Methodenartikel

Die Beurteilung der zerebralen Autoregulation über Oszillierende Lower Body Negative Pressure und Projection Pursuit Regression

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DOI:

10.3791/51082

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10. Dezember 2014

 ,  , 
1Department of Physical Medicine and Rehabilitation, Harvard Medical School, 2Cardiovascular Research Laboratory, Spaulding Hospital Cambridge

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Die zerebrale Perfusion wird über einen Bereich von Drücken durch zerebrale Autoregulation aufrechterhalten. Die Charakterisierung der Autoregulation erfordert jedoch ausgeprägte Druckschwankungen bei geregelten Frequenzen. Das beschriebene Protokoll wird zeigen, wie oszillatorischer Unterdruck des Unterkörpers Druckschwankungen erzeugen kann, um Daten für die Projektionsverfolgungsregression zur Quantifizierung der autoregulatorischen Kurve zu liefern.

Zusammenfassung

Der Prozess, durch den cerebralen Perfusionsdruck konstant über einen weiten Bereich von systemischen Drücken gehalten wird als "cerebrale Autoregulation." Wirksame Feuchtströmungs gegen Druckänderungen tritt über Zeiträume von nur ~ 15 sec und progressiv größere über längere Zeiträume. So werden langsamere Veränderungen des Blutdrucks wirksam abgestumpft und schneller Veränderungen oder Schwankungen passieren zu Hirndurchblutung relativ unberührt. Die Hauptschwierigkeit bei der Charakterisierung der Frequenzabhängigkeit der zerebralen Autoregulation ist die fehlende prominente spontanen Schwankungen arteriellen Druck um den interessierenden Frequenzen (weniger als ~ 0,07 Hz oder ~ 15 s). Oszillierende Unterkörper-Unterdruck (OLBNP) eingesetzt werden, um Schwingungen im zentralen venösen Rückfluss, die im arteriellen Druckschwankungen bei der Frequenz von OLBNP führen zu generieren. Außerdem Projection Pursuit Regression (PPR) stellt eine nichtparametrische Verfahren, um dadurch gekenn¬ zeichnete lineare Beziehungen immanent ohne a priori-Annahmen und zeigt die charakteristischen Nichtlinearität des zerebralen Selbstregulations. OLBNP erzeugt stärkere Schwankungen des Arteriendrucks als die Frequenz des negativen Druckschwingungen langsamer werden; jedoch Schwankungen in den zerebralen Blutfluss zu progressiv geringeren. Daher zeigt das PPR eine immer wichtigere autoregulatorischen, auf OLBNP Frequenzen von 0,05 Hz und darunter (20 sec Zyklen). Ziel dieser Vorgehensweise ist, um laborgestützten Ermittlung der charakteristischen nichtlinearen Beziehung zwischen Druck und Hirnstrom zu ermöglichen und könnte einen einzigartigen Einblick zu integrieren zerebrovaskuläre Steuer Verfügung stellen sowie die physiologischen Veränderungen Basiswert beeinträchtigt zerebralen Autoregulation (zB nach Schädelhirntrauma, Schlaganfall usw.).

Einleitung

Der Prozess, durch den Hirndurchblutung wird über einen weiten Bereich der systemischen Druck wird als Original-Beobachtungen der Hirnstrom Antworten 1 bekannt "zerebrale Autoregulation." Konstant gehalten unterstützt eine Gegenregulation gegen Änderungen des arteriellen Druck, die für das tägliche Regulierung von großer Bedeutung ist zerebraler Perfusion. Obwohl Charakterisierung der Autoregulation wurde auf Studien zur nachhaltigen, kontrollierten Hypo- und Hypertonie basiert, 2,3 wurde erkannt, dass druckbedingte Widerstandsänderungen sind "eine oszillierende Prozess" 3 umfasst Änderungen von 10 bis 90 Sek. 4 Weiterhin wurden innerhalb der vergangenen zwei Jahrzehnten Messung des zerebralen Blutströmungsgeschwindigkeit auf einer Schlag-für-Schlag-Basis 5 wurde gezeigt, daß Hirnstrom über Zeiträume von nur wenigen Herzschläge geregelt. 6,7 Diese Schlag-zu-Schlag-Daten legen nahe, dass eine wirksame Dämpfung der Strömung gegen Druckänderungen erfolgt überZeiten so kurz wie ca. 15 s, und es wird zunehmend größere über längere Zeiträume. 8 Somit wird die Beziehung zwischen Druck und Strömung als ein Hochpaßfilter 7,9-12 wobei langsamer Änderungen des Blutdrucks wirksam abgestumpft und schneller Schwingungen passieren durch relativ unberührt.

Die Hauptschwierigkeit bei der Charakterisierung der Frequenzabhängigkeit der zerebralen Autoregulation ist die fehlende prominente spontanen Schwankungen arteriellen Druck um den interessierenden Frequenzen (weniger als ~ 0,07 Hz oder ~ 15 s). Ohne ausreichend große Druckschwankungen, kann man nicht genau zu quantifizieren, die Hirndurchblutung Antwort. Unser Labor hat mit dieser Einschränkung mit einer Technik wie Schwingungsunterkörper-Unterdruck (OLBNP) bekannt behandelt. Dies schafft Schwanzvenenblutvolumenverschiebungen proportional zu dem Pegel des Unterdrucks in dem Tank aufgrund verminderter venöser transmuralen Druck. Wenn die negative Druckbehälterverordre wird in festgelegten Intervallen angewendet wird, die Schwingungen im Zentrum von venösen Rück Ergebnis im arteriellen Druckschwankungen bei der Frequenz von OLBNP. Dieser Ansatz wurde in mehreren Studien für verschiedene Laboratorien verwendet worden. 8,14-17 Dies schafft Schwanzvenenblutvolumenverschiebungen proportional zur Höhe des Unterdrucks in dem Tank aufgrund verminderter venöser transmuralen Druck. Wenn der Unterdruck in bestimmten Intervallen angewendet wird, die Schwingungen im zentralen venösen Rück ergeben arteriellen Druckschwankungen bei der Frequenz OLBNP. Dieser Ansatz wurde in mehreren Studien über verschiedene Labors eingesetzt. 8,15-18

