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声波每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹（Hz）。我们的耳朵能听到的声波频率为20～20 000Hz。当声波的振动频率＞20kHz或＜20Hz时，我们便听不见了。因此，把频率高于20 000Hz的声波称为超声波。通常用于医学诊断的超声波频率为1～5MHz。
经颅多普勒超声（transcranial Doppler，TCD）的基本原理与B型超声等其他超声的物理基础相同，首先要有一种可以发射声波的装置作为基础。超声波具有良好的穿透能力，在遇到物体表面时超声束可以发生部分反射及散射现象。同理，当超声束遇到血流中的红细胞时也将产生此现象，而反射回来的声波则是多普勒频移信号产生的基础。
奥地利物理学家Christian Andreas Doppler首先描述了多普勒效应。即当振动源与接收体之间存在相对运动时，所接收到的回声频率与振动源发射的频率相比会发生改变，频率改变的大小与两者间相对运动的速度有关，这就是多普勒效应。声源与接收器之间彼此靠近时，频率增加；反之，频率下降。发射频率与接收频率之间的区别称为多普勒频移，当物体运动的速度越快，频移越大。多普勒频移是TCD检测血流速度的基础，TCD的检测探头既是超声波的发生器，也是超声波的接收器，TCD检测脑血流时，探头与血液中流动的红细胞之间存在相对运动，超声经过红细胞反射回来，并被探头内的接收器接收，根据发射与接收频率的变化，经过快速傅里叶转换，测定血流速度。
J.Fourier于19世纪首先提出了傅里叶转换的理论。主要是利用计算机对复杂信号进行一系列转换分析，将一个原始波分成多个不同频率的正弦波。1965年库里研究出一种新的更加快速的计算方法，即快速傅里叶转换（fast Fourier transmission，FFT），利用仪器以每10毫秒为间隔对多普勒模拟信号取样一次，并转换为二进制的数字信号，由FFT把信号分成频率和振幅两个分量，从而产生实时的数字频谱显示。
以往的研究认为超声波无法穿透颅骨，进而也无法检测颅内动脉血流情况，但利用脉冲波多普勒的特性可以实现穿透颅骨的目的，即脉冲式多普勒探头可以每间隔一段时间发放一次超声脉冲，此间隔时间即为脉冲波从探头到达声靶，然后再从声靶返回探头所需的时间。单位时间内发射脉冲波的次数称为脉冲重复频率（PRF）。脉冲波多普勒的这一特性使TCD能检测颅内某一特定场内的信号，从而可以检测到脑动脉内某一点的血流，并达到识别脑动脉的目的。TCD检查仪将2MHz超声波发射频率与脉冲波多普勒相结合，使得超声束穿透颅骨检测颅内动脉血流成为可能。
TCD仪检测到的血流信号的信息以多普勒频谱的形式输出，分析中多普勒频谱常用的参数包括深度（depth）、血流方向（direction）、血流速度（velocity）、搏动指数（pulsatility index，PI）与阻力指数（resistant index，RI）、频谱形态和声频信号等。
探测深度就是从探头到检测血管内声靶（取样容积）之间的距离，是用来识别颅内不同动脉及同一动脉不同部位的重要参数，在检查过程中可以根据需要进行调节，但不可以无限制的增加。通常检测不同的血管有大致的探测深度范围，如大脑中动脉的检测深度为40～65mm，此深度基本为MCA的水平段，大脑前动脉的检测深度通常为60～70mm。血管的检测深度不是绝对的，因人而异，要根据情况灵活掌握。
血流方向是指被检测血管内血液流动方向相对于探头发射声波的方向。血流是有方向的，TCD可以检测到血管内流动血流的方向，在TCD检测中通常将朝向探头方向的血流标记为正向血流，多普勒频谱位于基线以上称为正向频移；而将背离探头方向的血流标记为负向血流，多普勒频谱位于基线以下称为负向频移。在血管分叉部位检测出来的血流可以是双向的，代表着不同血管走行、不同血流方向的血流。
