Method Article

Ocena lateralizacji mózgu u dzieci za pomocą funkcjonalnego przezczaszkowego USG Dopplera (fTCD)

DOI:

10.3791/2161

⸱

September 27th, 2010

 ,  , 
1Department of Experimental Psychology, University of Oxford

In This Article

Erratum Notice

Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Funkcjonalna przezczaszkowa ultrasonografia dopplerowska (fTCD) jest prostą i nieinwazyjną techniką ultrasonograficzną, która może być używana do oceny lateralizacji funkcji poznawczych, zwłaszcza języka, i jest odpowiednia do stosowania u dzieci.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Istnieje wiele pytań bez odpowiedzi na temat lateralizacji mózgu. W szczególności nie jest jasne, które aspekty języka i zdolności niewerbalnych są lateralizowane, czy istnieją jakieś wady związane z nietypowymi wzorcami lateralizacji mózgu i czy lateralizacja mózgowa rozwija się wraz z wiekiem. W przeszłości badacze zainteresowani tymi pytaniami mieli tendencję do używania ręczności jako miary zastępczej dla lateralizacji mózgu, ale jest to niezadowalające, ponieważ ręczność jest tylko słabym i pośrednim wskaźnikiem lateralizacji funkcji poznawczych1. Inne metody, takie jak fMRI, są drogie w badaniach na dużą skalę i nie zawsze są wykonalne w przypadku dzieci2.

Tutaj opiszemy zastosowanie funkcjonalnego przezczaszkowego ultrasonografii dopplerowskiej (fTCD) jako opłacalnej, nieinwazyjnej i niezawodnej metody oceny lateralizacji mózgu. Zabieg polega na pomiarze przepływu krwi w tętnicy środkowej mózgu za pomocą sondy ultradźwiękowej umieszczonej tuż przed uchem. Nasza praca opiera się na pracach Rune Aaslida, który współwprowadził TCD w 1982 roku, oraz Stefana Knechta, Michaela Deppe i ich kolegów z Uniwersytetu w Münster, którzy byli pionierami w stosowaniu jednoczesnych pomiarów przepływu krwi w lewej i prawej tętnicy środkowej mózgu i opracowali metodę korekcji aktywności bicia serca. Umożliwiło to zaobserwowanie wyraźnego wzrostu lewostronnego przepływu krwi podczas generowania języka, przy czym lateralizacja dobrze zgadza się z tą uzyskaną przy użyciu innych metod3.

Tętnica środkowa mózgu ma bardzo szerokie terytorium naczyniowe (patrz Rysunek 1) i metoda ta nie dostarcza użytecznych informacji na temat lokalizacji w obrębie półkuli. Z naszego doświadczenia wynika, że jest szczególnie wrażliwy na zadania, które wiążą się z jawną lub ukrytą produkcją mowy. Zadanie "złotego standardu" polega na generowaniu słów (np. wymyśl jak najwięcej słów zaczynających się na literę "B") 4, ale nie jest to odpowiednie dla małych dzieci i innych osób o ograniczonych umiejętnościach czytania i pisania. W porównaniu z innymi metodami obrazowania mózgu, na fTCD stosunkowo nie mają wpływu artefakty ruchowe wynikające z mówienia, dzięki czemu jesteśmy w stanie uzyskać wiarygodny wynik z zadań, które obejmują opisywanie obrazów na głos5,6. W związku z tym opracowaliśmy zadanie przyjazne dzieciom, które polega na oglądaniu klipów wideo, które opowiadają historię, a następnie opisywaniu tego, co zostało zobaczone.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Używanie fTCD do oceny lateralizacji języka u dzieci

