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.
Il processo di perfusione cerebrale viene mantenuta costante in un'ampia gamma di pressioni sistemici è noto come "autoregolazione cerebrale." Smorzamento efficace del flusso contro variazioni di pressione si verifica per periodi più brevi ~ 15 sec e diventa progressivamente più lunghi periodi di tempo. Così, i cambiamenti più lenti della pressione sanguigna sono effettivamente smussati e cambiamenti più rapidi o fluttuazioni passano al flusso ematico cerebrale relativamente inalterata. La principale difficoltà nel caratterizzare la dipendenza dalla frequenza di autoregolazione cerebrale è la mancanza di importanti variazioni spontanee della pressione arteriosa attorno alle frequenze di interesse (meno di ~ 0,07 Hz o ~ 15 sec). Oscillatorio inferiore del corpo pressione negativa (OLBNP) può essere impiegato per generare oscillazioni ritorno venoso centrale che provocano fluttuazioni di pressione arteriosa alla frequenza di OLBNP. Inoltre, proiezione Pursuit Regression (PPR) fornisce un metodo non parametrico per characterize rapporti non lineari inerenti al sistema senza assunzioni a priori e rivela la caratteristica non-linearità di autoregolazione cerebrale. OLBNP genera grandi fluttuazioni della pressione arteriosa come la frequenza delle oscillazioni di pressione negativa rallentare; Tuttavia, le fluttuazioni del flusso cerebrale diventano progressivamente minore. Quindi, il PPR mostra una regione autoregolatorio sempre più prominente OLBNP frequenze di 0,05 Hz e inferiori (20 cicli sec). L'obiettivo di questo approccio per permettere la determinazione in laboratorio della caratteristica non lineare rapporto tra la pressione e il flusso cerebrale e potrebbe fornire visione unica di controllo integrati cerebrovascolare nonché ad alterazioni fisiologiche sottostante compromessa autoregolazione cerebrale (ad esempio, dopo traumi cerebrali, ictus , ecc).
Il processo attraverso il quale la perfusione cerebrale si mantiene costante su una vasta gamma di pressioni sistemiche è noto come "autoregolazione cerebrale." Osservazioni originali di risposte flusso cerebrale 1 sostenuto un contro-regolazione contro le variazioni della pressione arteriosa, che è di grande importanza per la regolazione quotidiana di perfusione cerebrale. Sebbene caratterizzazione di autoregolazione si è basata su studi di sostenuta, ipo e ipertensione controllata, 2,3 è stato riconosciuto che i cambiamenti indotti pressione in resistenza sono 'un processo oscillatorio' 3 che comprende le modifiche da 10 a 90 sec. 4, inoltre, all'interno del Negli ultimi due decenni, la misurazione della velocità del flusso sanguigno cerebrale su un beat-by-beat base 5 ha dimostrato che il flusso cerebrale è regolato su periodi più brevi a pochi battiti cardiaci. 6,7 Questi dati battito-per-battito suggeriscono che efficace smorzamento del flusso contro variazioni di pressione si verifica nel corsoperiodi brevi come ~ 15 secondi e diventa progressivamente più su periodi di tempo più lunghi. 8 Così, il rapporto tra le funzioni di pressione e di flusso come un filtro passa alto 7,9-12 in cui i cambiamenti più lenti della pressione sanguigna sono effettivamente smussati e le oscillazioni veloci passano attraverso relativamente inalterata.
