色、亮度和附加绿色斑点的亮度来分别表示血流的方向、速度和血流状态的技术。因此，彩色多普勒血流显像所提供的是一幅既有解剖结构的实时切面声像又有动态变化的彩色血流多普勒声像的结合。它是继心导管技术以来心血管病检查技术的一项重大进步，称为无创伤性心血管造影。同时，也为无创伤的器官血流灌注检查揭开了新篇章。

任何一幅图像都可以或粗或细地分割成许多代表该部位色彩和亮度（即黑白图像中的灰阶）的小单元，称为像素（如电视图像）。像素的排列可以是随机的，如普通银盐照片，也可以按照一定的方式排列，如数码照相技术或彩色多普勒血流显像技术所得到的照片等。这样，要构成血流断面上感兴趣区域的实时二维血流多普勒声像，起码需满足三个条件：其一，将这个区域分割成许多小单元，并获取每个单元内的需要显示的血流信息，即进行选通式采样；其二，为了满足分辨力的需要，分割必须足够细，而为了满足帧频的需要，血流信息的处理必须足够快；其三，实时地将这些血流信息按人眼容易辨认的方式显示在荧屏上相应的解剖结构部位。

彩色多普勒血流成像技术所采用的方式与二维成像技术相似，用一个相控阵探头所发出的超声束对脏器行平面扫查，对血流信息进行自相关（autocorrelation）处理，血流探查区每一个方向上要发射几个脉冲，接收到的回波信号分两路，一路形成二维黑白解剖结构声像，另一路进行自相关处理，并用红、绿、蓝三原色对不同血流信息进行彩色编码，将编码结果用不同颜色显示在相应的二维黑白声像内。

在彩色多普勒血流显像技术中，上述第一个问题是用血流探查区多点取样解决的；第二个问题是通过采用新的频率分析方法——自相关技术（autocorrelation technique）解决的。血流信息远比解剖结构信息复杂，同一个取样点（即：彩色多普勒血流切面像中的同一个像素）内包含有方向、流速、流速方差等信息，不可能用灰阶表达，所以将这些信息进行彩色编码，用不同的颜色及其亮度来显示这些复杂信息，以此来解决上述第三个问题。

在频谱多普勒超声技术中，一般采用实时频谱分析的方法获得取样容积内多普勒频移信号中的血流动力学信息，对于脉冲波多普勒来说，每帧二维声像图中仅有一个取样点，用快速傅里叶转换（fast Fourier transform，FFT）的方法就能满足这种单点选通式多普勒频谱分析的需要，但要显示血流切面像，则必须满足上述基本条件。要获得二维超声切面内的全部血流信息，彩色多普勒血流显像技术在每帧图像内设立32～128条扫描线（30°～60°的范围），每条扫描线上约256～512个取样点。因此，每帧图像内的取样点（即像素数）要达1万个以上。同时，为了做到实时显示，必须保证足够的图像帧数。这就要求仪器在30毫秒的时间里必须分析15 000个以上取样点的多普勒频移信号，如果仍然采用实时频谱分析的方法，计算速度则远远达不到上述要求。

为了解决这一问题，就必须采用新的频率分析方法——自相关技术。所谓自相关技术是将不同时刻的信号取值进行相互关联的技术。当两个时刻的回声信号相减时，静止物体回波信号因相位完全相同，结果为零，而运动物体回波信号的波形和相位则不同，其差值不等于零。在雷达技术中利用该方法来发现运动物体，自相关在雷达技术中的应用，称为运动目标显示（moving target indication，MTI）原理。

在彩色多普勒血流显像技术中，自相关技术用于对比来自同一取样部位的两个连续的多普勒频移信号，提取并分析相位差。但这一技术中，两个连续的回声信号不是相减而是相乘。在一般多普勒超声仪中，多普勒频移信号输入频谱分析仪，但在彩色多普勒血流显像仪中，这些信号则输入自相关器。自相关器可自动计算出每一个取样点的平均流速和流速分布范围。流速分布范围的大小反映了取样点血流的性质，在层流状态时，流速分布范围小，而在湍流状态时，流速分布范围大，计算取样点的速度分布方差，可反映血流的性质。因此，彩色多普勒血流显像技术中，以速度方差作为反映湍流程度的指标。

