Waiting
Login processing...

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

Biology

Vurdering Cerebral autoregulering via Oscillerende Lavere Krop Negative Pressure og Projection Pursuit Regression

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 proces, hvorved cerebral perfusion holdes konstant over en bred vifte af systemiske pres er kendt som "cerebral autoregulering." Effektiv dæmpning af flow mod trykændringer sker over så kort periode som ~ 15 sek og bliver gradvist større over længere perioder. Således er langsommere ændringer i blodtryk effektivt afstumpet og hurtigere ændringer eller svingninger passere til cerebral blodgennemstrømning relativt upåvirket. Den primære vanskelighed ved at karakterisere frekvensbetingede cerebral autoregulering er manglen på fremtrædende spontane fluktuationer i arterietryk omkring frekvenserne af interesse (mindre end ~ 0,07 Hz eller ca. 15 sek). Vibrationslegemet underkrop undertryk (OLBNP) kan anvendes til at generere svingninger i det centrale venøst ​​tilbageløb, der resulterer i arterielle tryksvingninger på hyppigheden af ​​OLBNP. Desuden Projektion Pursuit regression (PPR) er en ikke-parametrisk metode til at characterize-lineære relationer der ligger i systemet uden a priori antagelser og afslører den karakteristiske ulinearitet af cerebral autoregulering. OLBNP genererer større udsving i arterielt tryk som hyppigheden af ​​negative tryksvingninger bliver langsommere; dog udsving i cerebral blodgennemstrømning bliver gradvist mindre. Derfor PPR viser en stadig mere fremtrædende autoregulatorisk region ved OLBNP frekvenser på 0,05 Hz, og under (20 sec cykler). Målet med denne tilgang er det at tillade laboratoriebaseret bestemmelse af den karakteristiske ulineære forhold mellem tryk og cerebral flow og kan give unik indsigt til integreret cerebrovaskulær kontrol samt fysiologiske ændringer underliggende forringet cerebral autoregulering (f.eks efter traumatisk hjerneskade, slagtilfælde etc.).

Introduction

Den proces, hvorved cerebral perfusion holdes konstant over en bred vifte af systemiske pres er kendt som "cerebral autoregulering." Originale observationer af cerebral flow svar 1 støttet en modregulation mod ændringer i blodtryk, der er af stor betydning for den daglige regulering af cerebral perfusion. Selv karakterisering af autoregulering var baseret på studier af vedvarende, kontrolleret hypo- og hypertension, 2,3 blev det erkendt, at tryk forandringer i modstanden er »en oscillerende proces» 3 omfatter ændringer fra 10 til 90 sek. 4. Endvidere inden for seneste to årtier, måling af cerebral blodgennemstrømning hastighed på et beat-for-slag basis 5 har vist, at cerebral flow reguleres over perioder så korte som blot et par hjerteslag. 6,7 Disse beat-by-beat data tyder på, at effektiv afdæmpning af flow mod trykændringer sker overperioder så korte som ~ 15 sek, og det bliver gradvist større over længere perioder. 8 Således er forholdet mellem tryk og flow fungerer som et højpasfilter 7,9-12, hvor langsommere ændringer i blodtryk effektivt afrundede og hurtigere svingninger passerer gennem relativt upåvirket.

Den primære vanskelighed ved at karakterisere frekvensbetingede cerebral autoregulering er manglen på fremtrædende spontane fluktuationer i arterietryk omkring frekvenserne af interesse (mindre end ~ 0,07 Hz eller ca. 15 sek). Uden tilstrækkeligt store tryksvingninger, kan man ikke præcist tal på den cerebrale blodgennemstrømning svar. Vores laboratorium har behandlet denne begrænsning ved at bruge en teknik kendt som vibrationslegemet underkrop undertryk (OLBNP). Dette skaber caudale veneblod volumen skift proportionalt med niveauet af undertryk i tanken på grund af reduceret venøs transmural tryk. Når den negative tryk lore anvendes med bestemte intervaller, svingninger i det centrale venøse tilbagevenden resultat i arterielle tryksvingninger på hyppigheden af ​​OLBNP. Denne fremgangsmåde er blevet anvendt i flere undersøgelser på tværs af forskellige laboratorier. 8,14-17 Dette skaber kaudale veneblod volumen forskydninger proportionalt med niveauet af undertryk i tanken på grund af reduceret venøs transmural tryk. Når undertrykket påføres med bestemte intervaller, svingninger i det centrale venøse afkast resultere i arteriel tryksvingninger på hyppigheden af ​​OLBNP. Denne fremgangsmåde er blevet anvendt i flere undersøgelser på tværs af forskellige laboratorier. 8,15-18

