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Bioengineering

脳血流をモニタリングするための機能性経頭蓋ドップラー超音波

Published: March 15, 2021 doi: 10.3791/62048
Automatic Translation
1, 2, 3
1Department of Biological Systems Engineering, University of Nebraska-Lincoln, 2Department of Biological Systems Engineering, University of Nebraska-Lincoln, 3Department of Biological Systems Engineering, University of Nebraska-Lincoln

Summary

機能的経頭蓋ドップラー超音波は、基底脳動脈内の脳血流の刺激誘発変化の高い時間分解能測定を伴う他の機能的画像性を補完する。この方法の論文は、機能的な経頭蓋ドップラー超音波を使用して機能的な画像化実験を行うためのステップバイステップの指示を与える。

Abstract

機能的経頭蓋ドップラー超音波(fTCD)は、経頭蓋ドップラー超音波(TCD)を使用して、身体運動、皮膚の触覚センサーの活性化、および画像の視聴などの刺激中に起こる神経活性化を研究する。神経活性化は、脳血流速度(CBFV)の増加から推測され、脳の領域を供給する感覚入力の処理に関与する。例えば、明るい光を見ると、大脳皮質の後頭葉の神経活動が増加し、後頭葉を供給する後大脳動脈の血流が増加する。fTCDでは、CBFVの変化は、脳血流(CBF)の変化を推定するために使用される。

主要な大脳動脈における血流速度の高い時間分解能測定により、fTCDは他の確立された機能的イメージング技術を補完する。この方法の論文の目的は、fTCD を使用して機能的なイメージング実験を行うための手順を説明することです。まず、中大脳動脈(MCA)を同定し、信号を最適化するための基本的なステップについて説明する。次に、実験中にTCDプローブを所定の位置に保持するための固定装置の配置について説明する。最後に、fTCDを用いた機能的イメージング実験の具体例である呼吸保持実験を実証する。

Introduction

神経科学の研究では、多くの場合、様々な環境で非侵襲的にリアルタイムの脳活動を監視することが望ましいです。しかし、従来の機能的神経イメージングモダリティは、局所的および/または迅速な活動変化をキャプチャする能力を妨げる限界を有する。機能的磁気共鳴画像法(fMRI)の真の(非ジッタ、非遡及的)時間分解能は、現在数秒1の順序であり、一時的な神経活性化に関連する一時的な血行力変化を捉えない可能性がある。別の例では、機能近赤外分光法(fNIRS)は高い時間分解能(ミリ秒)と合理的な空間分解能を有するが、大脳皮質内の血行力学的変化しか探査できず、脳を供給する大動脈で起こっている変化に関する情報を提供することはできない。

これに対し、fTCD(神経イメージングモダリティに分類される)は、「画像」でより身近な2つの直交空間的方向ではなく、時間と空間の寸法を指します。fTCDは、基礎脳循環の血管内の正確な位置で高い時間的解像度(通常は10ms)の血行力学的変化を測定することによって、他の神経イメージングモダリティに補完的な情報を提供する。他の神経イメージングモダリティと同様に、fTCDは言語関連タスク2、3、4、様々な体性感覚刺激5に応答した神経活性化の研究、視覚タスク6、精神課題7、さらにはツール産生8などの様々な認知刺激における神経活性化を探求するなど、脳活性化の横化を研究するなど、様々な実験に使用することができる。

fTCDは、機器の低コスト、移植性、安全性の向上(和田試験3 または陽電子放出断層撮影(PET)スキャンと比較して)を含む機能的イメージングに使用するためのいくつかの利点を提供しますが、TCDマシンの操作には、実際に得られたスキルが必要です。TCDオペレータが学ばなければならないこれらのスキルのいくつかは、様々な大脳動脈を識別する能力と、関連する動脈の探索中に超音波プローブを正確に操作するために必要な運動能力を含む。この方法の論文の目的は、fTCDを使用して機能的なイメージング実験を行う技術を提示することです。まず、大脳半球9の80%を占めるMCAからの信号を識別し、最適化するための基本的な手順がリストされます。次に、実験中にTCDプローブを所定の位置に保持するための固定装置の配置について説明する。最後に、fTCDを用いた機能的イメージング実験の一例である呼吸保持実験について説明し、代表的な結果を示す。