血流速度主要是指红细胞在血管中流动的速度，通常由TCD仪自动计算出来，由于探头发射频率是固定的，因此血流速度主要受多普勒频移和声束与血流夹角的影响。其中超声束与血管走行的夹角大小对所测量的血流速度影响最大，夹角越小，血流速度测量值越接近于实际血流速度，当夹角为直角时，理论上检测不到血流信号。因此，在检测时应注意调整好探测角度，当夹角＜30°时，对所测血流速度影响不大。此外，血细胞比容、性别、年龄、不同呼吸状态及心功能状态对血流速度均有影响，随年龄增长，血流速度逐渐减慢。
血流速度是TCD检测中判断血管病变的最重要参数，特别是当血管管径出现明显变化时，可造成血流速度的显著改变。TCD检测中常用的血流速度又包括收缩期峰值血流速度（systolic velocity，Vs）、舒张期血流速度（diastolic velocity，Vd）和平均血流速度（mean velocity，Vm）。Vs指心脏收缩血管内血流瞬时达到的最高的血流速度，Vd指舒张末期或下一次收缩期前的血流速度，Vm是平均了所有在整个心动周期内出现的速度信号的结果并由计算机自动测量计算出来的，也可以由以下公式计算出：Vm=（Vs+Vd） /3。
搏动指数（pulsatility index，PI）和阻力指数（resistant index，RI）是描述频谱形态的参数，通常是由血流速度计算出来，计算公式为：PI=（Vs-Vd） /Vm，RI=（Vs-Vd） /Vs。PI值主要受收缩期和舒张期血流速度差的影响，差值越大，PI值越大；差值越小，PI值也越小。因此，PI值可以反映血管内血流压力灌注情况或远端血管的阻力大小。正常情况下颅内血管的血流频谱为相对低搏动性波形（PI值为0.55～1.05），而外周血管（颅外颈动脉或肢体血管）为相对高搏动性或高阻力波形（PI值通常大于1.05），颅内正常搏动指数和阻力指数的频谱见图2-1。在病理情况下，低阻力频谱可见于动静脉畸形供血动脉、大动脉严重狭窄或闭塞后远端灌注明显不足的血管内血流及开放的侧支循环（图2-2）；而高阻力频谱则见于颅内压增高、大动脉严重狭窄或闭塞的近端血管，以及长期高血压患者（图2-3）。可见，除血流速度和血流方向之外，PI值是分析TCD血流频谱的另一个非常重要的参数。
图2-1 正常血流频谱可见频窗
图2-2 低阻力血流频谱
TCD所检测出来的血流频谱是经过一系列转换过程所显示出来的血管内血流信号，因此血流频谱的形态往往反映血液在血管内流动的状态。
图2-3 高阻力血流频谱
.. 正常血流频谱形态
血流频谱是用速度-时间图来表示，纵坐标代表血流速度，横坐标代表时间，正常的血流频谱呈直角三角形，心脏收缩血管内的血流速度短时间内达到高峰，形成收缩期峰值流速S 1 峰，血管弹性回缩，血流瞬时增快形成S 2 峰，心脏舒张血流速度逐渐减慢，到舒张末期血流速度最低形成D峰。血流频谱周边（即包络线）代表该心动周期内实时最快的血流速度，基线则代表血流速度为零，从基线到包络线之间代表取样容积内不同血流速度的红细胞（图2-5）。
.. 血流频谱信号的表示方法
频谱信号的强度用颜色表示，通常TCD频谱信号从基线至外围包络线的颜色变化为蓝色-黄色-红色。其中，包络线附近为多数红细胞反射的较强信号，呈红色；靠近基线附近为血小板、血浆等反射的较弱信号，呈蓝色，在频谱上类似透亮的窗户，称为“频窗”（见图2-1）。TCD血流频谱形成这种状态的原因是由于正常情况下血液在血管内流动呈层流状态，即大量红细胞处于血管中央，且流动速度最快，血小板和血浆等成分位于血流的周边部分，血流速度相对缓慢，且血管内血流速度是呈梭形逐渐减慢的。由于正常情况下大多数红细胞处于血流层的中央区，呈快速流动状态而只有极少部分贴近血管壁的红细胞呈低流速状态，因此，TCD频谱表现为红色集中在包络线附近，而基线附近呈现蓝色透亮状态的层流状态。