Selbst mit einem Ansatz, der prominente Schwankungen im arteriellen Druck um den interessierenden Frequenzen erzeugen kann, gibt es ein erschwerender Faktor: Es gibt deutliche Hinweise auf die Nichtlinearität in der zerebralen Autoregulation, insbesondere bei den niedrigsten Frequenzen 8 Darüber hinaus gibt es keine starke theoretische Führer.über die Art der in der zerebralen Selbstregulations vorliegenden Nichtlinearitäten. Daher verwenden wir einen atheoretische ist datengesteuerte Verfahren Projection Pursuit Regression (PPR) in unserer Analyse bekannt. 19 PPR eine nichtparametrische Verfahren, um nichtlineare Beziehungen die mit einem System ohne A-priori Annahmen über die Natur dieser Nichtlinearitäten zu charakterisieren. Dies ist ein entscheidender Vorteil für die Erfassung eines Systems, dessen Physiologie wird noch nicht durch expliziten lineare Modelle definiert. PPR zeigt, daß die charakteristischen Nichtlinearität des zerebralen Selbstregulations ähnelt dem "klassischen autoregulatorischer Kurve" first by Lassen 1959 beschrieben (Figur 1). 2,19 Das heißt, bleibt der cerebralen Durchblutung in einem bestimmten Bereich des Arteriendrucks relativ konstant, aber passiv verfolgt linear außerhalb dieses Bereichs. Diese Form wird noch deutlicher, wie arterielle Druckschwankungen langsamer. Daher ist lineare Analyse nicht ausreichend, um vollständig interrogate zerebralen Autoregulation und die Abhängigkeit von linearen Techniken wahrscheinlich verpasst wichtige Informationen.

In diesem Artikel werden wir ausführlich die Vorgehensweise sowohl für die Datenerfassung (Laborgeräte von OLBNP) und Analyse (PPR) wir nutzen, um zerebrale Autoregulation in Gesundheit und Krankheit zu charakterisieren.

