Summary
Funktionel transkranial Doppler ultralyd supplerer andre funktionelle billeddiagnostiske modaliteter, med sin høje tidsmæssige opløsning måling af stimulus-inducerede ændringer i cerebral blodgennemstrømning i basale cerebral arterier. Dette metodepapir giver trinvise instruktioner til brug af funktionel transkranial Doppler ultralyd til at udføre et funktionelt billedekspediment.
Abstract
Funktionel transkranial Doppler ultralyd (fTCD) er brugen af transkranial Doppler ultralyd (TCD) til at studere neural aktivering forekommer under stimuli såsom fysisk bevægelse, aktivering af taktile sensorer i huden, og se billeder. Neural aktivering udledes af en stigning i cerebral blodgennemstrømningshastighed (CBFV), der leverer den region af hjernen, der er involveret i behandling af sensorisk input. For eksempel forårsager visning af stærkt lys øget neural aktivitet i hjernebarkens occipitale lap, hvilket fører til øget blodgennemstrømning i den bageste hjernearterie, som leverer occipital lap. I fTCD bruges ændringer i CBFV til at estimere ændringer i cerebral blodgennemstrømning (CBF).
Med sin høje tidsmæssige opløsning måling af blodgennemstrømningen hastigheder i de store cerebral arterier, fTCD supplerer andre etablerede funktionelle billeddannelse teknikker. Målet med dette metodepapir er at give trinvise instruktioner til brug af fTCD til at udføre et funktionelt billedekspedivment. For det første vil de grundlæggende trin til identifikation af den midterste cerebral arterie (MCA) og optimering af signalet blive beskrevet. Dernæst vil placeringen af en fikseringsanordning til at holde TCD-sonden på plads under eksperimentet blive beskrevet. Endelig vil det åndedrætsbevarende eksperiment, som er et specifikt eksempel på et funktionelt billedeksperiment ved hjælp af fTCD, blive demonstreret.
Introduction
I neurovidenskab forskning, er det ofte ønskeligt at overvåge real-time hjerneaktivitet noninvasively i en række forskellige miljøer. Men konventionelle funktionelle neuroimaging modaliteter har begrænsninger, der hindrer evnen til at fange lokaliserede og / eller hurtige aktivitetsændringer. Den sande (ikke-rystede, ikke-retrospektive) tidsmæssige opløsning af funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) er i øjeblikket i størrelsesordenen et par sekunder1, som muligvis ikke fanger forbigående hæmodynamiske ændringer forbundet med forbigående neural aktivering. I et andet eksempel, selv om funktionel nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) har høj tidsmæssig opløsning (millisekunder) og rimelig rumlig opløsning, kan det kun sonde hæmodynamiske ændringer i hjernebarken og kan ikke give oplysninger om ændringer, der finder sted i de større arterier, der leverer hjernen.
I modsætning hertil fTCD-klassificeret som en neuroimaging modalitet-"imaging" refererer til dimensioner af tid og rum, snarere end to ortogonale rumlige retninger, der er mere velkendte i et "billede". fTCD giver supplerende oplysninger til andre neuroimaging modaliteter ved at måle høj tidsmæssig opløsning (typisk 10 ms) hæmodynamiske ændringer på præcise steder i fartøjer af den basale cerebral omsætning. Som med andre neuroimaging modaliteter kan fTCD bruges til en række eksperimenter som at studere lateralisering af cerebral aktivering under sprogrelaterede opgaver 2,3,4,studere neural aktivering som reaktion på forskellige somatosensoriske stimuli5, og udforske neural aktivering i forskellige kognitive stimuli som visuelle opgaver6, mentale opgaver7, og endda værktøjsproduktion8.