La principale difficoltà nel caratterizzare la dipendenza dalla frequenza di autoregolazione cerebrale è la mancanza di importanti variazioni spontanee della pressione arteriosa attorno alle frequenze di interesse (meno di ~ 0,07 Hz o ~ 15 sec). Senza oscillazioni di pressione sufficientemente grandi, non si può quantificare con precisione la risposta del flusso sanguigno cerebrale. Il nostro laboratorio ha affrontato questo vincolo utilizzando una tecnica nota come oscillatorio pressione negativa corpo inferiore (OLBNP). Questo crea caudale turni volume del sangue venoso proporzionale al livello di pressione negativa nel serbatoio a causa della ridotta pressione transmurale venosa. Quando la pressio negativore è applicato a intervalli prestabiliti, le oscillazioni nel centro risultato ritorno venoso in fluttuazioni di pressione arteriosa alla frequenza di OLBNP. Questo approccio è stato utilizzato in diversi studi attraverso diversi laboratori. 8,14-17 Questo crea caudali cambiamenti di volume di sangue venoso proporzionale al livello di pressione negativa nel serbatoio a causa della ridotta pressione transmurale venosa. Quando la pressione negativa viene applicata a intervalli prestabiliti, le oscillazioni di ritorno venoso centrale provocano fluttuazioni di pressione arteriosa alla frequenza di OLBNP. Questo approccio è stato utilizzato in diversi studi attraverso diversi laboratori. 8,15-18
Anche con un approccio che può generare oscillazioni prominenti della pressione arteriosa attorno alle frequenze di interesse, vi è un fattore di complicazione: c'è evidenza significativa di non linearità in autoregolazione cerebrale, soprattutto alle frequenze più basse 8 Inoltre, non c'è una forte guida teorica.sulla natura delle nonlinearità presenti in autoregolazione cerebrale. Quindi, usiamo un ateoretico, dati guidati metodo noto come proiezione Pursuit Regression (PPR) nella nostra analisi. 19 PPR è un metodo non parametrico per caratterizzare le relazioni lineari inerenti ad un sistema senza alcuna ipotesi a priori sulla natura di queste non linearità. Questo è un vantaggio deciso per catturare un sistema la cui fisiologia non è ancora definita da modelli lineari espliciti. PPR rivela che la caratteristica non-linearità autoregolazione cerebrale assomiglia al "classico curva di autoregolazione" descritta da Lassen nel 1959 (Figura 1). 2,19 Cioè, il flusso sanguigno cerebrale rimane relativamente costante entro un certo intervallo di pressione arteriosa, ma tracce passivamente in modo lineare al di fuori di questo intervallo. Questa forma diventa più evidente come la fluttuazione della pressione arteriosa diventa più lento. Pertanto, l'analisi lineare è insufficiente per completamente interrogate autoregolazione cerebrale e affidamento su tecniche lineari probabilmente non trova informazioni importanti.
In questo articolo ci dettaglio l'approccio sia di acquisizione dati (uso in laboratorio di OLBNP) e le analisi (PPR) che utilizziamo per caratterizzare autoregolazione cerebrale in salute e malattia.
Proprio definire le relazioni input-output possono richiedere che l'ingresso (in questo caso, la pressione) cambia attivamente attraverso una gamma sufficientemente ampia per osservare la risposta di uscita. Tuttavia, variazioni di pressione che si verificano spontaneamente sono estremamente incoerenti e piccola ampiezza all'interno delle frequenze di autoregolazione cerebrale. 27 Questa è la ragione per cui variazioni spontanee in pressione e flusso mostra una relazione con periodi di alta correlazione e periodi di estremamente bassa correlazione e che oscillazioni il flusso sanguigno cerebrale apparentemente sembra senza auto pressione arteriosa apparente. 28 OLBNP 22 fornisce una tecnica fondamentale per creare oscillazioni di pressione arteriosa consistenti di varia frequenza ed ampiezza di valutare le risposte del flusso ematico cerebrale. Anche se ci possono essere altri approcci che potrebbero fornire una sonda simile, questo approccio consente di rigorosi test del rapporto dalla frequenza e / o ampiezza dipendente betpressione arteriosa ween e velocità del flusso sanguigno cerebrale.
Prima di ricerca esplorare potenziali strumenti di misurazione per l'autoregolazione cerebrale hanno utilizzato modelli lineari del rapporto tra la pressione arteriosa e il flusso ematico cerebrale (ad esempio, analisi funzione di trasferimento). Una stretta relazione lineare tra pressione e portata modifiche senza smorzamento si osserva quando le oscillazioni di pressione sono relativamente veloci, cioè,> ~ 10 sec. Tuttavia, le oscillazioni più lente (> ~ 20 sec) generano un rapporto tra pressione e flusso che diventa progressivamente meno linearmente correlate. 8,24 Se il rapporto non è molto lineare correlato (basso R 2, a bassa coerenza cross-spettrale) si può non avere alcun fiducia nella precisione delle misure lineari come guadagno e di fase della funzione di trasferimento. La mancanza di relazione lineare indica la presenza di non linearità importanti che sono caratteristici di autoregolazione cerebrale. Infatti, per sua stessa natura, autoregulation non è suscettibile di caratterizzazione attraverso approcci lineari; approcci lineari possono indicare la presenza o l'assenza di autoregolazione, ma non possono descrivere le caratteristiche e la sua efficacia.