Selv med en tilgang, der kan generere fremtrædende udsving i arterielt tryk omkring frekvenserne af interesse, der er en komplicerende faktor: Der er tydelige tegn på, ulinearitet i cerebral autoregulering, særligt ved de laveste frekvenser 8 Desuden er der ingen stærk teoretisk vejledning.med hensyn til arten af ​​ulineariteter stede i cerebral autoregulering. Derfor bruger vi en atheoretical, data drevet metode, der kaldes projektion Pursuit regression (PPR) i vores analyse. 19 PPR er en ikke-parametrisk metode til at karakterisere ikke-lineære relationer, som et system uden en priori antagelser med hensyn til arten af disse ulineariteter. Dette er en afgjort fordel til at opfange et system, hvis fysiologi er endnu ikke defineret i eksplicitte lineære modeller. PPR afslører, at den karakteristiske ulinearitet af cerebral autoregulering ligner den "klassiske autoregulatorisk kurve" først beskrevet af Lassen i 1959 (figur 1). 2,19 Dvs. forbliver relativt konstant inden for et bestemt interval af arterielt tryk cerebral blodgennemstrømning, men passivt spor lineært uden for dette område. Denne form bliver mere synlige som arterietrykket udsving bliver langsommere. Derfor lineær analyse er utilstrækkelig til fuldt ud interrogate cerebral autoregulering og afhængighed af lineære teknikker sandsynligvis misser vigtige oplysninger.

I denne artikel vil vi detaljeret tilgang til både dataindsamling (laboratoriebrug af OLBNP) og analyse (PPR) vi bruger til at karakterisere cerebral autoregulering i sundhed og sygdom.