Selv om fTCD giver flere fordele ved brug i funktionel billedbehandling, herunder lave omkostninger til udstyr, bærbarhed og forbedret sikkerhed (sammenlignet med Wada-test3- eller positronemissionstomografiscanninger (PET-scanninger), kræver drift af en TCD-maskine færdigheder opnået ved praksis. Nogle af disse færdigheder, som skal læres af en TCD-operatør, omfatter evnen til at identificere forskellige cerebral arterier og de motoriske færdigheder, der er nødvendige for præcist at manipulere ultralydssonden under søgningen efter den relevante arterie. Målet med dette metodepapir er at præsentere en teknik til brug af fTCD til at udføre et funktionelt billedekspedivt eksperiment. For det første vil de grundlæggende trin til identifikation og optimering af signalet fra MCA, som gennemsyrer 80% af hjernehalvkuglen9, blive opført. Dernæst vil placeringen af en fikseringsanordning til at holde TCD-sonden på plads under eksperimentet blive beskrevet. Endelig vil det åndedrætsbesiddende eksperiment, som er et eksempel på et funktionelt billedeksperiment ved hjælp af fTCD, blive beskrevet, og repræsentative resultater vil blive vist.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Al forskning i forsøgspersoner blev udført i overensstemmelse med Institutions Review Board ved University of Nebraska-Lincoln, og der blev indhentet informeret samtykke fra alle.
1. Lokalisering af MCA-signalet med frihånds-TCD
BEMÆRK: "Freehand" TCD refererer til drift af TCD med en håndholdt transducer for at finde et CBFV-signal, før du starter et fTCD-eksperiment.
- Angive TCD-parametre
- Hold strømmen på en rimelig høj værdi (f.eks. 400 mW) under den første søgning efter MCA. Når MCA-signalet er placeret, skal du reducere strømmen så meget som muligt, samtidig med at du bevarer et "godt" signal (se trin 2.2.7).
BEMÆRK: Brug af en rimelig høj effekt under den indledende søgning ikke overtræder "Så lavt som rimeligt opnåelige" (ALARA) princippet om udsættelse for akustisk stråling, fordi højere effekt vil gøre det muligt MCA signalet at blive opdaget hurtigere10. - Indstil prøvevolumen til 8-12 mm under den første søgning efter MCA-signalet. Hvis signalet er vanskeligt at finde, skal du øge gatens størrelse for at øge signalets intensitet, men bemærk, at dette kan inkorporere signalet fra en eller flere nærliggende arterier i signalet fra MCA.
- Indstil gevinsten på et medium niveau med det mål at "holde baggrundsstøj på et minimum, men til stede"10.
- Indstil high-pass filter cutoff (normalt navnet "tærskel") til 50-150 Hz.
- Hvis motivet er voksent, skal du indstille dybden til 50 mm, hvilket er den gennemsnitlige mellempunktsdybde i M1-segmentet i MCA10 (Figur 1).
BEMÆRK: Denne indstilling vil blive diskuteret mere detaljeret i de efterfølgende trin. Dybdeindstillinger for børn er angivet i tabel 1.
- Hold strømmen på en rimelig høj værdi (f.eks. 400 mW) under den første søgning efter MCA. Når MCA-signalet er placeret, skal du reducere strømmen så meget som muligt, samtidig med at du bevarer et "godt" signal (se trin 2.2.7).
Figur 1: Repræsentation af Cirklen af Willis og de store arterier i cerebral kredsløbssygdomme. Den bifurcation af ICA i ACA og MCA er markeret med en sort cirkel. M1-segmentet i MCA vises. Dette tal er blevet ændret fraden 24. Forkortelser: ACA = forreste hjernearterie; Bif. = bifurcation; ICA = indre halspulsåre; MCA = mellemste hjernearterie. Klik her for at se en større version af dette tal.
- Lokalisering af det tidsmæssige vindue
BEMÆRK: Det tidsmæssige vindue, også kaldet det transtemporale akustiske vindue, er en del af kraniet, hvor knoglen er tyndeste11, hvilket muliggør overførsel af lavfrekvent ultralydsenergi gennem kraniet (Figur 2).- For spædbørn og små børn skal du finde det tidsmæssige vindue lige foran øret (det "intertragale rum") og over den zygomatiske bues rostrale kant, som let kan mærkes under huden.
- For teenagere og unge voksne skal du finde det tidsmæssige vindue via en af undervinderne.
BEMÆRK: Den bageste subwindow giver normalt det bedste signal (Figur 2). - For voksne i alderen 30 år eller ældre skal du finde det tidsmæssige vindue lige foran øret.
