Waiting
Login processing...

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

Biology

Bedöma Cerebral auto via oscillerande Lower Body negativt tryck och 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 process genom vilken cerebral perfusion hålls konstant över ett brett spektrum av systemtryck är känd som "cerebral auto." Effektiv dämpning av flödet mot tryckförändringar inträffar under perioder så korta som ~ 15 sek och blir successivt större över längre tidsperioder. Således är långsammare förändringar i blodtrycket effektivt trubbiga och snabbare förändringar eller variationer passera till cerebralt blodflöde relativt opåverkad. Den primära svårigheten vid karakterisering av frekvensberoendet av cerebral autoreglering är bristen på framträdande spontana svängningar i arteriellt tryck kring frekvenserna av intresse (mindre än ~ 0,07 Hz eller ~ 15 sek). Svängningar underkroppen negativt tryck (OLBNP) kan användas för att generera svängningar i centrala venöst återflöde som resulterar i arteriell tryckfluktuationer vid frekvensen för OLBNP. Dessutom Projektions Pursuit Regression (PPR) ger ett nonparametric metod att characterize olinjära relationer inneboende i systemet utan a priori antaganden och avslöjar den karakteristiska olinjäritet av cerebral auto. OLBNP genererar större svängningar i artärtrycket som frekvensen av negativa tryckoscillationer blir långsammare; dock fluktuationer i cerebralt blodflöde blir successivt mindre. Därför visar PPR en allt mer framträdande självreglerande region vid OLBNP frekvenser på 0,05 Hz och nedan (20 sek cykler). Målet med denna strategi är att låta laboratoriebaserad bestämning av karakteristiska olinjära förhållandet mellan tryck och cerebral flöde och kan ge unik insikt till integrerad cerebrovaskulär kontroll samt fysiologiska förändringar underliggande nedsatt cerebral auto (t.ex. efter traumatisk hjärnskada, stroke etc.).

Introduction

Den process genom vilken cerebral perfusion hålls konstant över ett brett spektrum av systemtryck är känd som "cerebral auto." Original observationer av cerebrala flödessvar ett stödde ett motreglering mot förändringar i artärtryck som är av stor betydelse för den dagliga reglering av cerebral perfusion. Även karakterisering av autobaserades på studier av ihållande, kontrollerad hypo- och hypertoni, 2,3 man insåg att tryck inducerade förändringar i motstånds är "en oscillerande process" 3 omfattar förändringar från 10 till 90 sekunder. 4 dessutom inom senaste två decennierna, mätning av cerebralt blodflöde hastigheten på ett beat-för-slag basis 5 har visat att hjärn flöde regleras över perioder så korta som bara några hjärtslag. 6,7 Dessa beat-by-beat data tyder på att effektiva dämpning av flödet mot tryckförändringar sker överperioderna så korta som ~ 15 sek och det blir successivt större över längre tidsperioder. 8 Således, förhållandet mellan tryck och flöde fungerar som ett högpassfilter 7,9-12 där långsammare förändringar i blodtrycket effektivt trubbiga och snabbare svängningar passerar genom relativt opåverkad.

Den primära svårigheten vid karakterisering av frekvensberoendet av cerebral autoreglering är bristen på framträdande spontana svängningar i arteriellt tryck kring frekvenserna av intresse (mindre än ~ 0,07 Hz eller ~ 15 sek). Utan tillräckligt stora tryckoscillationer, kan man inte exakt kvantifiera det cerebrala blodflödet respons. Vårt laboratorium har behandlat denna begränsning genom att använda en teknik som kallas oscillerande underkroppen negativt tryck (OLBNP). Detta skapar stjärtfenan venöst blod volymförändringar i proportion till graden av undertryck i tanken på grund av minskad venös transmural tryck. När den negativa pressure appliceras med jämna mellanrum, svängningarna i centrala venösa åter resultat i artärtryckvariationer på frekvensen av OLBNP. Detta tillvägagångssätt har använts i flera studier mellan olika laboratorier. 8,14-17 Detta skapar stjärtfenan venöst blod volymförändringar i proportion till graden av undertryck i tanken på grund av minskat venöst transmural tryck. När det negativa trycket appliceras med jämna mellanrum, svängningarna i centrala venösa avkastning resultera i artärtryckvariationer på frekvensen av OLBNP. Detta tillvägagångssätt har använts i flera studier inom olika laboratorier. 8,15-18