Protocol

1. Oscillerende Lavere Krop Negative Pressure (OLBNP)

  1. Opsætning af udstyr
    1. Elektrokardiogram Lead II (EKG): Fastgør de tre (eller flere) elektroder til individets torso til overvågning af puls gennem hele forsøget.
    2. Neopren Nederdel: Brug en skræddersyet neopren nederdel, der forsegler genstand ind i nederste del af kroppen negativt trykkammer op til hoftebenskammen. Sæt den rundt om emnet bryst før de er placeret liggende i tanken, og sikre, at EKG-signalet er stadig tilstrækkelig. Sørg for, at det sidder tæt, men ikke så stramt at begrænse vejrtrækning.
    3. Lavere Krop undertrykkammer: Har emnet løgn liggende på sengen og manøvrere LBNP kammer under dem. Hvis LBNP kammer har en justerbar cykel sæde (for at minimere bevægelse artefakt uden at reducere virkningen af ​​suge), skal du sørge for emnet er komfortabelt siddende på den. Brug en skræddersyet plexiglas spacer snit til fagets waIST størrelse for at hjælpe forsegle kammeret. Forsegl neopren nederdel omkring LBNP kammer med gaffatape.
    4. LBNP kammertryk: Slut LBNP kammer til et standard tryktransducer. Kalibrer tryktransduceren til mmHg.
    5. Gentag Cycle Timer Tilknyttet mekanisk ventil: Fastgør specialbygget mekaniske ventil og gentag cyklus timer til LBNP kammer.
      BEMÆRK: En tidsforsinkelse relæ fastgjort til to motorer, der styrer en mekanisk ventil bruges til at skifte mellem undertryk og omgivende tryk. Tidsforsinkelsen relæ suppleanter spænding til motorerne på et fast interval til at åbne og lukke en ventil mellem kammeret og vakuum. Dette skaber en LBNP kammertryk bølgeform, der er omtrent firkantet bølge i form. Juster cyklustiden til den ønskede OLBNP frekvens.
    6. Variabel Transformer og Vakuum: Vedhæft en standard husstand støvsuger til den mekaniske ventil. Sæt vakuum i en variabel transformator, der tillader spændingen tilvakuum, der skal styres. Tænd støvsugeren og justere den variable transformator, indtil målet LBNP tryk (fx 30 mmHg) opnås.
    7. Arterielt blodtryk: Vedhæft ikke-invasive photoplethysmographic arterielle tryk manchetter (f.eks Portapres, Finapres) til finger (er) på den ene hånd. Sikre nøjagtighed ved at sammenligne tryk til oscillometriske pres fra pulsåren i den modsatte arm.
    8. 2 MHz Transcranial Doppler og Probe fikseringsanordning
      1. Brug en 2 MHz puls bølge Doppler probe til insonate M1 segment af den midterste cerebrale arterie i templet (dvs. den transtemporal vindue).
      2. Alter probe vinkel insonation dybde (~ 55 mm), forstærkning og sendeeffekt for at maksimere den spektrale intensitet af signalet.
      3. Fastgør Doppler sonden på plads ved hjælp af en fikseringsindretning, der ikke har bagsiden (dvs. ikke en bøjle), således at bevægelse artefakt ikke indføres i signalet som den frivillige flyttes med negative tryksvingninger.
        BEMÆRK:. Kan måles Cerebral blodgennemstrømning ensidigt eller bilateralt, men der forventes ingen forskel i cerebral autoregulering mellem halvkugler, medmindre en lokaliseret skade ligesom slagtilfælde eller traumatisk hjerneskade er til stede 20
    9. Udløbet CO 2: Brug en nasal kanyle fastgjort til en infrarød CO2-analysator til overvågning udløbne CO 2 og instruere motivet til at trække vejret kun gennem næsen. I betragtning af den dybtgående virkning arteriel CO2 har på hele hver undersøgelse cerebral blodgennemstrømning, 21 skærm CO 2.
  2. Data Acquisition
    1. Opsætning af analog-til-digital konvertering af arterietryk, cerebral blodgennemstrømning, LBNP kammertryk og udløb CO 2 at erhverve mindst 50 Hz per kanal. Anskaf EKG ved 1 kHz.
      BEMÆRK: Mens de efterfølgende tilbud analyse med meget lavere frekvens oplysninger (≤0.07 Hz), er det critical at overvåge kvaliteten af ​​de signaler, der er indhentet under en undersøgelse. En prøveudtagning på 50 Hz vil give præcis visualisering af blodtryk og cerebral blodgennemstrømning til påvisning af artefakt.
  3. Oscillerende LBNP Protokol
    1. Tænd vakuum og sikre tanktryk er stabil ved -30 mmHg.
    2. Indstille Gentag cyklus timer til 33 sekunder ved 0,03 Hz OLBNP.
    3. Juster Doppler probe (r) for at sikre en optimal signal.
    4. Anskaf data i mindst 15 cykler (500 sek ved 0,03 Hz) for at sikre tilstrækkelig tillid til PPR skøn. Hvis tiden tillader det, indsamle flere data end det, som det yderligere vil forbedre signal-til-støj-forholdet.
    5. Gentag ovenstående trin for eventuelle frekvenser mellem 0,03 Hz-0,08 Hz ved at ændre gentagelse cyklus timer varighed.
      BEMÆRK: Anvend frekvenser i orden, men tilfældigt variere frekvensen starter mellem fag.