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Protocol

すべてのヒト対象研究は、ネブラスカ大学リンカーン校の機関審査委員会に従って行われ、インフォームド・コンセントはすべての被験者から得られました。

1. フリーハンド TCD による MCA 信号の検索

注:"フリーハンド"TCDは、fTCD実験を開始する前にCBFV信号を見つけるためにハンドヘルドトランスデューサでTCDの動作を指します。

  1. TCD パラメーターの設定
    1. MCA の最初の検索中は、電力を適度に高い値 (例: 400 mW) に保ちます。MCA 信号が見つかったら、"良好な" 信号を維持しながら、電力をできるだけ減らします(ステップ 2.2.7 を参照)。
      注: 最初の検索中に適度に高い電力を使用しても、高い電力はMCA信号をより迅速に発見することができるため、音響放射への暴露の「合理的に達成可能な低」(ALARA)原則に違反しません。
    2. MCA 信号の初期検索時に、サンプルの体積を 8 ~ 12 mm に設定します。信号を見つけるのが難しい場合は、ゲートサイズを大きくして信号の強度を高めますが、これはMCAからの信号に近い1つ以上の動脈からの信号を組み込むことがあることに注意してください。
    3. 「バックグラウンドノイズを最小限に抑えるが、現在」10を目標に、中程度のレベルでゲインを設定します。
    4. ハイパスフィルタカットオフ(通常は「しきい値」と呼ばれます)を50~150 Hzに設定します。
    5. 被験者が成人の場合、深さを50mmに設定し、MCA10のM1セグメントの平均中間点深度を設定する(図1)。
      注: この設定については、以降の手順で詳しく説明します。子の深度設定は 、表 1に示されています。

Figure 1
図1: ウィリスの円と脳循環系の主要な動脈の表現 ACAとMCAへのICAの分岐は黒い円でマークされています。MCA の M1 セグメントが表示されます。この図は24から変更されています。略語: ACA = 前大脳動脈;ビフ。= 分岐;ICA =内頸動脈;MCA = 中大脳動脈. この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

  1. テンポラル ウィンドウの位置を指定する
    注: 経時的音響窓とも呼ばれる時間窓は、骨が最も薄い頭蓋骨の一部であり、頭蓋骨を通して低周波超音波エネルギーを伝達することができます(図2)。
    1. 幼児や小さな子供の場合は、耳の前(「経経空間」)と皮膚の下に容易に感じることができるザイゴマティックアーチのrostralエッジの上に側頭窓を見つけます。
    2. ティーンエイジャーと若い成人の場合は、サブウィンドウのいずれかを介して時間窓を見つけます。
      メモ:後部サブウィンドウは通常、最良の信号を提供します(図2)。
    3. 30歳以上の成人の場合は、耳の前に側頭窓を見つけます。
      注:頭蓋骨の骨の空隙率が高いため、人々が年齢を重ねるにつれて音響ウィンドウのサイズが小さくなり、一部の高齢者は非常に限られた時間窓12を持つことになります。このような個人では、MCAの二国間の不一言化は、時には不可能である。

Figure 2
図2: 経頭窓(破線楕円で示される)、円角アーチ(矢印)、およびサブウィンドウ11.(A) 正面サブウィンドウ。(B) 前サブウィンドウ。(C) 中間サブウィンドウ。(D) 後部サブウィンドウ。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