Även med ett förhållningssätt som kan generera framträdande svängningar i artärtrycket runt frekvenserna av intresse, finns det en komplicerande faktor: det finns klara belägg för olinjäritet i cerebral auto, särskilt vid de lägsta frekvenserna 8 Dessutom finns det ingen stark teoretisk guide.om karaktären av olinjäriteter som finns i cerebral auto. Därför använder vi en ateoretisk är känd som Projection Pursuit Regression (PPR) i vår analys datadriven metod. 19 PPR ett nonparametric metod för att karaktärisera olinjära relationer inneboende i ett system utan några a priori antaganden om arten av dessa olinjäriteter. Detta är en avgjord fördel för att fånga ett system vars fysiologi är ännu inte definierad av explicita olinjära modeller. PPR avslöjar att den karakteristiska olinjäritet av cerebral auto liknar "klassiska självreglerande kurva" först beskrevs av Lassen 1959 (Figur 1). 2,19 Det är fortfarande cerebralt blodflöde relativt konstant inom ett visst intervall av artärtryck, men passivt spår på ett linjärt sätt utanför detta område. Denna form blir mer framträdande eftersom arteriella tryckfluktuationer bli långsammare. Därför är linjär analys otillräcklig för att helt interrogate cerebral auto och tillit till linjära tekniker troligen missar viktig information.

I denna artikel kommer vi detalj förhållningssätt till både datainsamling (laboratorieanvändning av OLBNP) och analys (PPR) vi använder för att karakterisera cerebral auto vid hälsa och sjukdom.

Protocol

1. oscillerande Lower Body negativt tryck (OLBNP)