Protokoll

1. Oszillierende Lower Body Negative Pressure (OLBNP)

  1. Geräte-Setup
    1. Elektrokardiogramm-Ableitung II (EVG): Befestigen Sie die drei (oder mehr) Elektroden an der Person Oberkörper zur Überwachung der Herzfrequenz während der gesamten Studie.
    2. Neopren-Rock: Verwenden Sie ein maßgeschneidertes Neopren-Rock, der das Thema in Unterkörper-Unterdruckkammer bis zu dem Beckenkamm abdichtet. Legte sie um den Brustkorb des Subjekts, bevor sie in den Tank auf dem Rücken angeordnet sind und sicherstellen, dass das EKG-Signal ist noch ausreichend. Stellen Sie sicher, dass es gemütlich, aber nicht so fest, um die Atmung zu beschränken ist.
    3. Lower Body Negative Pressure Chamber: Haben Sie das Motiv auf dem Rücken liegen auf dem Bett und manövrieren die LBNP Kammer unter ihnen. Wenn die LBNP Kammer hat einen verstellbaren Fahrradsitz (um Bewegungsartefakte ohne sie die Auswirkungen der Saug- minimieren), damit das Motiv ist komfortabel auf ihr sitzt. Verwenden Sie eine maßgeschneiderte Plexiglas Distanz Schnitt zu wa des SubjektsGröße ist, um die Kammer zu versiegeln. Verschließen Sie den Neoprenrock um die LBNP Kammer mit Klebeband.
    4. LBNP Kammer Druck: Schließen Sie das LBNP Kammer zu einem Standard-Druckgeber. Kalibrieren Sie den Druckgeber an mmHg.
    5. Wiederholen Zyklus Timer auf mechanische Ventil angebaute: Befestigen Sie die speziell angefertigten mechanischen Klappe und eines Wiederholungszyklus Timer auf die LBNP Kammer.
      HINWEIS: Ein Zeitrelais mit zwei Motoren, die eine mechanische Ventils angebracht wird zwischen Unterdruck und Umgebungsdruck zu wechseln. Die Zeitverzögerungsrelais wechselt die Spannung an die Motoren in einem festen Abstand zum Öffnen und Schließen eines Ventils zwischen der Kammer und dem Vakuum. Dies schafft eine LBNP Kammerdruck-Wellenform, die in etwa Rechteckform hat. Stellen Sie die Zykluszeit auf den gewünschten OLBNP Frequenz.
    6. Variable Transformer und Vakuum: Schließen Sie ein Standardhaushaltsstaubsauger mit dem mechanischen Ventil. Stecken Sie das Vakuum in eine Variable Transformator, der die Spannung auf der erlaubtVakuum gesteuert werden. Schalten Sie den Staubsauger und stellen Sie den Stelltransformator bis die Ziel LBNP Druck (zB 30 mm Hg) erreicht ist.
    7. Der arterielle Blutdruck: Befestigen nichtinvasiven photoplethysmographischen arteriellen Druckmanschetten (zB Portapres, Finapres) an dem Finger (n) einer Hand. Stellen Sie sicher, Genauigkeit durch Vergleich Druck oszillometrischen Druck der Oberarmarterie des anderen Arm.
    8. 2 MHz Transkranielle Dopplersonde und Fixiervorrichtung
      1. Verwenden Sie ein 2-MHz-Pulswelle Doppler-Sonde, um die M1-Segment der mittleren Hirnarterie im Tempel (dh die überzeitliche Fenster) Ultraschall erfassen.
      2. Alter Sondenwinkel, Beschallung Tiefe (~ 55 mm), Verstärkung und Sendeleistung, die spektrale Intensität des Signals zu maximieren.
      3. Befestigen Sie den Doppler-Sonde an Ort und Stelle mit einer Befestigungsvorrichtung, die keine Rückseite hat (dh nicht ein Stirnband), so dass Bewegungsartefakte nicht in das Signal als Freiwilliger Umzug eingeführts mit negativen Druckschwingungen.
        20 zerebrale Blutfluss kann einseitig oder beidseitig gemessen werden, aber kein Unterschied in der zerebralen Autoregulation zwischen Hemisphären zu erwarten, wenn eine lokalisierte Verletzungen wie Schlaganfall oder Schädel-Hirn-Verletzung vorliegt: Hinweis.
    9. Abgelaufene CO 2: Verwenden Sie einen Nasenkanüle mit einem Infrarot-CO2-Analysegerät angeschlossen, abgelaufene CO 2 zu überwachen und weisen Sie den Gegenstand nur durch die Nase atmen. Angesichts der tiefgreifenden Effekt arteriellen CO 2 hat auf Hirndurchblutung, 21 Monitor CO 2 zu jeder Studie.
  2. Datenerfassung
    1. Einrichten des Analog-Digital-Umwandlung des arteriellen Drucks, des zerebralen Blutflusses, LBNP Kammerdruck und abgelaufene CO 2 bis zu einem Minimum von 50 Hz pro Kanal erhalten. Erwerben EKG bei 1 kHz.
      HINWEIS: Während die nachfolgende Analyse befasst sich mit viel niedrigeren Frequenzinformationen (≤0.07 Hz), ist es critische, um die Qualität der Signale zu überwachen, die während einer Untersuchung erfasst. Eine Abtastrate von 50 Hz wird eine genaue Darstellung von Blutdruck und zerebrale Durchblutung zum Nachweis von Artefakten zu ermöglichen.
  3. Oszillierende LBNP Protocol
    1. Schalten Sie Vakuum und sicherzustellen, Tankdruck bei -30 mmHg stabil.
    2. Set Wiederholungszyklus-Timer auf 33 Sekunden für 0,03 Hz OLBNP.
    3. Einzustellen Doppler-Sonde (n), um eine optimale Signal gewährleisten.
    4. Erwerben Sie Daten für mindestens 15 Zyklen (500 Sekunden bei 0,03 Hz), um genügend Vertrauen in PPR Schätzungen zu gewährleisten. Wenn es die Zeit erlaubt, sammeln mehr Daten als das, wie es weiter verbessern das Signal-zu-Rausch-Verhältnis.
    5. Wiederholen Sie diese Schritte für alle Frequenzen zwischen 0,03 Hz-0.08 Hz durch Änderung der Wiederholungszyklus Einschaltdauer.
      HINWEIS: Wenden Sie Frequenzen, um aber nach dem Zufallsprinzip die Startfrequenz zwischen Themen variieren.

