Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Biology
Click here for the English version

Biology

Vurdere Cerebral Autoregulation via oscillatory lavere kroppen negativt trykk og projeksjon Pursuit regresjon

Published: December 10, 2014 doi: 10.3791/51082
Automatic Translation
1,2, 1,2, 2
1Department of Physical Medicine and Rehabilitation, Harvard Medical School, 2Cardiovascular Research Laboratory, Spaulding Hospital Cambridge

Abstract

Den prosessen som cerebral perfusjon holdes konstant over et bredt område av systemiske trykk er kjent som "cerebral autoregulation." Effektiv demping av strømnings mot trykkendringer skjer over perioder så korte som ~ 15 sek, og blir gradvis større over lengre tidsperioder. Dermed er tregere endringer i blodtrykket effektivt avstumpet og raskere endringer eller svingninger passere gjennom til cerebral blodstrøm relativt upåvirket. Den primære vanskelighet ved karakterisering av frekvensavhengighet av cerebral autoregulation er mangelen på fremtredende spontane svingninger i arterielt trykk rundt de frekvenser som er av interesse (mindre enn ~ 0.07 Hz eller ~ 15 sek). Oscillasjon underkroppen negativt trykk (OLBNP) kan brukes til å generere svingninger i sentral venøs retur som resulterer i arteriell trykksvingninger på hyppigheten av OLBNP. Videre Projection Pursuit regresjon (PPR) gir en parametrisk metode for å characterize-lineære relasjoner iboende i systemet uten a priori forutsetninger og avslører den karakteristiske ikke-linearitet av cerebral autoregulation. OLBNP genererer større svingninger i blodtrykk som frekvens av negative trykkoscillasjoner blir langsommere; imidlertid svingninger i cerebral blodstrøm blir stadig mindre. Derfor viser PPR en stadig mer fremtredende autoregulatory regionen på OLBNP frekvenser på 0,05 Hz og lavere (20 sek sykluser). Målet med denne tilnærmingen det å tillate laboratorium-basert bestemmelse av den karakteristiske ikke-lineær sammenheng mellom trykk og cerebral flyt og kunne gi unik innsikt til integrert cerebrovaskulær kontroll samt til fysiologiske forandringer underliggende nedsatt cerebral autoregulation (f.eks etter traumatisk hjerneskade, hjerneslag , etc.).

Introduction

Den prosessen som cerebral perfusjon holdes konstant over et bredt område av systemiske trykk er kjent som "cerebral autoregulation." Opprinnelige observasjoner av cerebrale strømningsresponser en understøttet en motregulering mot forandringer i arterielt trykk som er av stor betydning for den daglige regulering av cerebral perfusjon. Selv karakterisering av autoregulation var basert på studier av vedvarende, kontrollert hypo- og hypertensjon, 2,3 det ble erkjent at trykkinduserte endringer i motstand er 'en oscillerende prosess' 3 omfatter endringer fra 10 til 90 sek. 4 dessuten innenfor siste to tiårene, måling av cerebral blodstrømningshastighet på en beat-for-beat basis 5 har vist at cerebral flyt er regulert over perioder så korte som bare noen få hjerteslag. 6,7 Disse beat-by-beat data tyder på at effektiv demping av flyt mot trykkendringer skjer overperiodene så korte som ~ 15 sek og det blir stadig større over lengre tidsperioder. 8 Så, forholdet mellom trykk og flyt fungerer som et høypassfilter 7,9-12, hvor tregere endringer i blodtrykket er effektivt avstumpet og raskere svingninger passere gjennom relativt upåvirket.