BEMÆRK: Det akustiske vindue falder i størrelse, når folk bliver ældre på grund af stigende porøsitet af kraniets knogle, hvilket får nogle ældre til at have et meget begrænset tidsvindue12. I sådanne personer er bilateral insonation af MCA undertiden umulig.
Figur 2: Det transtemporale vindue (markeret med den stiplede ellipse), zygomatiske bue (pil) og undervind11. (A)Frontal subwindow. (B) Forreste undervind. (C) Mellemstrøm. (D) Bageste undervind. Klik her for at se en større version af dette tal.
- Anvendelse af transduceren
- Påfør nok ultralyd gel til at dække overfladen af transduceren.
BEMÆRK: Når gelen placeres på hovedet, skal den dække tilstrækkelig plads til at opretholde en forsegling mellem hovedbunden og Doppler-sondens overflade, hvilket forhindrer signalafbrydelse fra luftkobling under sondens overflade. - Gør forsøgspersonen opmærksom på, at gelen kan føles kold (hvis det er ved stuetemperatur).
- Placer transduceren på det tidsmæssige vindue, som var placeret i afsnit 1.2.
- Påfør nok ultralyd gel til at dække overfladen af transduceren.
- Søgning efter MCA
- Efter at have placeret transduceren på hovedbunden, skal du søge efter MCA-signalet, som generelt vil være placeret lidt forreste (fremad) og rostral (mod hovedet) fra placeringen af den oprindelige transducer hovedbund placering10.
- Hvis TCD-spektralsignalet ikke umiddelbart er indlysende, skal du justere transducerens vinkel, samtidig med at den holdes på samme sted i forhold til hovedbunden. Langsomt vinkel sonden fra rostral til kaudale (mod fødder) og posterior til forreste.
BEMÆRK: Figur 3 viser to spektre taget fra samme position, men i forskellige vinkler. - Hvis der stadig mangler et signal efter at have udført trin 1.4.2, skal du kontrollere, at der er flow i MCA'en i farve M-tilstand på forskellige dybder (angivet med rød farve). Forøg eller formindske signaldybden i trin på 5 mm, og søg som beskrevet i trin 1.4.2. Hvis flowet er synligt i M-tilstand, men ikke i Doppler-spektret, skal dybden øges eller mindskes, indtil strømningssignalet er synligt i Doppler-spektret.
- Hvis der stadig ikke opnås et tilfredsstillende signal, skal transduceren flyttes til en nærliggende position på hovedbunden, som er lidt mere forreste, og gentage trin 1.4.1-1.4.3.
- Når der opnås et optimalt MCA-signal, skal du notere dybden og den maksimale hastighed.
- Ved hjælp af en vaskbar makeup pen, placere et mærke på hovedbunden (spore en del af transducer kant), hvor det optimale signal blev fundet.
Figur 3: Prøve Doppler spektre og M-mode billeder fra midten af M1 segment af MCA. (A) Spektrum taget lige efter påføring transducer til det tidsmæssige vindue, lige foran øret. (B) Prøve Doppler spektrum på samme sted og dybde som (A). Den eneste ændring er, at transduceren er blevet vinklet opad (overlegent) lidt. I både (A) og (B), dybde = 50 mm, gevinst = 50, prøvevolumen = 12 mm, effekt = 420 mW/cm2og filter = 100 Hz. Klik her for at se en større version af dette tal.
- Søgning efter bifurcation
BEMÆRK: At finde bifurcation af den indre halspulsåre (ICA) er vigtigt at hjælpe med at bekræfte, at MCA er arterien overvåges. Dette skridt bør udføres på begge sider, hvis der vil blive foretaget bilateral overvågning, da bifurcationen muligvis ikke er på samme dybde på begge sider.- Forøg dybden, indtil signalet fra ICA's bifurcation til MCA og ACA er noteret (Figur 4), typisk i en dybde på 51-65 mm10.
- Søg efter det optimale spektralsignal ved hjælp af den fremgangsmåde, der er beskrevet i trin 1.4.2. Stræb altid efter det spektrale signal med den højeste hastighed, der er muligt10.
- Når der opnås et optimalt bifurcationsignal, skal du notere dybden af bifurcationen.
- Med hensyn til bilateral overvågning gentages afsnit 1.1-1.4 og trin 1.5.1-1.5.3 på den anden side af hovedet.