2. Fremskrivning Pursuit regression (PPR)

  1. Data forbehandling
    1. Decimering og lavpasfiltrering
      1. Åbn Matlab. Skriv kommandoen "data = resample (data, 1, SR / 5)" (hvor SR er den oprindelige samplingfrekvens) for at decimere det arterielle tryk og cerebral blodgennemstrømning til 5 Hz.
        BEMÆRK: Eventuelt lavpasfilter (19 th orden Chebyshev type II) med en cutoff på 0,4 Hz. Filtreringen er overflødig, da efterfølgende behandling, men skaber gennemsnitlige bølgeformer, der ikke er afhængige af topdetektion af undertiden støjende arterietryk og cerebral blodgennemstrømning signaler.
    2. Artifact Removal
      1. Brug de oprindelige ikke-decimerede kurver som en guide, fjern eventuelle dele af signalerne med artefakter og lineært interpolere. Hvis disse afsnit udgør mere end 10% af optagelsen periode, kassere optagelsen helt.
        BEMÆRK: På dette tidspunkt er de kurver passende forarbejdet til traditionelle lineære tilgange som overføringsfunktion analyse.
    3. Båndpasfiltrering
      1. I Matlab, type: [B, A] = cheby1 (1,1, [F - 0,005 F + 0,005] / (SRD / 2)) data = filtfilt (B, A, detrend (data, "lineær") til band -pass filtrere tryk og flow i en ± 0,005 Hz-båndet (1 st orden Chebyshev type I med 1 dB i pass-båndet ripple) omkring hyppigheden af OLBNP (figur 2), hvor F er den dominerende OLBNP frekvens, SRD er den decimerede prøvetagning sats (5 Hz efter trin 2.1.1), og "data" er det decimerede signal (arterielle tryk eller flow).
        BEMÆRK: Dette minimerer potentiel interferens og øger signal-til-støj-forhold i efterfølgende PPR analyse. Selvom den dominerende arterietryk udsving forekommer ved oscillerende frekvens af underkroppen undertryk kan tilfældig støj i signalerne interferere med afledning af tryk-flow relationer. Resultater uden band-pass filtrering vil være kvalitativt, men procent varians explained (dvs. R 2) vil være lavere. 19
  2. Fremskrivning Pursuit Regression Estimation
    BEMÆRK: Brug den indbyggede funktion 'ppr' i F Sprog og Miljø for Statistisk Computing, og / eller via specialfremstillede skrevet funktioner i andre platforme, generere en enkelt højderyg funktion (M = 1) for det arterielle tryk-cerebral flow relation .
    1. I Matlab, indtaste kommandoen "CVLabPPR (tryk, flow)." Indtast Study ID som XXXYYY, hvor XXX er 3 bogstaver undersøgelse kode og YYY er de tre numeriske tegn for emne id. Indtast Study datoen i følgende format: ÅÅÅÅ-MM-DD. Indtast det numeriske måling # (fx "1" for dag 1).
    2. Indtast APM (indtast FP for finapress eller AL for kunst-line). Indtast Vessel (MCA, ACA, eller PCA). Enter "y" eller "n" til forespørgslen "Har du ret MCA-målinger?" Enter "y &# 8221; eller "n" til forespørgslen "Vil du har forladt MCA målinger?"
      BEMÆRK:
      Ligning 1
      For hver indgang (x t - arterielle blodtryk) og output (y t - cerebral blodgennemstrømning) en lineær autoregressive overføringsfunktion (Eq 1. - udtrykket i parentes) ledes gennem nonparametriske kerne funktioner (K m kaldet 'højderyg funktioner '), der bestemmes ved at minimere den gennemsnitlige kvadrerede fejl. Projection udøvelse regression kan omfatte mere end én funktion højderyg (dvs. M> 1). Men selv om det vil reducere den gennemsnitlige kvadrerede fejl, kan det sløre fortolkning af ridge funktioner på grund af mulige interaktioner mellem dem. Fordi det primære formål er at opnå et forhold mellem arterietryk og cerebral blodgennemstrømning, at CAn fortolkes fysiologisk bør PPR være begrænset til kun en rand funktion (M = 1).
    3. Stykkevis lineær Parametrering. Parameterisere højderyg funktion som en stykvis lineær funktion for efterfølgende statistiske analyse (figur 3). For Matlab Brug Bruno Luong gratis-knude spline tilnærmelse. Indtast kommandoen "BSFK (x, y, k, nknots)", hvor k = 2 for et lineært fit og nknots = 3 i tre regioner.
      BEMÆRK: Denne identificerer de punkter, hvor arterietrykket-cerebral flow forholdet forandringer, og intervallerne, hvor forholdet er omtrent lineær figur 3 viser en skematisk af resultaterne.. Forstærkningen (dvs. den lineære hældning) af trykket flow forhold inden for hver region tilvejebringer et mål for effektiviteten af cerebral autoregulering indenfor regionen. En lavere gevinst angiver mere effektiv modregulation af tryksvingninger mens højere gevinster angive mere passive flOW reaktioner på trykændringer.