Den primære vanskelighet ved karakterisering av frekvensavhengighet av cerebral autoregulation er mangelen på fremtredende spontane svingninger i arterielt trykk rundt de frekvenser som er av interesse (mindre enn ~ 0.07 Hz eller ~ 15 sek). Uten tilstrekkelig store trykksvingninger, kan man ikke nøyaktig tallfeste cerebral blodstrøm respons. Vårt laboratorium har jobbet med denne begrensningen ved hjelp av en teknikk kjent som oscillasjon underkroppen negativt trykk (OLBNP). Dette skaper caudal veneblodvolum skift er proporsjonale med graden av undertrykk i tanken på grunn av redusert venøs transmuralt trykk. Når den negative tryre brukes på angitte tidspunkter, svingninger i sentral venøs retur resultat i arterielle trykksvingninger på hyppigheten av OLBNP. Denne fremgangsmåten har vært brukt i flere studier på tvers av forskjellige laboratorier. 8,14-17 Dette skaper caudal veneblodvolum skift er proporsjonale med graden av undertrykk i tanken på grunn av redusert venøs transmuralt trykk. Når det negative trykket er brukt på angitte tidspunkter, svingninger i sentral venøs retur resultere i arteriell trykksvingninger på hyppigheten av OLBNP. Denne tilnærmingen har vært brukt i flere studier på tvers av ulike laboratorier. 8,15-18

Selv med en tilnærming som kan generere fremtredende svingninger i blodtrykk rundt frekvensene av interesse, er det en kompliserende faktor: det er betydelig bevis for ulinearitet i cerebral autoregulation, spesielt på de laveste frekvensene 8 Dessuten er det ingen sterk teoretisk guide.som til naturen av ulineariteter stede i cerebral autoregulation. Derfor bruker vi en atheoretical, er datadrevet metode som kalles Projection Pursuit regresjon (PPR) i vår analyse. 19 PPR en parametrisk metode for å karakterisere lineære relasjoner iboende i et system uten a priori forutsetninger som til naturen av disse ulineariteter. Dette er en avgjort fordel for å fange et system som fysiologi er ennå ikke definert av eksplisitte lineære modeller. PPR viser at den karakteristiske ikke-linearitet av cerebral autoregulation ligner den "klassiske autoregulatory kurve" først beskrevet av Lassen i 1959 (figur 1). 2,19 Det vil si, forblir cerebral blodstrøm relativt konstant innenfor et bestemt område av arterietrykk, men passivt spor i en lineær måte utenfor dette området. Denne formen blir mer tydelig som blodtrykk svingninger blir tregere. Derfor er utilstrekkelig til fullt interroga lineær analysete cerebral autoregulation og avhengighet av lineære teknikker sannsynlig savner viktig informasjon.

I denne artikkelen har vi detalj tilnærming til både datainnsamling (laboratorium bruk av OLBNP) og analyse (PPR) vi bruker for å karakterisere cerebral autoregulation i helse og sykdom.

Protocol

1. oscillatory lavere kroppen negativt trykk (OLBNP)