2. Projection Pursuit Regression (PPR)

  1. Datenvorverarbeitung
    1. Dezimierung und Tiefpaßfilterung
      1. Öffnen Sie Matlab. Geben Sie den Befehl "Daten = resample (Daten, 1, SR / 5)" (in dem SR ist die ursprüngliche Abtastrate), um den arteriellen Druck und Hirndurchblutung, um 5 Hz zu dezimieren.
        HINWEIS: Optional Tiefpaßfilter (19-ter Ordnung Chebyshev-Typ II) mit einem Cut-off von 0,4 Hz. Die Filterung ist überflüssig, da die nachfolgende Verarbeitung, sondern schafft mittlere Wellenformen, die nicht auf Spitzenerfassung der manchmal laut Arteriendrucks und des zerebralen Blutströmungssignale angewiesen sind.
    2. Artefaktbeseitigungs
      1. Mit den ursprünglichen nicht-dezimierten Signalformen als Leitfaden, entfernen Sie alle Abschnitte der Signale mit Artefakten und linear zu interpolieren. Wenn diese Abschnitte entfallen mehr als 10% der Aufzeichnungsdauer, entsorgen Sie die Aufnahme komplett.
        HINWEIS: An dieser Stelle werden die Wellenformen in geeigneter Weise für herkömmliche lineare Ansätze wie die Übertragungsfunktion Analyse verarbeitet.
    3. Bandpaßfilterung
      1. In Matlab ein: [B, A] = cheby1 (1,1, [F - F + 0,005 0,005] / (SRD / 2)) data = filtfilt (B, A, detrend (Daten, "linear") zu Band -pass filtern den Druck und Strömung in einem ± 0,005 Hz Band (1. Ordnung Chebyshev Typ I mit 1 dB Durchlaßbereich Welligkeit) um die Frequenz des OLBNP (Abbildung 2), wobei F die dominante OLBNP Frequenz ist SRD dezimierten Abtastrate Rate (5 Hz nach Schritt 2.1.1), und die "Daten" des dezimierten Signals (Arteriendruck oder Strömung).
        ANMERKUNG: Dies minimiert potenzielle Interferenz und erhöht das Signal-zu-Rausch-Verhältnis in den nachfolgenden PPR Analyse. Obwohl der vorherrschende arteriellen Druckschwankung an der Schwingungsfrequenz der Unterkörper-Unterdruck auftritt, kann Zufallsrauschen in den Signalen mit der Ableitung des Druck-Strömungs-Verhältnisse beeinträchtigen. Ergebnisse ohne Bandpassfilterung wird qualitativ ähnlich, aber die prozentuale Abweichung e seinXplained (dh, R 2) ist niedriger. 19
  2. Projection Pursuit Regression Schätzung
    HINWEIS: Mit der integrierten Funktion 'PPR' in R Sprache und Umgebung für statistische Berechnungen, und / oder über speziell geschriebenen Funktionen für andere Betriebssysteme, erzeugen einen einzigen Kamm-Funktion (M = 1) für den arteriellen Druck-Hirnstrom Verhältnis .
    1. In Matlab, geben Sie den Befehl "CVLabPPR (Druck, Durchfluss)". Geben Sie den Study ID als xxxyyy, wobei XXX die 3-stellige M-Studie Code und YYY ist die drei Ziffern für die Subjekt-ID. Geben Sie den Study Datum in folgendem Format: JJJJ-MM-DD. Geben Sie den numerischen Mess # (zB für Tag 1 "1").
    2. Geben Sie die APM (geben FP für finapress oder AL für Kunst-Linie). Geben Sie den Behälter (MCA, ACA oder PCA). Geben Sie "y" oder "n" auf die Abfrage "Wollen Sie mit der rechten MCA Messungen haben?" Geben Sie "y &# 8221; oder "n" auf die Abfrage "Wollen Sie MCA Messungen verlassen haben?"
      Hinweis:
      figure-protocol-1
      Für jeden Eingang (x t - arteriellen Blutdruck) und der Ausgang (y t - Hirndurchblutung) eine lineare autoregressive Übertragungsfunktion (Gleichung 1 - der Ausdruck innerhalb der Klammern) durch parametrische Kernfunktionen (k m bestanden; genannte Rippe Funktionen '), die durch Minimieren des mittleren quadratischen Fehler bestimmt werden. Projection Pursuit Regression kann mehr als einen Kamm-Funktion (dh M> 1). Allerdings, auch wenn sie die mittlere quadratische Fehler zu reduzieren, kann die Auslegung der Rippe Funktionen aufgrund möglicher Wechselwirkungen zwischen ihnen zu verdecken. Da der Hauptzweck ist es, eine Beziehung zwischen Arteriendrucks und des zerebralen Blutflusses, CA erhaltenn physiologisch interpretiert werden sollte PPR nur eine Rippe Funktion (M = 1) begrenzt werden.
    3. Stückweise lineare Parametrierung. Parametrieren Sie den Bergrücken Funktion als stückweise lineare Funktion für die anschließende statistische Analyse (Abbildung 3). Für Matlab verwenden Bruno Luong Free-Knoten Spline-Annäherung. Geben Sie den Befehl "BSFK (x, y, k, nknots)", in dem k = 2 für eine lineare Anpassung und nknots = 3 für drei Regionen.
      ANMERKUNG: Dies identifiziert die Stellen, wo die arterielle Druck-Hirnstrombeziehung ändert, und die Bereiche, wobei die Beziehung ungefähr linear ist Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der Ergebnisse.. Die Verstärkung (dh die lineare Steigung) der Druck-Strömungsbeziehung innerhalb jedes Bereichs liefert ein Maß für die Wirksamkeit des zerebralen Selbstregulations innerhalb dieser Region. Eine niedrigere Verstärkung gibt effektivere Gegenregulation von Druckschwankungen während höhere Gewinne zeigen mehr passive flow Reaktionen auf Druckänderungen.

Ergebnisse

OLBNP Amplituden von 10 mmHg 22 bis 120 mmHg 17 in Blutdruckoszillationen verwendet, um arterielle Druckschwankungen zu erhöhen, aber 30 mmHg OLBNP reicht 23,24 und nicht über die Regulationsfähigkeit des cerebrovasculature. 17 dieser Ebene der OLBNP Ergebnisse, die sind ca. 15-20 mmHg in Höhe bei 0,03 Hz, die nicht größer als die Blutdruckveränderungen auftreten, wenn man vom Sitz zu stehen ist. 25 Es gibt einige Einschränkungen auf den Bereich, in dem OLBNP können arterielle Druckschwankungen zu generieren. Autoregulation erst bei ~ 0,07 Hz und langsamer aktiv, so dass die obere Grenze ist nicht ein Problem. Doch die Schwierigkeit bei der Erzeugung von niederfrequenten Schwingungen unter 0,03 Hz ist, dass die Herz-Kreislauf-System Gegen regelt gegen die LBNP induzierte arterielle Druck ändert, bevor der Zyklus beendet ist. Wie Abbildung 4 zeigt, bei 0.025 Hz OLBNP wir tatsächlich sehen die größte Spitze in derarterielle Druckschwankungen bei 0,05 Hz. Während der Frequenzgang des zerebralen Selbstregulations kann von 0,03 Hz bis 0,08 Hz, dadurch gekennzeichnet die Zeitskalen, innerhalb dessen die Autoregulation aktiv ist, 23,24 0,03 Hz und 0,08 Hz OLBNP ausreichen definieren da sie eine Reihe von autoregulatorische Funktion (dh ein ausgesprochen autoregulatorische Region keine oder bescheiden).