  1. Installation av utrustning
    1. Elektrokardiogram Lead II (EKG): Fäst de tre (eller fler) elektroder till ämnet torso för övervakning av hjärtfrekvensen under hela studien.
    2. Neopren Kjol: Använd en skräddarsydda neopren kjol som tätar föremål i underkroppen negativt tryckkammare upp till höftkammen. Sätt den runt motivet bröst innan de placeras liggande i tanken och se till att EKG-signalen är fortfarande tillräcklig. Se till att det är tätt, men inte så hårt att begränsa andning.
    3. Lägre Body negativt tryck kammare: Ha motivet ligger på rygg på sängen och manövrera LBNP kammaren under dem. Om LBNP Kammaren har en justerbar cykelsadeln (för att minimera rörelse artefakt utan att minska effekten av sug), se till att motivet är bekvämt sittande på den. Använd en skräddarsydd plexiglas spacer klippa till motivets waist storlek för att hjälpa försegla kammaren. Täta neopren kjolen runt LBNP kammaren med silvertejp.
    4. LBNP kammartryck: Anslut LBNP kammaren till en standardtryckomvandlare. Kalibrera tryckomvandlare till mmHg.
    5. Upprepa Cycle Timer Bifogat till mekanisk ventil: Fäst egenbyggda mekanisk ventil och upprepa cykeln timer till LBNP kammaren.
      OBS: En tidrelä fäst två motorer som styr en mekanisk ventil används för att växla mellan undertryck och omgivande tryck. De tidrelä suppleanter spänning till motorerna med ett fast intervall för att öppna och stänga en ventil mellan kammaren och vakuum. Detta skapar en LBNP kammartrycket vågform som är ungefär fyrkantvåg i form. Justera cykeltid till önskad OLBNP frekvens.
    6. Variabel Transformator och Vakuum: Bifoga en vanlig hushållsdammsugare till den mekaniska ventilen. Anslut vakuum till en variabel transformator som gör att spänningen tillvakuum som skall styras. Slå på dammsugaren och justera den variabla transformatorn tills målet LBNP tryck (t.ex. 30 mmHg) uppnås.
    7. Arteriellt blodtryck: Fäst icke-invasiva photoplethysmographic arteriella tryckmanschetter (t.ex. Portapres, Finapres) till fingret (er) av en hand. Säkerställa noggrannhet genom att jämföra trycket att oscillometriska tryck från armartären av motsatt arm.
    8. 2 MHz transkraniell Doppler och Probe Fixa Device
      1. Använd en 2 MHz pulsvåg Doppler sond för att insonate M1 segment av mellersta hjärnartären i templet (dvs den transtemporal fönster).
      2. Alter sond vinkel, insonation djup (~ 55 mm), förstärkning, och sändningseffekt för att maximera spektralintensiteten av signalen.
      3. Fäst Doppler sonden på plats med hjälp av en fixeringsenhet som inte har någon back (dvs inte ett pannband) så att rörelse artefakt inte införs i signalen som volontär flyttens negativa tryckoscillationer.
        OBS:. Cerebral blodflödet kan mätas ensidigt eller bilateralt, men ingen skillnad i cerebral auto väntas mellan halvklot om inte en lokaliserad skada som stroke eller traumatisk hjärnskada är närvarande 20
    9. Utgånget CO2: Använd en nasal kanyl fäst till en infraröd CO2-analysator för att övervaka expired CO2 och instruera motivet att andas endast genom näsan. Med tanke på den djupgående effekt arteriella CO2 har på cerebralt blodflöde, 21 monitor CO2 under varje studie.
  2. Data Acquisition
    1. Ställ in digital hantering av artärtryck, cerebralt blodflöde, LBNP kammartrycket, och löpte CO2 att förvärva minst 50 Hz per kanal. Förvärva EKG vid 1 kHz.
      OBS: Även efterföljande analys handlar mycket lägre frekvensinformation (≤0.07 Hz), är det critical att övervaka kvaliteten på de signaler som förvärvas under en studie. En samplingsfrekvens av 50 Hz kommer att tillåta noggrann visualisering av blodtryck och cerebralt blodflöde för detektion av artefakt.
  3. Svängningar LBNP Protokoll
    1. Slå på vakuum och se tanktrycket är stabilt på -30 mmHg.
    2. Repetera cykel timern till 33 sek för 0,03 Hz OLBNP.
    3. Justera Doppler sond (s) för att säkerställa optimal signal.
    4. Förvärva uppgifter i minst 15 cykler (500 sek på 0,03 Hz) för att säkerställa tillräcklig förtroende för PPR uppskattningar. Om tiden tillåter, samla in mer data än detta eftersom det kommer att ytterligare förbättra signal-till-brus-förhållande.
    5. Upprepa stegen ovan för eventuella frekvenser mellan 0,03 Hz-0,08 Hz genom att ändra upprepningscykeln timertiden.
      OBS: Applicera frekvenser i ordning, men slumpmässigt varierar utgångsfrekvensen mellan ämnen.