  1. Oppsett utstyr
    1. Elektro Lead II (EKG): Fest de tre (eller flere) elektroder til motivets torso for måling av hjertefrekvensen gjennom hele studien.
    2. Neopren Skjørt: Bruk en spesiallaget neopren skjørt som forsegler emnet i underkroppen negativ trykkammer opp til hoftekammen. Sett det rundt motivet bryst før de er plassert liggende i tanken og sikre at EKG-signalet er likevel tilstrekkelig. Pass på at det sitter godt, men ikke så stramt som å begrense puste.
    3. Lavere Body Negativ trykkammer: Har emnet ligge liggende på sengen og manøvrere LBNP kammer under dem. Hvis LBNP kammeret har en justerbar sykkel sete (for å minimere bevegelse gjenstand uten å motvirke effekten av suge), sørg for at motivet er komfortabelt satt på den. Bruk en spesiallaget Pleksiglass spacer kuttet til motivets waist størrelse for å hjelpe forsegle kammeret. Tett neopren skjørt rundt LBNP kammer med duct tape.
    4. LBNP Chamber Pressure: Koble LBNP kammer til en standard trykkgiver. Kalibrere trykkgiveren til mmHg.
    5. Gjenta Cycle Timer Festet til Mekanisk Valve: Fest tilpasset bygget mekanisk ventil og gjentar syklusen timeren til LBNP kammeret.
      MERK: En tidsforsinkelse relé festet til to motorer som styrer en mekanisk ventil brukes til å alternere mellom undertrykk og atmosfæretrykk. Tidsforsinkelsen relé veksler spenning til motorene ved et fast intervall for å åpne og lukke en ventil mellom kammeret og vakuum. Dette skaper en LBNP kammertrykk bølgeform som er omtrent firkantet bølge i form. Justere syklustiden til den ønskede OLBNP frekvens.
    6. Variable Transformer og Vakuum: Fest en standard husholdning støvsuger til den mekaniske ventilen. Plugg vakuum til en variabel transformator som lar spenningen tilvakuum for å bli kontrollert. Slå på støvsugeren og justere den variable transformator inntil målet LBNP trykk (f.eks, 30 mmHg) er oppnådd.
    7. Arteriell Blood Pressure: Fest ikke-invasive photoplethysmographic arterietrykk mansjetter (f.eks Portapres, Finapres) til finger (e) på den ene hånden. Sikre nøyaktighet ved å sammenligne press til Oscillometrisk press fra brakialarterien av motsatt arm.
    8. 2 MHz Transkranial Doppler og Probe Fixation Device
      1. Bruk en 2 MHz puls bølge Doppler probe til insonate M1 segment av arteria cerebri media i templet (dvs. transtemporal vindu).
      2. Alter probe vinkel, insonation dybde (~ 55 mm), forsterkning, og sendeeffekten for å maksimere den spektrale intensiteten av signalet.
      3. Fiks sonden på plass ved hjelp av en fikseringsanordning som ikke har noen iden (dvs. ikke et hodebånd), slik at bevegelse gjenstand ikke blir innført i signalet som den frivillige trekks med negative trykksvingninger.
        MERK:. Cerebral blodstrøm kan måles ensidig eller bilateralt, men ingen forskjell i cerebral autoregulation er forventet mellom halvkulene med mindre en lokalisert skade som hjerneslag eller traumatisk hjerneskade er til stede 20
    9. Utløpt CO 2: Bruk et nesekateter festet til en infrarød CO 2 analysator å overvåke utløpt CO 2 og instruere underlagt puste bare gjennom nesen. Gitt dyp effekt arteriell CO 2 har på cerebral blodstrøm, 21 monitor CO 2 gjennom hver studie.
  2. Data Acquisition
    1. Sett opp analog til digital konvertering av arterielt trykk, cerebral blodstrøm, LBNP kammertrykk, og utløp CO 2 for å skaffe et minimum på 50 Hz per kanal. Erverve EKG ved 1 kHz.
      MERK: Mens påfølgende Analysen omhandler mye lavere informasjon frekvens (≤0.07 Hz), er det critical å overvåke kvaliteten på signalene som blir kjøpt opp i løpet av en studie. En samplingshastighet på 50 Hz vil tillate nøyaktig visualisering av blodtrykket og cerebral blodstrøm for påvisning av gjenstanden.
  3. Oscillasjon LBNP Protocol
    1. Slå på vakuum og sikrer tanktrykket er stabil ved -30 mmHg.
    2. Sett gjentar syklusen timeren til 33 sek for 0,03 Hz OLBNP.
    3. Juster sonden (e) for å sikre optimal signal.
    4. Skaffe data i minst 15 sykluser (500 sek på 0,03 Hz) for å sikre tilstrekkelig tillit i PPR estimater. Hvis tiden tillater det, samle inn mer data enn dette som det vil ytterligere forbedre signal-til-støy-forhold.
    5. Gjenta trinnene over for noen frekvenser mellom 0,03 Hz-0,08 Hz ved å endre gjentakelsessyklus timeren varighet.
      MERK: Påfør frekvenser i orden, men tilfeldig variere start frekvens mellom fag.