OLBNP erzeugt stärkere Schwankungen des Arteriendrucks als die Frequenz des negativen Druckschwingungen langsamer werden. Figur 5 zeigt den arteriellen Druck und die daraus folgende zerebralen Blutfluß Schwankungen OLBNP von 0,08 Hz (12,5 sec Zyklen) bis 0,03 Hz (33 sec Zyklen). Bei den höheren Frequenzen schwankt Hirndurchblutung im Konzert mit arteriellen Druck. Das PPR zeigt dies; gibt es eine proportionale lineare Beziehung zwischen Arteriendruck und zerebrale Durchblutung bei den höheren Frequenzen von 0,08 Hz, 0,07 Hz (14 sec Zyklen) und 0,06 Hz (16,6 sec Zyklen). Bei niedrigeren Frequenzen OLBNP, obgleich arterielle Druckschwankungen grßer werden, Schwankungen in der Hirndurchblutung sind zunehmend wirksam gedämpft. Daher zeigt das PPR eine immer wichtigere autoregulatorischen, auf OLBNP Frequenzen von 0,05 Hz (20 s-Zyklen), auf 0,04 Hz (25 s-Zyklen), auf 0,03 Hz. In dem gezeigten Beispiel, bei 0,03 Hz, die PPR-Kurve deutlich ähnelt dem "klassischen autoregulatorischen Kurve" von Lassen (Abbildung 1) beschrieben. Wir haben zuvor gezeigt, daß diese Beobachtung kann nicht einfach durch die Erhöhung der Grße der arteriellen Druckschwankungen erläutert, wenn die Frequenz der Schwingungen langsamer zu werden. Wir haben zuvor aufgebracht PPR, um Daten von 48 Personen in verschiedenen Grßen OLBNP (somit unterschiedlich große Druckschwankungen). 19 Während wir nicht ausdrücklich eine Potentialbeziehung zwischen dem autoregulatorischen Bereich, und der Grße der Druckschwankungen zu erkunden, haben wir erneutportiert, dass die Variation in autoregulatorischen Bereich nur ~ 6%. Somit vorherige Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Änderung der PPR-Kurve mit der Frequenz kann nicht vollständig durch eine Änderung in der Größe der Druckschwankungen erläutert. In der gleichen Studie untersuchten wir, ob die PPR Charakterisierung der Autoregulation ist reproduzierbar in getrennten Sitzungen. Diese Analyse zeigte, dass die Neigung der Autoregulationsbereich bei 0,03 Hz OLBNP veränderte sich nicht (Lin Konkordanz = 0,96, p <0,001) und somit die nicht-lineare Druck-Fluss-Verhältnis ist konsistent über Studientage.

Obwohl der zerebrovaskulären Bett ist gut mit sympathischen Nervenfasern innerviert, ihre Rolle in der Autoregulation wurde nicht durchgesetzt. 26 Daher einige unserer bisherigen Arbeit erforscht die Rolle, die das sympathische Nervensystem in zerebrovaskulären Autoregulation 24. Wir fanden eine klare Rolle für das sympathische Nervensystem bei der Regulierung der Hirnstrom, aber wir were nicht möglich aufgrund der Beschränkungen von linearen Methoden zur Charakterisierung der Autoregulation zu charakterisieren, wie die Beziehung verändert unter Entfernung des sympathischen Auswirkungen dar. 6 zeigt die Ergebnisse von PPR Anwendung Daten vor (Grundlinie) und nach Sympathikusblockade bei 0,05 Hz. Die Gesamtkurve wird deutlich linear. Außerdem PPR Analyse von 0,03 Hz Daten wo Autoregulation am deutlichsten gezeigt, dass der Bereich der autoregulatorischen Region bleibt unverändert, aber die Steigung innerhalb dieser Region erhöht, was weniger wirksam Autoregulation (Abbildung 7).

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Abbildung 1. Der "klassische" autoregulatorische Kurve aus der Beziehung zwischen statischer zunimmt abgeleitet und nimmt in Druck und stationären Gehirndurchblutung. Eine Region der unveränderliche Strömung despite ändernden Druck (dh Steigung = 0) nach Regionen begrenzt, bei zunehmender und abnehmender Druck ergibt proportionale Hirndurchblutung ändert.

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Abbildung 2. Die Vorverarbeitung notwendig PPR Analyse durchzuführen. Die Signale werden zuerst in 5 Hz und dann Bandpass bei einer Frequenz von OLBNP filtriert (± 0,005 Hz) dezimiert.

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Abbildung 3. Parameter der zerebralen Autoregulation Kurve von PPR Analyse des arteriellen Blutdrucks und Hirndurchblutung bei 0,03 Hz OLBNP abgeleitet.

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Figure 4. Leistungsspektrum zeigt die Größe der Fluktuationen in arteriellen Druck bei OLBNP Frequenz unterhalb 0,03 Hz (33-Sekunden-Zyklus). Beachten Sie, dass es zwei große Spitzen in der arteriellen Druck Spektralleistung bei 0,025 und 0,05 Hz (40 und 20 sec Zyklus), jedoch gibt es nur einen einzigen Peak in der LBNP Spektralleistung bei 0.025 Hz. Darüber hinaus ist der größte Druckschwankung bei 0,05 Hz und würde die Auslegung der Hirndurchblutung Antworten zu verwechseln.