2. Projektions Pursuit Regression (PPR)

  1. Data Förbehandling
    1. Decimering och lågpassfiltrering
      1. Öppna Matlab. Skriv kommandot "data = sampla (data, 1, SR / 5)" (där SR är den ursprungliga samplingshastigheten) att decimera det arteriella trycket och cerebralt blodflöde till 5 Hz.
        OBS: Eventuellt lågpassfilter (19: e ordningen Chebyshev typ II) med en cutoff av 0,4 Hz. Filtreringen är överflödig med tanke på efterföljande behandling, men skapar medel vågformer som inte är beroende av topp upptäckt av den ibland högljudda artärtryck och cerebrala blodflödessignalerna.
    2. Artefakt Borttagande
      1. Använda de ursprungliga icke-decimeras vågformer som guide, ta bort alla delar av signalerna med artefakter och linjärt interpolera. Om dessa avsnitt står för mer än 10% av inspelningstiden, kasta inspelningen helt.
        OBS: Vid denna punkt, är vågformerna lämpligen behandlas för traditionella linjära metoder såsom överföringsfunktionsanalys.
    3. Bandpassfiltrering
      1. I Matlab, typ: [B, A] = cheby1 (1,1, [F - 0,005 F + 0,005] / (/ 2) SRD) uppgifter = filtfilt (B, A, detrend (data, "linjära") till band -pass filtrera tryck och flöde i en ± 0,005 Hz-bandet (1: a ordningen Chebyshev typ I med 1 dB passbandet rippel) runt frekvensen av OLBNP (Figur 2), där F är den dominerande OLBNP frekvensen är SRD den decimerade provtagning hastighet (5 Hz efter steg 2.1.1), och "data" är den decimerade signalen (arteriellt tryck eller flöde).
        NOTERA: Detta minimerar potentiell interferens och ökar signal-till-brusförhållandet i efterföljande PPR analys. Även om den dominerande artär tryckfluktuation inträffar vid den oscillerande frekvensen av underkroppen negativt tryck, kan slumpmässigt brus i signalerna stör härledningen av tryckflödesrelationer. Resultat utan bandpassfiltrering kommer att vara kvalitativt liknande men procent varians explained (dvs., R 2) kommer att bli lägre. 19
  2. Projektion Utövande Regression Uppskattning
    OBS: Genom att använda den inbyggda funktionen "ppr" i forskning Språk och miljö för statistiska beräkningar, och / eller via anpassade skrivna funktioner i andra plattformar, genererar en enda ås funktion (M = 1) för arteriella tryck cerebral flöde relation .
    1. I Matlab, skriv kommandot "CVLabPPR (tryck, flöde)". Ange Studie-ID som XXXYYY, där XXX är 3 bokstäver studie kod och YYY är de tre numeriska tecken för ämnet ID. Ange Studie Datum i följande format: ÅÅÅÅ-MM-DD. Ange siffermätningen # (t.ex. "1" för dag 1).
    2. Ange APM (skriv FP för finapress eller AL för konst-line). Ange Vessel (MCA, ACA, eller PCA). Ange "y" eller "n" på frågan "Har du rätt MCA mätningar?" Enter "y &# 8221; eller "n" på frågan "Vill du har kvar MCA mätningar?"
      NOTERA:
      Ekvation 1
      För varje ingång (x t - arteriellt blodtryck) och utgång (y t - cerebralt blodflöde) en linjär autoregressive överföringsfunktion (Eq 1. - termen inom parentes) leds genom icke-parametriska kärnfunktioner (k m; kallas "åsen funktioner ") som bestäms genom minimering av medelkvadratfelet. Projektions strävan regression kan innefatta mer än en ås funktion (dvs., M> 1). Men även om det kommer att minska medelkvadratfelet, kan det dölja tolkningen av åsen funktioner på grund av möjliga interaktioner mellan dem. Eftersom det primära syftet är att få en relation mellan artärtryck och cerebralt blodflöde som can tolkas fysiologiskt bör PPR begränsas till endast en ås funktion (M = 1).
    3. Styckvis linjär Parameter. Parametrera åsen fungerar som en styckvis linjär funktion för efterföljande statistisk analys (Figur 3). För Matlab, använd Bruno Luong s Free-knut spline approximation. Ange kommandot "BSFK (x, y, k, nknots)" där k = 2 för en linjär passform och nknots = 3 för tre regioner.
      OBS: Detta identifierar de punkter där de arteriella tryck cerebral flöde relationsförändringar och de intervall där sambandet är ungefär linjärt Figur 3 visar en schematisk bild av resultaten.. Vinsten (dvs, den linjära lutningen) av den tryckflödes förhållande inom varje region ger ett mått på hur effektivt cerebral auto inom denna region. En lägre förstärkning indikerar effektivare motreglering av tryckvariationer medan högre vinster indikerar mer passiva flOW svar på tryckförändringar.

