(i) 血流速度検出のためのドップラー超音波の基本原理
経頭蓋ドップラーは.超音波ドップラー効果を利用して.頭蓋底の主要動脈における血流動態と生理学的パラメータを測定する非侵襲的な方法です。 超音波ビームが頭蓋骨の薄い部分（特定の音響窓）を通過し.決められた距離と決められたサンプリングボリューム内で.脳底部の血管系の直接的なドップラーシフトを得ることができるのです。
近年.経頭蓋ドプラは.マイクロコンピュータを介してドプラスペクトルの高速フーリエ変換解析を行い.収縮ピーク速度.拡張末期速度.平均速度.収縮ピーク／拡張末期速度比（S/D）.脈動指数（PI）.抵抗指数（RI）など一連の生理的パラメータを表示・算出し.各種脳血管障害の臨床解析に役立てることができるようになっています。 1842年.オーストリアの学者キルケゴールが誕生した。
1842年.オーストリアの学者ジャウシェン・ヨハン・ドップラーは.ある物理的効果を説明した。 ある惑星からの光の色の変化を観察したところ.惑星が地球と反対方向に動いているときは.光の色が紫色の方に変化し.光の波の周波数が高くなること.逆に惑星が地球と反対方向に動いているときは.光の色が赤色の方に変化し.光の波の周波数が低くなることを発見したのです。 この物理現象はドップラー効果と名付けられている。
ドップラー超音波検査は.ドップラー効果を利用して血流を検出する装置です。 プローブは超音波の送受信器として機能し.このような構造で検出される周波数の変化は.反射体（血球）の変位によって引き起こされるものである。 血流速度を測定する場合.組織内の超音波の伝搬速度と放射周波数が一定であることが必要です。 したがって.検出された血流速度Vと真の血流速度|V|との間には.V =|V|cosθ という非常に単純な関係がある。
ここで.θは超音波ビームと血流の方向との角度である。 この式から.超音波ビームと血流方向の角度が小さいほど.真の血流速度に近い結果が得られることは容易に理解できる。 脳血管の検査を行う場合.超音波のビームと血管の方向との角度を推定することができません。 しかし.脳底部の血管は超音波窓に対して解剖学的に比較的一定の位置にあるため.真の血流速度の測定を容易にする解剖学的根拠を提供する。すなわち.超音波窓が超音波ビームの入射部位に限定されているため.頭蓋内血管の血流速度は小さな角度でしか検出できない。
したがって.この角度によって形成される誤差は省略することができ.すなわち.超音波ビームと船舶のコースとの間の角度はゼロであるとみなされる。
(ii) 検出方法
1.頭蓋外血管の検出
頭蓋外セグメントの血管検査では.総頸動脈.外頸動脈.内頸動脈の頭蓋外セグメントを検査します。 頭蓋内の血行動態の変化を正しく認識するためには.頭蓋外セグメントの包括的な検査が重要である。 狭窄や閉塞は総頸動脈と内頸動脈の分岐部に起こりやすい。 病変の進行が遅い場合.頭蓋内に側副血行が形成されることがあり.これを十分に理解することで側副血行の影響を頭蓋内狭窄と判断する誤りを回避することができる。
患者は仰臥位で頭を反対側に傾け.4MHzのプローブを胸鎖乳突筋の外側に置き.超音波が血管経路の方向に対して45°の角度を保つように注意しながら.総頸動脈を完全に見ることができるように近位から遠位へとプローブを移動させます。 角度が大きすぎたり小さすぎたりすると.計算される血流速度に影響を与える。
外頸動脈は通常.甲状軟骨の高さで分割され.前方上方に追跡記録される。 内頚動脈は総頚動脈分岐部から後方および側方に.検出できなくなるまで追跡される。 通常.総頸動脈と外頸動脈の識別に困難はない。 総頸動脈.外頸動脈.内頸動脈のスペクトルパターンは明らかに異なっており.前2者は脈動が強い。
2.頭蓋内セグメントの血管の検出
音響窓を決定することは.経頭蓋マルチスペクトル検査を成功させるための最初のステップです。 音響窓は.超音波が激しく減衰することなく頭蓋骨を透過することができるチャンネルである。 臨床で使用できる主な「窓」は.側頭窓.眼窩窓.後頭窓の3つであることが確認されている。 頭蓋内血管のドプラ信号の取得は.窓を特定した後.十分なドプラ信号を得るためにプローブを最適な位置と角度にする術者の技量に依存する。
(1）側頭窓：頬骨弓の上.眼窩の外縁と耳の間の領域を指す。 このゾーンは.前方.中間.後方の窓に細分化することができます。 側頭窓の超音波透過率はこの部分の頭蓋骨の厚みに依存するため.年齢や性別によってばらつきがあります。 若年成人では通常.理想的な信号が得られる広い領域が存在するが.高齢者では特に女性の高齢者では骨の肥厚により.側頭窓が減少するか.あるいは存在しないことが多い。
