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.
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.).
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.
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).
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 |