Representative Results

OLBNP amplituder från 10 mmHg 22 upp till 120 mmHg 17 har använts för att öka arteriell tryckvariationer, men 30 mmHg OLBNP räcker 23,24 och inte bortom det föreskrivande kapacitet cerebrovasculature. 17 Denna nivå av OLBNP resultat i blodtryckssvängningar som är ungefär 15-20 mmHg i magnitud på 0,03 Hz, som inte är större än blodtrycks förändringar som sker när man går från sittande till stående. 25 Det finns vissa begränsningar i det intervall inom vilket OLBNP kan generera arteriella tryckvariationer. Auto är endast aktiv vid ~ 0,07 Hz och långsammare, så den övre gränsen är inte en fråga. Men det är svårt att generera lågfrekventa svängningar under 0,03 Hz är att det kardiovaskulära systemet kontra reglerar mot LBNP-inducerade förändringar arteriella trycket innan cykeln är klar. Som figur 4 visar, vid 0,025 Hz OLBNP vi faktiskt se den största toppen iarteriella tryckoscillationer på 0.05 Hz. Medan frekvensåtergivningen av cerebral auto kan karakteriseras från 0,03 Hz-0,08 Hz för att definiera tidsskalor inom vilka auto är verksamt, 23,24 0,03 Hz och 0,08 Hz OLBNP är tillräckliga eftersom de representerar en rad självreglerande funktion (dvs en uttalad självreglerande region till ingen eller en blygsam).

OLBNP genererar större svängningar i artärtrycket som frekvensen av negativa tryckoscillationer blir långsammare. Figur 5 visar det arteriella trycket och därmed cerebrala blodflödesförändringar med OLBNP från 0,08 Hz (12,5 sek cykler) till 0,03 Hz (33 sek cykler). Vid de högre frekvenserna, fluktuerar cerebralt blodflöde i samförstånd med arteriellt tryck. PPR visar detta; det finns en proportionell linjär relation mellan artärtrycket och cerebralt blodflöde vid de högre frekvenserna av 0,08 Hz, 0,07 Hz (14 sec cykler), och 0,06 Hz (16.6 sek cykler). Vid långsammare frekvenser av OLBNP, men arteriella tryckvariationer blir större, fluktuationer i cerebralt blodflöde successivt mer effektivt dämpas. Därför visar PPR en allt mer framträdande självreglerande region vid OLBNP frekvenser från 0,05 Hz (20 sek cykler), till 0,04 Hz (25 sek cykler), till 0,03 Hz. I det visade exemplet på 0,03 Hz, PPR kurvan liknar klart "klassiska självreglerande kurva" beskrivs av Lassen (Figur 1). Vi har tidigare visat att denna observation inte kan förklaras enbart av den ökade omfattningen av artärtryckvariationer som frekvensen av svängningar blir långsammare. Vi har tidigare tillämpat PPR till data från 48 individer under olika magnituder av OLBNP (alltså, annan storleksordning av tryckvariationer). 19 Medan vi inte uttryckligen undersöka en potentiell relation mellan självreglerande sortiment och omfattningen av tryckvariationer, vi reportade att variationen i självreglerande intervallet var bara ~ 6%. Således, våra tidigare resultat visar tydligt att förändringen i PPR kurva med frekvensen inte helt kan förklaras av en förändring i storleken av tryckvariationer. I samma studie, bedömde vi om PPR karakterisering av auto är reproducerbar över olika sessioner. Denna analys visade att lutningen på självreglerande sortimentet under 0,03 Hz OLBNP inte ändrade (Lin Concordance = 0,96, p <0,001) och därmed den olinjära tryckflödes förhållande är konsekvent över studiedagar.

Även om cerebrovaskulär sängen är väl innerveras av sympatiska nervfibrer, deras roll i auto har inte varit allmänt accepterad. 26 Därför kräver vissa av vårt tidigare arbete utfors potentiella roll det sympatiska nervsystemet i cerebrovaskulär auto. 24 Vi hittade en tydlig roll för det sympatiska systemet i regleringen cerebral flöde, men vi were inte kunna karaktärisera hur förhållandet ändras med avlägsnande av sympatiska effekter på grund av begränsningar i linjära metoder för att karakterisera auto. Figur 6 visar resultaten från PPR ansökan till data innan (baslinje) och efter sympatisk blockad under 0,05 Hz. Den totala kurvan blir markant mer linjärt. Dessutom PPR analys av 0.03 Hz uppgifter där auto är tydligast visade att utbudet av självreglerande regionen är oförändrad, men lutningen inom regionen ökar, vilket återspeglar mindre effektiv auto (Figur 7).

