Name: 儿童使用功能经颅多普勒超声评估大脑偏侧（fTCD） (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2010-09-27T00:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 44 s
Description: 了解功能经颅多普勒超声技术，用于评估儿童大脑语言功能偏侧化。该方法通过监测大脑中动脉血流，计算偏侧化指数，为儿童认知发展研究提供无创、便携且经济的检测手段。

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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。

1. 使用功能性经颅多普勒超声（fTCD）评估儿童语言偏侧化
<ol>
 <li> 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。</li>
 <li> 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。</li>
 <li> 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。</li>
 <li> 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。</li>
 <li> 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。</li>
 <li> 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。</li>
 <li> 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。</li>
 <li> 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 (<a href="http://www.transcranial.com/">http://www.transcranial.com/</a>)，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。</li>
 <li> 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。</li>
 <li> 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。</li>
 <li> 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。</li>
 <li> 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）。</li>
 <li> 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。</li>
 <li> 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。</li>
 <li> 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。</li>
 <li> 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。</li>
 <li> 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。</li>
</ol>

2. 典型结果
<img src="/files/ftp_upload/2161/2161fig1.jpg" alt="脑解剖图；标注了用于教育研究的大脑皮层区域。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图 1"> 
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：<a href="http://en.wikipedia.org/wiki/File:Gray517.png">http://en.wikipedia.org/wiki/File:Gray517.png</a>）
<img src="/files/ftp_upload/2161/2161fig2.jpg" alt="实验序列的时间线示意图：视频片段、讨论、38秒的休息期。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图2"> 
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。
<img src="/files/ftp_upload/2161/2161fig3.jpg" alt="多普勒速度图；左右血流数据随时间（秒）的变化；生理学研究。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图3"> 
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。
<img src="/files/ftp_upload/2161/2161fig4.jpg" alt="显示左右血流动力学的多普勒速度图；时间与速度关系；数据分析方法。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图 4"> 
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。
<img src="/files/ftp_upload/2161/2161fig5.jpg" alt="语音期间左右血流速度对比的多普勒速度分析图；结果图示。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图5"> 
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：<a href="http://psyweb.psy.ox.ac.uk/oscci/Miscellaneous.htm">http://psyweb.psy.ox.ac.uk/oscci/Miscellaneous.htm</a>