  1. トランスデューサの適用
    1. トランスデューサの表面を覆うのに十分な超音波ゲルを塗布してください。
      注:ヘッドに置くと、ゲルは頭皮とドップラープローブの表面の間にシールを維持するのに十分なスペースをカバーする必要があります。
    2. ゲルが冷たく感じる可能性があることを被験者に警告します(室温の場合)。
    3. セクション 1.2 にあった側頭窓にトランスデューサを置きます。
  2. MCA の検索
    1. 頭皮にトランスデューサを配置した後、MCA信号を検索し、これは一般的に、初期トランスデューサ頭皮配置10の位置からわずかに前方(前方)および(頭に向かって)ロストラルに位置するであろう。
    2. TCDスペクトル信号がすぐに明らかでない場合は、頭皮に対して同じ位置に保ちながらトランスデューサの角度を調整します。プローブをロストラルから尾角(足に向かって)、後部から前部までゆっくりと角度を付けます。
      注: 図 3 は 、同じ位置から取得した 2 つのスペクトルを異なる角度で示しています。
    3. ステップ 1.4.2 を実行した後も信号が存在しない場合は、異なる深さでの MCA のフローのカラー M モードディスプレイを確認します(赤色の色付けで示されます)。5 mm ステップで信号深度を増分または減分し、ステップ 1.4.2 で説明したように検索します。フローが M モードで表示され、ドップラースペクトルでは表示されない場合は、ドップラースペクトルでフロー信号が表示されるまで深さを増減します。
    4. それでも満足のいく信号が得られない場合は、トランスデューサを頭皮の近くの位置(わずかに前向き)に移動し、ステップ1.4.1~1.4.3を繰り返します。
    5. 最適な MCA 信号が得られたら、深さと最大速度に注意してください。
    6. 洗えるメイクペンを使用して、最適な信号が見つかった頭皮(トランスデューサエッジのトレース部分)にマークを付けます。

Figure 3
図3:MCAのM1セグメントの中間点からのサンプルドップラースペクトルとMモード画像(A)耳の前の側側の側側窓にトランスデューサを適用した直後に撮影したスペクトル。(B) サンプルドップラースペクトルと同じ場所と深さ(A)と同じ場所でのスペクトル唯一の変化は、トランスデューサが(優れた)わずかに上向きに傾いているということです。両方で(A)と(B)、深さ= 50mm、ゲイン= 50、サンプル体積= 12mm、パワー= 420 mW/cm2、フィルタ= 100 Hzの両方で、この図のより大きなバージョンを表示するにはここをクリックしてください。

  1. 分岐を検索する
    注:内部頸動脈(ICA)の分岐を見つけることは、MCAが監視されている動脈であることを確認するのに役立ちます。二国間監視が行われる場合は、双方が同じ深さでない可能性があるため、このステップは双方で行われるべきである。
    1. ICAの分岐からMCAおよびACAへの信号が示されるまで深さを増す(図4)、典型的には51〜65mmの深さ10で。
    2. ステップ1.4.2で説明した手順を使用して最適分岐スペクトル信号を検索します。常に可能な限り最高速度のスペクトル信号のために努力する10.
    3. 最適な分岐信号が得られたら、分岐の深さに注意してください。
    4. 両側監視の場合は、セクション 1.1 ~ 1.4 を繰り返し、ステップ 1.5.1 ~ 1.5.3 を頭部の反対側に置きます。

Figure 4
図4:スペクトルドップラー(上)とMモード(下)の画像は、MCAおよびACAへのICAの分岐の画像。 深さ = 65 mm、ゲイン = 50、サンプル体積 = 12 mm、パワー = 420 mW/cm2、フィルタ = 100 Hz。

2. 固定装置を設置した後の MCA の再配置

メモ:fTCD実験では、CBFVを10~90分以上監視する必要があります。したがって、固定デバイス(図5)は、安定性を提供するために重要です。

  1. 固定装置の配置
    1. 目視検査により、固定装置(図5)を被験者のおおよそのヘッドサイズに調整します。
    2. ヘッドセットを頭に置く前に、被写体に警告します。ヘッドセットを被写体の頭の上に置きます。
      注意:被写体の髪の毛が長い場合や太い場合は、使用している固定デバイスによっては、被写体の髪を後ろに結ぶ必要があります。
    3. 固定デバイスの適合を調整し、デバイスがきつすぎるかどうかを被験者に尋ねます。
      注:デバイスは、わずかにぶつかったときに動かないほどタイトでなければなりませんが、被写体が不快ではないほど緩んでいるはずです。