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Figur 5. Beispiel der Auswirkungen OLBNP 0,08-0,03 Hz auf Arteriendruck und zerebrale Durchblutung. Arterielle Druckschwankungen größer werden mit langsamer OLBNP wohin zerebralen Blutflussschwankungen kleiner. Diese autoregulatorische Funktion wird durch die Ergebnisse der in den Bodenplatten gezeigt PPR Analyse beschrieben. Ter autoregulatorische Region des zerebralen Blutflusses fortschreitend stärker mit langsamer OLBNP.

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Abbildung 6: Individuelle und gemittelt PPR autoregulatorischen Kurven von 0,05 Hz OLBNP Daten bei Patienten vor (Baseline) und nach Sympathikusblockade. Beachten Sie, dass der Verlust der engen autoregulatorische Region nach Sympathikusblockade.

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Abbildung 7. Durchschnitt der PPR-Parameter von 0,03 Hz OLBNP Daten vor und nach Sympathikusblockade. Sympathische Blockade hatte einen ausgeprägten Effekt auf die zerebrale Autoregulation Kurve innerhalb des Autoregulationsbereich, deutlich Erhöhung der Steigung (dh mehr proportional Hirnstromänderungen mit Druckänderungen ).

Diskussion

Genaue Definition Eingabe-Ausgabe-Beziehungen können erfordern, dass der Eingang (in diesem Fall Druck) aktiv verändert über einen ausreichend breiten Bereich, um die Ausgangsantwort zu beobachten. Jedoch sind spontan auftretenden Druckschwankungen innerhalb der Frequenzen der zerebralen Selbstregulations äußerst widersprüchlich und in der Amplitude klein. 27. Dies ist der Grund, daß die spontane Änderungen des Drucks und der Strömungs zeigen eine Beziehung mit Perioden hoher Korrelation und Perioden von extrem geringen Korrelation und Schwingungen Hirndurchblutung scheinbar ohne ersichtlichen arteriellen Druck Laufwerk angezeigt. 28 OLBNP 22 eine kritische Technik eine konsistente arteriellen Druckschwingungen unterschiedlicher Frequenz und Amplitude zu schaffen, um Hirndurchblutung Antworten bewerten. Zwar gibt es auch andere Ansätze, die eine ähnliche Sonde liefern könnte, ermöglicht diese Vorgehensweise für die strengen Tests der frequenz- und / oder amplitudenabhängigen Beziehung Wetteschen Arteriendruck und zerebrale Blutflussgeschwindigkeit.

Vor Forschung lotet mögliche Messwerkzeuge für zerebrale Autoregulation haben lineare Modelle für die Beziehung zwischen arteriellen Druck und Hirndurchblutung (zB Übertragungsfunktion Analyse) verwendet. Eine enge lineare Beziehung zwischen Druck und Strömungsvorgänge ohne Dämpfung beobachtet wird, wenn der Druckschwankungen sind relativ schnell, dh> ~ 10 sec. Allerdings langsamere Schwingungen (> ~ 20 sec) erzeugen eine Beziehung zwischen Druck und Volumenstrom wird, dass immer weniger linear zusammen. 8,24 Wenn die Beziehung ist nicht sehr linear verbundenen (niedrige R 2, niedrige Querspektralen Kohärenz) kann man nicht irgendwelche Vertrauen in die Genauigkeit der linearen Maßnahmen wie Übertragungsfunktion Verstärkung und Phase. Der Mangel an lineare Beziehung zeigt die Anwesenheit von wichtigen Nichtlinearitäten, die charakteristisch für cerebrale Autoregulation sind. In der Tat, ihrer Natur nach, autoregulatiauf nicht zugänglich ist, um eine Charakterisierung durch lineare Ansätze; Linear Ansätze Anwesenheit oder Abwesenheit der Autoregulation zeigen, kann aber nicht beschreiben seine Eigenschaften und seine Wirksamkeit.

Es gibt Methoden, die vergleichbar sind mit linearen Methoden in ihrer Einfachheit, aber das nichtlineare Beziehungen zwischen Eingang (Druck) und Ausgang (Flow) Variablen zu beurteilen kann. Projection Pursuit Regression ist lediglich eine nichtparametrische, atheoretische, multiple Regressionsmethode 29,30, die eine a priori-Modell nicht postulieren, noch übernehmen wir keine Linearität in der Input-Output-Verhältnis. Das sind klare Vorteile für die Charakterisierung eines Systems, das nicht vollständig verstanden wird. Es sollte jedoch beachtet werden, dass mehr als eine Rippe Funktion wird die prozentuale Abweichung zu erhöhen erklärt, aber auf Kosten der Verschleierung physiologischen Interpretation der charakteristischen Beziehungen werden. Daher ist es empfehlenswert, Projection Pursuit Regression nur eine Rippe fu begrenztnktion. Ungeachtet dessen kann der PPR-Ansatz mit einer einzigen Rippe Funktion skizziert einen signifikanten Anteil der Abweichung in der Beziehung zwischen den arteriellen Druck und zerebrale Blutfluß erläutern und zeigen die charakteristische nichtlineare Beziehung, die konsistent Individuen ist.