Figur 4: Spektral Doppler (øverst) og M-mode (nederst) billede af bifurcation af ICA i MCA og ACA. Dybde = 65 mm, forstærkning = 50, prøvevolumen = 12 mm, effekt = 420 mW/cm2, og filter = 100 Hz. Klik her for at se en større version af dette tal.
2. Flytning af MCA efter placering af en fikseringsanordning
BEMÆRK: For fTCD-eksperimenter er det nødvendigt at overvåge CBFV i 10-90 minutter eller længere. Derfor er en fikseringsanordning (Figur 5) afgørende for at give stabilitet.
- Placering af fikseringsenheden
- Ved visuel inspektion justeres fikseringsanordningen (Figur 5) til motivets omtrentlige hovedstørrelse.
- Giv forsøgspersonen besked, før du placerer headsettet på hovedet. Placer headsettet på motivets hoved.
BEMÆRK: Hvis motivet har langt eller tykt hår, kan det være nødvendigt at binde motivets hår tilbage, afhængigt af den fikseringsanordning, der anvendes. - Juster fikseringsenhedens pasform, og spørg motivet, om enheden er for stram.
BEMÆRK: Enheden skal være stram nok til, at den ikke bevæger sig, når den stødes lidt, men løs nok til, at motivet ikke er ubehageligt.
Figur 5:Emne iført brugerdefineret fiksering enhed. Klik her for at se en større version af dette tal.
- Lokalisering af MCA-signalet
- Mekanismen for fikseringsanordningen, der holder transduceren på plads (f.eks. løsner mekanismen, der er vist i figur 5, ved at dreje en knap mod uret), så transduceren kan bevæge sig frit.
- Forsøgspersonen advares, inden gel påføres transducerne (som allerede skal være på plads fra punkt 2.1), og at gelen kan være kold (hvis den er opbevaret ved stuetemperatur).
- Påfør nok ultralydgel til transduceren til at dække transducerens ansigt.
- Juster fikseringsanordningen, så transduceren er placeret over toppen af mærket i trin 1.4.6.
- Søg efter det optimale MCA-spektralsignal ved hjælp af den fremgangsmåde, der er beskrevet i trin 1.4.1-1.4.3. Stræb altid efter det spektrale signal med den højeste hastighed, der er muligt10.
BEMÆRK: Sammenlignet med freehand TCD kan den optimale dybde, hvor MCA er placeret ved hjælp af fikseringsenheden, afvige en smule (højst 1-2 mm) fra dybden for frihåndsenheden. Dette skyldes, at fikseringsanordningen kan holde transduceren lidt længere væk fra hovedbunden, mens den stadig opretholder en koblingsgelforsegling. - Når det optimale MCA-spektralsignal er fundet, skal du stramme fikseringsanordningens mekanisme for at låse transduceren på plads. Bemærk dybden og alle andre indstillinger.
- Reducer strømmen (se trin 1.1.1) så meget som muligt, mens du stadig opretholder en spektral kuvert, der sporer maksimalhastigheden nøjagtigt.
- Med hensyn til bilateral overvågningskal trin 2.2.1-2.2.7 gentages på den anden side.
3. Udførelse af en ånde-hold manøvre
BEMÆRK: Dette afsnit er givet som et eksempel på et funktionelt eksperiment, der kan udføres ved hjælp af det eksperimentelle setup, der er beskrevet i afsnit 1 og afsnit 2.
- Udfør alle de trin, der er beskrevet i afsnit 1 og afsnit 2.
- Begynd at optage på TCD-softwaren.
- Træk vejret normalt i 3 minutter for at opnå en god baseline-registrering, og lad CBFV stabilisere sig fra tidligere forsøg eller stimuli.
- Tæl langsomt ned fra tre. Når man har talt til en, skal du bede emnet om at begynde at trække vejret efter en normal inspiration13.
BEMÆRK: Forsøgspersonen bør ikke inhalere dybt, da dette ville mindske kuldioxid i lungerne og mindske sandsynligheden for at observere stigningen i CBFV på grund af cerebrovaskulær reaktivitet. Emnet bør også undgå at udføre en Valsalva-manøvre, hvor intrathoracic-trykket øges betydeligt mod en holdt inspiration14. - Placer en markør i TCD-optagelsen for at betyde starten på åndedrætsbedriften.
