功能性经颅多普勒超声（fTCD）是一种简单且无创的超声技术，可用于评估认知功能（尤其是语言功能）的偏侧化，适用于儿童。
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摘要
摘要
关于大脑偏侧化仍有许多未解之谜。特别是，语言和非语言能力的哪些方面存在偏侧化尚不明确，非典型的脑偏侧化模式是否与某些劣势相关也不清楚，以及脑偏侧化是否会随着年龄增长而发展仍待研究。过去，关注这些问题的研究者往往用手偏作为脑偏侧化的替代指标，但这种方法并不理想，因为手偏只是认知功能偏侧性的一个微弱且间接的指标1。其他方法，例如功能磁共振成像（fMRI），在大规模研究中成本较高，且在儿童群体中并不总是可行2。
本文将介绍功能性经颅多普勒超声（fTCD）作为一种经济、无创且可靠的评估大脑偏侧化的方法。该方法通过将超声探头置于耳前位置，测量大脑中动脉的血流。我们的研究建立在Rune Aaslid的工作基础之上，他于1982年共同推出了经颅多普勒超声技术；同时也受益于明斯特大学Stefan Knecht、Michael Deppe及其同事的开创性工作，他们率先实现了对左右侧大脑中动脉血流的同步测量，并设计了一种校正心跳活动干扰的方法。这使得在语言生成过程中能够清晰观察到左侧血流的增加，其偏侧化结果与其他方法所得结果高度一致3。
大脑中动脉具有非常广泛的血管供血区域（见图1），因此该方法无法提供有关半球内具体定位的有用信息。我们的经验表明，该方法对涉及外显或内隐言语产生的任务尤为敏感。目前的“金标准”任务是词语生成任务（例如：尽可能多地想出以字母‘B’开头的单词）4，但这一任务不适合年幼儿童及其他读写能力有限的人群。与其他脑成像方法相比，功能性经颅多普勒超声（fTCD）受言语引起的运动伪影影响相对较小，因此我们能够通过大声描述图片的任务获得可靠的结果5,6。基于此，我们开发了一种适合儿童的任务，即先观看讲述故事的视频片段，然后口头描述所看到的内容。
方案
1. 使用功能性经颅多普勒超声（fTCD）评估儿童语言偏侧化
- 在可能的情况下，我们在向儿童介绍多普勒系统之前，先在单独的一次会话中让他们熟悉视频故事中出现的角色图片。
- 实验流程应包含足够数量的试验次数，以获得可靠的测量结果：理想情况下为20次或更多，但我们发现即使仅有10至15次试验，也能获得有用的数据。每次试验包括一段放松期，用作基线，随后是语言激活期。激活期间的血流速度将与基线进行比较。我们发现，可以将儿童被动观看一段12秒视频片段的时间段作为基线，这有助于避免儿童感到无聊。基线期之后是10秒的应答期，期间要求儿童描述所看到的内容。随后是16秒的休息期。
- 实验的时间安排非常重要，因为代谢需求引起的血流速度变化可能需要长达7秒才能显现。我们使用在Presentation或Matlab中编写的计算机化任务来控制每次试验的时间进程。关键的是，这些程序还会向硬件发送脉冲，以便在多普勒数据文件中记录标记，指示激活期的开始。这些标记在数据分析中用于确定基线期和激活期的血流时间段。
- 我们使用Multi-dop系统，该系统可同时从左右两侧进行超声记录。最好在受试者到达前就将Multi-dop系统设置好并准备就绪。在开启系统前，请确保探头已连接至Multi-dop系统。检查刺激计算机是否通过并行端口与Multi-dop计算机连接，并确认一方发出的脉冲能在另一方被检测到。确保两侧的高通滤波器均设置为300 Hz，并检查入射深度（45–55 mm）和信号强度。系统对不同参数设有上限，以确保仅使用安全水平。
- 应在Multi-dop数据文件中记录受试者编号，以便进行条件、分组或人口统计学数据的匹配。
- 在准备探头时，应暂停系统。每个超声探头需涂上耦合剂，以在探头与皮肤之间建立良好接触。应使用足量的耦合剂，以维持尽可能最佳的接触效果。
- 现在可以开始实验会话。在开始前，请确认儿童是否需要上厕所！我们使用玩具动物演示耳机的使用方式，并确保儿童理解即将发生的过程以及他们需要做什么。特别重要的是，他们必须明白在激活期后需要保持安静，以便信号能够恢复至基线水平。儿童应舒适地坐着，因为完整的任务可能持续20至30分钟，而大幅度的身体活动可能干扰多普勒信号。
- 实验过程中最具挑战性的部分是放置涂有耦合剂的探头。新用户应意识到，熟练掌握这一环节需要大量练习。Rune Aaslid提供了一个有用的计算机模拟程序，可用于培训
(http://www.transcranial.com/)，但最佳的学习方式仍是在朋友和同事身上进行实践。在评估约10名受试者后，您会发现这一操作变得容易得多。与儿童合作的一个优势是，通常比成人更容易获得信号，因为儿童的颅骨较薄。 - 每个探头应放置于头部两侧颅骨的颞窗位置。这是颅骨最薄的区域，最有利于从中脑动脉获取信号。这些窗口位于双耳前方稍靠前的位置。在对儿童进行操作时，若由两名实验人员分别调整左右探头，可有效缩短设置时间。大多数儿童在此阶段乐于观看DVD，但必须密切观察其行为，确保其舒适且放松。若儿童提出终止要求，或出现任何不适迹象，应立即结束实验。
