Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

وظيفية عبر الجمجمة دوبلر الموجات فوق الصوتية لرصد تدفق الدم الدماغي

Published: March 15, 2021 doi: 10.3791/62048
Automatic Translation
1, 2, 3
1Department of Biological Systems Engineering, University of Nebraska-Lincoln, 2Department of Biological Systems Engineering, University of Nebraska-Lincoln, 3Department of Biological Systems Engineering, University of Nebraska-Lincoln

Summary

تكمل الموجات فوق الصوتية الوظيفية عبر الجمجمة دوبلر طرائق التصوير الوظيفية الأخرى ، مع قياسها عالي الدقة الزمنية للتغيرات الناجمة عن التحفيز في تدفق الدم الدماغي داخل الشرايين الدماغية القاعدية. تقدم ورقة الأساليب هذه إرشادات خطوة بخطوة لاستخدام الموجات فوق الصوتية الوظيفية عبر الجمجمة Doppler لإجراء تجربة تصوير وظيفية.

Abstract

الموجات فوق الصوتية دوبلر عبر الجمجمة الوظيفية (fTCD) هو استخدام الموجات فوق الصوتية دوبلر عبر الجمجمة (TCD) لدراسة التنشيط العصبي الذي يحدث أثناء المحفزات مثل الحركة الجسدية، وتفعيل أجهزة الاستشعار عن طريق اللمس في الجلد، وعرض الصور. يتم الاستدلال على التنشيط العصبي من زيادة في سرعة تدفق الدم الدماغي (CBFV) التي تزود منطقة الدماغ المشاركة في معالجة المدخلات الحسية. على سبيل المثال، يؤدي عرض الضوء الساطع إلى زيادة النشاط العصبي في الفص القذالي للقشرة الدماغية، مما يؤدي إلى زيادة تدفق الدم في الشريان الدماغي الخلفي، الذي يزود الفص القذالي. في fTCD، يتم استخدام التغيرات في CBFV لتقدير التغيرات في تدفق الدم الدماغي (CBF).

مع قياس الدقة الزمنية العالية لسرعات تدفق الدم في الشرايين الدماغية الرئيسية ، يكمل fTCD تقنيات التصوير الوظيفية الراسخة الأخرى. الهدف من هذه الورقة الأساليب هو إعطاء تعليمات خطوة بخطوة لاستخدام fTCD لإجراء تجربة التصوير الوظيفي. أولا، سيتم وصف الخطوات الأساسية لتحديد الشريان الدماغي الأوسط (MCA) وتحسين الإشارة. بعد ذلك ، سيتم وصف موضع جهاز التثبيت لعقد مسبار TCD في مكانه أثناء التجربة. وأخيرا، سيتم إثبات تجربة حبس الأنفاس، وهي مثال محدد لتجربة تصوير وظيفي باستخدام fTCD.

Introduction

في أبحاث علم الأعصاب، غالبا ما يكون من المستحسن مراقبة نشاط الدماغ في الوقت الحقيقي بشكل غير باضع في مجموعة متنوعة من البيئات. ومع ذلك، فإن طرائق التصوير العصبي الوظيفية التقليدية لها قيود تعوق القدرة على التقاط التغيرات المحلية و/ أو السريعة في النشاط. الدقة الزمنية الحقيقية (غير المتوترة وغير الاستعادية) للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) هي حاليا من أجل بضع ثوان1، والتي قد لا تلتقط التغيرات الديناميكية الدموية العابرة المرتبطة بالتنشيط العصبي العابر. في مثال آخر ، على الرغم من أن التحليل الطيفي الوظيفي القريب من الأشعة تحت الحمراء (fNIRS) لديه دقة زمنية عالية (مللي ثانية) ودقة مكانية معقولة ، إلا أنه لا يمكنه التحقيق إلا في التغيرات الديناميكية الدموية داخل قشرة الدماغ ولا يمكنه تقديم معلومات حول التغيرات التي تحدث في الشرايين الأكبر التي تزود الدماغ.

وعلى النقيض من ذلك، يشير التصوير fTCD - المصنف على أنه طريقة تصوير عصبي - إلى أبعاد الزمان والمكان، بدلا من اتجاهين مكانيين متعامدين أكثر دراية في "الصورة". يوفر fTCD معلومات تكميلية لطرائق التصوير العصبي الأخرى عن طريق قياس التغيرات الديناميكية الدموية عالية الدقة الزمنية (عادة 10 مللي ثانية) في مواقع دقيقة داخل الأوعية من الدورة الدموية الدماغية القاعدية. كما هو الحال مع غيرها من طرائق التصوير العصبي، يمكن استخدام fTCD لمجموعة متنوعة من التجارب مثل دراسة الجانبية للتنشيط الدماغي أثناء المهام المتعلقة باللغة2،3،4، دراسة التنشيط العصبي استجابة لمختلف المحفزات الحسية الجسدية5، واستكشاف التنشيط العصبي في مختلف المحفزات المعرفية مثل المهام البصرية 6 ،المهامالعقلية7، وحتى إنتاج الأداة8.