Figure 5
図5:カスタム固定装置を装着した被写体。

  1. MCA 信号の位置を特定する
    1. トランスデューサを所定の位置に保持する固定装置の機構を緩めます(例えば、 図5に示すメカニズムを緩め、ノブを反時計回りに回して)トランスデューサが自由に動かされるようにします。
    2. トランスデューサにゲルを塗布する前に、被検者に警告します (セクション 2.1 から既に配置されている必要があります) と、ゲルが冷たい可能性があります (室温で保存されている場合)。
    3. トランスデューサの顔を覆うのに十分な超音波ゲルをトランスデューサに塗布してください。
    4. ステップ1.4.6で作られたマークの上にトランスデューサが配置されるように固定装置を調整します。
    5. ステップ 1.4.1 ~ 1.4.3 で説明されている手順を使用して、最適な MCA スペクトル信号を検索します。常に可能な限り最高速度のスペクトル信号のために努力する10.
      注:フリーハンドTCDと比較すると、固定デバイスを使用してMCAが配置されている最適な深さは、フリーハンドデバイスの深さとわずかに異なる場合があります(1~2mm)。これは、固定装置が、カップリングゲルシールを維持したまま、トランスデューサを頭皮から少し離れて保持することができるからである。
    6. 最適なMCAスペクトル信号が見つかったら、固定装置の機構を締めてトランスデューサを所定の位置にロックします。深さやその他すべての設定に注意してください。
    7. 最大速度を正確にトレースするスペクトルエンベロープを維持しながら、電力をできるだけ下げます(ステップ1.1.1を参照)。
    8. 二国間監視の場合は、反対側のステップ 2.2.1 ~ 2.2.7 を繰り返します。

3. ブレスホールド操作の実行

注: このセクションは、セクション 1 およびセクション 2 で説明されている実験のセットアップを使用して実行できる機能実験の例として示します。

  1. セクション 1 とセクション 2 で説明されているすべての手順を実行します。
  2. TCD ソフトウェアでの録音を開始します。
  3. 良好なベースライン記録を達成するために3分間正常に呼吸し、CBFVが以前の実験や刺激から安定するようにします。
  4. 3からゆっくりカウントダウンします。1のカウントで、被験者に通常のインスピレーション13に従って息を止めてもらいます。
    注:これは肺の二酸化炭素を減少させ、脳血管反応性によるCBFVの増加を観察する可能性を低下させるので、被験者は深く吸入すべきではありません。被験者はまた、胸腔内圧が保持されたインスピレーション14に対して実質的に増加するバルサルバ操縦を行わないべきである。
  5. TCD記録にマーカーを置いて、息を止める開始を示します。
  6. 被験者に30sの息を止めさせるか、息を止めて快適にならなくなるまで。
  7. 被検者が吸入したら、TCD記録にマーカーを置いて、息を止める終わりを示す。
  8. TCD を使用して CBFV をモニターし、呼吸保持の終了後に少なくとも 30 s の記録を続けて、CBFV がベースライン値に戻るようにします。

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Representative Results

図 3は、MCA の M1 セグメントの中間点からのサンプルドップラースペクトルとカラー M モードを示しています。図3A、Bは、頭皮上の同じ位置で、異なる角度で採取した。いかに小さな角度変化が、頭皮上の接触位置を変えることなく、ドップラー信号強度を大きく向上させることができることに注意してください。なお、図3BのMモードは、2つの動脈(青と赤、それぞれACAとMCAに対応する)を示している。

図4 は、ICAの分岐からACAおよびMCAへのサンプルドップラースペクトルおよびMモードを示す。McA と ACA を示す M モード イメージ内の重複する赤と青のシェーディング領域に注意してください。また、トランスデューサ(正)に向かう流れをトランスデューサから離れた流れ(負)と比較する場合も、ドップラースペクトル波形の対称性に注意してください。

図6 は、ブレスホールド・マヌーバの異なる時間ポイントからのスペクトルおよびMモード画像のサンプルを示しています。 図6Aは 、呼吸保持の開始時のベースラインTCDスペクトルおよびMモードを示す。56 cm/sの平均速度に注意 してください図6B は、呼吸保持の終わりにTCDスペクトルとMモードを示しています。平均速度が70cm/sに増加していることに注意してください図 6C は、呼吸保持の終了後にTCDスペクトルとMモードを示しています。ベースライン値未満の速度でアンダーシュートを行い、平均値が 47 cm/s に下がっています。ACA はドップラースペクトルのトランスデューサから離れた流れとして見える点に注意してください。