- Har emnet holde vejret i 30 s, eller indtil de ikke længere er komfortable holde vejret.
- Når motivet inhalerer, skal du placere en markør i TCD-optagelsen for at betyde enden på åndedrættet.
- Fortsæt med at overvåge CBFV ved hjælp af TCD og optagelse i mindst 30 s efter afslutningen af udåndingsluften for at sikre, at CBFV vender tilbage til basisværdier.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 3 viser prøve Doppler spektre og farve M-tilstande fra midten af M1 segment af MCA. Figur 3A,B blev taget på samme position på hovedbunden, men i forskellige vinkler. Bemærk, hvordan en meget lille ændring i vinkel, uden at ændre kontaktpositionen på hovedbunden, i høj grad kan forbedre Doppler-signalstyrken, som det fremgår af den højere intensitet gule farve af spektrogrammet i figur 3B. Bemærk også, at M-tilstand i figur 3B viser to arterier (blå og rød, svarende til henholdsvis ACA og MCA).
Figur 4 viser en prøve Doppler spektrum og M-mode fra bifurcation af ICA i ACA og MCA. Bemærk de overlappende rød- og blåskyggede områder i billedet i M-tilstand, der angiver henholdsvis MCA og ACA. Bemærk også symmetrien i Doppler spektralbølgeformen, når du sammenligner strømmen mod transduceren (positiv) med flow væk fra transduceren (negativ).
Figur 6 viser prøvespektre og billeder i M-tilstand fra forskellige tidspunkter i åndedrætsmanøvren. Figur 6A viser TCD-grundspektret og M-tilstand i begyndelsen af åndebeholdning. Bemærk gennemsnitshastigheden på 56 cm/s. Figur 6B viser TCD-spektret og M-tilstand ved afslutningen af udåndingsluften. Bemærk, at gennemsnitshastigheden nu er steget til 70 cm/s. Figur 6C viser TCD-spektret og M-tilstand efter afslutningen af åndebeholdingen. Bemærk undershoot i hastighed under baseline værdier, med den gennemsnitlige falder til 47 cm / s. Bemærk, at ACA er synlig som flow væk fra transduceren i Doppler spektre.
Figur 7 viser hele ånde-bedrift eksperiment. Bemærk, at konvolutten forbliver forhøjet i ca 15 s efter ånde-bedrift ender, falder til værdier lavere end dem i begyndelsen af ånde-bedrift for ~ 20 s, og derefter endelig genopretter til baseline værdier. Bemærk, at ACA er synlig som flow væk fra transduceren i Doppler spektret.
Figur 6 og figur 7 viser en god signalintensitet i MCA-delen af TCD-spektret (MCA repræsenteres af de positive hastigheder). Bemærk, hvordan den hvide linje, der repræsenterer konvolutten, følger TCD-spektret meget præcist, når spektret er lyst. Spektre af figur 6 og figur 7 kunne forbedres ved at reducere overvågningsdybden med 5-10 mm, så ACA-delen af TCD-spektret ikke ville være synlig (ACA er repræsenteret af negative hastigheder) og ved at ændre skalaen af den lodrette akse i TCD-spektret til at løbe fra ca. -100 cm/s til 100 cm/s hvilket ville gøre det muligt at udtage maksimale hastighedsprøver af TCD-spektret i lodret retning.
Figur 8 viser eksempler på bilaterale TCD-spektre og M-tilstande, der egner sig til bilateral fTCD. Figur 8A og figur 8B viser acceptable, men ikke optimale bilaterale spektre og M-tilstande. Bemærk, hvordan gevinsten er højere i figur 8A (venstre MCA) end i figur 8B (højre MCA) for at kompensere for det svagere signal, og hvordan kuvertkvaliteten i figur 8A er lidt dårligere end i figur 8B. Bemærk også , hvordan den maksimale hastighed ved systole i figur 8A er lidt lavere end i figur 8B. Bemærk derimod, hvordan de to spektre i figur 8C og figur 8D er meget ens med hensyn til indstillinger, herunder dybde, forstærkning, effekt og prøvevolumen, og hvordan spektralbølgeformerne på begge sider har lignende maksimale hastigheder og former. For at løse dette anbefales det, at spektret fra venstre MCA konsekvent placeres i venstre vindue og spektret fra højre MCA i højre vindue, især til eksperimenter, der involverer lateralisering af blodgennemstrømningen.