- 随后需调整探头位置，以对准大脑中动脉进行超声探测。可能需要几分钟才能找到满意的信号。该信号具有特征性的声音和视觉波形，应通过Multi-dop计算机进行监测。
- 特征性声音为与受试者心率同步的低沉“呼呼”声。特征性视觉波形表现为快速上升后呈指数衰减下降，同样以心率频率重复出现。根据入射深度和探头方向，可能会接收到其他血管的信号。在儿童中，通常45至50 mm的深度效果良好。一旦获得强信号，应在保持良好信号的前提下尽可能降低输出功率。增益也可适当提高，以放大较弱的信号。
- 当两侧大脑中动脉的信号均达到满意水平后，应调低Multi-dop信号的音频输出，随后开始实验流程。实验人员需向儿童说明，他们将安静地观看一段视频片段；当屏幕上出现问号时，需尽可能详细地向实验人员描述视频内容；当看到男孩做出“嘘”手势的图片时，必须立即停止说话，安静等待下一段视频开始（见图2及.avi示例）。
- 随后启动记录设备，包括用于记录口头反应的录音机、Multi-dop系统记录装置，以及控制刺激呈现的计算机。
- 实验人员的任务是监控儿童状态和多普勒信号：a）确保儿童舒适并专注于任务；b）维持良好的信号质量。多普勒信号对运动的敏感性远低于fMRI信号，但仍可能因大幅度身体活动或探头移位而受到干扰。若信号严重失真，应暂停显示计算机，并适当重新调整探头位置。有时可能需要补充更多耦合剂，以重新建立满意的信号。我们发现，在儿童测试中，由一名实验人员负责引导儿童完成任务并记录其回答，另一名实验人员负责监控多普勒信号，效果最佳。
- 实验流程结束后，可停止Multi-dop记录并移除探头。准备一些纸巾以清除残留的多余耦合剂会很有帮助。
- 随后对原始数据文件进行处理，以比较左右侧多普勒信号。我们基于Deppe7开发的方法，自行编写了Matlab软件进行数据处理。该处理包括对数据进行降采样，并校正由心跳引起的波动。若某次试验中左侧或右侧的激活值超出预设范围（通常为基线血流速度的70%至130%），则将其从分析中剔除。这些试验中的激活可能受到探头接触不良的影响。图3展示了一个良好信号下相对于探头信号的激活情况，而图4则展示了一种信号周期性丢失的情况。
- 在相对于基线血流速度的基础上，通过从左侧激活值中减去右侧激活值，计算差异激活（见图5）。偏侧化指数定义为在预定义兴趣时间段内，最大差异前后各一秒的差异激活的平均值。该兴趣时间段为“开始说话”指令发出后7至17秒，该指令由显示计算机向Multi-dop数据文件发送的标记指示。由于差异激活为左侧减右侧，因此正的偏侧化指数反映左侧偏侧化，负值反映右侧偏侧化。
2. 典型结果
图 1：大脑半球外表面，显示由大脑动脉供血的区域。 粉红色区域为大脑中动脉供血区。（来源：http://en.wikipedia.org/wiki/File:Gray517.png）
图2：实验试次的示意图，包含12秒的基线视频、10秒的反应间隔和16秒的休息阶段。 图中还标示了用于偏侧性计算的兴趣时间段。
图3. 单次实验过程中130至150秒期间左（蓝色）和右（红色）多普勒通道原始多普勒速度（cm/sec）的清晰数据记录。 每个可见脉冲对应一次心跳。绿色标记表示刺激开始的事件标记。
图 4. 单次实验过程中，400 至 450 秒期间左（蓝色）和右（红色）多普勒通道原始多普勒速度（cm/sec）数据记录中断。 绿色标记表示刺激开始时间点。两个通道均可见明显的信号丢失现象。
图5. 参与者群体所有有效试验平均后的左侧（蓝色）和右侧（红色）通道（图A）以及左右差值（图B）多普勒速度（cm/sec）。 参与者在12秒时被提示“说话”，用于偏侧性计算的兴趣时间段也在图中以绿色标出。图B中围绕差值速度的灰色误差棒表示平均值的标准误。
Avi 示例： 讲述“Freezefoot”故事的视频序列可从以下网址下载：http://psyweb.psy.ox.ac.uk/oscci/Miscellaneous.htm
讨论
除了研究正常发育过程外，我们还利用功能性经颅多普勒超声（fTCD）研究患有语言和读写发育障碍的成人与儿童的语言偏侧化8, 9。我们同样致力于开发利用fTCD评估视觉空间能力偏侧化的方法10, 11。
致谢
我们感谢 Hubertus Lohmann 分享他在经颅多普勒超声技术方面的专业知识。本工作由惠康信托项目基金（编号：082498/Z/07/2）资助。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 支持升级至双通道 MultiFlow 监测的 Multi-Dop T | Compumedics | 5610 EN | 即将被数字版本取代 |
| 头戴式探头 | Spencer Technologies, 701–16th Avenue, Seattle,WA 98122 |
参考文献
