第二章经颅多普勒超声原理和参数TCD原理中主要包括超声波特性、多普勒效应、快速傅里叶转换和脉冲波多普勒，了解略显枯燥乏味原理的目的是为了能更好地理解我们将要学习的东西。

在TCD操作和频谱分析中涉及到诸多参数，作者把这些参数分成两部分介绍，一部分参数是在频谱分析中占据非常重要地位的，即参与频谱分析参数，包括：检测深度、血流方向、血流速度、搏动指数和频谱形态等。

另一部分是在检查过程可以并需要调整的，这些参数包括深度、包络线、增益、基线、纵坐标血流速度刻度尺的比例、取样容积、屏幕扫描速度、发射超声的功率等。

本篇内容中包含了上述参数的产生原理、临床意义或调节方法。

第一节经颅多普勒超声原理一、超声波的特性经颅多普勒超声和B超一样应用物理原理为基础，以发生声波的装置为能源的一种Doppler检查方法。

通常我们人耳所能够听到的声波范围为40～15000Hz，超过这一范围以上的声波称超声波。

由于超声波具有良好的穿透能力，超声速在同一种均匀的媒体中传播没有方向性变化，在遇到不同媒体表面时超声束会发生部分反射，其余部分继续传播，在媒体表面不规则，并且障碍物直径小于入射波的波长时，则超声束会发生散射现象，接收探头能在任何角度接收到散射波。

血流中主要是大量的红细胞，红细胞直径与超声波波长相比很小，超声波遇到红细胞后将产生散射，因此，红细胞被看作散射体，反射回来的散射波是多普勒频移信号的主要组成部分。

自从1880年发现“压电效应”以来，这一现象已得到广泛应用。

压电效应是指当提供一个电压时材料的形状或厚度会发生变化的现象，这种材料称压电材料。

石英晶体或某一种特定陶瓷这些特殊压电材料在提供的电压发生变化时，由于材料厚度的变化产生机械振动，这种振动形成的能量波--声波会沿着一定方向传播，这样电能变成了声能。

声能的频率与材料的类型及厚度密不可分。

当这种材料受到声波能的作用时，其又可将声能转换为电能，根据这种特性，用它做成超声波的发生及接收装置，也就是超声探头部分。

超声波具有一定的物理特性，周期（T）指振动质点完成一个完整循环（一个完整的正弦波）所需的时间，以秒（S）或毫秒（ms）来计量。

频率（F）指每秒钟内质点所完成正弦波的数量，F=1/T。

波长（入）指一个完整的正弦或余弦波所经过的距离。

入=媒体中传播速度（m/s）×周期（s）。

传播速度指某一媒体内声束的传播速度，这一速度与媒体的硬度和密度相关，而与声束的频率及振幅无关。

在硬度大和密度小的媒体中声束传播比较快，不同媒体中声束传播的快慢顺序为：固体快于液体，液体快于气体。

这也就是在做超声检查时需要使用超声耦合剂的原因：聚集超声束，减少空气阻力。

同一媒体中超声束随着其距转换器距离的增加而进行性地减小，在减小到初始声束面积的一半以后，声束就逐渐发散。

软组织里超声波的衰减与传播距离及转换器的频率成正比。

频率越高其在组织中传播声波的衰减就越大，因此，在经颅超声学里应用低频换能器。

二、多普勒效应奥地利物理学家Christian Andreas Doppler在1842年研究和描述了多普勒效应。

多普勒效应是一种物理现象，振动源和接收体有相对运动时，所接收到的回声频率不同于振源所发射的频率，其差别与相对运动的速度有关，这就是多普勒效应。

声学里应用这一效应可以解释：当一个移动的声源接近受试者时，可以听到一个逐渐升高的声音；当声源逐渐远离听者时，则听到的是一个较低的声音；当声源静止，反射体运动时，这种现象依然存在。

这种变化用多普勒频移描述，即发射频率与接受频率之间的差值。

在运动物体的速度越快时，其差值也越大。

图2-1-1所示为运动物体向着发射波源运动时，接收频率大于发射频率。

图2-1-2所示为运动物体背离发射源运动时，接收频率小于发射频率。

图2-1-1当移动物体M向着波源运动时，接收频率（f2）大于发射频率（f0），即f2>f0，频移为正值。

图2-1-2当移动物体M背离波源运动时，接收频率（f2）小于发射频率（f0），即f2<f0，频移为负值。

多普勒频移是TCD能检测到流动红细胞血流速度和方向的基本原理，频移的大小取决于相对或相向运动的速度，频移的正负值取决于相对或相向运动。

三、快速傅里叶转换（FFT）十九世纪J.Fourier就已经提出傅里叶转换理论，用数字计算机对复杂信号进行傅里叶转换分析，将一个原始波分解成许多个不同频率的正弦波，它的计算时间是总数据点的平方，这种算法需要运算很长时间。

1965年库里用一种新的计算方法使计算时间大大缩短，这种方法称为快速傅里叶转换。

通常TCD机器以每10ms对多普勒模拟信号取样一次，经过模数转换，转变为一组二进制的数字信号，由FFT把信号分成频率和振幅两个分量，产生数字实时频谱显示。

分量中的频率即该时间点上速度的分布，而振幅则是该时间速度点上的信号强度。

在处理血流中红细胞流动的速度时，FFT处理准确可靠，其频谱真实地反映了取样容积内血流的详细分布。

但是在处理出现在血流中的微栓子事件时，FFT显示了某些局限性。

FFT分辨有时间和频率分辨两个参数，100ms的时间分辨相对应的是每秒100次的频率分辨，即FFT频率分辨能力是时间分辨能力的倒数，因此不可能同时获得最佳的时间分辨率和最高的频率分辨率。