على الرغم من أن fTCD يوفر العديد من المزايا للاستخدام في التصوير الوظيفي ، بما في ذلك انخفاض تكلفة المعدات ، وقابلية النقل ، وتعزيز السلامة (مقارنة باختبار Wada 3 أو التصوير المقطعي للانبعاثات البوزيترونية [PET] ، فإن تشغيل جهاز TCD يتطلب مهارات يتمالحصول عليها عن طريق الممارسة. بعض هذه المهارات، التي يجب أن يتعلمها مشغل TCD، وتشمل القدرة على تحديد الشرايين الدماغية المختلفة والمهارات الحركية اللازمة للتلاعب بدقة التحقيق بالموجات فوق الصوتية أثناء البحث عن الشريان ذات الصلة. الهدف من هذه الورقة أساليب هو تقديم تقنية لاستخدام fTCD لإجراء تجربة التصوير الوظيفي. أولا، سيتم سرد الخطوات الأساسية لتحديد وتحسين الإشارة من MCA، والتي تتغلغل 80٪ من نصف الكرة الدماغي9. بعد ذلك ، سيتم وصف موضع جهاز التثبيت لعقد مسبار TCD في مكانه أثناء التجربة. وأخيرا، سيتم وصف تجربة حبس الأنفاس، التي تعد أحد الأمثلة على تجربة التصوير الوظيفي باستخدام fTCD، وسيتم عرض النتائج التمثيلية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

وقد أجريت جميع البحوث المتعلقة بموضوع الإنسان وفقا لمجلس المراجعة المؤسسية لجامعة نبراسكا - لينكولن، وتم الحصول على موافقة مستنيرة من جميع المواضيع.

1. تحديد موقع إشارة MCA بواسطة TCD حرة

ملاحظة: يشير TCD "حر" إلى تشغيل TCD باستخدام محول محمول باليد للعثور على إشارة CBFV قبل بدء تجربة fTCD.

  1. تعيين معلمات TCD
    1. حافظ على الطاقة بقيمة عالية بشكل معقول (على سبيل المثال، 400 كيلوواط) أثناء البحث الأولي عن MCA. بمجرد تحديد موقع إشارة MCA، قم بتقليل الطاقة قدر الإمكان مع الحفاظ على إشارة "جيدة" (انظر الخطوة 2.2.7).
      ملاحظة: استخدام قوة عالية بشكل معقول أثناء البحث الأولي لا ينتهك مبدأ "منخفضة كما يمكن تحقيقه بشكل معقول" (ALARA) من التعرض للإشعاع الصوتي لأن الطاقة العالية سوف تسمح باكتشاف إشارة MCA بسرعة أكبر10.
    2. تعيين حجم العينة إلى 8-12 مم أثناء البحث الأولي عن إشارة MCA. إذا كان من الصعب العثور على الإشارة، قم بزيادة حجم البوابة لزيادة كثافة الإشارة، ولكن لاحظ أن هذا قد يدمج الإشارة من شريان واحد أو أكثر قريب في الإشارة من MCA.
    3. تعيين كسب على مستوى متوسط، بهدف "الحفاظ على الضوضاء الخلفية في الحد الأدنى، ولكن الحاضر"10.
    4. تعيين قطع مرشح تمرير عالية (عادة ما يطلق عليه "عتبة") إلى 50-150 هرتز.
    5. إذا كان الموضوع بالغا، قم بتعيين العمق إلى 50 مم، وهو متوسط عمق منتصف نقطة الجزء M1 من MCA10 (الشكل 1).
      ملاحظة: سيتم مناقشة هذا الإعداد بمزيد من التفصيل في الخطوات اللاحقة. يتم إعطاء إعدادات العمق للأطفال في الجدول 1.

Figure 1
الشكل 1:تمثيل دائرة ويليس والشرايين الرئيسية في الدورة الدموية الدماغية. تم وضع علامة على تشعب ICA في ACA و MCA بدائرة سوداء. يظهر الجزء M1 من MCA. وقد تم تعديل هذا الرقم من24. الاختصارات: ACA = الشريان الدماغي الأمامي. (بيف) = التشعب؛ ICA = الشريان السباتي الداخلي. MCA = الشريان الدماغي الأوسط. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. تحديد موقع النافذة الزمنية
    ملاحظة: النافذة الزمنية، وتسمى أيضا النافذة الصوتية عبر الصدغية، هي جزء من الجمجمة حيث العظام هي أنحف11،مما يسمح بنقل الطاقة بالموجات فوق الصوتية منخفضة التردد من خلال الجمجمة (الشكل 2).
    1. بالنسبة للرضع والأطفال الصغار، حدد موقع النافذة الزمنية أمام الأذن مباشرة ("الفضاء بين المجرات") وفوق الحافة الوردية للقوس الزيجوماتيكي، والتي يمكن الشعور بها بسهولة تحت الجلد.
    2. بالنسبة للمراهقين والشباب، حدد موقع النافذة الزمنية عبر أي من الرياح الفرعية.
      ملاحظة: عادة ما يوفر إطار العرض الفرعي الخلفي أفضل إشارة (الشكل 2).
    3. للبالغين الذين تتراوح أعمارهم بين 30 سنة أو أكثر، حدد موقع النافذة الزمنية أمام الأذن مباشرة.
      ملاحظة: نافذة الصوتية يقلل في الحجم مع تقدم الناس في السن بسبب زيادة المسامية من عظم الجمجمة، مما تسبب في بعض كبار السن لديهم نافذة زمنية محدودة جدا12. وفي هؤلاء الأفراد، يكون من المستحيل أحيانا تقديم الرنانة الثنائية ل MCA.