2. Projection Pursuit regresjon (PPR)

  1. Data forhåndsbehandling
    1. Desimering og lavpassfiltrering
      1. Åpne Matlab. Skriv inn kommandoen "data = sampling (data, 1, SR / 5)" (der SR er den opprinnelige samplingsfrekvens) for å desimere den blodtrykk og cerebral blodstrøm til 5 Hz.
        MERK: Hvis du vil, low-pass filter (19 th orden Chebyshev Type II) med en cutoff på 0,4 Hz. Filtreringen er overflødig, gitt påfølgende behandling, men skaper middelbølgeformer som ikke er avhengige av peak deteksjon av noen ganger støyende blodtrykk og cerebral blodstrøm signaler.
    2. Artifact fjerning
      1. Ved hjelp av de opprinnelige ikke-desimert bølgeformer som en guide, fjern eventuelle deler av signalene med gjenstander og lineært interpolere. Hvis disse delene utgjør mer enn 10% av registreringsperioden, forkaste opptaket helt.
        MERK: På dette punktet, er kurvene passende behandlet for tradisjonelle lineære tilnærminger som overføring funksjonsanalyse.
    3. Band-pass filtrering
      1. I Matlab, type: [B, A] = cheby1 (1,1, [F - 0,005 F + 0,005] / (SRD / 2)) data = filtfilt (B, A, detrend (data, "lineære") å band -pass filtrere trykk og strømning i en ± 0.005 Hz båndet (1 m for Chebyshev type I med 1 dB over passbåndet rippel) rundt frekvensen til OLBNP (figur 2) hvor F er den dominerende OLBNP frekvens, er SRD den desimerte samplings rate (5 Hz etter trinn 2.1.1), og "data" er desimert signal (arterietrykk eller flow).
        MERK: Dette minimaliserer eventuelle forstyrrelser og øker signal-til-støy-forhold i etterfølgende PPR-analyse. Selv om den dominerende arterietrykk svingning skjer på den oscillerende frekvens for underkroppen undertrykk, kan tilfeldig støy i signalene forstyrre avledning av trykkstrømningsforhold. Resultater uten båndpassfiltrering vil være kvalitativt, men den prosentvise avviket explained (dvs. R 2) vil bli lavere. 19
  2. Projeksjon Pursuit Regresjon Estimering
    MERK: Ved å bruke den innebygde funksjonen 'ppr "i R Språk og Miljø for Statistiske Computing, og / eller via skredder skrevet funksjoner i andre plattformer, generere en eneste åskam funksjon (M = 1) for blodtrykk-cerebral flyt forhold .
    1. I Matlab, skriv kommandoen "CVLabPPR (trykk, flow)". Skriv inn Study ID som XXXYYY, der XXX er 3-bokstavers studie kode og YYY er de tre numeriske tegn for faget ID. Skriv inn Study datoen i følgende format: ÅÅÅÅ-MM-DD. Skriv inn numerisk måling # (for eksempel "1" for dag 1).
    2. Skriv inn APM (skriv FP for finapress eller AL for kunst-line). Skriv inn Vessel (MCA, ACA, eller PCA). Skriv inn "y" eller "n" til søket "Har du rett MCA målinger?" Enter "y &# 8221; eller "n" på spørsmålet "har du igjen MCA målinger?"
      MERK:
      Ligning 1
      For hver inngang (x t - arterielle blodtrykket) og utgang (y t - cerebral blodstrøm) en lineær autoregressiv transfer funksjon (Eq 1. - begrepet innenfor parentes) er gått gjennom metriske kjernefunksjoner (k m; kalt "ridge Funksjoner ") som bestemmes ved å minimere den gjennomsnittlige kvadrerte feilen. Projeksjon jakten regresjon kan omfatte mer enn ett møne funksjon (dvs. M> 1). Imidlertid, selv om det vil redusere den midlere kvadrerte feil, kan den utydelig tolkningen av ridge-funksjoner på grunn av potensielle interaksjoner mellom dem. Fordi det primære formålet er å oppnå et forhold mellom arterietrykk og cerebral blodstrøm som ca.n tolkes fysiologisk bør PPR være begrenset til bare en ridge-funksjon (M = 1).
    3. Stykkevis lineær Parameterisering. Parametrisere mønet funksjon som en stykkevis lineær funksjon for senere statistisk analyse (Figur 3). For Matlab, bruke Bruno Luong er Free-knute spline tilnærming. Skriv inn kommandoen "BSFK (x, y, k, nknots)" der k = 2 for en lineær tilpasning og nknots = 3 i tre regioner.
      MERK: Dette identifiserer de punkter hvor de arterielle trykk-cerebral strømning forholdet endres, og de ​​områder som er karakterisert ved at forholdet er tilnærmet lineær Figur 3 viser en skjematisk fremstilling av resultatene.. Forsterkningen (dvs. den lineære helling) til den trykkstrømnings forhold innenfor hvert område er et mål på effektiviteten av cerebral autoregulation innenfor den regionen. En lavere gevinst indikerer mer effektiv mot regulering av trykksvingninger mens høyere gevinster indikere mer passiv flow respons på trykkforandringer.