  1. Tam, gdzie to możliwe, zapoznajemy dziecko z obrazkami przedstawiającymi postacie z opowiadań wideo w osobnej sesji, zanim zapoznamy je z systemem Dopplerowskim.
  2. Ważne jest, aby procedura obejmowała wystarczającą liczbę badań, aby uzyskać wiarygodną miarę: najlepiej 20 lub więcej, chociaż uzyskaliśmy przydatne dane już po 10 do 15 badaniach. Każde badanie obejmuje okres relaksu, który należy wykorzystać jako punkt odniesienia, po którym następuje aktywacja językowa. Prędkość przepływu krwi w okresie aktywacji jest porównywana z wartością wyjściową. Odkryliśmy, że możliwe jest wykorzystanie kropki, gdy dziecko biernie ogląda 12-sekundowy klip wideo, jako punkt odniesienia. Pomaga to uniknąć nudy. Po linii podstawowej następuje 10-sekundowy okres odpowiedzi, w którym dziecko jest proszone o opisanie tego, co się stało. Po tym następuje 16-sekundowy okres odpoczynku.
  3. Czas zabiegu jest ważny w celu wykrycia zmian prędkości przepływu krwi spowodowanych zapotrzebowaniem metabolicznym, które mogą trwać do 7 sekund. Korzystamy z zadań komputerowych, napisanych w Prezentacji lub Matlabie, które kontrolują czas każdej próby. Co ważne, programy te wysyłają również impulsy do sprzętu, który rejestruje znacznik w pliku danych Dopplera, aby wskazać początek okresu aktywacji. Są one wykorzystywane w analizie danych w celu określenia okresów wyjściowego i aktywacyjnego przepływu krwi.
  4. Korzystamy z systemu Multi-dop, który umożliwia jednoczesny zapis ultrasonograficzny z lewej i prawej strony. Najlepiej, aby system Multi-dop był skonfigurowany i gotowy do pracy przed przybyciem uczestnika. Przed włączeniem upewnij się, że sondy są podłączone do systemu Multi-dop. Sprawdź, czy komputer bodźca jest podłączony, przez port równoległy, do komputera Multi-dop, a impulsy z jednego są widoczne na drugim. Upewnij się, że filtr górnoprzepustowy jest ustawiony na 300 Hz po obu stronach i sprawdź głębokość insonacji (45-55 mm) oraz moc sygnału. System ma ustawione limity dla różnych parametrów, aby zapewnić, że można używać tylko bezpiecznych poziomów.
  5. Kod uczestnika powinien być zapisany w plikach danych Multi-dop w celu dopasowania danych dotyczących stanu, grupy lub danych demograficznych.
  6. Następnie należy wstrzymać działanie systemu na czas przygotowania sond. Każda sonda ultradźwiękowa pokryta jest żelem, który zapewnia kontakt między sondą a skórą. Użyj dużej ilości żelu, aby utrzymać jak najlepszy kontakt.
  7. Teraz nadszedł czas, aby rozpocząć sesję. Sprawdź, czy dziecko musi iść do toalety przed rozpoczęciem! Demonstrujemy zestaw słuchawkowy za pomocą zabawkowych zwierzątek i upewniamy się, że dziecko rozumie, co się wydarzy i o co zostanie poproszone. Szczególnie ważne jest, aby rozumieli potrzebę zachowania ciszy po okresie aktywacji, aby sygnał mógł powrócić do stanu wyjściowego. Dzieci powinny siedzieć wygodnie, ponieważ pełne zadanie może trwać od 20 do 30 minut, a wiele dużych ruchów ciała może zakłócać sygnał Dopplera.
  8. Najtrudniejszą częścią procedury jest ustawienie sond pokrytych żelem. Nowi użytkownicy powinni mieć świadomość, że potrzeba praktyki, aby stać się ekspertem w tej części procesu. Istnieje przydatna symulacja komputerowa autorstwa Rune Aaslida, która może pomóc w treningu
    (http://www.transcranial.com/), ale najlepszym sposobem nauki jest ćwiczenie na przyjaciołach i kolegach. Gdy ocenisz około 10 osób, zacznie Ci się to znacznie ułatwiać. Jedną dobrą rzeczą w pracy z dziećmi jest to, że zwykle łatwiej jest znaleźć sygnał od dziecka niż od dorosłego, ponieważ mają one cieńsze czaszki.
  9. Każda sonda jest umieszczana w oknie skroniowym czaszki po każdej stronie głowy. Jest to najcieńsza część kości w głowie i zapewnia najlepszy obszar, przez który można uzyskać sygnał z tętnic środkowych mózgu. Okienka te znajdują się tuż przed każdym uchem. Podczas pracy z dziećmi może to pomóc skrócić czas konfiguracji, jeśli masz dwóch eksperymentatorów, z których jeden dostosowuje każdą sondę. Większość dzieci chętnie ogląda DVD podczas tej części procedury, ale ważne jest, aby monitorować zachowanie dziecka i upewnić się, że czuje się komfortowo i jest zrelaksowane. Zakończ sesję, jeśli dziecko o to poprosi lub jeśli pojawią się jakiekolwiek oznaki niepokoju.