Figure 2
الشكل 2: النافذة عبر الصدغية (التي تميزها القطع الناقص المتقطع) ، القوس الزيغوماتيكي (السهم) ، والرياح الفرعية11. (أ) إطار فرعي أمامي. (ب) الرياح الفرعية الأمامية. (C) إطار فرعي متوسط. (D) الرياح الفرعية الخلفية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. تطبيق محول
    1. تطبيق ما يكفي من هلام الموجات فوق الصوتية لتغطية سطح محول.
      ملاحظة: عند وضعه على الرأس، يجب أن يغطي الجل مساحة كافية للحفاظ على ختم بين فروة الرأس وسطح مسبار دوبلر، وبالتالي منع انقطاع الإشارة من اقتران الهواء تحت سطح المسبار.
    2. تنبيه الموضوع أن الجل قد يشعر بالبرد (إذا كان في درجة حرارة الغرفة).
    3. ضع المحول على النافذة الزمنية، التي كانت موجودة في القسم 1.2.
  2. البحث عن MCA
    1. بعد وضع محول على فروة الرأس، والبحث عن إشارة MCA، والتي سوف تكون موجودة عموما الأمامي قليلا (إلى الأمام) وrostral (نحو الرأس) من موقع موضع فروة الرأس محول الأولي10.
    2. إذا لم تكن الإشارة الطيفية ل TCD واضحة على الفور، فاضبط زاوية المحول مع الاحتفاظ بها في نفس الموقع بالنسبة لفروة الرأس. ببطء زاوية التحقيق من rostral إلى caudal (نحو القدمين) والخلفي إلى الأمامي.
      ملاحظة: يظهر الشكل 3 أطياف اثنين مأخوذة من نفس الموضع، ولكن في زوايا مختلفة.
    3. إذا كانت الإشارة لا تزال غائبة بعد تنفيذ الخطوة 1.4.2، تحقق من شاشة وضع M اللون لتدفق في MCA في أعماق مختلفة (المشار إليها تلوين أحمر). زيادة عمق الإشارة أو إنقاصه في خطوات 5 مم والبحث كما هو موضح في الخطوة 1.4.2. إذا كان التدفق مرئيا في وضع M ولكن ليس في طيف دوبلر، قم بزيادة أو تقليل العمق حتى تكون إشارة التدفق مرئية في طيف دوبلر.
    4. إذا لم يتم الحصول على إشارة مرضية بعد، قم بنقل المحول إلى موضع قريب على فروة الرأس، وهو أكثر من ذلك بقليل، وكرر الخطوات 1.4.1-1.4.3.
    5. عند الحصول على إشارة MCA الأمثل، لاحظ العمق والسرعة القصوى.
    6. باستخدام قلم ماكياج قابل للغسل، ضع علامة على فروة الرأس (جزء التتبع من حافة محول) حيث تم العثور على الإشارة المثلى.

Figure 3
الشكل 3: عينة دوبلر الأطياف والصور M-وضع من نقطة الوسط من الجزء M1 من MCA. (A) الطيف اتخذت الحق بعد تطبيق محول إلى النافذة الزمنية, فقط أمام الأذن. (ب) عينة دوبلر الطيف في نفس الموقع وعمق (أ). التغيير الوحيد هو أن محول تم الزاوية صعودا (متفوقة) قليلا. في كل من (A) و (B)، العمق = 50 مم ، الربح = 50 ، حجم العينة = 12 مم ، القوة = 420 mW / cm2، والتصفية = 100 هرتز. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. البحث عن التشعب
    ملاحظة: العثور على تشعب الشريان السباتي الداخلي (ICA) مهم للمساعدة في التأكد من أن MCA هو الشريان الذي يتم مراقبته. وينبغي تنفيذ هذه الخطوة من كلا الجانبين إذا ما أجريت المراقبة الثنائية، لأن التشعب قد لا يكون بنفس العمق على كلا الجانبين.
    1. زيادة العمق حتى الإشارة من تشعب ICA إلى MCA وACA هو لاحظت (الشكل 4)، وعادة على عمق 51-65 ملم10.
    2. ابحث عن الإشارة الطيفية المثلى للتشعب باستخدام الإجراء الموضح في الخطوة 1.4.2. نسعى دائما لأعلى سرعة إشارة الطيفية ممكن10.
    3. عند الحصول على إشارة التشعب الأمثل، لاحظ عمق التشعب.
    4. بالنسبة للرصد الثنائي، كرر المقاطع 1.1-1.4 والخطوات 1.5.1-1.5.3 على الجانب الآخر من الرأس.