Representative Results

OLBNP amplituder fra 10 mmHg 22 opp til 120 mm Hg 17 har blitt brukt for å øke arterielt trykksvingninger, men 30 mmHg OLBNP er tilstrekkelig 23,24 og ikke utover reguleringskapasiteten til cerebrovasculature. 17 Dette nivået av OLBNP resultater i blodtrykkssvingninger som er omtrent 15-20 mm Hg i størrelsesorden på 0,03 Hz, som ikke er større enn blodtrykksforandringer som oppstår når man går fra sittende til stående. 25 Det er noen begrensninger i det området der OLBNP kan generere arterielle trykksvingninger. Autoregulation er bare aktiv på ~ 0,07 Hz og tregere, så den øvre grensen er ikke et problem. Men vanskeligheten i å generere lavfrekvente svingninger under 0,03 Hz, er at det kardiovaskulære systemet mot regulerer mot LBNP-indusert arteriell trykkendringer før syklusen er fullført. Som figur 4 viser, på 0.025 Hz OLBNP vi faktisk se den største toppen iarterielle trykkoscillasjoner 0.05 Hz. Mens frekvensresponsen av cerebral autoregulation kan karakteriseres fra 0,03 Hz-0,08 Hz for å definere tidsskalaer innen hvilke autoregulation er aktiv, 23,24 0,03 Hz og 0,08 Hz OLBNP er tilstrekkelig fordi de representerer en rekke autoregulatory funksjon (dvs. en uttales autoregulatory region stykke eller en beskjeden en).

OLBNP genererer større svingninger i arterielt trykk som hyppigheten av negative trykksvingninger blir langsommere. Figur 5 viser den arterielle trykk og derav følgende cerebrale blodstrøm svingninger med OLBNP fra 0,08 Hz (12,5 sek sykluser) 0,03 Hz (33 sek sykluser). På de høyere frekvenser, svinger cerebral blodstrøm i konsert med blodtrykk. PPR demonstrerer dette; det er en proporsjonal lineær sammenheng mellom arterietrykk og cerebral blodstrøm ved de høyere frekvenser på 0,08 Hz, 0,07 Hz (14 sek sykluser), og 0,06 Hz (16,6 sek sykluser). Ved lavere frekvenser av OLBNP, men arterielle trykksvingninger blir større, svingninger i cerebral blodstrøm blir stadig mer effektivt dempet. Derfor viser PPR en stadig mer fremtredende autoregulatory region på OLBNP frekvenser fra 0,05 Hz (20 sek sykluser), 0,04 Hz (25 sek sykluser), 0,03 Hz. I det viste eksemplet på 0,03 Hz, PPR kurve tydelig ligner den "klassiske autoregulatory kurve" beskrevet av Lassen (figur 1). Vi har tidligere vist at denne observasjonen kan ikke forklares ganske enkelt ved økning i størrelsen av arteriell trykksvingninger som frekvens for oscillasjonene blir langsommere. Vi har tidligere søkt PPR til data fra 48 personer i løpet av forskjellige størrelser av OLBNP (altså, annen størrelsesorden av trykksvingninger). 19 Selv om vi ikke eksplisitt utforske en potensiell sammenheng mellom autoregulatory utvalg og omfanget av trykksvingninger, re viportert at variasjonen i autoregulatory utvalg var bare ~ 6%. Dermed våre tidligere resultater viser tydelig at endringen i PPR kurve med frekvens ikke fullt ut kan forklares ved en endring i omfanget av trykksvingninger. I den samme studien, vurderte vi om PPR karakterisering av autoregulation er reproduserbar tvers separate økter. Denne analysen viste at helningen av autoregulatory området under 0,03 Hz OLBNP ikke endret (Lin Konkordans = 0,96, p <0,001) og dermed det ikke-lineære trykk-flyt forhold er konsistent over hele studiedager.

