Cerebral perfusion is maintained across a range of pressures via cerebral autoregulation. However, characterizing autoregulation requires prominent pressure fluctuations at regulated frequencies. The described protocol will show how oscillatory lower body negative pressure can generate pressure fluctuations to provide data for projection pursuit regression for quantification of the autoregulatory curve.
Het proces waardoor cerebrale perfusie constant blijft over een breed bereik van systemische drukken bekend als "cerebrale autoregulatie." Effectieve demping van stroom tegen drukveranderingen optreedt gedurende perioden zo kort ~ 15 seconden en wordt steeds meer over langere perioden. Zo worden langzamere veranderingen in de bloeddruk effectief afgestompt en snellere veranderingen of schommelingen passeren om cerebrale doorbloeding relatief onaangetast. De primaire moeilijkheid bij het karakteriseren van de frequentie afhankelijkheid van cerebrale autoregulatie is het gebrek prominente spontane fluctuaties in arteriële druk rond de van belang zijnde frequenties (minder dan ~ 0,07 Hz of ~ 15 sec). Oscillerende onderlichaam onderdruk (OLBNP) worden gebruikt om oscillaties in centraal veneuze terugkeer leiden arteriële drukschommelingen op de frequentie van OLBNP genereren. Bovendien Projectie Pursuit Regressie (PPR) voorziet in een niet-parametrische methode om characterize-lineaire relaties inherent in het systeem zonder priori aannames en onthult de kenmerkende niet-lineariteit van cerebrale autoregulatie. OLBNP ontstaat een grotere schommelingen in de arteriële druk als de frequentie van de negatieve drukschommelingen langzamer; Schommelingen in de cerebrale doorbloeding worden geleidelijk minder. Vandaar dat de PPR toont een steeds prominenter autoregulatie gebied aan OLBNP frequenties van 0,05 Hz en lager (20 sec cycli). Het doel van deze aanpak is om laboratorium op basis van de bepaling van de kenmerkende niet-lineaire relatie tussen druk en cerebrale doorstroming mogelijk te maken en kon uniek inzicht te integreren cerebrovasculaire controle bieden alsook om fysiologische veranderingen onderliggende verminderde cerebrale autoregulatie (bijvoorbeeld na traumatisch hersenletsel, beroerte , etc.).
Het proces waardoor cerebrale perfusie is constant over een breed bereik van systemische drukken bekend als "cerebrale autoregulatie." Original opmerkingen van cerebrale stroming reacties 1 gehandhaafd steunde tegenregulatie tegen veranderingen in arteriële druk die van groot belang voor de dagelijkse verordening van cerebrale perfusie. Hoewel karakterisering van autoregulatie was gebaseerd op studies van aanhoudende, gecontroleerde hypo- en hypertensie, 2,3 werd erkend dat de druk veroorzaakte veranderingen in de weerstand zijn 'een oscillerende proces' 3 omvat veranderingen van 10 tot 90 sec. 4 Bovendien, binnen de afgelopen twee decennia technieken van cerebrale bloedstroom snelheid op een slag-voor-slag basis 5 blijkt dat cerebrale flux tijdens perioden van minstens enkele hartslagen wordt geregeld. 6,7 Deze slag-voor-slag gegevens suggereren dat doeltreffende demping van stroom tegen drukveranderingen optreedt overperiodes zo kort ~ 15 sec en het wordt steeds meer over langere perioden. 8 dus de relatie tussen druk en debiet functioneert als een hoogdoorlaatfilter 7,9-12 waarbij langzamer veranderingen in bloeddruk effectief stomp en sneller oscillaties passeren door relatief onaangetast.