Figur 1
Figur 1. "klassiska" självreglerande kurvan härrör från förhållandet mellan statiska ökningar och minskningar i tryck och steady state cerebralt blodflöde. En region i oföränderlig flöde desPite förändras trycket (dvs lutning = 0) begränsas av regioner där ökande och minskande tryck resulterar i proportionella cerebrala blodflödet förändringar.

Figur 2
Figur 2. Förbehandlings nödvändigt att utföra PPR analys. Signaler först decimeras till 5 Hz och sedan bandpass filtreras vid frekvensen för OLBNP (± 0,005 Hz).

Figur 3
Figur 3. Parametrar för den cerebrala autokurvan som härrör från PPR analys av artärtryck och cerebralt blodflöde under 0,03 Hz OLBNP.

Figur 4
Ström spektrum visar omfattningen av fluktuationer i artärtrycket när OLBNP frekvensen är under 0,03 Hz (33 sekunders cykel). Observera att det finns två stora toppar i artärtrycket spektraleffekten på 0,025 och 0,05 Hz (40 och 20 sek cykler), men det finns bara en enda topp i LBNP spektral effekt vid 0,025 Hz. Dessutom är den största fluktuationen i tryck vid 0,05 Hz och skulle förbrylla tolkningen av det cerebrala blodflödet svar.

Figur 5
Figur 5. Exempel på effekter av OLBNP 0,08-0,03 Hz på artärtryck och cerebralt blodflöde. Arteriella tryckvariationer blir större med långsammare OLBNP medan cerebrala blodflödesförändringar blir mindre. Denna självreglerande funktion beskrivs av resultaten av PPR analysen visas i bottenpanelerna. Than självreglerande region cerebralt blodflöde blir successivt mer uttalade med långsammare OLBNP.

Figur 6
Figur 6. Individuell och genomsnitt PPR autoregulatoriska kurvor från 0,05 Hz OLBNP uppgifter i ämnen före (baslinje) och efter sympatisk blockad. Notera att förlusten av den smala självreglerande regionen efter sympatisk blockad.

Figur 7
Figur 7. Genomsnittlig av PPR parametrarna från 0,03 Hz OLBNP uppgifter före och efter sympatiska blockaden. Sympatisk blockad hade en uttalad effekt på den cerebrala autokurvan inom självreglerande intervall, markant öka lutningen (dvs mer proportionella cerebrala flödesförändringar med tryckförändringar ).

Discussion

Exakt definiera input-output relationer kan kräva att inmatnings (i det här fallet, tryck) ändrar aktivt över ett tillräckligt stort antal för att observera utgångssvaret. Men spontant förekommande tryckvariationer är extremt inkonsekvent och små i amplitud inom frekvenserna av cerebral auto. 27 Detta är anledningen till att spontana förändringar i tryck och flöde visar en relation med perioder av hög korrelation och perioder av extremt låg korrelation och att svängningar i cerebralt blodflöde till synes verkar utan någon uppenbar artärtryck enhet. 28 OLBNP 22 ger en kritisk teknik för att skapa konsekventa arteriella tryckoscillationer av varierande frekvens och amplitud för att bedöma cerebrala blodflödessvar. Även om det kan finnas andra metoder som kan ge en liknande sond, ger detta tillvägagångssätt för rigorösa tester av frekvens- och / eller amplitud-beroendeförhållande satsninglan arteriella trycket och cerebralt blodflöde hastighet.

Tidigare forskning undersöker potentiella mätverktyg för cerebral auto har använt linjära modeller av relationen mellan artärtrycket och cerebralt blodflöde (t.ex. överföringsfunktionen analys). En klart linjärt samband mellan tryck och flöde förändringar utan dämpande observeras när tryckoscillationer är relativt snabb, dvs> ~ 10 sek. Men långsammare svängningar (> ~ 20 sek) framkalla ett samband mellan tryck och flöde som blir allt mindre linjärt relaterad. 8,24 Om relationen inte är mycket linjärt relaterad (lågt R2, låg tvär spektral koherens) kan man inte ha någon förtroende för riktigheten av linjära åtgärder såsom överföringsfunktion förstärkning och fas. Bristen på linjärt samband indikerar närvaron av viktiga olinjäriteter som är karakteristiska för cerebral auto. I själva verket, till sin natur, autoregulatipå är inte mottagliga för karakterisering via linjära metoder; linjära metoder kan tyda närvaro eller frånvaro av auto, men kan inte beskriva dess egenskaper och dess effektivitet.