Figur 6: Prøve Doppler-spektre og M-mode billeder fra MCA i forskellige faser af ånde-hold manøvre. (A) Spektrum og M-mode i begyndelsen af ånde-bedrift. Lodret gul streg i midten angiver starten på ånde-bedrift. (B) Frekvens- og M-tilstand for enden af udåndingsluften. Lodret gul linje i midten betegner slutningen af ånde-bedrift, når motivet inhalerer. (C) Frekvens- og M-tilstand efter afslutningen af udåndingsluften, hvilket viser det fald i strømningshastigheden, der varer ved i ca. 30 s efter udåndingsluften. I alle spektre, dybde = 56 mm, gevinst = 50, prøvevolumen = 8 mm, effekt = 420 mW/cm2, og filter = 100 Hz. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7: Spektrum og M-tilstand fra MCA under hele åndebeholdning. Dybde = 56 mm, forstærkning = 50, prøvevolumen = 8 mm, effekt = 420 mW/cm2, og filter = 100 Hz. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8:Eksempler på bilaterale spektre og M-mode billeder fra MCA. (A) Acceptabel, men ikke optimal, spektrum og M-tilstand af venstre MCA, med dybde = 62 mm, gevinst = 69, prøvevolumen = 12 mm, effekt = 420 mW/cm2, og filter = 100 Hz. (B) Godt spektrum og M-tilstand af højre MCA, med dybde = 62 mm, gevinst = 56, prøvevolumen = 12 mm, effekt = 420 mW/cm2og filter = 100 Hz. (C) Godt spektrum og M-tilstand af venstre MCA. (D) Godt spektrum og M-tilstand af den rigtige MCA. For både (C) og (D), dybde = 62 mm, forstærkning = 56, prøvevolumen = 12, effekt = 420 mW/cm2og filter = 100 Hz. Klik her for at se en større version af dette tal.
| Alder | Mellemste hjernearteriedybde (mm) |
| 0-3 månederom | 25 |
| 3-12 månederom | 30 |
| 1-3 åra | 35–45 |
| 3-6 åra | 40–45 |
| 6-10 åra | 45–50 |
| 10-18 åra | 45–50 |
| >18 årb | 50 |
Tabel 1: MCA dybder i forskellige aldre. Kilder: a = Bode25, b = Alexandrov et al.10
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Kritiske trin i protokollen omfatter 1) at finde MCA, 2) placere pandebåndet, og 3) udfører ånde-bedrift manøvre.
Ændringer kan være nødvendige afhængigt af forsøgspersonerne i undersøgelsen. For eksempel kan personer med Alzheimers sygdom have svært ved at følge instruktionerne, hvilket kræver brug af en capnograph for at sikre overholdelse af åndedrætsbesberetning15. Små børn kan have svært ved at følge instruktionerne og kan være genert af eksperimentatoren; det kan derfor være nødvendigt at forenkle forsøgsprotokollerne for en sådan population (se Lohmann et al.2). Visse indstillinger på TCD-maskinen skal muligvis også ændres afhængigt af interessepopulationen. For eksempel, når insonerende spædbørn, der har tynde kranieben, reducerer strømmen så meget som muligt, især hvis TCD-overvågning vil finde sted over en periode, der varer flere timer16.