Figure 4
الشكل 4: الطيفية دوبلر (أعلى) و M-وضع (أسفل) صورة من تشعب ICA في MCA وACA. العمق = 65 مم، كسب = 50، حجم العينة = 12 ملم، الطاقة = 420 كيلوواط/سم2،والفلتر = 100 هرتز.

2. نقل MCA بعد وضع جهاز التثبيت

ملاحظة: بالنسبة لتجارب fTCD، من الضروري مراقبة CBFV لمدة 10-90 دقيقة أو أكثر. لذلك، جهاز التثبيت(الشكل 5)أمر بالغ الأهمية لتوفير الاستقرار.

  1. وضع جهاز التثبيت
    1. عن طريق الفحص البصري، قم بضبط جهاز التثبيت(الشكل 5)على حجم الرأس التقريبي للموضوع.
    2. تنبيه الموضوع قبل وضع سماعة الرأس على رأسه. ضع سماعة الرأس على رأس الموضوع.
      ملاحظة: إذا كان الموضوع له شعر طويل أو سميك، فقد يكون من الضروري ربط شعر الشخص مرة أخرى، اعتمادا على جهاز التثبيت المستخدم.
    3. اضبط نوبة جهاز التثبيت، واسأل الموضوع عما إذا كان الجهاز ضيقا جدا.
      ملاحظة: يجب أن يكون الجهاز ضيقا بما فيه الكفاية بحيث لا يتحرك عند الاصطدام قليلا ، ولكنه فضفاض بما يكفي بحيث لا يكون الموضوع غير مريح.

Figure 5
الشكل 5: موضوع يرتدي جهاز التثبيت المخصص. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. تحديد موقع إشارة MCA
    1. تخفيف آلية جهاز التثبيت عقد محول في مكان (على سبيل المثال، تخفيف الآلية، كما هو موضح في الشكل 5،عن طريق تحويل مقبض عكس عقارب الساعة) بحيث يمكن للمحول التحرك بحرية.
    2. تنبيه الموضوع قبل تطبيق هلام على محولات (والتي ينبغي أن تكون بالفعل في مكان من القسم 2.1)، وأن الجل قد تكون باردة (إذا تم تخزينها في درجة حرارة الغرفة).
    3. تطبيق ما يكفي من هلام الموجات فوق الصوتية على محول لتغطية وجه محول.
    4. ضبط جهاز التثبيت بحيث يوجد محول فوق العلامة التي تم إجراؤها في الخطوة 1.4.6.
    5. ابحث عن الإشارة الطيفية المثلى ل MCA باستخدام الإجراء الموضح في الخطوات 1.4.1-1.4.3. نسعى دائما لأعلى سرعة إشارة الطيفية ممكن10.
      ملاحظة: عند مقارنتها ب TCD اليدوية، قد يختلف العمق الأمثل الذي يوجد به MCA باستخدام جهاز التثبيت اختلافا طفيفا (على الأكثر 1-2 مم) عن العمق الخاص بالجهاز اليدوي. وذلك لأن جهاز التثبيت قد عقد محول أبعد قليلا من فروة الرأس مع الحفاظ على ختم هلام اقتران.
    6. عندما يتم العثور على إشارة الطيفية MCA الأمثل، تشديد آلية جهاز التثبيت لقفل محول في مكان. لاحظ العمق وكافة الإعدادات الأخرى.
    7. تقليل الطاقة (انظر الخطوة 1.1.1) قدر الإمكان مع الحفاظ على مغلف طيفي يتتبع السرعة القصوى بدقة.
    8. بالنسبة للرصد الثنائي،كرر الخطوات 2.2.1-2.2.7 على الجانب الآخر.

3. إجراء مناورة لالتقاط الأنفاس

ملاحظة: يتم إعطاء هذا المقطع كمثال على تجربة وظيفية التي يمكن تنفيذها باستخدام الإعداد التجريبي الموضحة في المقطع 1 و القسم 2.