Det finns metoder som är jämförbara med linjära metoder i sin enkelhet, men som kan bedöma olinjära relationer mellan input (tryck) och output (flöde) variabler. Projection strävan regression är helt enkelt en nonparametric, ateoretisk, multipel regressionsmetod 29,30 som inte posit ett a priori modell eller antar linjäritet i input-output förhållande. Dessa är tydliga fördelar för karakterisering ett system som ofullständigt förstås. Emellertid bör det noteras att användning av mer än en ås funktion kommer att öka procent variansen förklaras men på bekostnad av grumlande fysiologisk tolkning av de karakteristiska relationer. Därför rekommenderas det att utsprånget strävan regression begränsas till endast en ås funktion. Ändå kan PPR strategi som beskrivs med en enda ås funktion förklarar en betydande del av variansen i relationen mellan artärtrycket och cerebralt blodflöde och avslöjar den karakteristiska olinjära förhållandet som är konsekvent i hela individer.

Begränsningar och eventuella ändringar

Oscillerande underkroppen undertryck kräver specifik och påträngande utrustning och rutiner och så är inte lämpligt för klinikbaserade bedömningar. Det är möjligt att vila inspelningar av tillräcklig längd skulle kunna ge adekvat information för PPR analys av cerebral auto. Men tidigare arbete visade att projektions strävan regression av vila uppgifter utför betydligt sämre än analys av 0,03 Hz OLBNP uppgifter. Även tryck-flöde relationer kvantifierade i vila och under 0,03 Hz OLBNP är relaterade föreslår 19 den blyg korrespondens helt enkelt att den tryckflödes relationships beräknade i vila kanske inte en tillförlitlig bild sådana som härrör från 0,03 Hz OLBNP. En lösning kan vara att generera konsekvent och större amplitud tryckvariationer inom frekvenserna för auto via långsam, djup eucapnic andning eller upprepade squat-stand manövrar. Dessa metoder har visat sig generera ett tillförlitligt stora tryckvariationer som kan ge förändringar över ett tillräckligt stort antal för att observera cerebrala blodflödessvar. 31,32

Även i genomsnitt kan projektion strävan regression förklarar en betydande del av relationen mellan artärtrycket och cerebrala flödets variationer, förklarade variansen kan vara låg i ett fåtal fall (~ 6% 19). Låg prestanda kunde härleda till exempel från att andas mönster om frekvens och tidalvolym inte kontrolleras. Dock har varje fysiologiska tester några avvikande observationer, och detta tillvägagångssätt är inte ett undantag. Fattiga mätningar i ~ 1 av 20 observationer bör ingent gräva den potentiella nyttan av tillvägagångssätt.

Framtida Program / ​​Slutsatser

Den karakteristiska tryckflödesförhållande kan ändras i vissa patofysiologiska förhållanden, såsom stroke 33 och traumatisk hjärnskada. 34 Om korrekta relationer kunde förvärvas i klinisk miljö, kan projektion strävan regression av cerebral auto ha bredare tillämpning och vara användbar som en utvärderingsverktyg där OLBNP är inte tillgänglig. Det är möjligt att enkla manövrar (t.ex. djupandning, lår manschetten, sit-to-stand) och / eller längre varaktighet vila inspelningar kan resultera i tryckflödes relation som kan stämmas för att härleda cerebral auto jämförbar med OLBNP uppgifter. Ändå kunde laboratoriebaserad bestämning av olika regelsystem och deras bidrag till de olinjäriteter av auto ger unik inblick i cerebrovaskulär kontroll, och tillåta diagnosis av patofysiologiska förändringar i cerebral auto (t.ex. efter traumatisk hjärnskada).

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

Medicin cerebralt blodflöde underkroppen negativt tryck auto sympatiska nervsystemet
Bedöma Cerebral auto via oscillerande Lower Body negativt tryck och 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