De primaire moeilijkheid bij het karakteriseren van de frequentie afhankelijkheid van cerebrale autoregulatie is het gebrek prominente spontane fluctuaties in arteriële druk rond de van belang zijnde frequenties (minder dan ~ 0,07 Hz of ~ 15 sec). Zonder voldoende grote drukschommelingen, kan men niet nauwkeurig kwantificeren van de cerebrale doorbloeding. Ons laboratorium is omgegaan met deze beperking door middel van een techniek die bekend staat als oscillerende onderlichaam negatieve druk (OLBNP). Dit creëert caudale veneuze bloedvolume verschuivingen evenredig met het niveau van onderdruk in de tank door verminderde veneuze transmurale druk. Wanneer de negatieve pressuopnieuw wordt toegepast op gezette tijden, de oscillaties in centraal veneuze terugkeer resultaat in arteriële druk schommelingen op de frequentie van OLBNP. Deze benadering is gebruikt in verscheidene studies in verschillende laboratoria. 8,14-17 Dit creëert caudale veneuze bloedvolume verschuivingen evenredig met het niveau van onderdruk in de tank door verminderde veneuze transmurale druk. Wanneer de negatieve druk wordt uitgeoefend op gezette tijden, de oscillaties in centrale veneuze terugstroom leiden arteriële drukschommelingen op de frequentie van OLBNP. Deze benadering is gebruikt in verscheidene studies in verschillende laboratoria. 8,15-18
Zelfs met een aanpak die prominent fluctuaties in arteriële druk rond de frequenties van belang kan genereren, is een complicerende factor: Er is significant bewijs van lineariteit in cerebrale autoregulatie, vooral bij de laagste frequenties 8 Bovendien is er geen sterke theoretische gids.de aard van de niet-lineariteiten die in cerebrale autoregulatie. Daarom gebruiken we een a-theoretisch, data driven methode die Projection Pursuit regressie (PPR) in onze analyse. 19 PPR een parametrische methode lineaire relaties inherent in een systeem zonder enige a priori veronderstellingen betreffende de aard van deze niet-lineariteiten karakteriseren. Dit is een beslist voordeel voor het vastleggen van een systeem waarvan de fysiologie is nog niet bepaald door expliciete niet-lineaire modellen. PPR blijkt dat de karakteristiek niet-lineariteit van cerebrale autoregulatie lijkt op de "klassieke autoregulatie curve" eerst beschreven door Lassen in 1959 (figuur 1). 2,19 Dat is, cerebrale bloedstroom blijft relatief constant binnen een bepaald bereik van de arteriële druk, maar passief tracks op een lineaire manier buiten dit bereik. Deze vorm wordt het duidelijker als arteriële druk fluctuatie langzamer geworden. Daarom lineaire analyse onvoldoende volledig interrogate cerebrale autoregulatie en de afhankelijkheid van lineaire technieken waarschijnlijk mist belangrijke informatie.
In dit artikel gaan we in detail de benadering van zowel data-acquisitie (laboratorium gebruik van OLBNP) en analyse (PPR), we gebruiken om cerebrale autoregulatie karakteriseren in gezondheid en ziekte.
Juist definiëren input-output relaties kunnen eisen dat de ingang (in dit geval, druk) actief verandert over een voldoende groot om de uitvoerresponsie observeren. Echter, spontaan optredende drukschommelingen zijn zeer inconsistent en klein in amplitude binnen de frequenties van cerebrale autoregulatie. 27 Dit is de reden dat spontane veranderingen in druk en stroming tonen een relatie met perioden van hoge correlatie en perioden van extreem lage correlatie en dat oscillaties in cerebrale doorbloeding schijnbaar verschijnen zonder duidelijke arteriële druk rijden. 28 OLBNP 22 biedt een kritische techniek om consistente arteriële drukschommelingen van wisselende frequentie en amplitude te creëren om de cerebrale doorbloeding reacties beoordelen. Hoewel er andere benaderingen die een gelijkaardige sonde zou kunnen bieden kunnen zijn, deze aanpak zorgt voor strenge testen van de frequentie- en / of amplitude-afhankelijke relatie betWeen arteriële bloeddruk en hersendoorbloeding stroomsnelheid.
Eerder onderzoek onderzoeken potentieel meetinstrumenten voor cerebrale autoregulatie gebruikt lineaire modellen van de relatie tussen bloeddruk en cerebrale bloedstroom (bijv overdrachtsfunctie analyse). Een nauwe lineair verband tussen de druk en flow veranderingen zonder demping wordt waargenomen wanneer drukschommelingen zijn relatief snel, dat wil zeggen,> ~ 10 sec. Echter, langzamer oscillaties (> ~ 20 sec) wekken een relatie tussen druk en flow die wordt steeds minder lineair gerelateerd. 8,24 Als de relatie is niet sterk lineair verband houdende (lage R2, lage cross-spectrale coherentie) kan men geen hebben vertrouwen op de lineaire maatregelen zoals overdrachtsfunctie versterking en fase. Het gebrek aan lineair verband geeft de aanwezigheid van belangrijke lineariteiten die kenmerkend cerebrale autoregulatie zijn. In feite, door zijn aard, autoregulation is niet vatbaar voor karakterisering via lineaire benaderingen; lineaire benaderingen aanwezigheid of afwezigheid van autoregulatie geven, maar kan niet de eigenschappen en de effectiviteit beschrijven.