図7 は、呼吸保持実験全体を示しています。エンベロープは、呼吸保持終了後約 15 分間上昇したままで、約 20 s の呼吸保持の開始時の値よりも低い値に落ち、最終的にベースライン値に回復することに注意してください。ACA はドップラースペクトルのトランスデューサから離れた流れとして見える点に注意してください。

図6 と 図7は 、TCDスペクトルのMCA部分に良好な信号強度を示しています(MCAは正の速度で表されます)。スペクトルが明るいときに、エンベロープを表す白い線がTCDスペクトルに非常に正確に従う方法に注意してください。 図6 と 図7 のスペクトルは、TCDスペクトルのACA部分が見えないように(ACAは負の速度で表される)、TCDスペクトルの縦軸のスケールを約-100 cm/sから100 cm/sに変えることで、モニタリング深度を5〜10mm減少させることで改善できます。 これは、TCDスペクトルの垂直方向の最大速度サンプリングを可能にします。

図8 は、両側fTCDに適したTCDスペクトルおよびMモードの例を示す。 図 8A および 図 8B は、両側スペクトルおよび M モードが許容できるが、最適ではない方法を示しています。弱い信号を補正するために 図8B( 右MCA)よりもゲインが 図8B( 左MCA)で高くなる方法と、 図8A のエンベロープ品質が 図8Bよりも若干悪い方法に注意してください。また、図8Aの収縮期における最大速度が 図8Bよりもわずかに低くなるのに注意してください。対照的に、 図 8C と 図 8D の 2 つのスペクトルは、深さ、ゲイン、出力、サンプルの体積などの設定の点で非常によく似ている点と、両側のスペクトル波形の最大速度と形状が似ています。これに対処するために、左MCAからのスペクトルは、特に血流の横化を伴う実験のために、左の窓と右のMCAからのスペクトルを一貫して右のウィンドウに配置することが推奨される。

Figure 6
図6:ブレスホールド・マニューアレーションの異なる段階におけるMCAからのサンプルドップラースペクトルとMモード画像。 中央の垂直黄色の線は、息を止める開始を示します。(B)呼吸保持の終わりにスペクトルとMモード。中央の垂直黄色の線は、被検者が吸入したときの呼吸保持の終わりを示す。(C)呼吸保持終了後のスペクトルとMモードは、呼吸保持後に約30分間持続する流速の低下を示す。すべてのスペクトル、深さ = 56 mm、ゲイン = 50、サンプル体積 = 8 mm、パワー = 420 mW/cm2、フィルタ = 100 Hzです。

Figure 7
図7: 呼吸保持を通してMCAからのスペクトラムとMモード。 深さ = 56 mm、ゲイン = 50、サンプル体積 = 8 mm、電源 = 420 mW/cm2、フィルタ = 100 Hz。

Figure 8
図8: MCAからの二国間スペクトルとMモード画像の例(A)受容可能だが、最適ではない、スペクトルおよびMモード、深さ= 62mm、ゲイン= 69、サンプル体積= 12mm、パワー=420mW/cm2、フィルタ=100Hz(B)の良好なスペクトルとMモード、右MCAの56mm、 サンプル容量 = 12 mm、パワー = 420 mW/cm2、フィルタ = 100Hz(C)左MCAの良好なスペクトルとMモード。(D) 正しい MCA の良好なスペクトルと M モード。両方の(C)と(D)、深さ = 62 mm、ゲイン = 56、サンプルボリューム = 12、パワー = 420 mW/cm2、フィルタ = 100 Hz。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

年齢 中大脳動脈深度(mm) 
0~3ヶ月 25
3~12ヶ月 30
1~3年 35–45
3-6年 40–45
6-10年 45–50
10~18年 45–50
>18年b 50