  10. Położenie sond jest następnie dostosowywane w celu insonacji tętnicy środkowej mózgu. Może minąć kilka minut, zanim zostanie znaleziony zadowalający sygnał. Sygnał ten ma charakterystyczny wzór dźwiękowy i wizualny, który powinien być monitorowany z komputera Multi-dop.
  11. Charakterystycznym dźwiękiem jest niski świszczący dźwięk tempa bicia serca uczestnika. Charakterystycznym wzorcem wizualnym jest gwałtowny wzrost, po którym następuje wykładniczy spadek zaniku, który również powtarza się w tempie bicia serca. Możesz wychwycić aktywność z innych naczyń krwionośnych, w zależności od głębokości insonacji i kierunku sondy. Głębokość około 45 do 50 mm zwykle dobrze sprawdza się u dzieci. Po znalezieniu silnego sygnału zmniejsz moc tak bardzo, jak to możliwe, utrzymując dobry sygnał. Wzmocnienie można również zwiększyć, aby wzmocnić słaby sygnał.
  12. Gdy sygnały dla każdej tętnicy środkowej mózgu są zadowalające, wyjście słuchowe sygnału Multi-dop powinno zostać wyłączone i można rozpocząć procedurę. Eksperymentator wyjaśnia dziecku, że zamierza po cichu obejrzeć klip wideo. Kiedy widzą, że na komputerze pojawia się znak zapytania, muszą powiedzieć eksperymentatorowi jak najwięcej o tym, co wydarzyło się w filmie. Kiedy widzą zdjęcie chłopca mówiącego "ciiii", muszą natychmiast przerwać rozmowę i usiąść cicho, czekając na rozpoczęcie następnego filmu (patrz Rysunek 2 i .avi przykłady).
  13. Następnie uruchamiane są urządzenia rejestrujące, tj. dyktafon do reakcji słuchowych, nagrywanie w systemie Multi-dop oraz komputer sterujący prezentacją bodźców.
  14. Zadaniem eksperymentatora jest następnie monitorowanie dziecka i sygnału dopplerowskiego, aby a) upewnić się, że dziecko czuje się komfortowo i zajmuje się zadaniem oraz b) upewnić się, że odpowiedni sygnał jest utrzymywany. Sygnał dopplerowski jest znacznie mniej wrażliwy na ruch niż sygnał fMRI, ale nadal może zostać zakłócony przez duże ruchy ciała lub jeśli sonda się porusza. Jeśli sygnał zostanie znacznie zakłócony, komputer wyświetlający powinien zostać zatrzymany, a sondy odpowiednio zresetowane. Czasami może być konieczne nałożenie większej ilości żelu w celu odzyskania zadowalającego sygnału. Odkryliśmy, że testowanie dzieci działa najlepiej, jeśli jeden eksperymentator jest odpowiedzialny za utrzymanie dziecka na zadaniu i rejestrowanie tego, co mówi, a drugi monitoruje sygnał dopplerowski.
  15. Po zakończeniu procedury eksperymentalnej zapis Multi-Dop można zatrzymać, a sondy usunąć. Przydatne jest posiadanie kilku chusteczek, aby usunąć nadmiar żelu.
  16. Pliki surowych danych są przetwarzane w celu porównania lewego i prawego sygnału Dopplera. Opracowaliśmy własne oprogramowanie Matlab w oparciu o metody opracowane przez Deppe7. Przetwarzanie to polega na próbkowaniu danych w dół i korygowaniu wahań spowodowanych biciem serca. Pojedyncze badania są wykluczane z analizy, jeśli lewa lub prawa aktywacja wykracza poza określony zakres, zwykle od 70 do 130% wyjściowej prędkości przepływu krwi. Na aktywację w tych badaniach prawdopodobnie będzie miał wpływ problematyczny kontakt z sondą. Rysunek 3 przedstawia aktywację względem sygnałów sondy dla dobrego sygnału, podczas gdy rysunek 4 pokazuje przypadek, w którym sygnał jest okresowo tracony.
  17. W stosunku do wyjściowej prędkości przepływu krwi, aktywacja w prawym kanale jest odejmowana od lewej w celu obliczenia aktywacji różnicowej (patrz rycina 5). Wskaźnik lateralizacji oblicza się jako średnią aktywacji różnicy przez jedną sekundę po każdej stronie maksymalnej różnicy w określonym okresie zainteresowania. Ten okres zainteresowania wynosi od 7 do 17 sekund od rozpoczęcia komendy "talk", wskazywanej przez znacznik wysyłany z komputera wyświetlającego do pliku danych Multi-dop. Ponieważ aktywacja różnicowa to lewy minus prawy kanał, dodatnie wskaźniki lateralizacji odzwierciedlają lewą lateralizację, a ujemne odzwierciedlają prawy.