Einschränkungen und mögliche Änderungen

Oszillierende Unterkörper-Unterdruck erfordert spezielle und aufdringlich Geräte und Verfahren und damit nicht für Klinik basiert Einschätzungen angemessen. Es ist möglich, dass ruhende Aufnahmen von ausreichender Länge können ausreichende Daten für PPR Analyse der zerebralen Selbstregulations bereitzustellen. Jedoch zeigten früheren Arbeiten, dass Projektion Verfolgung Regressions ruhender Daten führt deutlich schlechter als Analyse von 0,03 Hz OLBNP Daten. Obwohl Druckströmungsverhältnisse in Ruhe und unter 0,03 Hz OLBNP quantifiziert verwandt sind, einfach schlägt 19 die bescheidene Entsprechung, dass die Druck-Fluss Relationshin Ruhe geschätzt ips nicht zuverlässig die Ansichten von 0,03 Hz OLBNP abgeleitet. Eine Lösung könnte sein, konsistente und größere Amplitude Druckschwankungen innerhalb der Frequenzen der Autoregulation über langsame, tiefe Atem eucapnic oder wiederholter Squat-Stand Manöver zu generieren. Diese Verfahren haben gezeigt, dass zuverlässig große Druckschwankungen, Änderungen in einem ausreichend breiten Bereich bereitzustellen, um den zerebralen Blutfluss Reaktionen beobachten kann zu erzeugen. 31,32

Obwohl im Durchschnitt kann Projektion Verfolgung Regression eine erhebliche Menge der Beziehung zwischen arteriellen Druck und Gehirnstromschwankungen erklären, erklärte Varianz kann in wenigen Fällen (~ 6% 19) niedrig sein. Niedrige Leistung könnte ableiten, beispielsweise von Atemmuster, wenn Frequenz und Tidalvolumen werden nicht erfasst. Jeder physiologischen Test hat jedoch einige abweichende Beobachtungen, und dieser Ansatz ist keine Ausnahme. Schlechte Messungen in ~ 1 von 20 Beobachtungen sollten nichtt untergraben den potenziellen Nutzen des Ansatzes.

Zukünftige Anwendungen / Schlussfolgerungen

Die charakteristische Druck-Strömungs-Beziehung kann in einigen pathophysiologischen Bedingungen verändert werden, wie Schlaganfall 33 und traumatischer Hirnverletzung. 34 Wenn genaue Beziehungen könnten im klinischen Umfeld erfasst werden kann Projection Pursuit Regression der zerebralen Selbstregulations breitere Anwendung haben und nützlich als ein Assessment-Tool, wo OLBNP ist nicht verfügbar. Es ist möglich, dass einfache Manöver (zB tiefes Atmen, Oberschenkelmanschette, Sit-to-Stand) und / oder längere Laufzeit Ruhe Aufnahmen könnten in Druck-Fluss-Beziehung, die verklagt können zerebrale Autoregulation vergleichbare Daten OLBNP abzuleiten führen. Dennoch konnte laborgestützten Bestimmung der verschiedenen Regulierungssysteme und deren Beitrag zu den Nichtlinearitäten der Autoregulation einzigartigen Einblick auf zerebrovaskuläre Kontrolle bieten und ermöglichen diaGnosis von pathophysiologischen Veränderungen der zerebralen Autoregulation (zB nach Schädelhirntrauma).

Offenlegungen

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

Danksagungen

Diese Forschung wurde durch den Zuschuss HL-093113 des National Heart, Lung and Blood Institute unterstützt.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Transkranieller Doppler UltraschallCompumedics DWLMulti-Dop X digital  2 MHz Sonde
EKG und brachialer BlutdruckGEDash 2000
LBNP TankU. von Iowa BioengineeringKundenspezifisches
mechanisches VentilU. von Iowa BioengineeringKundenspezifischer
Repeat Cycle TimerMakromatikTR-50826-07
DruckmessumformerGould
Photoplethysmographic FingerdruckmessgerätFinapres Medical SystemsFinometer PRO
CO2 GasanalysatorVacuMed#17515 CO2 Analysator, Gold Edition
DatenerfassungssystemAD InstrumentsDatenerfassungssysteme - PowerLab

