利用经颅多普勒超声进行脑血流功能成像

摘要

来源： Hage, B. D. 等，利用功能性经颅多普勒超声监测脑血流。《视觉化实验杂志》J. Vis. Exp. (2021)

本视频展示了多普勒超声作为一种功能性成像工具，用于实时测量脑血流速度（CBFV）。重点说明了在屏气等任务过程中，通过检测大脑中动脉的频率偏移，可揭示CBFV的变化，从而提供有关脑活动和血管动态的信息。

方案

所有涉及人类受试者的操作均按照机构、国家及国际的人类福利准则进行，并已通过当地机构审查委员会的审核。

1. 通过徒手经颅多普勒超声（TCD）定位大脑中动脉（MCA）信号

注意：“徒手”经颅多普勒超声（TCD）是指在开始功能性经颅多普勒超声（fTCD）实验前，使用手持式探头寻找脑血流速度（CBFV）信号的操作。

1. 设置经颅多普勒（TCD）参数
   1. 在初始寻找大脑中动脉（MCA）信号时，将发射功率保持在相对较高的水平（例如 400 mW）。一旦定位到 MCA 信号，应尽可能降低功率，同时仍维持“良好”的信号质量（参见步骤 2.2.7）。
      注意： 在初始搜索阶段使用相对较高的功率并不违反声辐射暴露的“合理可行尽量低”（ALARA）原则，因为较高的功率有助于更快地发现 MCA 信号。
   2. 在初始寻找 MCA 信号时，将取样容积设置为 8–12 mm。如果信号难以找到，可增大门控尺寸以增强信号强度，但需注意这可能会将一个或多个邻近动脉的信号混入 MCA 信号中。
   3. 将增益设为中等水平，目标是“使背景噪声尽可能小但仍可察觉”。
   4. 将高通滤波器截止频率（通常称为“阈值”）设为 50–150 Hz。
   5. 若受试者为成人，将探测深度设为 50 mm，此为大脑中动脉 M1 段的平均中点深度（图 1）。
      ​注意： 此设置将在后续步骤中进一步详细讨论。儿童的深度设置见 表 1。

2. 定位颞窗
注意： 颞窗（也称为经颞声学窗）是颅骨的一部分，此处骨质最薄，因此允许低频超声能量穿过颅骨（图2）。

1. 对于婴儿和年幼儿童，颞窗位于耳前（“耳屏间切迹”）且在颧弓颅侧边缘上方，该位置可在皮肤下轻易触及。
2. 对于青少年和年轻成人，可通过任意一个次级颞窗定位颞窗。
   注意：后部次级颞窗通常可提供最佳信号（图2）。
3. 对于30岁及以上的成人，颞窗位于耳前。
   注意：随着年龄增长，颅骨骨质孔隙度增加，导致声窗逐渐缩小，部分老年人的颞窗可能极为有限。在此类个体中，双侧大脑中动脉（MCA）超声检测有时无法实现。
   

3. 应用换能器

1. 涂抹足量超声耦合剂以覆盖换能器表面。
   ​注意：当探头置于头部时，耦合剂应覆盖足够面积，以确保头皮与多普勒探头表面之间形成密封，防止探头下方因空气耦合导致信号中断。
2. 提醒受试者，耦合剂在室温下可能感觉较凉。
3. 将换能器放置于第1.2节中已定位的颞窗位置。
   

4. 寻找大脑中动脉

1. 将探头放置于头皮后，寻找大脑中动脉（MCA）信号，该信号通常位于初始探头放置位置的稍前方（向前）和头侧（向头部方向）。
2. 如果经颅多普勒（TCD）频谱信号不明显，保持探头相对于头皮的位置不变，调整探头角度。缓慢地从前向后（头侧至尾侧）以及从后向前方向倾斜探头。
   注意： 图3 显示了在同一位置但不同角度下采集到的两个频谱。
3. 若执行步骤1.4.2后仍无信号，检查彩色M模式显示中不同深度（以红色表示）的大脑中动脉血流情况。以5 mm为步长递增或递减检测深度，并按步骤1.4.2所述方法进行搜索。若M模式中可见血流信号但多普勒频谱中不可见，则调整深度直至多普勒频谱中可见血流信号。
4. 若仍无法获得满意信号，将探头移至头皮上稍靠前的邻近位置，并重复步骤1.4.1–1.4.3。
5. 获得最佳大脑中动脉（MCA）信号后，记录检测深度和最大血流速度。
6. 使用可水洗的化妆笔，在头皮上标记获得最佳信号的位置（可描画探头边缘的一部分）。
   
   