  1. تنفيذ كافة الخطوات الموضحة في المقطع 1 و القسم 2.
  2. بدء التسجيل على برنامج TCD.
  3. تنفس عادة لمدة 3 دقائق لتحقيق تسجيل خط الأساس جيدة، والسماح CBFV لتحقيق الاستقرار من أي تجارب سابقة أو المحفزات.
  4. العد التنازلي ببطء من ثلاثة. على العد من واحد، اطلب من هذا الموضوع أن تبدأ لالتقاط الأنفاس بعد إلهام طبيعي13.
    ملاحظة: لا ينبغي أن يستنشق هذا الموضوع بعمق ، لأن هذا من شأنه أن يقلل من ثاني أكسيد الكربون في الرئتين ويقلل من احتمال ملاحظة الزيادة في CBFV بسبب التفاعل الدماغي الوعائي. وينبغي لهذا الموضوع أيضا تجنب أداء مناورة Valsalva، التي يتم فيها زيادة الضغط داخل الصدر بشكل كبير ضد إلهام عقد14.
  5. ضع علامة في تسجيل TCD للدلالة على بداية حبس الأنفاس.
  6. يكون هذا الموضوع حبس أنفاسهم لمدة 30 ق، أو حتى أنها لم تعد مريحة حبس أنفاسهم.
  7. عندما يستنشق الموضوع، ضع علامة في تسجيل TCD للدلالة على نهاية حبس الأنفاس.
  8. متابعة مراقبة CBFV باستخدام TCD وتسجيل لمدة 30 s على الأقل بعد نهاية لالتقاط الأنفاس لضمان أن يعود CBFV إلى قيم خط الأساس.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

يظهر الشكل 3 عينة أطياف دوبلر وأوضاع M الملونة من نقطة الوسط في الجزء M1 من MCA. الشكل 3A،B اتخذت في نفس الموقف على فروة الرأس ، ولكن في زوايا مختلفة. لاحظ كيف يمكن لتغيير صغير جدا في الزاوية ، دون تغيير موضع الاتصال على فروة الرأس ، أن يحسن بشكل كبير قوة إشارةدوبلر ، كما يتضح من التلوين الأصفر عالي الكثافة للمطياف في الشكل 3B. لاحظ أيضا أن M-mode في الشكل 3B يظهر شريانين (الأزرق والأحمر، المقابلة لACA وMCA، على التوالي).

ويبين الشكل 4 عينة من طيف دوبلر ووضع M من تشعب ICA إلى ACA وMCA. لاحظ المناطق المظللة باللونين الأحمر والأزرق المتداخلة في صورة وضع M التي تشير إلى MCA وACA على التوالي. لاحظ أيضا تماثل شكل الموجة الطيفية دوبلر عند مقارنة التدفق نحو محول (إيجابي) مع تدفق بعيدا عن محول (سلبي).

يظهر الشكل 6 عينة أطياف وصور وضع M من نقاط زمنية مختلفة في المناورة لالتقاط الأنفاس. ويبين الشكل 6A طيف TCD الأساسي ووضع M في بداية حبس الأنفاس. لاحظ متوسط السرعة 56 سم/ثانية. الشكل 6B يظهر طيف TCD و M-mode في نهاية حبس الأنفاس. لاحظ أن متوسط السرعة قد ارتفع الآن إلى 70 سم / ثانية. الشكل 6C يظهر طيف TCD ووضع M بعد نهاية حبس الأنفاس. لاحظ انخفاض السرعة إلى ما دون قيم خط الأساس، مع انخفاض المتوسط إلى 47 سم/ث. لاحظ أن ACA مرئية كتدفق بعيدا عن محول في أطياف دوبلر.

ويبين الشكل 7 التجربة الكاملة لالتقاط الأنفاس. لاحظ أن المغلف لا يزال مرتفعا لمدة 15 ثانية تقريبا بعد نهايات حبس الأنفاس ، ويقع إلى قيم أقل من تلك الموجودة في بداية حبس الأنفاس ل ~ 20 ثانية ، ثم يتعافى أخيرا إلى قيم خط الأساس. لاحظ أن ACA مرئية كتدفق بعيدا عن محول في الطيف دوبلر.

الشكل 6 والشكل 7 يظهران كثافة إشارة جيدة في الجزء MCA من طيف TCD (يمثل MCA بالسرعات الموجبة)؛ لاحظ كيف يتبع الخط الأبيض الذي يمثل المغلف طيف TCD بدقة كبيرة عندما يكون الطيف مشرقا. ويمكن تحسين أطياف الشكل 6 والشكل 7 عن طريق خفض عمق الرصد بمقدار 5-10 ملم بحيث لا يكون الجزء ACA من طيف TCD مرئيا (يمثل ACA بسرعات سالبة) وتغيير مقياس المحور الرأسي في طيف TCD ليدار من -100 سم/ثانية تقريبا إلى 100 سم/ثانية، مما يسمح بأخذ عينات السرعة القصوى من طيف TCD في الاتجاه الرأسي.