<ol><li>Bishop, D. V. M. Handedness and developmental disorder. , Blackwell Scientific, J.B. Lippincott. Philadelphia. (1990).</li>
<li>Pelletier, I., Sauerwein, H., Lepore, F., Saint-Amour, D., Lassonde, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-invasive+alternatives+to+the+Wada+test+in+the+presurgical+evaluation+of+language+and+memory+functions+in+epilepsy+patients%5BTitle%5D)+AND+%22Epileptic+Disorders%22%5BJournal%5D)">Non-invasive alternatives to the Wada test in the presurgical evaluation of language and memory functions in epilepsy patients.</a> Epileptic Disorders. 9, 111-126 (2007).</li>
<li>Deppe, M., Ringelstein, E. B., Knecht, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+investigation+of+functional+brain+lateralization+by+transcranial+Doppler+sonography%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">The investigation of functional brain lateralization by transcranial Doppler sonography.</a> NeuroImage. 21, 1124-1146 (2004).</li>
<li>Knecht, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Noninvasive+determination+of+language+lateralization+by+functional+transcranial+Doppler+sonography+%3A+A+comparison+with+the+Wada+test%5BTitle%5D)+AND+%22Stroke%22%5BJournal%5D)">Noninvasive determination of language lateralization by functional transcranial Doppler sonography : A comparison with the Wada test.</a> Stroke. 29, 82-86 (1998).</li>
<li>Lohmann, H., Drager, B., Muller-Ehrenberg, S., Deppe, M., Knecht, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Language+lateralization+in+young+children+assessed+by+functional+transcranial+Doppler+sonography%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Language lateralization in young children assessed by functional transcranial Doppler sonography.</a> Neuroimage. 24, 780-790 (2005).</li>
<li>Bishop, D. V. M., Watt, H., Papadatou-Pastou, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+efficient+and+reliable+method+for+measuring+cerebral+lateralization+during+speech+with+functional+transcranial+Doppler+ultrasound%5BTitle%5D)+AND+%22Neuropsychologia%22%5BJournal%5D)">An efficient and reliable method for measuring cerebral lateralization during speech with functional transcranial Doppler ultrasound.</a> Neuropsychologia. 47, 587-590 (2009).</li>
<li>Deppe, M., Knecht, S., Henningsen, H., Ringelstein, E. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((AVERAGE%3A+a+Windows+program+for+automated+analysis+of+event+related+cerebral+blood+flow%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">AVERAGE: a Windows program for automated analysis of event related cerebral blood flow.</a> Journal of Neuroscience Methods. 75, 147-154 (1997).</li>
<li>Whitehouse, A. J. O., Bishop, D. V. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cerebral+dominance+for+language+function+in+adults+with+specific+language+impairment+or+autism%5BTitle%5D)+AND+%22Brain%22%5BJournal%5D)">Cerebral dominance for language function in adults with specific language impairment or autism.</a> Brain. 131, 3193-3200 (2008).</li>
<li>Illingworth, S., Bishop, D. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Atypical+cerebral+lateralisation+in+adults+with+compensated+developmental+dyslexia+demonstrated+using+functional+transcranial+Doppler+ultrasound%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+and+Language%22%5BJournal%5D)">Atypical cerebral lateralisation in adults with compensated developmental dyslexia demonstrated using functional transcranial Doppler ultrasound.</a> Brain and Language. 111, 61-65 (2009).</li>
<li>Whitehouse, A. J. O., Bishop, D. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hemispheric+division+of+function+is+the+result+of+independent+probabilistic+biases%5BTitle%5D)+AND+%22Neuropsychologia%22%5BJournal%5D)">Hemispheric division of function is the result of independent probabilistic biases.</a> Neuropsychologia. 47, 1938-1943 (2009).</li>
<li>Whitehouse, A. J. O., Badcock, N., Groen, M. A., Bishop, D. V. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reliability+of+a+novel+paradigm+for+determining+hemispheric+lateralization+of+visuospatial+function%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+International+Neuropsychological+Society%22%5BJournal%5D)">Reliability of a novel paradigm for determining hemispheric lateralization of visuospatial function.</a> Journal of the International Neuropsychological Society. 15, 1028-1032 (2009).</li>
</ol>

无利益冲突声明。

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。

A correction was made to <a href="http://www.jove.com/video/2161">Assessment of Cerebral Lateralization in Children using Functional Transcranial Doppler Ultrasound (fTCD)</a>. There was a misstated time interval for the point of interest.

Erratum: Assessment of Cerebral Lateralization in Children using Functional Transcranial Doppler Ultrasound (fTCD)

<table><tbody><tr><td>支持升级至双通道 MultiFlow 监测的 Multi-Dop T</td><td>Compumedics</td><td>5610 EN</td><td>即将被数字版本取代</td></tr><tr><td>头戴式探头</td><td>Spencer Technologies, 701&amp;#8211;16th Avenue, Seattle,WA 98122</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

使用功能性经颅多普勒超声（ftcd）评估儿童大脑偏侧化

Assessment of Cerebral Lateralization in Children using Functional Transcranial Doppler Ultrasound (fTCD)