栓子信号持续时间的变化范围很大，但通常在10-100ms,因此,要得到一个合理的时间分辨率，用于分析的资料片段就不能超过10ms，这时的FFT频率分辨为100-200Hz，因此主张用低分辨率如64点、128点或256点的FFT分辨。

FFT中取样点越多，时间分别能力越差。

对于短时程的栓子信号来说，当FFT频率分辨越低时，进入处理器作为栓子事件的百分比就越高，从而使出现在频谱中信号的强度就越强。

基于这个事实，人们希望用于栓子监测的FFT 分辨率越低越好。

最新微栓子监测软件采用的是64点FFT分辨率，2ms取样一次，保证短时程微栓子信号能被分析。

四、脉冲多普勒和连续多普勒1959年Satomora首先报道利用多普勒超声检测血流[1]。

Satomora和Kaneko最初曾对脑血流感兴趣，然而，他们得到的结论认为头颅对于超声传导是一个不可逾越的障碍，因此，他们将观测点聚焦在颅外颈动脉。

随着技术和设备的改进，多普勒超声作为颅外颈动脉血流速的检测工具，开始应用于临床。

随后，血管外科开始利用多普勒超声检测颅外血管和外周动脉。

随着彩色超声的发展及双功能扫描技术的应用，多普勒超声的信号处理能力有了长足改善，从而使其对外周血管病变的诊断能力大大提高。

利用脉冲多普勒，可以将取样容积减小到一个小范围区域，并可预先决定检测部位。

距离选通是用来取样一定时间内反射回来的脉冲，提供预选记录深度的方法。

脉冲式多普勒探头间隔一定时间发放一次超声脉冲，此时间间隔即为脉冲从探头到达声靶，然后再从声靶返回探头所需时间。

单位时间内发射脉冲群的次数称作脉冲重复频率（PRF）。

脉冲多普勒的这个特征对于经颅多普勒超声十分重要，使之能检测颅内某一特定场中的信号，检测脑动脉中某一点的血流，并能识别脑动脉。

但是，也正是脉冲多普勒的这个特征决定了它必然伴随的先天不足，即检测血流速度最大值受脉冲重复频率的限制，亦即受到两个发射脉冲群的间隔时间的限制。

多普勒频移准确测定至少需要每一循环的两个取样脉冲，低于1/2脉冲重频时，脉冲多普勒设备不能准确显示多普勒方向和大小，频移界限等于脉冲重频的1/2称尼奎斯特频率极限，超过此极限，可能会发生混叠现象。

挪威学者Rune Aaslid及其同事[2]于1982年首次报道了用多普勒超声记录颅内动脉血流速度，推出了TCD超声检查仪。

TCD超声检查仪巧妙地将2MH Z发射频率与脉冲多普勒距离选通设计相结合，2MH Z的低频超声声束可以穿透颅骨较薄的部位进入颅腔，TCD超声检查仪使得颅内血管检查成为可能。

五、经颅多普勒超声仪TCD超声发射器有两种：脉冲波多普勒（pulsed wave Doppler,PW）探头和连续波多普勒（continuous wave Doppler,CW）探头。

连续多普勒探头采用两个换能器，一个换能器上的晶片连续不间断地发射连续超声波信号，另一个换能器上的晶片接收返回的连续波信号。

脉冲多普勒探头采用单个换能器，间隔一定时间规律间歇地发射和接收超声波。

随着计算机技术和临床应用的发展，TCD仪也在不断发展，不断更新换代。

虽然各种机型都有其自身的操作系统，但相对不变的是检测探头，最常用的TCD探头有2兆（2MHz）、4兆（4MHz）和8兆（8MHz）三种类型。

2兆探头只含有PW发射器，没有CW，常用于颅内血管检测；4兆探头和8兆探头含有CW和PW两种发射器，操作过程中可以转换发射器类型，常用于颈部和其他表浅血管如桡动脉、枕动脉、滑车上动脉等的检测。

1.Kaneko,Z.,First steps in the development of the Dopple flow-meter.Ultrasound MedBiol,1986.12:p.1877-1895.2.Aaslid,R.,T.M.Markwalder,and H.Nornes,Noninvasive transcranial Doppler ultrasoundrecording of flow velocity in basal cerebral arteries.Journal of Neurosurgery,1982.57(6): p.769-74.（汪波）第二节、参与频谱分析重要参数的产生原理及临床意义这部分内容旨在用更简化的语言将上一节中提到的原理与实际操作和分析的需要相结合，频谱分析在TCD检查和诊断中非常重要，而频谱分析的关键是了解参与频谱分析的重要参数产生的原理及临床意义。

上述参数有：检测深度、血流方向、血流速度、搏动指数和频谱形态等。

一、深度(depth)深度是指被检血管与探头之间的距离，深度是通过每一群脉冲超声波被PW发射器发射出去时，由距离选通预设的发射和接收脉冲波间隔时间决定的。

如果预设两者的时间间隔是（Δt），根据超声波传播速度（S）和时间差即可知道对应该预设时间间隔的距离为：距离=Δt×S/2。

因此，距离选通通过不同的时间间隔预设，可以检测不同深度取样容积。

深度对于识别颅内血管非常重要（图2-1-3）。

图2-1-3：检测深度与脑血管识别。

经左颞窗TCD检测到了某一血流频谱信号，根据深度不同，可能是以下颅内血管：同侧大脑中动脉（深度35-65mm，绿色圆点）；同侧大脑前动脉（深度55-70mm，红色圆点）；对侧大脑前动脉（深度75-85mm，黄色圆点）；对侧大脑中动脉（深度>90mm，白色圆点）。

二、血流方向（direction）血流方向是指被检测到血管血流相对于探头的方向（图2-1-4）。