- Bishop, D. V. M. Handedness and developmental disorder. , Blackwell Scientific, J.B. Lippincott. Philadelphia. (1990).
- Pelletier, I., Sauerwein, H., Lepore, F., Saint-Amour, D., Lassonde, M. Non-invasive alternatives to the Wada test in the presurgical evaluation of language and memory functions in epilepsy patients. Epileptic Disorders. 9, 111-126 (2007).
- Deppe, M., Ringelstein, E. B., Knecht, S. The investigation of functional brain lateralization by transcranial Doppler sonography. NeuroImage. 21, 1124-1146 (2004).
- Knecht, S. Noninvasive determination of language lateralization by functional transcranial Doppler sonography : A comparison with the Wada test. Stroke. 29, 82-86 (1998).
- Lohmann, H., Drager, B., Muller-Ehrenberg, S., Deppe, M., Knecht, S. Language lateralization in young children assessed by functional transcranial Doppler sonography. Neuroimage. 24, 780-790 (2005).
- Bishop, D. V. M., Watt, H., Papadatou-Pastou, M. An efficient and reliable method for measuring cerebral lateralization during speech with functional transcranial Doppler ultrasound. Neuropsychologia. 47, 587-590 (2009).
- Deppe, M., Knecht, S., Henningsen, H., Ringelstein, E. B. AVERAGE: a Windows program for automated analysis of event related cerebral blood flow. Journal of Neuroscience Methods. 75, 147-154 (1997).
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- Whitehouse, A. J. O., Bishop, D. V. Hemispheric division of function is the result of independent probabilistic biases. Neuropsychologia. 47, 1938-1943 (2009).
- Whitehouse, A. J. O., Badcock, N., Groen, M. A., Bishop, D. V. M. Reliability of a novel paradigm for determining hemispheric lateralization of visuospatial function. Journal of the International Neuropsychological Society. 15, 1028-1032 (2009).
重印与许可
勘误
Formal Correction: Erratum: Assessment of Cerebral Lateralization in Children using Functional Transcranial Doppler Ultrasound (fTCD)
Posted by JoVE Editors on 1/01/1970. Citeable Link.
A correction was made to Assessment of Cerebral Lateralization in Children using Functional Transcranial Doppler Ultrasound (fTCD). There was a misstated time interval for the point of interest.