自相关技术的主要优点是具有较高的数据处理速度。在2毫秒的时间里，自相关技术可迅速测出血流速度、血流方向和速度方差。这种高速的数据处理，是实现彩色血流实时显像的必要条件。自相关技术的主要限制性是不能给出流速的范围。

探头所接收的多普勒频移信号经过上述技术处理后，必须以尽可能容易理解的方式显示出来以供分析。在频谱多普勒技术中，图像输出的是频谱，反映的是某一方向超声束路径上的血细胞或这一路径某一个或几个取样容积内的血细胞的运动信息，但对于包含大量取样数据的彩色多普勒血流显像技术来说，频谱显示是不可能的。由于人眼对于颜色变化有较高的分辨能力，在彩色多普勒血流显像技术中采用了直观的彩色显示。经过自相关技术处理的多普勒频移信号，输入彩色编码器，以不同的颜色及其亮度显示血细胞运动信息，主要有以下列三种显示方式。

1.速度显示

用于显示感兴趣区各取样点内血细胞的平均流动速度和方向。血流方向用红色与蓝色表示，通常红色代表朝向探头方向的血流，蓝色代表背离探头方向的血流。这种颜色代表血流方向的设定也可以由仪器操作者通过相关的按钮改变。平均流动速度的大小以色调的高低即色彩的亮度来表示。明亮的颜色代表快速血流，深暗的颜色代表慢速血流。但有时在彩色多普勒血流显像图中具体所显示出来的颜色和色调与理论描述可能会有出入。这时，通过与彩色多普勒血流显像图中的标准彩色条（彩条）对照，就能对感兴趣区的血流参数进行判定。

图1是一幅正常人二尖瓣口彩色多普勒血流显像图。二尖瓣口感兴趣区的彩色多普勒血流切面像与二维超声心动图心尖四腔切面相结合，记录了舒张期左房排空，左房血流向左室，呈现出的以流向探头方向为主的红色血流切面像。心电图的标记（心电图中偏左侧的与基线相交的短直竖线）显示，这幅图像所记录的是心室舒张早期（大致相当于快速充盈期）的某个瞬间血流通过二尖瓣口时，血流切面像上各点平均血流速度分布的情况。黑色区域表示此处的血流速度要么为零，要么是平均血流速度尚没有达到彩色多普勒显示的编码阈值的彩色多普勒信号，居于彩条的中间段，因而不显颜色。分布于血流图周边和距离瓣口较远处的暗红色血流信号为平均血流速度较低的血流。位于瓣口处及其前、后的血流信号为亮红色甚至接近黄色（此色与理论上的亮红有区别）。这说明此处的平均血流速度已经与彩条顶端所标记的颜色相同，达到了0.74m/s。这个血流图的中心区的蓝色斑点则提示，这里的平均血流速度可能已经超过了0.74m/s这一数值，出现了频率失真。二尖瓣口彩色多普勒血流显像所显示的平均血流速度分布情况说明，舒张期经二尖瓣口的血流也是中心处的速度较大，周边及远离瓣口处的血流速度减小。

图1 正常人二尖瓣口彩色多普勒血流显像

此图与心尖四腔切面相结合，记录了舒张期左房排空，左房血流向左室，呈现流向探头方向的红色血流图。由于通过二尖瓣口处的血流速度较快，该处的红色较亮，这与左上角彩色条中的顶端颜色相近，其顶端流速标定为0.74，即为0.74m/s。其中部散在的蓝色斑点提示该处的血流速度可能超过此值，出现频率失真，彩色逆转

特别要注意的是，彩色多普勒血流显像中的色彩亮度并不一定代表显示区域内血细胞真实的平均速度。从测定血细胞频移的多普勒方程，fd=2f0v cosθ/c，可以看出，仪器所测到的血细胞频移，除受血细胞运动速度影响外，还受它们的运动方向与声束方向的夹角的影响。对于线阵探头来说，取样声束是平行的，如果所观察的血管是直行的，夹角处处相等，血管内的血流各处的颜色和色调就会是相同的。如果用扇扫探头，也观察直行血管，则血管内血流各处的颜色和色调就会因夹角不同而异。