Fejlfinding er ofte centreret omkring problemer med at finde et godt, stabilt TCD-spektralsignal. For eksempel bliver det tidsmæssige akustiske vindue for personer over 50 år stadig mindre, efterhånden som alderen stiger på grund af øget porøsitet i kraniets knogle og har tendens til at lokalisere til regionen lige foran øret (det "intertragale rum")12. I en sådan population kan det undertiden være umuligt at finde et godt MCA-spektralsignal på begge sider af hovedet, og meget små ændringer i transducervinkel eller position kan medføre, at signalet går tabt. Da et signal af god kvalitet er afgørende for eksperimenter, der afhænger af kuvertbølgeformen til analyse, bør der gøres alt for at øge MCA's spektralsignalintensitet og -kvalitet. For eksempel kan forstærkningen justeres for at optimere signalet, og prøvevolumenet kan øges for at få et stærkere signal. Som en sidste udvej kan strømmen øges. Endelig er det vigtigt at bemærke, at i ca. 10% af patienterne kan det tidsmæssige akustiske vindue være fraværende11,17. Det tidsmæssige akustiske vindue kan let findes hos spædbørn og små børn og er sværest at finde hos voksne over 50 år.
Begrænsningerne i fTCD omfatter erhvervelse af CBFV-oplysninger på ét geografisk sted17 i stedet for et bredt synsfelt, om end med meget høj tidsmæssig opløsning. Således fTCD er et supplement til fMRI, som giver cerebral hæmodynamisk information (og dermed neurale aktivitet) med et bredt synsfelt ved en lav tidsmæssig opløsning18,19. FTCD har faktisk en tidsmæssig opløsning, der kan sammenlignes med fNIRS20, med den vigtige forskel, at fTCD måler hæmodynamiske ændringer på niveau med de store hjernearterier, mens fNIRS måler ændringer i cortex. Derfor kan fTCD udfylde væsentlige detaljer om cerebral hæmodynamiske ændringer som reaktion på neural aktivering, som ingen anden neuroimaging modalitet i øjeblikket er i stand til at måle.
Potentielle anvendelser af TCD omfatter overvågning af cerebral emboliusdannelse under hjertekirurgi16 og overvågning til påvisning af resultatet af vævsplasminogenaktivatorbehandling for slagtilfælde21. Potentielle anvendelser af fTCD omfatter ethvert forskningsspørgsmål, der involverer det neurale svar på interne eller eksterne stimuli, såsom at studere den lateraliserede behandling af sprog i den menneskelige hjerne2,3,4, somatosensorisk "touch" stimulation5eller lateralisering af visuel behandling6. Derudover kan fTCD bruges til at studere fysiologiske (med eller uden neurale aktivitetsændringer) reaktioner på stimuli som øvelse22 og åndehold13,15,23. Endelig gør fTCD's lave omkostninger, bærbarhed og enkelhed billeddannelse af et stort antal emner praktisk, en fordel i forhold til fMRI og andre neuroimaging modaliteter som PET, f.eks. ved screening for præklinisk Alzheimers sygdom15.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer ingen interessekonflikter.
Acknowledgments
Dette projekt er baseret på forskning, der delvist blev støttet af Nebraska Agricultural Experiment Station med støtte fra Hatch Act (Tiltrædelsesnummer 0223605) gennem USDA National Institute of Food and Agriculture.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Aquasonic | Parker Laboratories, Inc., Fairfield, NJ, USA | 01-50 | Ultrasound Gel |
| Doppler Box X | DWL Compumedics Gmbh, Singen, Germany | Model "BoxX" | Transcranial Doppler with 2-MHz monitoring probes |
| Kimwipes | Kimberly-Clark Professional | 34256 | Delicate Task Wipers |
| Transeptic | Parker Laboratories, Inc., Fairfield, NJ, USA | 09-25 | Cleaning Spray |
References
- Buxton, R. B. The physics of functional magnetic resonance imaging (fMRI). Reports on Progress in Physics. 76 (9), 096601 (2013).
- Lohmann, H., Dräger, B., Müller-Ehrenberg, S., Deppe, M., Knecht, S. Language lateralization in young children assessed by functional transcranial Doppler sonography. NeuroImage. 24 (3), 780-790 (2005).
- Knecht, S., et al. Noninvasive determination of language lateralization by functional transcranial Doppler sonography: a comparison with the Wada test. Stroke. 29 (1), 82-86 (1998).
- Knecht, S., et al. Successive activation of both cerebral hemispheres during cued word generation. Neuroreport. 7 (3), 820-824 (1996).
- Hage, B., Way, E., Barlow, S. M., Bashford, G. R. Real-time cerebral hemodynamic response to tactile somatosensory stimulation. Journal of Neuroimaging. 28 (6), 615-620 (2018).