Selv om cerebrovaskulær seng er godt innervert av sympatiske nervefibre, deres rolle i autoregulation har ikke blitt allment akseptert. 26 Derfor er noen av våre tidligere arbeid utforsket potensielle rolle i det sympatiske nervesystemet i cerebrovaskulær autoregulation. 24 Vi fant en klar rolle for det sympatiske system ved regulering av cerebral strømning, men vi were ikke i stand til å karakterisere hvordan forholdet endret seg med fjerning av sympatiske effekter på grunn av begrensninger i lineære metoder for å karakterisere autoregulation. Figur 6 viser resultatene fra PPR søknad til data før (baseline) og etter sympatisk blokade under 0,05 Hz. Den samlede kurven blir markert mer lineær. Videre PPR analyse på 0,03 Hz data der autoregulation er mest tydelig viste at omfanget av den autoregulatory regionen forblir uendret, men skråningen innenfor den regionen øker, noe som reflekterer mindre effektiv autoregulation (figur 7).

Figur 1
Figur 1. "klassisk" autoregulatory kurve avledet fra forholdet mellom statiske økning og reduksjon i trykk og steady state cerebral blodstrøm. En region av uforanderlig flyt desPiteå endrende trykk (dvs. helling = 0) er avgrenset av regioner hvori økende og minkende trykk resultere i proporsjonale cerebrale blodstrøm endres.

Figur 2
Figur 2. forbehandling er nødvendig for å utføre PPR-analyse. Signalene blir først desimert til 5 Hz og deretter band-pass filtrert ved frekvensen til OLBNP (± 0.005 Hz).

Figur 3
Figur 3. Parametere av cerebral autoregulation kurve avledet fra PPR analyse av arterietrykk og cerebral blodstrøm i løpet av 0,03 Hz OLBNP.

Figur 4
Effekt spektrum viser graden av svingninger i arterielt trykk når OLBNP frekvensen er under 0,03 Hz (33-sekunders syklus). Legg merke til at det er to store topper i arterietrykk spektral effekt på 0,025 og 0,05 Hz (40 og 20 sek sykluser), men det er bare en enkel topp i LBNP spektral kraft på 0.025 Hz. Videre har den største variasjon i trykket er på 0,05 Hz, og ville forvirre tolkningen av de cerebrale blodstrømningsresponser.

Figur 5
Figur 5. Eksempel på effekten av OLBNP 0,08 til 0,03 Hz på arterielt trykk og cerebral blodstrøm. Arterietrykk svingninger blir større med lavere OLBNP mens cerebrale blodstrømningssvingninger blir mindre. Denne autoregulatory funksjon er beskrevet av resultatene av PPR-analyse er vist i bunnplatene. Than autoregulatory region i cerebral blodgjennomstrømningen blir stadig mer uttalt med tregere OLBNP.