Ci sono metodi che sono paragonabili ai metodi lineari nella loro semplicità, ma in grado di valutare le relazioni non lineari tra input (pressione) e di uscita (flusso) variabili. Perseguimento di proiezione di regressione è semplicemente un ateoretico metodo non parametrico,, regressione multipla 29,30 che non postula un modello a priori o assumere linearità nel rapporto input-output. Questi sono chiari vantaggi per la caratterizzazione di un sistema che non è completamente comprensibile. Tuttavia, va osservato che l'uso di più di una funzione cresta aumenta la percentuale di varianza spiegata, ma a scapito di oscurare interpretazione fisiologica dei rapporti caratteristici. Pertanto, si raccomanda che la proiezione inseguimento regressione essere limitata ad un solo fu crestanzio. Tuttavia, l'approccio PPR delineato con una singola funzione cresta può spiegare una parte significativa della varianza nel rapporto tra pressione arteriosa e flusso sanguigno cerebrale e rivelare la relazione lineare caratteristica che è coerente tra individui.
Limitazioni e possibili modifiche
Oscillatorio pressione negativa inferiore del corpo richiede attrezzature e procedure specifiche e invadente e quindi non è adatto per le valutazioni basate clinica. È possibile che riposa registrazioni di lunghezza sufficiente potrebbe fornire dati sufficienti per l'analisi PPR di autoregolazione cerebrale. Tuttavia, il lavoro precedente ha mostrato che la proiezione perseguimento di regressione di riposare dati esegue significativamente peggiore rispetto all'analisi dei dati OLBNP 0,03 Hz. Anche se i rapporti di pressione del flusso quantificati a riposo e durante 0,03 Hz OLBNP sono correlati, 19 il modesto corrispondenza suggerisce semplicemente che la pressione RAPPORTI-flowips stimate a riposo non possono riflettere in modo affidabile quelli derivati da 0,03 Hz OLBNP. Una soluzione può essere quella di produrre variazioni di pressione costante e di ampiezza maggiore all'interno delle frequenze di autoregolazione via lenta, respirazione profonda eucapnici o reiterate manovre tozzo-supporto. Questi metodi hanno dimostrato di generare fluttuazioni di pressione in modo affidabile grandi che possono fornire i cambiamenti attraverso una gamma sufficientemente ampia di osservare le risposte del flusso ematico cerebrale. 31,32
Sebbene in media, proiezione inseguimento regressione può spiegare una quantità significativa del rapporto tra la pressione arteriosa e fluttuazioni di flusso cerebrale, varianza spiegata può essere bassa in alcuni casi (~ 19%) 6. Low prestazioni potrebbero derivare, ad esempio, da modelli di respirazione se la frequenza e volume corrente non sono controllati. Tuttavia, tutti i test fisiologici ha alcune osservazioni aberranti, e questo approccio non è un'eccezione. Misure poveri in ~ 1 di 20 osservazioni non dovrebberot minano la potenziale utilità di questo approccio.
Applicazioni future / Conclusioni
La caratteristica relazione pressione-flusso può essere modificato in alcune condizioni fisiopatologiche, come l'ictus 33 e trauma cranico. 34 Se le relazioni accurate potrebbero essere acquisite in ambito clinico, la proiezione perseguimento di regressione di autoregolazione cerebrale può avere un'applicazione più ampia ed essere utile come strumento di valutazione dove OLBNP non è disponibile. E 'possibile che le manovre semplici (ad esempio, la respirazione profonda, bracciale coscia, di stand sit-to-) e / o più registrazioni della durata di riposo potrebbe comportare relazione pressione-flusso che può essere citato in giudizio per derivare autoregolazione cerebrale paragonabile a OLBNP dati. Tuttavia, la determinazione in laboratorio dei diversi sistemi di regolamentazione e del loro contributo alla non linearità di autoregolazione potrebbe fornire una visione unica per il controllo cerebrovascolare, e permettere diagnosi delle alterazioni fisiopatologiche di autoregolazione cerebrale (ad esempio, dopo una lesione cerebrale traumatica).
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 |