Er zijn methoden die vergelijkbaar zijn met lineaire methoden in hun eenvoud maar kan lineaire relaties tussen ingang (druk) en uitgang (flow) variabelen te bepalen. Projectie achtervolging regressie is gewoon een niet-parametrische, a-theoretisch, multiple regressie methode 29,30 dat een a priori model niet poneren of aannemen lineariteit in de input-output relatie. Dit zijn duidelijke voordelen voor het karakteriseren van een systeem dat onvolledig is begrepen. Er moet echter worden opgemerkt dat meer dan één rand functie het percentage variantie verhogen verklaard, maar ten koste van verduisterend fysiologische interpretatie van de kenmerkende verhoudingen. Daarom is het aanbevolen dat de projectie achtervolging regressie worden beperkt tot slechts één nok functies. Toch kunnen de PPR geschetste benadering met een enkele nok functie een aanzienlijk deel van de variantie in de relatie tussen bloeddruk en cerebrale bloedstroom verklaren en onthullen de karakteristieke lineaire relatie die consistent individuen.
Beperkingen en eventuele wijzigingen
Oscillerende onderlichaam negatieve druk vereist specifieke en opdringerig apparatuur en procedures en is dus niet geschikt voor clinic gebaseerde beoordelingen. Het is mogelijk dat rust opnames van voldoende lengte adequate gegevens kunnen voorzien PPR analyse van cerebrale autoregulatie. Echter, eerdere werk is gebleken dat de projectie achtervolging regressie van rust data presteert beduidend slechter dan de analyse van 0,03 Hz OLBNP gegevens. Alhoewel druk-stroom verhoudingen gekwantificeerd in rust en gedurende 0,03 Hz OLBNP gerelateerd, 19 bescheiden correspondentie eenvoudigweg stelt de druk-flow relationships geschat op rust mag geen getrouw beeld geven van welke afgeleid zijn van 0,03 Hz OLBNP. Een oplossing kan zijn om consistent en grotere amplitude drukschommelingen in de frequenties van autoregulatie via trage, diepe eucapnic ademen of herhaalde squat-stand manoeuvres te genereren. Deze methoden is aangetoond betrouwbaar grote drukschommelingen dat veranderingen in een voldoende groot kunnen bepalen cerebrale bloedstroom responsen waarnemen genereren. 31,32
Hoewel gemiddeld, kan projectie achtervolging regressie een aanzienlijk bedrag van de relatie tussen bloeddruk en cerebrale debietschommelingen leggen, verklaarde variantie kan laag zijn in een paar gevallen (~ 6% 19). Lage prestaties zou kunnen voortvloeien, bijvoorbeeld van de ademhaling patronen als frequentie en ademvolume niet worden gecontroleerd. Echter, elke fysiologische testen heeft een aantal afwijkende waarnemingen, en deze aanpak is geen uitzondering. Slechte metingen in ~ 1 van 20 waarnemingen mag geent ondermijnt het potentieel nut van de aanpak.
Toekomstige Applications / Conclusies
De karakteristieke druk-flow verhouding soms pathofysiologische omstandigheden worden veranderd, zoals beroerte 33 en hersentrauma. 34 Indien juist betrekkingen in de klinische omgeving kan worden verkregen, kan projectie uitoefening regressie van cerebrale autoregulatie bredere toepassing hebben en bruikbaar als assessment tool waar OLBNP is niet beschikbaar. Het is mogelijk dat eenvoudige manoeuvres (bijvoorbeeld diep ademhalen, bovenbeenmanchet, zitten naar staan) en / of een langere resting opnamen kan leiden tot druk-stroom relatie die kan worden opgeroepen voor cerebrale autoregulatie vergelijkbare gegevens OLBNP leiden. Toch kon laboratorium op basis van de bepaling van verschillende regulerende systemen en hun bijdrage aan de niet-lineariteit van autoregulatie uniek inzicht verstrekken aan cerebrovasculaire controle, en laat diagnosis van pathofysiologische veranderingen in de cerebrale autoregulatie (bijvoorbeeld na traumatisch hersenletsel).
The authors have nothing to disclose.
This research was supported by National Heart, Lung, and Blood Institute Grant HL-093113.
Device | Company | Product | 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 |