Figur 6
Figur 6. Individuell og i gjennomsnitt PPR autoregulatory kurver fra 0,05 Hz OLBNP data i fagene før (baseline) og etter sympatisk blokade. Legg merke til at tapet av den smale autoregulatory regionen etter sympatisk blokade.

Figur 7
Figur 7. Gjennomsnittlig av PPR parametere fra 0,03 Hz OLBNP data før og etter sympatisk blokade. Sympatisk blokade hadde en tydelig effekt på cerebral autoregulation kurven i autoregulatory rekkevidde, markert økende stigningstallet (dvs. mer proporsjonale cerebrale flyten endres med trykkendringer ).

Discussion

Nøyaktig definerende kryssløpsforhold kan kreve at inngangen (i dette tilfellet trykket) endrer aktivt over et tilstrekkelig bredt spekter å observere utgangsresponsen. Imidlertid spontant forekommende trykksvingninger er ekstremt ustabil og små i amplitude i løpet av frekvensene av cerebral autoregulation. 27 Dette er grunnen til at spontane endringer i trykk og strømnings viser et forhold med perioder med høy korrelasjon og perioder med ekstremt lav korrelasjon, og at svingninger i cerebral blodstrøm tilsynelatende vises med ingen åpenbare blodtrykk stasjonen. 28 OLBNP 22 gir en kritisk teknikk for å lage konsistente arteriell trykkoscillasjoner av varierende frekvens og amplitude for å vurdere cerebral blodstrøm svar. Selv om det kan være andre tilnærminger som kan gi en tilsvarende probe, gir denne metode for nøyaktig testing av frekvens- og / eller amplitude-avhengige forhold betlom arterietrykk og cerebral blodstrøm hastighet.

Før forskning utforske potensielle måleverktøy for cerebral autoregulation har benyttet lineære modeller for sammenhengen mellom arterietrykk og cerebral blodstrøm (f.eks overføringsfunksjon analyse). En nær lineær sammenheng mellom trykk og flyt endringer uten demping er observert når trykkoscillasjoner er relativt rask, dvs.> ~ 10 sek. Men tregere svingninger (> ~ 20 sek) skape en relasjon mellom trykk og flyt som blir stadig mindre lineært relatert. 8,24 Dersom forholdet ikke er svært lineært relatert (lav R2, lavt innlegg-spektral koherens) kan man ikke ha noen tillit til riktigheten av lineære tiltak som for eksempel overføring funksjon gain og fase. Mangelen på lineær sammenheng indikerer tilstedeværelse av viktige ulineariteter som er karakteristiske for cerebral autoregulation. Faktisk, i sin natur, autoregulatipå er ikke mottagelig for karakterisering via lineære tilnærminger; lineære tilnærminger kan indikere nærvær eller fravær av autoregulation, men kan ikke beskrive dens egenskaper og dens effektivitet.

Det finnes fremgangsmåter som er sammenlignbare lineære metoder i sin enkelhet, men det kan vurdere ikke-lineære relasjoner mellom inngang (trykk) og utgang (Flow) variabler. Projeksjon jakten regresjon er rett og slett en parametrisk, atheoretical, multippel regresjon metode 29,30 som ikke posit en a priori modell eller anta linearitet i input-output forhold. Disse er klare fordeler for karakterisering et system som er ufullstendig forstått. Imidlertid bør det bemerkes at bruk av mer enn en ridge-funksjonen vil øke prosent varians forklart, men på bekostning av å skjule fysiologisk tolkning av de karakteristiske forhold. Derfor anbefales det at projeksjon jakten regresjon være begrenset til bare ett møne fuksjon. Likevel kan den PPR-tilnærmingen er beskrevet med en enkelt møne funksjon forklare en betydelig del av variasjonen i forholdet mellom arterietrykk og cerebral blodstrøm og avslører karakteristiske lineær relasjon som er konsistent over individer.