側頭窓の検査は.患者を仰臥位にし.頭を起こした状態で行い.プローブと皮膚との接触を良好に保つため.カップリングを絞り出すことなく適度な圧力をかけ.患者に不快感を与えないように十分な音響カップリングを適用します。 2MHzのフォーカスエミッションプローブを使用し.深さは一般的にドップラー信号が最も出やすい55～60cmの間に設定します。
ドップラー信号が見つかったら.プローブを少し動かしたり傾けたりして.最も強く鮮明なドップラーシフト信号が得られる最適な位置を選択します。 前大脳動脈.前交通動脈.中大脳動脈.内頚動脈終末部.後交通動脈.後大脳動脈.脳底動脈分岐部を側頭窓を介して検出することができる。
(2) Orbital window：被験者を仰臥位にし.頭を立てて目を閉じ.2MHzのプローブを皮膚に接触する程度に強く圧迫せずにまぶたに当てる。 ドップラーエネルギーを5％に抑え.眼球内の滞在時間を極力短くする。 経眼窩窓は.内頸動脈のサイフォンセグメントと眼窩動脈に焦点を当てます。
(3) 後頭窓：被験者が首を下げて屈曲させ.頭蓋骨と輪状棘の間が開くようにする。 プローブは頸部後方正中線の後頭骨突出部の下方1.5～2cmに設置し.音響ビームを眉弓に向け.後頭骨の大孔から頭蓋骨内に入るようにします。 椎骨動脈.後下小脳動脈.脳底動脈などの頭蓋内セグメントを検出することができます。
(iii) 脳血管のドップラースペクトルとフローパラメータが正常であること。
典型的な正常経頭蓋ドップラースペクトルパターンは.心周期と一致する連続した規則的なパルス状の揺らぎから構成されています。 各周波数は1心周期を占め.ほぼ直角三角形に形成される。 外周周波数曲線は上昇枝と下降枝からなり.上昇枝とゼロベースラインの間の角度をα角といい.収縮期にS1.S2の二つのピークがあり.拡張期初期にDという第三のピークを持つ。 収縮期が始まってから血流速度が最も速くなるまでの時間をピークタイムと呼ぶ（図44）。
スペクトル中のある瞬間におけるゼロベースラインと最大血流速度の間の速度分布の範囲を帯域幅と呼ぶ。 高エネルギーの信号は周辺に集中して暗くなり.低エネルギーの信号はスペクトルの低域に分布して明るくなる。 この結果.「周波数窓」と呼ばれる窓ができる。 これは主に.血管の中の血液の「層流」によるものです。 注意すべきは.音波ビームと血管の角度が不適切であったり.超音波の反射エネルギーが多すぎるなど.周波数窓の消失によるアーチファクトが発生することがあることである。 そのため.試験を行う際には.最適な透過角の探索と適切な超音波放射出力の選択を試みることが重要である。
内頚動脈と外頚動脈のスペクトルパターンには大きな違いがある。 内頚動脈は頭蓋内動脈と同じ流れの特徴を持ち.比較的抵抗が小さく.緩やかに下降する枝であるのに対し.外頚動脈は高抵抗型で.末梢血管の特徴を持ち.高く尖った収縮期のピーク.急な下降枝.明確な拡張期のカットが特徴である。
経頭蓋ドプラのスペクトルパラメータには.流速.ビートインデックス.収縮末期流速と拡張末期流速のピーク比.抵抗指数が含まれる。 血流速度計測は経頭蓋ドップラー分光法の主要なパラメータであり，収縮期ピーク血流速度（V S），平均血流速度（V m ），拡張期末血流速度（Vd）が含まれる． 血管のコンプライアンスや血管弾性の指標である脈動指数（PI）や収縮末期流速と拡張末期流速の比（S/D）.脳血管の拡張期状態.すなわち抵抗状態の指標である抵抗指数（RI）などがある。 計算式は以下の通りです。
PI = 収縮期ピーク流速 – 拡張期末流速 / 平均血流速度
S/D = 収縮期ピーク流速 / 拡張期末期流速
RI = 収縮期ピーク流速 – 拡張期末流速 / 収縮期ピーク流速
II.脳血管障害のTCD診断
(i) 脳動静脈奇形（A V M )
脳動静脈奇形A V Mは.先天性の脳血管発達異常であり.主な病態は奇形血管による血液窃盗で.脳動静脈の短絡により多量の脳動脈血が失われ脳血行動態の変化をきたすことである。 経頭蓋ドップラー技術を用いると.奇形部位の異常血流だけでなく.血液供給に関わるすべての動脈や.対側・同側の半球の血流盗難の有無も検出することが可能です。
1.脳AV MのTCD症状
(1)血流速度の変化