.. 异常血流频谱-涡流频谱
当血管出现严重狭窄时，正常层流状态被打乱，TCD频谱也会出现相应改变。狭窄部位血流速度增快，狭窄后血管内径的复原使部分红细胞处于一种涡漩的反流状态，或大量红细胞处于低流速状态，且血流的方向不一致。TCD血流频谱完全失去了正常层流时的形态，基底部“频窗”消失，表现为紊乱的血流频谱，严重狭窄时，大量红细胞处于低流速状态，且血流的方向不一致，频窗被双向的红色涡流所替代，形成涡流频谱（图2-4）。
.. 声频
正常的血流状态为层流，在进行脑血流检测时可以听到柔和的乐音，当血管发生病变时，多普勒声频也会发生变化，血管狭窄后的声频粗糙，严重狭窄还可以伴有低调轰鸣样杂音或高调乐性、机械样甚至鸥鸣样杂音信号，这些声频信号的出现往往也提示血管的器质性病变。
图2-4 紊乱血流频谱可见涡流
图2-5 解读正常血流频谱图
TCD检测过程中还有一些较为重要的参数可以进行调整，以达到最佳检测效果。这些参数主要包括：
包络线（envelope）是包围在血流频谱最外围的一条曲线，是将TCD检测到实时最高血流速度连接起来所形成的一条曲线。TCD仪是根据包络线计算血流速度的，TCD所检测到的血流速度值是取样容积内实时最高的血流速度。在TCD检测过程中，通过适当的参数调整使包络线完整、准确的包围在频谱的外缘，这样TCD仪所测定的血流速度才会准确。当血流频谱信号较弱或血流频谱紊乱严重时，包络线不能完整、准确地包绕频谱，测得的血流速度值欠准确，此时可利用手动测量功能，通过手动测量方法使血流速度的测定相对准确。
增益（gain）的含义是TCD仪屏幕信号显示强度，可以在操作过程中进行调整。增益高，则整个屏幕信号强；增益低，则整个屏幕信号弱。合适的增益大小可以使包络线完整的包在多普勒频谱的最外围，且频窗显示良好。过高或过低的增益都会影响血流频谱的显示和血流速度的测量，造成测量结果的不准确。
基线（zero baseline）即零位线，此处代表血流速度为零，通过上下移动基线可以使较高流速的血流频谱在屏幕上完整显示，但当流速过高，特别是基线上下的流速都较高时，往往需要调节纵坐标的血流刻度尺比例来完整显示频谱，单纯通过下移基线难以显示基线下方的血流频谱。
纵坐标的刻度通常表示血流速度，一般用厘米/秒（cm/s）来表示，也可以切换成频移，以赫兹（Hz）表示。通过调整刻度尺（scale）的比例可以缩小或放大血流速度的显示方式，使血流频谱信号尽可能清楚准确地显示血流状态，减少由于流速过快而造成的收缩峰频谱的上下混叠现象。当然，刻度尺不能无限制的增减，通常是与TCD仪的设置和检测深度相关。
取样容积（sample volume，SV）是指脉冲超声波在某一深度时所能检测到的范围。其宽度不可调整，轴长度（mm）可以调节。通常TCD仪的取样容积范围在10～15mm。取样容积大，可以使探头超声发射的功率增加；取样容积小，则有助于区分两条比较接近的血管，在鉴别血管方面有一定价值。
通过调整屏幕扫描速度（sweep speed）的大小，可以根据需要使一次显示在屏幕上的频谱数目发生变化，这样有利于检测者观察某一试验所带来的变化趋势。
功率（power）是指TCD仪输出的超声功率，增大发射功率可以增强超声波的穿透力，特别对于声窗不良者，可以通过增大功率以达到较为清楚地显示血流的目的。但TCD仪功率输出是有允许范围的，不能无限制的加大。要掌握一点原则，行TCD检测时在血流频谱基本显示清楚的前提下，最好使用较低的输出功率，这也有利于延长仪器和探头的使用寿命。
血流频谱中数据箱内的参数及其意义见图2-6。
图2-6 血流频谱中数据箱内的参数及其意义
PI，搏动指数；Power，功率；Mean，平均血流速度；Depth，深度；SV，取样容积；Sys，收缩期峰值流速；Dia，舒张末流速；Gain，增益
（李宏 赵洪芹）