- Hage, B., et al. Functional transcranial Doppler ultrasound for measurement of hemispheric lateralization during visual memory and visual search cognitive tasks. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 63 (12), 2001-2007 (2016).
- Meyer, G. F., Spray, A., Fairlie, J. E., Uomini, N. T. Inferring common cognitive mechanisms from brain blood-flow lateralization data: a new methodology for fTCD analysis. Frontiers in Psychology. 5, 552 (2014).
- Uomini, N. T., Meyer, G. F. Shared brain lateralization patterns in language and Acheulean stone tool production: a functional transcranial Doppler ultrasound study. PLoS ONE. 8 (8), 72693 (2013).
- Edvinsson, L., MacKenzie, E. T., McCulloch, J. Cerebral Blood Flow and Metabolism. , Raven Press, Ltd. New York, NY. (1993).
- Alexandrov, A. V., et al. Practice standards for transcranial Doppler ultrasound: part I--test performance. Journal of Neuroimaging. 17 (1), 11-18 (2007).
- Fujioka, K. A., Douville, C. M. Anatomy and freehand examination techniques. Transcranial Doppler. Newell, D. W., Aaslid, R. , Raven Press, Ltd. New York, NY. (1992).
- Alexandrov, A. V. Transcranial Doppler physics and techniques, lecture notes. American Society of Neuroimaging Conference. , deliverd 5 March (2020).
- Alwatban, M., Truemper, E. J., Al-rethaia, A., Murman, D. L., Bashford, G. R. The breath-hold acceleration index: a new method to evaluate cerebrovascular reactivity using transcranial Doppler. Journal of Neuroimaging. 28 (4), 429-435 (2018).
- Tiecks, F. P., et al. Effects of the Valsalva maneuver on cerebral circulation in healthy adults: a transcranial Doppler study. Stroke. 26 (8), 1386-1392 (1995).
- Alwatban, M., Murman, D. L., Bashford, G. Cerebrovascular reactivity impairment in preclinical Alzheimer's disease. Journal of Neuroimaging. 29 (4), 493-498 (2019).
- Twedt, M. H., et al. Most high-intensity transient signals are not associated with specific surgical maneuvers. World Journal for Pediatric and Congenital Heart Surgery. 11 (4), 401-408 (2020).
- Moehring, M. A., Spencer, M. P. Power M-mode Doppler (PMD) for observing cerebral blood flow and tracking emboli. Ultrasound in Medicine & Biology. 28 (1), 49-57 (2002).
- Poldrack, R. A. The future of fMRI in cognitive neuroscience. NeuroImage. 62 (2), 1216-1220 (2012).
- Oh, H., Custead, R., Wang, Y., Barlow, S. Neural encoding of saltatory pneumotactile velocity in human glabrous hand. PLoS ONE. 12 (8), 0183532 (2017).
- Rosner, A. O., Barlow, S. M. Hemodynamic changes in cortical sensorimotor systems following hand and orofacial motor tasks and pulsed pneumotactile stimulation. Somatosensory & Motor Research. 33 (3-4), 145-155 (2016).
- Alexandrov, A. V., et al. High rate of complete recanalization and dramatic clinical recovery during tPA infusion when continuously monitored with 2-MHz transcranial doppler monitoring. Stroke. 31 (3), 610-614 (2000).
- Watt, B. P., Burnfield, J. M., Truemper, E. J., Buster, T. W., Bashford, G. R. Monitoring cerebral hemodynamics with transcranial Doppler ultrasound during cognitive and exercise testing in adults following unilateral stroke. 2012 IEEE Engineering in Medicine and Biology Society Annual Conference Proceedings. , San Diego, CA. 2310-2313 (2012).
- Markus, H. S., Harrison, M. J. Estimation of cerebrovascular reactivity using transcranial Doppler, including the use of breath-holding as the vasodilatory stimulus. Stroke. 23 (5), 668-673 (1992).
- File:Circle of Willis en.svg. . Wikimedia Commons, the free media repository. , Available from: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Circle_of_Willis_en.svg (2020).
- Bode, H. Pediatric Applications of Transcranial Doppler Sonography. , Springer-Verlag. Wien. (1988).