当用一个扇扫或扇扩探头检查一条直行血管时，如颈动脉，由于血流多普勒频移受到声束与血流方向夹角的影响，即使处于同一流速的直行血管中的血流，如果其流速方向和声束方向之间的夹角发生变化，所显示的色彩亮度亦随之改变（图2）。因此，根据色彩亮度来判断流速大小时，必须注意声束与血流方向的夹角。在用夹角的余弦对平均血流速度校正后，图2-4-5和图2-4-6中的血流平均速度的计算结果才会相同。当用线阵或扇扫探头观察一条弯曲血管时，虽然血管内的血流速度可能相同，但彩色多普勒血流显像所显示的色彩则会因夹角的不同而异。

图2 正常颈动脉彩色多普勒血流显像

彩色多普勒与脉冲波多普勒一样也会出现频率失真或混叠现象，在彩色多普勒血流显示图上表现为彩色逆转，即：当血流速度超过奈奎斯特极限时，正常的朝向探头的红色，会变为蓝色，而正常背离探头的蓝色，则变成红色。图2-4-4中散在的蓝色斑点即为朝向探头的红色血流显示中，有部分流速超过最大可测血流速度的血流速度信号。图2-4-6是我们为说明彩色多普勒混叠现象所做的模拟实验。图中水平方向二维超声图像所显示的是一条直行的硅胶模拟血管，模拟血管的首尾都与一个蠕动泵相连，组成一个密闭的管道循环系统。模拟血管内充满模拟血液，它是由6%的淀粉与蒸馏水的悬液组成的。蠕动泵可使模拟血液在模拟血管内循环，并产生速度连续可调的脉动式的模拟血流。为容易显示混叠现象，彩色多普勒血流显像仪的最大可测血流速度仅调到0.15m/s，基线（即平均血流速度为零的基点）居中，因此，两个方向的最大可测血流速度相同。从图中可以看出，模拟血液是从右向左流动的。因为，我们设定的是红色代表朝向探头的血流，蓝色相反。图中右半段模拟血管中的血流为红色，代表朝向探头流动，从此段模拟血管在声束方向上的投影可以看出，模拟血液必定是右向左流动的。从图2-4-6可以看出，当仪器所设定的测量参数都不变的情况下，频率失真随着模拟血管中模拟血液流速的增大而加重。

为显示声束与血流方向夹角对血流速度显示的影响，此图用扇扩探头记录，血流由读者的右手侧流向左手侧。从图中可以看出，如果以探头为顶点，以颈动脉为底边，此扇扫图可看成一个等腰三角形，声束与血流方向的夹角在此段血管的两端最小，大约为60°，在底边的中心最大，为90°。随着夹角的增大，由图中右手侧流向探头方向的血流由最右侧的亮红色逐渐转为靠中心点的暗红色，直到夹角为90°时（正中间），变为黑色，背离探头的血流，由正中间黑色随着夹角的减小而转为暗蓝、蓝色及亮蓝色

从本实验所记录到的彩色多普勒血流显像图可以看出，仪器设定了彩色多普勒平均血流速度信号显示的阈值，当其低于某一阈值时，无血流速度信号显示，即为黑色。这样，由于图3A中模拟血流速度最低而中间部分的暗区段最长，B区次之，而C区最长。由于模拟血液（淀粉悬液）为实际流体的一种，也有黏滞性，它在模拟血管中流动时，管中心部的液流速度会比外周大，管的纵切面流速分布轮廓线也应该是抛物线形的。这些血流动力学特征都能在实验所记录到的彩色多普勒血流显像图中看到。

图3 彩色多普勒血流显像频率失真模拟实验

图中水平方向上的彩色多普勒血流显像图为一模拟血管中速度稳定并可以连续调节的模拟血流。由于彩色取样框展开的角度约为60°，取样框两边声束与模拟血管大致形成一个等边三角形，这样，声束与血流方向的夹角在模拟血管两端约为± 60°，在模拟血管的中心为90°，不同部位模拟血管内的血流速度虽然在同一瞬间完全相同，但不同部位模拟血管与声束的夹角却不相同，它们在± 60°与90°之间。当模拟血管中的血流速度在声束方向上的投影，即v cosθ，在彩色多普勒最大可测血流速度范围以内时（A），所记录到的彩色多普勒图与图2-4-5相同，不出现频率失真。随着模拟血管中模拟血液流速的增大，夹角最小的模拟血管两端首先出现频率失真，表现为彩色开始逆转（B），随着模拟血管中的模拟血液流速的进一步增大，频率失真现象由模拟血管的两端向中间扩展（C）。如果此时进一步加大模拟血管中的模拟血流速度，频率失真现象会进一步加重，表现失真色彩进一步比C图更向中间扩展的同时，可能会在模拟血管两端产生第二级的混叠，即模拟血管的右端出现红色血流信号，左端出现蓝色血流信号