5. 寻找分叉部位
注意： 确定颈内动脉（ICA）的分叉部位对于确认所监测的是否为大脑中动脉（MCA）至关重要。若需进行双侧监测，则应两侧均执行此步骤，因为分叉部位在两侧的深度可能不同。

1. 逐渐增加深度，直至观察到颈内动脉（ICA）分叉为大脑中动脉（MCA）和大脑前动脉（ACA）的信号（图4），该信号通常出现在51–65 mm的深度。
2. 按照步骤1.4.2中所述方法，寻找最佳的分叉处频谱信号。应始终力求获得尽可能高速度的频谱信号。
3. 当获得最佳分叉信号时，记录该分叉处的深度。
4. 对于双侧监测，需在头部另一侧重复执行第1.1–1.4节及步骤1.5.1–1.5.3。

2. 安装固定装置后重新定位大脑中动脉（MCA）

注意： 进行fTCD实验时，必须对CBFV进行10–90分钟或更长时间的监测。因此，固定装置（图5）对于保持稳定性至关重要。

1. 安装固定装置
   1. 通过目视检查，将固定装置（图5）调整至受试者头部的大致尺寸。
   2. 在将头戴装置放置于受试者头部之前，应提前告知受试者。将头戴装置戴在受试者头上。
      注意： 如果受试者头发较长或较厚，可能需要根据所使用的固定装置情况将头发扎起。
   3. 调整固定装置的贴合度，并询问受试者装置是否过紧。
      注意： 装置应足够紧固，以确保轻微碰撞时不会移动，但又不能过紧，以免受试者感到不适。

2. 定位大脑中动脉（MCA）信号
   1. 松开固定装置的锁定机构，该装置用于固定换能器（例如，通过逆时针旋转旋钮来松开图5中所示的机构），以便换能器可自由移动。
   2. 在向换能器涂抹耦合剂前，应提前告知受试者（换能器应已在2.1节中就位），并提醒其耦合剂可能感觉较凉（如果储存于室温条件下）。
   3. 在换能器表面涂抹足量超声耦合剂，以完全覆盖其表面。
   4. 调节固定装置，使换能器位于1.4.6步骤中标记位置的正上方。
   5. 按照1.4.1–1.4.3步骤所述方法，寻找最佳的大脑中动脉（MCA）频谱信号。始终力求获得尽可能高的血流速度频谱信号。
      注意：与手动经颅多普勒（TCD）相比，使用固定装置定位MCA时，其最佳探测深度可能略有差异（最多相差1–2 mm），这是因为固定装置在保持耦合剂密封的同时，可能使换能器略微远离头皮。
   6. 当找到最佳MCA频谱信号后，拧紧固定装置的锁定机构，以固定换能器位置。记录此时的探测深度及其他所有参数设置。
   7. 在确保频谱包络能够准确追踪最大血流速度的前提下，尽可能降低输出功率（参见步骤1.1.1）。
   8. 对于双侧监测，在对侧重复执行步骤2.2.1–2.2.7。

3. 执行屏气动作

注意： 本节作为功能实验的示例，说明可使用第1节和第2节所述实验装置进行的实验。

1. 完成第1节和第2节中描述的所有步骤。
2. 在TCD软件中开始记录。
3. 正常呼吸3分钟，以获得良好的基线记录，并使脑血流速度（CBFV）从先前的实验或刺激中恢复稳定。
4. 从三开始缓慢倒数。数到一时，要求受试者在正常吸气后开始屏气。
   注意：受试者不应深吸气，因为这会降低肺内二氧化碳浓度，从而降低观察到由脑血管反应性引起的CBFV升高的可能性。受试者还应避免进行瓦尔萨尔瓦动作（Valsalva maneuver），即在屏气时显著增加胸内压。
5. 在TCD记录中标记屏气开始的时间点。
6. 让受试者屏气30秒，或直至其感到无法继续屏气为止。
7. 当受试者吸气时，在TCD记录中标记屏气结束的时间点。
8. 在屏气结束后，继续使用TCD监测CBFV并记录至少30秒，以确保CBFV恢复至基线水平。

表1：不同年龄的MCA深度。

年龄	大脑中动脉深度（mm）
0–3个月	25
3–12个月	30
1–3岁	35–45
3–6岁	40–45
6–10岁	45–50
10–18岁	45–50
>18岁	50

结果

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Aquasonic	Parker Laboratories, Inc., Fairfield, NJ, USA	01-50	超声耦合剂
Doppler Box X	DWL Compumedics Gmbh, Singen, Germany	型号 "BoxX"	配备2-MHz监测探头的经颅多普勒超声仪
Kimwipes	Kimberly-Clark Professional	34256	精密作业擦拭纸
Transeptic	Parker Laboratories, Inc., Fairfield, NJ, USA	09-25	清洁喷雾剂