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。

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。

使用功能性经颅多普勒超声（fTCD）评估儿童大脑偏侧化

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……

本实验的总体目标是采用一种适合儿童的方法，确定大脑语言功能的偏侧化。首先，在头部放置超声探头，监测大脑两侧半球大脑中动脉的血流速度；其次，在受试者执行语言任务的同时，持续监测其血流变化。该操作流程的第三步是在执行语言任务的目标时间段内，提取左半球和右半球的平均多普勒信号。流程的最后一步是分析左右半球激活程度的差异，以计算偏侧化指数。正值表示左侧偏侧化，负值表示右侧偏侧化。最终可以获得用于比较不同年龄儿童或有无发育障碍群体之间大脑偏侧化特征的结果。该技术相较于现有方法（如功能性磁共振成像）的主要优势在于，受试者无需保持静止，且该方法相对经济便携。本实验操作将由我实验室的研究助理 Georgina Holt 和博士后研究员 Nick Badcock 演示。本视频将演示如何使用功能性经颅多普勒超声（FTCD）对儿童的语言偏侧化进行短期评估。该系统包括一台多普勒超声设备，其超声探头连接在头戴装置上，一台用于向受试者播放视频的刺激计算机，以及一套用于记录听觉反应的录音设备。在受试者到达前设置好多普勒设备。按照随附文本和产品手册中的说明检查所有连接，并确认已设定限值，以确保使用适当强度的超声波。在开始实验前，需确认儿童是否需要上厕所，并确保其处于舒适状态，因为实验持续时间为20至30分钟，大幅度的身体活动可能干扰多普勒信号。使用玩具动物向受试儿童演示多普勒耳机的佩戴方法。确保儿童愿意佩戴耳机，并将其舒适且稳固地佩戴好。在准备超声探头时，将多普勒系统切换至暂停状态。在每个探头上涂抹足量的超声耦合剂，以确保探头与皮肤之间保持最佳接触，同时让孩子观看DVD画面。将涂有耦合剂的探头置于颅骨两侧的颞窗位置。在耳部前方，此处颅骨最薄。启动多普勒探查，调整探头位置以清晰获取大脑中动脉信号。满意的信号具有特征性的声音和视觉波形。这是一个探针位置不当导致的异常视觉模式示例。请注意，此处无声音信号，这是该特征的表现。从位置正确的探头获取受试者心跳的低沉呼啸声。在保持良好信号的同时，尽可能降低功率，必要时可增加增益。当两侧大脑中动脉的信号均满意后，调低听觉输出，以便向儿童解释三步操作流程，可使用静态图片进行说明。好的，然后当我们观看了一小段视频后，你会看到这样一个符号。你知道这是什么吗？问号？是的。当你看到问号时，我想让你告诉我视频中发生了什么，你可以尽可能多地告诉我企鹅在做什么、它们在玩什么、它们在吃什么，任何你想说的内容都可以。然后，当你讲完视频中发生的事情后，你会看到一张图片，上面是一个男孩在说“嘘”。当你看到这个画面时，我希望你保持非常安静，一动不动，停止说话，不要再告诉我更多内容。好的。稍等片刻，视频将重新开始。启动录像设备并开始实验。在试验测试过程中，最好由一名实验人员负责确保儿童专注于任务，并记录他们所说的话。刚才那个发生了什么？他戴上了他女朋友的帽子然后出去了。非常好。他的帽子和围巾是什么颜色的？很好。非常好。做得好。第二步。实验人员应监测多导仪，以确保维持适当的信号。如果信号受到明显干扰，应暂停显示计算机，并重新调整探头，必要时可增加导电胶。观察儿童的行为，确保其处于舒适和放松的状态。以下为一次试验的示例。刺激计算机上的程序精确控制事件的时间进程，并向多普勒数据文件发送标记脉冲，以标明语言激活期的开始。对于儿童的这一实验过程，我们记录30次试验。为了准确估计偏侧化，建议至少进行20次试验。实验过程结束后，停止多通道记录并移除探头。使用纸巾去除受试者身上多余的凝胶。给儿童一些小奖励，以感谢他们的参与。这是一段干净的原始血流速度数据记录。在一次实验过程中，每个可见的脉冲对应一次心跳。指示刺激开始的事件标记以绿色显示。此处可见实验过程中的部分数据记录，此时信号质量较差，并出现间歇性丢失。这些部分会通过伪迹剔除程序自动从记录中移除。该图显示了左通道和右通道在所有可接受试次中 EPOCH 期间的平均信号。对于一组参与者，语言激活期以绿色阴影标出。该图显示了多普勒速度的左侧减右侧差值。用于偏侧性计算的关注时间段也以绿色标出。围绕差值速度的灰色阴影区域代表均值的标准误差（掌握后）。如果在完成开发后正确操作，该技术可在大约30分钟内应用。该技术为发展性神经心理学领域的研究人员探索学龄前儿童的大脑偏侧化奠定了基础。

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