正常な細動脈では.毛細血管網があり.正常な血管抵抗を作り出している。 動静脈奇形では.動脈と静脈の間に瘻孔が存在するため.血管抵抗が低下し.血流量が増加し.循環時間が大幅に増加するため.流速が速く.抵抗の小さいドップラー流特性が得られます。 供給動脈の低抵抗特性は.脈動指数（PI）の低下によって反映され.流速の増加に伴って著しく低下する。
(2) 血流のスペクトル特性
流速が速く.流れの乱れ.血管の拡張や屈曲が大きくなると.スペクトルは通常の「周波数窓」の特性を失い.バリ状の境界を示し.周波数窓を埋め尽くすようになります。 異なる周波数で乱れた血流信号.層状の貧弱な信号.渦電流.低周波信号の増強と高周波信号の減衰.または双方向の血流スペクトル。
(3) 血流オーディオ特性
通常のドップラー血流音声は柔らかく明瞭ですが.動静脈奇形では血流速度や流量が増加し.奇形血管塊の血流方向が変化するため.音声信号に大きな差が生じます。 大きく.粗く.文字化けした機械のような血管雑音が検出されることもあれば.シャープで音楽的な雑音が検出されることもあります。
AV M血液供給動脈スペクトルの高流速・低抵抗特性
(4) 頭蓋内血液量
奇形血管塊の抵抗が減少し流速が増加した結果.血液供給動脈の圧力が低下し.正常な脳組織への血流が脳AVMから奪われ.「血の盗難症候群」となります。 TC D検査は.前大脳動脈（A C A ）.後大脳動脈（PC A ）などの交通動脈の異常開存や.血流速度の上昇を検出することができます。
2.脳AV Mの血管内塞栓術の有効性に関するTCD評価
脳AV Mの主な病的変化は.頭蓋内血行動態の変化である。 流速が速く.抵抗が小さく.血液の盗聴異常による供給動脈の開通がある。 奇形血管腫を塞栓すると.その内部抵抗の増大により.必然的に供給動脈内の圧力上昇と流速低下が起こり.奇形病巣に供給される血流が頭蓋内に再分配されることになります。 したがって.塞栓術後の元の血液供給動脈の血流速度の変化は.治療効果の重要な指標となります。
170例の脳血管障害に対する我々の研究では.完全に塞栓した供給動脈では拡張末期流速の低下率（Vd）が収縮期ピーク流速の低下率（Vd）よりも大きく.Vdの変化は供給動脈の遠位抵抗の変化により敏感であることがわかった。単枝の供給動脈障害の塞栓の効果は.より複雑である多枝の供給動脈障害よりもはるかに満足できるものだった。 塞栓した血管の平均流速とPI値は正常値に戻るか.それに近い値となるが.塞栓していない血管は流速の増減が激しく.増加するほどPI値の減少が顕著である。
これは.塞栓した供給動脈は奇形への血液供給を停止し.塞栓していない供給動脈は奇形への供給が増加していることを示唆しており.塞栓後の頭蓋内血流の再分配と関連していると考えられる。
3.診断と鑑別診断
脳性A V MにおけるTC Dの診断。
(i) 供給動脈が高流速.低抵抗.PI の減少または有意な減少.収縮期/拡張期比の減少を示す。
(2) 血流のスペクトルは.収縮期と拡張期の周波数シフトの差の減少.すなわちスペクトルの著しい拡がり.拡張期の拡散.収縮期のピークの不明瞭.または境界の荒い乱れた不規則なスペクトルが特徴的である。
(3)血流音の周波数が大きく荒く.機械の「ゴロゴロ」という血管雑音や鋭い音楽的な雑音音の周波数のようである (4)頭蓋内血盗用徴候がある。
脳血管攣縮と血管狭窄の鑑別には.脳内A V Mの血行動態の変化と病歴の組み合わせが有効である。
脳血管攣縮はクモ膜下出血と密接に関連しており.ドップラー流速は一様に上昇し.収縮期の鋭いピークと収縮期と拡張期の流速の対称的な上昇を示します。
動脈狭窄は.通常.動脈硬化.非特異的頭蓋内動脈炎.動脈血栓症など様々な原因によって起こります。 ドップラー流速の上昇は.セグメント流速の増加.狭窄部遠位での流速の減少または正常.乱流スペクトル.充填周波数窓.低エネルギー.「狭帯域」収縮期スペクトルによって特徴付けられる。
TC Dは脳A V M流の特徴的な変化から確定診断を行うことができるが.供給動脈の流速や脈動に大きな変化がない遠位小動脈（直系2cm以下）の奇形の診断はより困難である。 従って.TC Dに顕著な異常変化がない場合は.脳性A V Mの存在を否定することはできない。必要であれば.脳血管撮影により診断を確定することが必要である。
4.臨床評価
TC Dは.奇形給血動脈の高流量・低流量特性をリアルタイムで動態観察し.排血静脈や頭蓋内血流の状況を把握して血行動態パラメータを提供すると同時に.血行動態パラメータの変化に応じて.血管内塞栓治療の効果を客観的に評価することができます。 このように.TC Dは脳性麻痺の診断.予後評価.経過観察のための非侵襲的検査として利用することができる。