Representative Results

OLBNP amplituder fra 10 mmHg 22 op til 120 mmHg 17 er blevet anvendt til at forøge arteriel tryksvingninger, men 30 mmHg OLBNP er tilstrækkeligt 23,24 og ikke ud over de lovgivningsmæssige kapacitet cerebrovasculature. 17 Dette niveau af OLBNP resultater i blodtryk svingninger som er omkring 15-20 mmHg i størrelsesorden på 0,03 Hz, som ikke er større end blodtrykket forandringer når man går fra siddende til stående. 25 Der er nogle begrænsninger for det interval, som OLBNP kan generere blodtryk udsving. Autoregulering er kun aktiv på ~ 0,07 Hz og langsommere, så den øvre grænse er ikke et problem. Vanskeligheden i at generere lavfrekvente svingninger under 0,03 Hz er imidlertid, at det kardiovaskulære system mod regulerer mod LBNP-inducerede arterielle trykændringer før cyklus er afsluttet. Som figur 4 viser, på 0,025 Hz OLBNP vi faktisk se den største top iarterielle tryksvingninger på 0,05 Hz. Mens frekvensgang cerebral autoregulering kan karakteriseres fra 0,03 Hz-0,08 Hz til at definere tidsskalaer, inden for hvilke autoregulering er aktiv, 23,24 0,03 Hz og 0,08 Hz OLBNP er tilstrækkelige, da de repræsenterer en række autoregulatorisk funktion (dvs. en udtalt autoregulatorisk region til ingen eller en beskeden en).

OLBNP genererer større udsving i arterielt tryk som hyppigheden af negative tryksvingninger bliver langsommere. Figur 5 viser det arterielle tryk og deraf følgende cerebrale blodgennemstrømning svingninger med OLBNP fra 0,08 Hz (12,5 sek cykler) til 0,03 Hz (33 sek cykler). På de højere frekvenser, svinger cerebral blodgennemstrømning i koncert med arterielt tryk. PPR viser dette; der er en proportional lineær relation mellem arterietryk og cerebral blodgennemstrømning ved de højere frekvenser på 0,08 Hz, 0,07 Hz (14 sec cyklusser), og 0,06 Hz (16,6 sek cykler). Ved langsommere frekvenser på OLBNP, selvom arterielle tryksvingninger bliver større, udsving i cerebral blodgennemstrømning gradvist mere effektivt dæmpet. Derfor PPR viser en stadig mere fremtrædende autoregulatorisk region på OLBNP frekvenser fra 0,05 Hz (20 sek cykler), til 0,04 Hz (25 sek cykler), til 0,03 Hz. I det viste eksempel på 0,03 Hz, PPR kurven klart ligner den "klassiske autoregulatorisk kurve" beskrevet af Lassen (figur 1). Vi har tidligere vist, at denne observation ikke kan forklares blot ved stigning i størrelsen af ​​arteriel tryksvingninger som hyppigheden af ​​oscillationer bliver langsommere. Vi har tidligere anvendt PPR til data fra 48 personer i løbet af forskellige størrelser af OLBNP (dermed forskellig størrelse tryksvingninger). 19 Mens vi ikke eksplicit undersøge en potentiel sammenhæng mellem autoregulatorisk rækkevidde og omfanget af tryksvingninger, vi reporteret, at variationen i autoregulatorisk området var kun ~ 6%. Således er vores tidligere resultater viser tydeligt, at ændringen i PPR kurve med frekvens ikke kan forklares fuldt ud ved en ændring i størrelsen af ​​tryksvingninger. I samme undersøgelse, vi vurderet, om PPR karakterisering af autoregulering er reproducerbar på flere separate sessioner. Denne analyse viste, at hældningen af autoregulatorisk området i løbet af 0,03 Hz OLBNP ikke ændrede (Lin Concordance = 0,96, p <0,001), og således den ikke-lineære tryk-flow relation er konsistent på tværs af studiedage.

Selvom cerebrovaskulær seng er godt innerveret af sympatiske nervefibre, deres rolle i autoregulering er ikke blevet bredt accepteret. 26. Derfor er nogle af vores tidligere arbejde udforsket den potentielle rolle af det sympatiske nervesystem i cerebrovaskulær autoregulering. 24. Vi fandt en klar rolle for det sympatiske system i reguleringen cerebral flow, men vi were ikke i stand til at karakterisere hvorledes forholdet ændres med fjernelse af sympatiske virkninger på grund af begrænsninger af lineære metoder til at karakterisere autoregulering. Figur 6 viser resultaterne fra PPR ansøgning til data før (baseline) og efter sympatisk blokade under 0,05 Hz. Den samlede kurven bliver markant mere lineært. Desuden PPR-analyse af 0,03 Hz data hvor autoregulering er tydeligst viste, at området for autoregulatorisk region er uændret, men hældningen indenfor regionen stiger, hvilket afspejler mindre effektiv autoregulering (figur 7).