Begrensninger og mulige endringer

Oscillasjon underkroppen undertrykk krever spesiell og påtrengende utstyr og prosedyrer, og så er ikke egnet for klinikkbaserte vurderinger. Det er mulig at hvilende opptak av tilstrekkelig lengde kunne gi tilstrekkelig data for PPR-analyse av cerebral autoregulation. Imidlertid viste tidligere arbeid som projeksjon jakten regresjon av hvilende data utfører betydelig verre enn analyse på 0,03 Hz OLBNP data. Selv trykkstrømningsforhold kvantifisert ved hvile og under 0,03 Hz OLBNP er i slekt, bare antyder 19 den beskjedne korrespondanse at trykket-flow relationships anslått til hvile kan ikke pålitelig reflektere de som stammer fra 0,03 Hz OLBNP. En løsning kan være å generere konsistente og større amplitude trykksvingninger innenfor frekvensene av autoregulation via langsom, dyp eucapnic pusting eller gjentatte knebøy-stativ manøvrer. Disse fremgangsmåter har vist seg å gi en pålitelig store trykksvingninger som kan gi endringer over et tilstrekkelig bredt spekter å observere cerebrale blodstrømningsresponser. 31,32

Selv om gjennomsnittet, kan projeksjon jakten regresjon forklare en betydelig mengde av forholdet mellom blodtrykk og cerebral strømningssvingninger, forklarte variansen kan være lav i noen få tilfeller (~ 6% 19). Lav ytelse kunne utlede, for eksempel fra pustemønster hvis frekvens og tidevolum ikke er kontrollert. Men hver fysiologisk test noen avvikende observasjoner, og denne tilnærmingen er ikke et unntak. Dårlige målinger i ~ 1 av 20 observasjoner bør ikket undergrave den potensielle nytten av tilnærming.

Fremtidige Programmer / Konklusjoner

Den karakteristiske trykk flyt forholdet kan endres i noen patofysiologiske tilstander, som for eksempel hjerneslag 33 og traumatisk hjerneskade. 34 Hvis nøyaktige relasjoner kan være kjøpt i klinisk setting, kan projeksjon jakten regresjon av cerebral autoregulation ha bredere anvendelse og være nyttig som en vurderingsverktøy hvor OLBNP er ikke tilgjengelig. Det er mulig at enkle manøvrer (for eksempel dyp pusting, lår cuff, sitte-på-stativ) og / eller lengre varighet hvileopptak kan føre til press-flow forhold som kan bli saksøkt for å utlede cerebral autoregulation sammenlignes OLBNP data. Likevel kan laboratorium-basert bestemmelse av ulike reguleringssystemer og deres bidrag til ulineariteter av autoregulation gi unik innsikt til cerebrovaskulær kontroll, og la diagnosis av patofysiologiske endringer i cerebral autoregulation (f.eks etter traumatisk hjerneskade).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Transcranial Doppler Ultrasound Compumedics DWL Multi-Dop X digital  2 MHz probe
ECG and Brachial BP GE Dash 2000
LBNP Tank U. of Iowa Bioengineering Custom Built
Mechanical Valve U. of Iowa Bioengineering Custom Built
Repeat Cycle Timer Macromatics TR-50826-07
Pressure Transducer Gould
Photoplethysmographic finger pressure monitor Finapres Medical Systems Finometer PRO
CO2 gas analyzer VacuMed #17515 CO2 Analyzer, Gold Edition
Data acquisition system AD Instruments Data Acquisition Systems - PowerLab

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Medisin cerebral blodstrøm underkropp undertrykk autoregulation sympatiske nervesystemet
Vurdere Cerebral Autoregulation via oscillatory lavere kroppen negativt trykk og projeksjon Pursuit regresjon
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Taylor, J. A., Tan, C. O., Hamner,… More

Taylor, J. A., Tan, C. O., Hamner, J. W. Assessing Cerebral Autoregulation via Oscillatory Lower Body Negative Pressure and Projection Pursuit Regression. J. Vis. Exp. (94), e51082, doi:10.3791/51082 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter