Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

אולטרסאונד דופלר חוצה תותח פונקציונלי לניטור זרימת הדם במוח

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

אולטרסאונד דופלר תפקודי חוצה cranial משלים שיטות הדמיה פונקציונליות אחרות, עם מדידת רזולוציה זמנית גבוהה של שינויים המושרים גירוי בזרימת הדם במוח בתוך העורקים המוחיים הבזליים. נייר שיטות זה נותן הוראות שלב אחר שלב לשימוש אולטרסאונד דופלר transcranial פונקציונלי לבצע ניסוי הדמיה פונקציונלית.

Abstract

אולטרסאונד דופלר תוחם תפקודי (fTCD) הוא שימוש באולטרסאונד דופלר טרנס-קדנציאלי (TCD) כדי לחקור הפעלה עצבית המתרחשת במהלך גירויים כגון תנועה פיזית, הפעלת חיישני מישוש בעור וצפייה בתמונות. הפעלה עצבית נובעת מעלייה במהירות זרימת הדם המוחית (CBFV) המספקת את אזור המוח המעורב בעיבוד קלט חושי. לדוגמה, צפייה באור בהיר גורמת לפעילות עצבית מוגברת באונה העורפית של קליפת המוח, מה שמוביל לזרימת דם מוגברת בעורק המוחי האחורי, המספק את האונה העורפית. ב- fTCD, שינויים ב- CBFV משמשים להערכת שינויים בזרימת הדם במוח (CBF).

עם מדידת רזולוציית הזמן הגבוהה של מהירויות זרימת הדם בעורקים המוחיים העיקריים, fTCD משלים טכניקות הדמיה פונקציונליות אחרות שנקבעו. מטרת נייר שיטות זה היא לתת הוראות שלב אחר שלב לשימוש ב- fTCD לביצוע ניסוי הדמיה פונקציונלי. ראשית, השלבים הבסיסיים לזיהוי העורק המוחי האמצעי (MCA) ואופטימיזציה של האות יתוארו. לאחר מכן, מיקום של מכשיר קיבעון להחזקת גשושית TCD במקום במהלך הניסוי יתואר. לבסוף, הניסוי עוצר הנשימה, שהוא דוגמה ספציפית לניסוי הדמיה פונקציונלי באמצעות fTCD, יודגם.

Introduction

במחקר מדעי המוח, לעתים קרובות רצוי לעקוב אחר פעילות המוח בזמן אמת באופן לא פולשני במגוון סביבות. עם זאת, שיטות דימות עצבי פונקציונלי קונבנציונאלי יש מגבלות הפוגעות ביכולת ללכוד שינויים מקומיים ו / או פעילות מהירה. הרזולוציה הזמנית האמיתית (הלא עצבנית, הלא רטרוספקטיבית) של הדמיית תהודה מגנטית תפקודית (fMRI) היא כרגע בסדר גודל של כמה שניות1, אשר לא יכול ללכוד שינויים המודינמיים חולפים הקשורים להפעלה עצבית חולפת. בדוגמה אחרת, למרות ספקטרוסקופיה כמעט אינפרא אדום פונקציונלי (fNIRS) יש רזולוציה זמנית גבוהה (אלפיות השנייה) ורזולוציה מרחבית סבירה, זה יכול רק לחקור שינויים המודינמיים בתוך קליפת המוח ולא יכול לספק מידע על שינויים המתרחשים בעורקים הגדולים יותר המספקים את המוח.

לעומת זאת, fTCD – המסווגים כמודל מדמות מוחית – מתייחס לממדי הזמן והמרחב, ולא לשני כיוונים מרחביים אורתוגונליים המוכרים יותר ב"תמונה". fTCD מספק מידע משלים לאופנים אחרים של דימות מוחי על ידי מדידת רזולוציה טמפלית גבוהה (בדרך כלל 10 אלפיות השנייה) שינויים המודינמיים במיקומים מדויקים בתוך כלי הדם של מחזור המוחי הבזלי. כמו עם שיטות דימות מוחי אחרות, fTCD עשוי לשמש עבור מגוון ניסויים כגון לימוד לרוחב של הפעלה מוחית במהלך משימות הקשורות לשפה2,3,4, לימודהפעלהעצבית בתגובה לגירויים סומטוסנסוריים שונים5, ובחינת הפעלה עצבית בגירויים קוגניטיביים שונים כגון משימות חזותיות6, משימות מנטליות7, ואפילו ייצור כלים8.