Figur 1
Figur 1. Den »klassiske 'autoregulatorisk kurve afledt af forholdet mellem statiske stigninger og fald i tryk og steady state cerebral blodgennemstrømning. En region af uforanderlig flow desPite skiftende tryk (dvs. hældning = 0) er afgrænset af regioner, hvor stigende og faldende tryk resulterer i proportionale cerebrale blodgennemstrømning ændringer.

Figur 2
Figur 2. forbehandling nødvendigt at udføre PPR analyse. Signaler første decimeret til 5 Hz og derefter båndpasfiltrerede på hyppigheden af OLBNP (± 0,005 Hz).

Figur 3
Figur 3. Parametre for den cerebrale autoregulering kurve stammer fra PPR-analyse af blodtryk og cerebral blodgennemstrømning i 0,03 Hz OLBNP.

Figur 4
Strøm spektret viser størrelsen af udsving i blodtryk når OLBNP frekvens er under 0,03 Hz (33 sekunders cyklus). Bemærk, at der er to store toppe i arterietrykket spektraleffekten på 0,025 og 0,05 Hz (40 og 20 sek cyklusser), men der er kun en enkelt top i LBNP spektral effekt ved 0,025 Hz. Desuden har det største udsving i tryk er ved 0,05 Hz, og vil forvirre fortolkning af cerebrale blodgennemstrømning reaktioner.

Figur 5
Figur 5. Eksempel på effekten af OLBNP 0,08-,03 Hz på arterielt tryk og cerebral blodgennemstrømning. Arterielle tryksvingninger bliver større med langsommere OLBNP mens cerebrale blodgennemstrømning udsving bliver mindre. Denne autoregulatorisk funktion er beskrevet af resultaterne af PPR analysen vist i bundpanelerne. Than autoregulatorisk region i cerebral blodgennemstrømning bliver gradvist mere udtalt med langsommere OLBNP.

Figur 6
Figur 6. Individuel og gennemsnit PPR autoregulatoriske kurver fra 0,05 Hz OLBNP data i fag før (baseline) og efter sympatisk blokade. Bemærk, at tabet af den smalle autoregulatorisk regionen efter sympatisk blokade.

Figur 7
Figur 7. Gennemsnit af PPR parametre fra 0,03 Hz OLBNP data før og efter sympatisk blokade. Sympatisk blokade havde en udtalt effekt på den cerebrale autoregulering kurve i autoregulatorisk rækkevidde, markant øger hældningen (dvs. mere proportionale cerebral flow ændringer med trykændringer ).

Discussion

Netop Definition input-output-forhold kan kræve, at input (i dette tilfælde, tryk) aktivt ændrer på tværs af en tilstrækkelig bred vifte at observere output respons. Men spontant forekommende tryksvingninger er meget inkonsekvent og lille i amplitude i frekvenserne af cerebral autoregulering. 27 Dette er grunden til, at spontane ændringer i tryk og flow viser et forhold til perioder med høj korrelation og perioder med ekstremt lav korrelation og at svingninger i cerebral blodgennemstrømning tilsyneladende vises uden nogen tilsyneladende arterietryk drev. 28 OLBNP 22 giver en kritisk teknik til at skabe konsistente arterielle tryksvingninger varierende frekvens og amplitude til at vurdere cerebrale blodgennemstrømning svar. Selv om der kan være andre metoder, der kan give en lignende sonde, denne tilgang giver mulighed for grundig afprøvning af frekvens- og / eller amplitude-afhængige forhold betlem arterietryk og cerebral blodgennemstrømning hastighed.

Tidligere forskning udforske potentielle måleværktøjer for cerebral autoregulering har brugt lineære modeller for forholdet mellem blodtryk og cerebral blodgennemstrømning (f.eks overføringsfunktion analyse). Et tæt lineær sammenhæng mellem tryk og flow ændringer uden afdæmpning observeres når tryksvingninger er relativt hurtigt, dvs.> ~ 10 sek. Men langsommere svingninger (> ~ 20 sek) skabe en relation mellem tryk og flow, der bliver gradvist mindre lineært relateret. 8,24 Hvis relationen er ikke meget lineært relateret (lav R2, lav tværs spektral kohærens) man kan ikke have nogen tillid til nøjagtigheden af ​​lineære foranstaltninger såsom overførsel funktion forstærkning og fase. Manglen på lineært forhold indikerer tilstedeværelsen af ​​vigtige ulineariteter der er karakteristiske for cerebral autoregulering. Faktisk i sagens natur, autoregulatier ikke modtagelig for karakterisering via lineære metoder; lineære metoder kan indikere tilstedeværelsen eller fraværet af autoregulering, men kan ikke beskrive dens karakteristika og dens effektivitet.