ويبين الشكل 8 أمثلة على أطياف ثنائية لتكيد الطبيعة وطرائق M مناسبة لوسائل الاتصال الثنائية. ويبين الشكل 8 ألف والشكل 8ب الأطياف الثنائية ووسائط M المقبولة، ولكن ليس الأمثل. لاحظ كيف أن الربح أعلى في الشكل 8A (يسار MCA) مما هو عليه في الشكل 8B (يمين MCA) للتعويض عن الإشارة الأضعف ، وكيف أن جودة المغلف في الشكل 8A أقل قليلا مما كانت عليه في الشكل 8B. لاحظ أيضا كيف أن السرعة القصوى في السستولي في الشكل 8A أقل قليلا مما كانت عليه في الشكل 8B. وعلى النقيض من ذلك، لاحظ كيف أن الأطياف في الشكل 8C والشكل 8D متشابهة جدا من حيث الإعدادات، بما في ذلك العمق والكسب والقوة وحجم العينة، وكيف أن الأشكال الموجية الطيفية على كلا الجانبين لها سرعات وأشكال قصوى مماثلة. لمعالجة هذا، فمن المستحسن أن الطيف من MCA اليسار توضع باستمرار في النافذة اليسرى والطيف من MCA الحق في النافذة اليمنى، وخاصة بالنسبة للتجارب التي تنطوي على إضفاء الطابع الجانبي على تدفق الدم.

Figure 6
الشكل 6: عينة أطياف دوبلر وصور M-mode من MCA خلال مراحل مختلفة من المناورة لالتقاط الأنفاس. خط أصفر عمودي في الوسط يدل على بداية لالتقاط الأنفاس. (ب) الطيف و M-وضع في نهاية لالتقاط الأنفاس. يشير الخط الأصفر العمودي في الوسط إلى نهاية حبس النفس عندما يستنشق الموضوع. (ج)الطيف و M-وضع بعد نهاية لالتقاط الأنفاس، مما يدل على انخفاض في سرعة التدفق التي لا تزال قائمة لمدة 30 ق تقريبا بعد حبس النفس. في جميع الأطياف، وعمق = 56 ملم، وكسب = 50، حجم العينة = 8 ملم، والطاقة = 420 كيلوواط / سم2،ومرشح = 100 هرتز. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 7
الشكل 7: الطيف و M-وضع من MCA في جميع أنحاء حبس النفس. العمق = 56 مم، كسب = 50، حجم العينة = 8 مم، الطاقة = 420 كيلوواط/سم2،والتصفية = 100 هرتز. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 8
الشكل 8: أمثلة على الأطياف الثنائية وصور وضع M من MCA. (أ) مقبولة، ولكن ليس الأمثل، الطيف و M-واسطة من MCA اليسار، مع عمق = 62 ملم، وكسب = 69، وحجم العينة = 12 ملم، والسلطة = 420 كيلوواط / سم2،ومرشح = 100 هرتز. (ب) الطيف الجيد و M-واسطة من MCA الحق، مع عمق = 62 ملم، وكسب = 56، حجم العينة = 12 مم، والطاقة = 420 كيلوواط/سم2،ومرشح = 100 هرتز. (C) الطيف الجيد و M-واسطة من MCA اليسار. (د) الطيف الجيد و M-واسطة من MCA الحق. لكل من (C) و (D)، العمق = 62 مم ، كسب = 56 ، حجم العينة = 12 ، الطاقة = 420 mW / cm2، والتصفية = 100 هرتز.  يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

عمر عمق الشريان الدماغي الأوسط (مم) 
0-3أشهر 25
3-12شهرا 30
1-3سنوات 35–45
3-6سنوات 40–45
6-10سنوات 45–50
10-18سنة 45–50
>18 سنةب 50

الجدول 1: أعماق MCA في مختلف الأعمار. المصادر: أ = بود25، ب = ألكسندروف وآخرون10

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

وتشمل الخطوات الحاسمة في البروتوكول 1) العثور على MCA، 2) وضع عصابة الرأس، و 3) أداء المناورة لالتقاط الأنفاس.

قد تكون التعديلات ضرورية اعتمادا على الموضوعات في الدراسة. على سبيل المثال، قد يواجه الأشخاص المصابون بمرض الزهايمر صعوبة في اتباع التعليمات، مما يستلزم استخدام كابناغراف لضمان الامتثال لتعليمات حبس النفس15. قد يواجه الأطفال الصغار صعوبة في اتباع التعليمات وقد يخجلون من المجرب؛ ومن ثم، قد يلزم تبسيط البروتوكولات التجريبية لمثل هذه الفئات السكانية (انظر Lohmann et al.2). قد تحتاج بعض الإعدادات على جهاز TCD أيضا إلى تغيير اعتمادا على السكان من الفائدة. على سبيل المثال، عند تسنيم الرضع، الذين لديهم عظام رقيقة الجمجمة، والحد من الطاقة قدر الإمكان، وخاصة إذا كان رصد TCD ستجري على مدى فترة تستمر عدة ساعات16.