2. Reprezentatywne wyniki

figure-protocol-1
Rycina 1: Zewnętrzna powierzchnia półkuli mózgowej, pokazująca obszary zaopatrywane przez tętnice mózgowe. Różowy to region zaopatrywany przez tętnicę środkową mózgu. (od: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Gray517.png)

figure-protocol-2
Rysunek 2: Schematyczny zarys badania eksperymentalnego z 12-sekundowym filmem wyjściowym, 10-sekundowym interwałem odpowiedzi i 16-sekundową fazą odpoczynku. Przedstawiono również okres zainteresowania obliczeniami lateralizacji.

figure-protocol-3
Rysunek 3. Czysty zapis danych surowej prędkości Dopplera (cm/s) dla lewego (niebieskiego) i prawego (czerwonego) kanału Dopplera od 130 do 150 sekund podczas pojedynczej sesji eksperymentalnej. Każdy widoczny impuls odpowiada jednemu uderzeniu serca. Znacznik zdarzenia wskazujący na początek bodźca wyświetlany na zielono.

figure-protocol-4
Rysunek 4. Zakłócony zapis danych surowej prędkości dopplerowskiej (cm/s) dla lewego (niebieskiego) i prawego (czerwonego) kanału Dopplera od 400 do 450 sekund podczas pojedynczej sesji eksperymentalnej. Znacznik zdarzenia wskazujący na początek bodźca wyświetlany na zielono. Znaczące dowody na rezygnację są widoczne w przypadku obu kanałów.

figure-protocol-5
Rysunek 5. Lewy (niebieski) i prawy (czerwony) kanał (Panel A) oraz różnica lewej minus prawa (Panel B) Prędkość Dopplera (cm/s) uśrednione we wszystkich akceptowalnych badaniach dla grupy uczestników. Uczestnicy zostali poproszeni o "Rozmowę" po 12 sekundach, a okres zainteresowania obliczeniami lateralizacji jest również przedstawiony na zielono. Szare słupki błędu otaczające różnicę prędkości w panelu B reprezentują błąd standardowy średniej.

Przykłady Avi: sekwencje wideo opowiadające historię "Freezefoot" można pobrać z: http://psyweb.psy.ox.ac.uk/oscci/Miscellaneous.htm

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Oprócz badania prawidłowego rozwoju, używamy fTCD do badania lateralizacji języka u dorosłych i dzieci z zaburzeniami rozwojowymi języka i umiejętności czytania i pisania 8, 9. Jesteśmy również zainteresowani opracowaniem metod wykorzystania fTCD do oceny lateralizacji zdolności wzrokowo-przestrzennych10, 11.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dziękujemy Hubertusowi Lohmannowi za podzielenie się swoją wiedzą na temat technik fTCD. Praca została sfinansowana z grantu programu Wellcome Trust nr 082498/Z/07/2.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Multi-Dop T z aktualizacją do 2-kanałowego monitorowania MultiFlowCompumedics5610 ENwkrótce zostanie zastąpiony przez wersję cyfrową
Zestaw słuchawkowySpencer Technologies, 701– 16th Avenue, Seattle, WA 98122

References

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

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Erratum

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Formal Correction: Erratum: Assessment of Cerebral Lateralization in Children using Functional Transcranial Doppler Ultrasound (fTCD)
Posted by JoVE Editors on 1/01/1970. Citeable Link.

A correction was made to Assessment of Cerebral Lateralization in Children using Functional Transcranial Doppler Ultrasound (fTCD). There was a misstated time interval for the point of interest.

Tags

Cerebral LateralizationFunctional Transcranial DopplerMiddle Cerebral ArteryBlood Flow MeasurementLanguage Task AssessmentLaterality Index CalculationUltrasound Probe PlacementChild Friendly ProcedureDevelopmental NeuropsychologyNon Invasive Brain Imaging

Related Articles