表1:様々な年齢でのMCAの深さ。 出典: a = ボーデ25, b = アレクサンドロフら10

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Discussion

プロトコルの重要なステップには、1)MCAを見つけ、2)ヘッドバンドを配置し、3)呼吸保持操縦を行う。

研究の対象によっては、修正 が必要な場合があります。例えば、アルツハイマー病の被験者は指示に従うことに困難を有し、呼吸保持指示15に準拠することを確実にするためにカプノグラフの使用を必要とする。幼い子供たちは指示に従うのが難しいかもしれませんし、実験者を恥ずかしがるかもしれません。したがって、実験プロトコルは、そのような集団のために単純化する必要があるかもしれません(ローマンら2参照)。TCD マシンの特定の設定は、関心のある人口に応じて変更する必要がある場合もあります。例えば、頭蓋骨が薄い乳児を同音化する場合、特にTCDモニタリングが数時間にわたって行われる場合には、可能な限り電力を減らす16時間に及ぶ。

トラブルシューティングは、多くの場合、良好で安定したTCDスペクトル信号を見つける困難を中心にしています。例えば、50歳以上の人の場合、頭蓋骨の骨の空隙率の増加により年齢が増加し、耳のすぐ前の領域に局在する傾向にあるため、時間的音響窓がますます小さくなる(「経経間空間」)12。このような集団では、頭部の両側に良好なMCAスペクトル信号を見つけることは不可能である場合があり、トランスデューサの角度または位置のわずかな変化は信号を失う可能性があります。分析のためにエンベロープ波形に依存する実験には良質の信号が不可欠であるため、MCAのスペクトル信号強度と品質を高めるためにあらゆる努力をする必要があります。例えば、ゲインを調整して信号を最適化し、サンプルのボリュームを大きくして信号を強くすることができます。最後の手段として、電力が増加する可能性があります。最後に、患者の約10%において、側方音響窓が11,17に存在しなくなる可能性があることに注意することが重要である。時間的な音響窓は、乳児や小さな子供に容易に見つけることができ、50歳以上の成人で見つけるのが最も難しいです。

fTCDの制限は、非常に高い時間分解能を有するが、広い視野ではなく、1つの空間的位置17でのCBFV情報の取得を含む。したがって、fTCDはfMRIを補うもので、低時間分解能18,19で広い視野を有する脳血力学的情報(ひいては神経活動)を与える。実際、fTCDはfNIRS20に匹敵する時間的解像度を有し、fTCDは主要な大脳動脈のレベルで血行力学的変化を測定するのに対し、fNIRSは皮質の変化を測定する重要な違いを有する。したがって、fTCDは、神経活性化に応答して脳血動力学的変化に関する重要な詳細を記入することができ、これは他の神経イメージングモダリティが現在測定することができない。

TCDの潜在的な用途は、心臓手術16中の脳塞栓形成のモニタリングおよび脳卒中21に対する組織プラスミノーゲン活性化剤治療の結果を検出するためのモニタリングを含む。fTCDの潜在的な応用は、人間の脳2、3、4、体性感覚「タッチ」刺激5、または視覚処理6の横化を研究するなど、内部または外部刺激に対する神経応答を含む任意の研究課題を含む。さらに、fTCDは、運動22および呼吸保持13、15、23などの刺激に対する生理学的(神経活動変化の有無にかかわらず)応答を研究するために使用することができる。最後に、fTCDの低コスト、移植性、および簡易性は、多数の被験者の撮像を実用的なものにし、petなどのfMRIおよび他の神経イメージングモダリティに対する利点、例えば、前臨床アルツハイマー病15をスクリーニングする場合である。

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Disclosures

著者らは利益相反を宣言しない。

Acknowledgments

このプロジェクトは、ネブラスカ州農業実験場が、USDA国立食糧農業研究所を通じてハッチ法(加盟番号0223605)からの資金援助を受けた研究に基づいています。

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

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バイオエンジニアリング、問題169、機能経頭蓋ドップラー、fTCD、経頭蓋ドップラー、TCD、呼吸保持指数、BHI、ブレスホールド加速指数、BHAI
脳血流をモニタリングするための機能性経頭蓋ドップラー超音波
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Hage, B. D., Truemper, E. J.,… More

Hage, B. D., Truemper, E. J., Bashford, G. R. Functional Transcranial Doppler Ultrasound for Monitoring Cerebral Blood Flow. J. Vis. Exp. (169), e62048, doi:10.3791/62048 (2021).

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