غالبا ما يتمحور استكشاف الأخطاء وإصلاحها حول الصعوبات في العثور على إشارة طيفية جيدة ومستقرة ل TCD. على سبيل المثال ، بالنسبة للأشخاص الذين تزيد أعمارهم عن 50 عاما ، تصبح النافذة الصوتية الزمنية أصغر بشكل متزايد مع زيادة العمر بسبب زيادة مسامية عظم الجمجمة وتميل إلى التعريب إلى المنطقة قبل الأذن مباشرة ("الفضاء بين المجرات")12. في مثل هذه التجمعات السكانية، قد يكون العثور على إشارة طيفية MCA جيدة على جانبي الرأس في بعض الأحيان مستحيلا، وقد تتسبب التغيرات الطفيفة جدا في زاوية محول أو موضع الإشارة في فقدانها. ونظرا لأن الإشارة ذات النوعية الجيدة ضرورية للتجارب التي تعتمد على شكل المظروف الموجي للتحليل، ينبغي بذل كل جهد ممكن لزيادة كثافة الإشارة الطيفية والجودة في MCA. على سبيل المثال، يمكن تعديل الكسب لتحسين الإشارة، ويمكن زيادة حجم العينة للحصول على إشارة أقوى. وكملجأ أخير، قد تزداد الطاقة. وأخيرا ، من المهم ملاحظة أنه في حوالي 10 ٪ من المرضى ، قد تكون النافذة الصوتية الزمنية غائبة11،17. يمكن العثور على النافذة الصوتية الزمنية بسهولة عند الرضع والأطفال الصغار وأصعب في العثور عليها لدى البالغين فوق سن الخمسين.

وتشمل القيود المفروضة على هذا النظام الحصول على معلومات عن ال CBFV في موقع مكاني واحد17 بدلا من مجال رؤية واسع، وإن كان بدقة زمنية عالية جدا. وهكذا، fTCD هو تكملة لmMRI، الذي يعطي المعلومات الديناميكية الدماغية (وبالتالي النشاط العصبي) مع مجال واسع من الرؤية في قرار زمني منخفض18،19. في الواقع، fTCD لديه قرار زمني مماثل لتلك التي fNIRS20،مع الفرق المهم أن fTCD يقيس التغيرات الديناميكية الدموية على مستوى الشرايين الدماغية الرئيسية، في حين يقيس fNIRS التغيرات في القشرة. لذلك ، يمكن أن يملأ fTCD تفاصيل مهمة حول التغيرات الديناميكية الدماغية استجابة للتنشيط العصبي ، والتي لا توجد طريقة تصوير عصبي أخرى قادرة حاليا على قياسها.

وتشمل التطبيقات المحتملة لتكد رصد لتشكيل الانسداد الدماغي أثناء جراحة القلب16 ورصد للكشف عن نتائج العلاج المنشطplasminogen الأنسجة لالسكتة الدماغية21. وتشمل التطبيقات المحتملة لfTCD أي سؤال بحثي ينطوي على الاستجابة العصبية للمحفزات الداخلية أو الخارجية، مثل دراسة المعالجة الجانبية للغة في الدماغ البشري2،3،4، سوماتوسينزوري "اللمس" التحفيز5، أو إضفاء الطابع الجانبي على المعالجة البصرية6. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام fTCD لدراسة الفسيولوجية (مع أو بدون تغيرات النشاط العصبي) الاستجابات للمحفزات مثلممارسة 22 وحبس النفس13،15،23. وأخيرا ، فإن انخفاض تكلفة وقابلية النقل ، وبساطة fTCD جعل التصوير من أعداد كبيرة من المواضيع العملية ، وهي ميزة على التصوير بالرنين المغناطيسي وغيرها من طرائق التصوير العصبي مثل PET ، على سبيل المثال ، عند فحص لمرض الزهايمر قبلالسريرية 15.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ولا يعلن صاحبا البلاغ عن وجود تضارب في المصالح.

Acknowledgments

ويستند هذا المشروع إلى البحوث التي تم دعمها جزئيا من قبل محطة التجارب الزراعية نبراسكا بتمويل من قانون هاتش (رقم الانضمام 0223605) من خلال المعهد الوطني للأغذية والزراعة وزارة الزراعة الأميركية.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Aquasonic Parker Laboratories, Inc., Fairfield, NJ, USA 01-50 Ultrasound Gel
Doppler Box X DWL Compumedics Gmbh, Singen, Germany Model "BoxX" Transcranial Doppler with 2-MHz monitoring probes
Kimwipes Kimberly-Clark Professional 34256 Delicate Task Wipers
Transeptic  Parker Laboratories, Inc., Fairfield, NJ, USA 09-25 Cleaning Spray