2.方差显示

在彩色多普勒血流显像技术中，取样部位的血流速度范围来自自相关器中计算的速度方差，除上述利用颜色和颜色的亮度表示血流方向和平均血流速度外，还需要知道取样部位中血细胞流速的差别，以了解血流状态。在色谱学中，红、绿、蓝三色称为相加基色（additive primary colors）或原色。当其中两种或三种色按一定比例混合时，可产生二次色（secondary colors）或相应的补色。如红色与绿色按一定比例混合可产生黄色，绿色与蓝色按一定比例混合可产生青色，蓝色与红色按一定比例混合可产生品红色。黄、青、品红称为二次色，也称作蓝、红、绿的相应补色。当红、绿、蓝三种基色按一定的比例混合或将任何一种二次色与相应的基色按比例混合时则产生白色。这里所谓的混合是指色光的混合，并非颜料的混合。从物理学的角度，所谓的二次色或补色与真正的颜色本质上是不同的，如物理学中的黄色指的是光谱上的一定光频率，这与红、绿按一定比例混合在视觉上产生的黄色不同。出现这种现象可能与人眼的视觉效应有关，人眼视网膜只有三种感色细胞。彩色多普勒血流显像技术利用了色谱学中的这一原理表示血流的方向和湍流。

脉冲波多普勒频谱中，取样容积内中红细胞运动速度的范围以频谱的宽度来表示，而在彩色多普勒技术中，则以其速度方差（variance）表示，当速度方差超过仪器规定的阈值时，彩色多普勒图像中则出现附加的绿色斑点，表明有湍流存在，速度方差值越大，绿色的亮度就越大。附加的绿色斑点与红色混合产生黄色，表明朝向探头的血流有湍流，附加的绿色斑点与蓝色混合产生青色，表明背离探头的血流有湍流（图4）。

图4 彩色多普勒血流显像中的血流方向、速度和方差显示

在有高速射流时，由于混叠和湍流的出现，可使上述色彩混合而出现白色，在有明显的血流紊乱时，可出现上述色彩的多彩斑点血流图像，称镶嵌图形（mosaic pattern）（图5）。

图5 在心尖五腔切面记录到的主动脉瓣关闭不全（AR）患者的彩色多普勒血流显像

舒张期从主动脉瓣口到左室腔的高速射流所形成的彩色涡流呈现五彩镶嵌图形，此血流与二尖瓣狭窄自左房通过瓣口流向左室的五彩镶嵌样血流图形汇合。左房内可见血栓（TH）回声

3.功率显示和方向性能量显示

前述的速度显示和方差显示，仅对血细胞的速度信号，即频移大小进行彩色编码，用于显示血流方向及流速的变化。而能量显示则是对多普勒信号的振幅与频率的乘积，即振幅-频率曲线下的面积，也就是功率或能量进行彩色编码。因而，在这种方式中，红蓝两色仍表示血流的方向，但色彩的亮度表示信号能量的大小。能量越大，色彩越亮；反之，能量越小，色彩越暗，是一种方向性能量多普勒。由于信号能量大小取决于取样容积中具有相同流速的血细胞相对数量的多少，因而不受声束与血流方向夹角的影响，高速和低速血流均可得到良好的显示。这种彩色多普勒的能量显示方式与传统的能量多普勒有所不同，后者无方向性（图6）。

图6 功率型彩色血流成像方法所记录到的肾血流灌注情况

超声造影剂过敏的患者。

现代彩色多普勒血流成像系统通常同时配有M型、二维显像、脉冲波多普勒、高脉冲重复频率多普勒、连续波多普勒和彩色多普勒等方式。

1.M型超声主要用于心血管的检查，可测量房室腔及血管内径、室壁厚度、瓣膜形态及活动情况等。

2.二维超声成像可用于心血管、腹部等切面影像检查。

3.脉冲波多普勒可用于记录血管及心脏各瓣膜口等处的血流速度频谱，并进行频谱分析和血流速度定量研究。

4.连续波多普勒主要用于评价狭窄口、反流口及分流口的血流速度，并据此估算压力阶差。

5.彩色血流多普勒可进行反流、分流和狭窄口的血流显像研究。