Der findes metoder, der er sammenlignelige med lineære metoder i deres enkelhed, men der kan vurdere lineære relationer mellem indgang (tryk) og output (flow) variabler. Projection udøvelse regression er simpelthen en ikke-parametrisk, atheoretical, multipel regression metode 29,30, som ikke postulere en a priori model eller påtage linearitet i input-output relation. Disse er klare fordele til karakterisering af et system, der er ufuldstændigt forstået. Imidlertid bør det bemærkes, at anvendelse af mere end én funktion højderyg vil øge procent varians forklaret men på bekostning af at tilsløre fysiologisk fortolkning af de karakteristiske relationer. Det anbefales derfor, at projektion udøvelse regression være begrænset til kun én højderyg funktion. Ikke desto mindre kan PPR skitserede fremgangsmåde med en enkelt højderyg funktion forklare en betydelig del af variansen i forholdet mellem blodtryk og cerebral blodgennemstrømning og afsløre den karakteristiske lineær relation, der er konsistent på tværs af individer.

Begrænsninger og eventuelle ændringer

Vibrationslegemet underkroppen undertryk kræver specifik og påtrængende udstyr og procedurer, og så er ikke egnet til klinik baserede vurderinger. Det er muligt, at hvile optagelser af tilstrækkelig længde kunne give tilstrækkelige data til PPR-analyse af cerebral autoregulering. Tidligere arbejde viste imidlertid, at projektion udøvelse regression af hvilende data udfører betydeligt værre end analyse af 0,03 Hz OLBNP data. Selvom tryk-flow relationer kvantificeres i hvile og under 0,03 Hz OLBNP er relateret, 19 den beskedne korrespondance antyder blot, at trykket flow relationships anslået til hvile, ikke giver et retvisende billede, der stammer fra 0,03 Hz OLBNP. En løsning kan være at generere konsistente og større amplitude udsving tryk i frekvenser af autoregulering via langsom, dyb eucapnic vejrtrækning eller gentagne squat-stativ manøvrer. Har vist disse metoder til at generere pålideligt store tryksvingninger, der kan give ændringer på tværs af en tilstrækkelig bred vifte at observere cerebrale blodgennemstrømning svar. 31,32

Selv i gennemsnit, kan projektion udøvelse regression forklare en betydelig mængde af forholdet mellem blodtryk og cerebrale flow udsving, forklarede varians kan være lav i nogle få tilfælde (~ 6% 19). Lav ydeevne kunne udlede, for eksempel fra vejrtrækning mønstre, hvis frekvens og tidalvolumen ikke kontrolleres. Men hver fysiologiske test har nogle afvigende observationer, og denne fremgangsmåde er ikke en undtagelse. Dårlige målinger i ~ 1 af 20 observationer bør ikket underminere den potentielle nytte af tilgangen.

Fremtidige Programmer / Konklusioner

Den karakteristiske tryk-flow forhold kan ændres i visse patofysiologiske tilstande, såsom slagtilfælde 33 og traumatisk hjerneskade. 34 Hvis præcise relationer kunne erhverves i kliniske omgivelser, kan projektion udøvelse regression af cerebral autoregulering have bredere anvendelse og være nyttig som en vurdering værktøj, hvor OLBNP er ikke tilgængelig. Det er muligt, at simple manøvrer (f.eks, dyb vejrtrækning, lår manchet, sidde-til-stand) og / eller længere varighed hvilende optagelser kan resultere i tryk-flow forhold, kan sagsøges at udlede cerebral autoregulering sammenlignes med OLBNP data. Ikke desto mindre kunne laboratoriebaseret bestemmelse af forskellige reguleringssystemer og deres bidrag til de ulineariteter af autoregulering give unik indsigt til cerebrovaskulær kontrol, og tillade diagnosis af patofysiologiske ændringer i cerebral autoregulering (f.eks efter 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

Medicine cerebral blodgennemstrømning underkrop undertryk autoregulering sympatiske nervesystem
Vurdering Cerebral autoregulering via Oscillerende Lavere Krop Negative Pressure og Projection Pursuit Regression
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