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Buxton, R. B. The physics of functional magnetic resonance imaging (fMRI). Reports on Progress in Physics. 76 (9), 096601 (2013).
  2. Lohmann, H., Dräger, B., Müller-Ehrenberg, S., Deppe, M., Knecht, S. Language lateralization in young children assessed by functional transcranial Doppler sonography. NeuroImage. 24 (3), 780-790 (2005).
  3. Knecht, S., et al. Noninvasive determination of language lateralization by functional transcranial Doppler sonography: a comparison with the Wada test. Stroke. 29 (1), 82-86 (1998).
  4. Knecht, S., et al. Successive activation of both cerebral hemispheres during cued word generation. Neuroreport. 7 (3), 820-824 (1996).
  5. Hage, B., Way, E., Barlow, S. M., Bashford, G. R. Real-time cerebral hemodynamic response to tactile somatosensory stimulation. Journal of Neuroimaging. 28 (6), 615-620 (2018).
  6. Hage, B., et al. Functional transcranial Doppler ultrasound for measurement of hemispheric lateralization during visual memory and visual search cognitive tasks. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 63 (12), 2001-2007 (2016).
  7. Meyer, G. F., Spray, A., Fairlie, J. E., Uomini, N. T. Inferring common cognitive mechanisms from brain blood-flow lateralization data: a new methodology for fTCD analysis. Frontiers in Psychology. 5, 552 (2014).
  8. Uomini, N. T., Meyer, G. F. Shared brain lateralization patterns in language and Acheulean stone tool production: a functional transcranial Doppler ultrasound study. PLoS ONE. 8 (8), 72693 (2013).
  9. Edvinsson, L., MacKenzie, E. T., McCulloch, J. Cerebral Blood Flow and Metabolism. , Raven Press, Ltd. New York, NY. (1993).
  10. Alexandrov, A. V., et al. Practice standards for transcranial Doppler ultrasound: part I--test performance. Journal of Neuroimaging. 17 (1), 11-18 (2007).
  11. Fujioka, K. A., Douville, C. M. Anatomy and freehand examination techniques. Transcranial Doppler. Newell, D. W., Aaslid, R. , Raven Press, Ltd. New York, NY. (1992).
  12. Alexandrov, A. V. Transcranial Doppler physics and techniques, lecture notes. American Society of Neuroimaging Conference. , deliverd 5 March (2020).
  13. Alwatban, M., Truemper, E. J., Al-rethaia, A., Murman, D. L., Bashford, G. R. The breath-hold acceleration index: a new method to evaluate cerebrovascular reactivity using transcranial Doppler. Journal of Neuroimaging. 28 (4), 429-435 (2018).
  14. Tiecks, F. P., et al. Effects of the Valsalva maneuver on cerebral circulation in healthy adults: a transcranial Doppler study. Stroke. 26 (8), 1386-1392 (1995).
  15. Alwatban, M., Murman, D. L., Bashford, G. Cerebrovascular reactivity impairment in preclinical Alzheimer's disease. Journal of Neuroimaging. 29 (4), 493-498 (2019).
  16. Twedt, M. H., et al. Most high-intensity transient signals are not associated with specific surgical maneuvers. World Journal for Pediatric and Congenital Heart Surgery. 11 (4), 401-408 (2020).
  17. Moehring, M. A., Spencer, M. P. Power M-mode Doppler (PMD) for observing cerebral blood flow and tracking emboli. Ultrasound in Medicine & Biology. 28 (1), 49-57 (2002).
  18. Poldrack, R. A. The future of fMRI in cognitive neuroscience. NeuroImage. 62 (2), 1216-1220 (2012).
  19. Oh, H., Custead, R., Wang, Y., Barlow, S. Neural encoding of saltatory pneumotactile velocity in human glabrous hand. PLoS ONE. 12 (8), 0183532 (2017).
  20. Rosner, A. O., Barlow, S. M. Hemodynamic changes in cortical sensorimotor systems following hand and orofacial motor tasks and pulsed pneumotactile stimulation. Somatosensory & Motor Research. 33 (3-4), 145-155 (2016).
  21. Alexandrov, A. V., et al. High rate of complete recanalization and dramatic clinical recovery during tPA infusion when continuously monitored with 2-MHz transcranial doppler monitoring. Stroke. 31 (3), 610-614 (2000).
  22. Watt, B. P., Burnfield, J. M., Truemper, E. J., Buster, T. W., Bashford, G. R. Monitoring cerebral hemodynamics with transcranial Doppler ultrasound during cognitive and exercise testing in adults following unilateral stroke. 2012 IEEE Engineering in Medicine and Biology Society Annual Conference Proceedings. , San Diego, CA. 2310-2313 (2012).
  23. Markus, H. S., Harrison, M. J. Estimation of cerebrovascular reactivity using transcranial Doppler, including the use of breath-holding as the vasodilatory stimulus. Stroke. 23 (5), 668-673 (1992).
  24. File:Circle of Willis en.svg. . Wikimedia Commons, the free media repository. , Available from: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Circle_of_Willis_en.svg (2020).
  25. Bode, H. Pediatric Applications of Transcranial Doppler Sonography. , Springer-Verlag. Wien. (1988).

Tags

الهندسة الحيوية، العدد 169، دوبلر عبر الجمجمة الوظيفية، fTCD، دوبلر عبر الجمجمة، TCD، مؤشر حبس الأنفاس، BHI، مؤشر تسارع عقد التنفس، BHAI
وظيفية عبر الجمجمة دوبلر الموجات فوق الصوتية لرصد تدفق الدم الدماغي
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hage, B. D., Truemper, E. J.,… More

Hage, B. D., Truemper, E. J., Bashford, G. R. Functional Transcranial Doppler Ultrasound for Monitoring Cerebral Blood Flow. J. Vis. Exp. (169), e62048, doi:10.3791/62048 (2021).

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