Referenzen

  1. Strandgaard, S., Paulson, O. B. Cerebral autoregulation. Stroke. 15, 413-416 (1984).
  2. Lassen, N. A. Cerebral blood flow and oxygen consumption in man. Physiol. Rev. 39, 183-238 (1959).
  3. Symon, L., Held, K., Dorsch, N. W. A study of regional autoregulation in the cerebral circulation to increased perfusion pressure in normocapnia and hypercapnia. Stroke. 4, 139-147 (1973).
  4. Rapela, C. E., Green, H. D. Autoregulation of Canine Cerebral Blood Flow. Circ. Res. 15, 205-212 (1964).
  5. Aaslid, R., Markwalder, T. M., Nornes, H. Noninvasive transcranial Doppler ultrasound recording of flow velocity in basal cerebral arteries. J. Neurosurg. 57, 769-774 (1982).
  6. Aaslid, R., Lindegaard, K. F., Sorteberg, W., Nornes, H. Cerebral autoregulation dynamics in humans. Stroke. 20, 45-52 (1989).
  7. Newell, D. W., Grady, M. S., Sirotta, P., Winn, H. R. Evaluation of brain death using transcranial Doppler. Neurosurgery. 24, 509-513 (1989).
  8. Hamner, J. W., Cohen, M. A., Mukai, S., Lipsitz, L. A., Taylor, J. A. Spectral indices of human cerebral blood flow control: responses to augmented blood pressure oscillations. J. Physiol. 559, 965-973 (2004).
  9. Blaber, A. P., et al. Complexity of middle cerebral artery blood flow velocity: effects of tilt and autonomic failure. Am J Physiol. 273, 2209-2216 (1997).
  10. Diehl, R. R., Linden, D., Lucke, D., Berlit, P. Spontaneous blood pressure oscillations and cerebral. 8, 7-12 (1998).
  11. Panerai, R. B., Rennie, J. M., Kelsall, A. W., Evans, D. H. Frequency-domain analysis of cerebral autoregulation from spontaneous fluctuations in arterial blood pressure. Med. Biol. Eng. Comput. 36, 315-322 (1998).
  12. Zhang, R., Zuckerman, J. H., Levine, B. D. Deterioration of cerebral autoregulation during orthostatic stress: insights from the frequency domain. J. Appl. Physiol. 85, 1113-1122 (1998).
  13. Wolthuis, R. A., Bergman, S. A., Nicogossian, A. E. Physiological effects of locally applied reduced pressure in. 54, 566-595 (1974).
  14. Esch, B. T., Scott, J. M., Warburton, D. E. Construction of a lower body negative pressure chamber. Adv. Physiol. Educ. 31, 76-81 (2007).
  15. Brown, C. M., Dutsch, M., Ohring, S., Neundorfer, B., Hilz, M. J. Cerebral autoregulation is compromised during simulated fluctuations in gravitational stress. Eur. J. Appl. Physiol. 91, 279-286 (2004).
  16. Hidaka, I., et al. Noise-enhanced heart rate and sympathetic nerve responses to oscillatory lower body negative pressure in humans. J. Neurophysiol. 86, 559-564 (2001).
  17. Tzeng, Y. C., Chan, G. S., Willie, C. K., Ainslie, P. N. Determinants of human cerebral pressure-flow velocity relationships: new insights from vascular modelling and Ca(2)(+) channel blockade. J. Physiol. 589, 3263-3274 (2011).
  18. Zhang, R., et al. Autonomic neural control of dynamic cerebral autoregulation in humans. Circulation. 106, 1814-1820 (2002).
  19. Tan, C. O. Defining the characteristic relationship between arterial pressure and cerebral flow. J. Appl. Physiol. 113, 1194-1200 (2012).
  20. Schmidt, E. A., et al. Symmetry of cerebral hemodynamic indices derived from bilateral transcranial Doppler. J. Neuroimaging. 13, 248-254 (2003).
  21. Paulson, O. B., Strandgaard, S., Edvinsson, L. Cerebral autoregulation. Cerebrovasc. Brain. Metab. Rev. 2, 161-192 (1990).
  22. Hamner, J. W., Morin, R. J., Rudolph, J. L., Taylor, J. A. Inconsistent link between low-frequency oscillations: R-R interval responses to augmented Mayer waves. J. Appl. Physiol. 90, 1559-1564 (2001).
  23. Hamner, J. W., Tan, C. O., Tzeng, Y. C., Taylor, J. A. Cholinergic control of the cerebral vasculature in humans. J. Physiol. 590, 6343-6352 (2012).
  24. Hamner, J. W., Tan, C. O., Lee, K., Cohen, M. A., Taylor, J. A. Sympathetic control of the cerebral vasculature in humans. Stroke. 41, 102-109 (2010).
  25. Narayanan, K., Collins, J. J., Hamner, J., Mukai, S., Lipsitz, L. A. Predicting cerebral blood flow response to orthostatic stress from resting dynamics: effects of healthy aging. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 281, 716-722 (2001).
  26. Lieshout, J. J., Secher, N. H. Point:Counterpoint: Sympathetic activity does/does not influence cerebral blood flow. Point: Sympathetic activity does influence cerebral blood flow. J. Appl. Physiol. 105, 1364-1366 (2008).
  27. Taylor, J. A., Carr, D. L., Myers, C. W., Eckberg, D. L. Mechanisms underlying very-low-frequency RR-interval oscillations in humans. Circulation. 98, 547-555 (1998).
  28. Giller, C. A., Mueller, M. Linearity and non-linearity in cerebral hemodynamics. Med. Eng. Phys. 25, 633-646 (2003).
  29. Friedman, J. H., Stuetzle, W. Projection pursuit regression. Am. Stat. Assoc. 76, 817-823 (1981).
  30. Friedman, J. H., Tukey, J. W. A projection pursuit algorithm for exploratory data analysis. IEEE Trans. Comp. 23, 881-889 (1974).
  31. Claassen, J. A., Levine, B. D., Zhang, R. Dynamic cerebral autoregulation during repeated squat-stand maneuvers. J. Appl. Physiol (1985). 106, 153-160 (2009).
  32. Taylor, J. A., Myers, C. W., Halliwill, J. R., Seidel, H., Eckberg, D. L. Sympathetic restraint of respiratory sinus arrhythmia: implications for vagal-cardiac tone assessment in humans. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 280, 2804-2814 (2001).
  33. Aries, M. J., Elting, J. W., De Keyser, J., Kremer, B. P., Vroomen, P. C. Cerebral autoregulation in stroke: a review of transcranial Doppler studies. Stroke. 41, 2697-2704 (2010).
  34. Rangel-Castilla, L., Gasco, J., Nauta, H. J., Okonkwo, D. O., Robertson, C. S. Cerebral pressure autoregulation in traumatic brain injury. Neurosurg. Focus. 25, 7(2008).

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