למרות fTCD מציע מספר יתרונות לשימוש בהדמיה פונקציונלית, כולל עלות נמוכה של ציוד, ניידות, ובטיחות משופרת (בהשוואה ל- Wada test3 או טומוגרפיה פליטת פוזיטרונים [PET]), פעולה של מכונת TCD דורשת מיומנויות המתקבלות בפועל. חלק מהמיומנויות האלה, אשר חייב להילמד על ידי מפעיל TCD, כוללים את היכולת לזהות עורקים מוחיים שונים ואת הכישורים המוטוריים הדרושים כדי לתפעל במדויק את הבדיקה אולטרסאונד במהלך החיפוש אחר העורק הרלוונטי. המטרה של נייר שיטות זה היא להציג טכניקה לשימוש fTCD כדי לבצע ניסוי הדמיה פונקציונלית. ראשית, השלבים הבסיסיים לזיהוי ואופטימיזציה של האות מה- MCA, אשר מחדיר 80% מחצי המוח9, יפורטו. לאחר מכן, מיקום של מכשיר קיבעון להחזקת גשושית TCD במקום במהלך הניסוי יתואר. לבסוף, הניסוי עוצר הנשימה, המהווה דוגמה אחת לניסוי הדמיה פונקציונלי באמצעות fTCD, יתואר, ותוצאות מייצגות יוצגו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כל מחקרי הנושא האנושי בוצעו בהתאם לוועדת הביקורת המוסדית של אוניברסיטת נברסקה-לינקולן, והושגו הסכמה מדעת מכל הנושאים.

1. איתור אות MCA על ידי TCD ביד חופשית

הערה: "Freehand" TCD מתייחס לפעולה של TCD עם מתמר כף יד כדי למצוא אות CBFV לפני תחילת ניסוי fTCD.

  1. הגדרת פרמטרי TCD
    1. שמור על ההספק בשווי גבוה למדי (לדוגמה, 400 mW) במהלך החיפוש הראשוני אחר MCA. לאחר אות ה- MCA ממוקם, הפחית את העוצמה ככל האפשר תוך שמירה על אות "טוב" (ראה שלב 2.2.7).
      הערה: שימוש בכוח גבוה למדי במהלך החיפוש הראשוני אינו מפר את עקרון "נמוך כמו בר השגה סביר" (ALARA) של חשיפה לקרינה אקוסטית מכיוון שכוח עליון יאפשר לתגלה אות MCA מהר יותר10.
    2. הגדר את נפח המדגם ל 8-12 מ"מ במהלך החיפוש הראשוני אחר אות MCA. אם האות קשה למצוא, להגדיל את גודל השער כדי להגדיל את עוצמת האות, אבל שים לב כי זה עשוי לשלב את האות מעורק סמוך אחד או יותר לתוך האות מן MCA.
    3. הגדר את הרווח ברמה בינונית, במטרה "לשמור על רעשי רקע במינימום, אך נוכח"10.
    4. הגדר את ניתוק המסנן בעל המעבר הגבוה (המכונה בדרך כלל "סף") ל- 50-150 הרץ.
    5. אם הנבדק הוא מבוגר, הגדר את העומק ל-50 מ"מ, שהוא עומק נקודת האמצע הממוצע של מקטע M1 של MCA10 (איור 1).
      הערה: הגדרה זו תידון ביתר פירוט בשלבים הבאים. הגדרות עומק לילדים ניתנות בטבלה 1.

Figure 1
איור 1: ייצוג מעגל ויליס והעורקים העיקריים של מערכת הדם המוחית. ההנפקה של ICA לתוך ACA ו- MCA מסומן בעיגול שחור. המקטע M1 של MCA מוצג. נתון זה שונהמ- 24. קיצורים: ACA = עורק מוחי חיצוני; ביף. = ביפורציה; ICA = עורק עורקים פנימי; MCA = עורק מוחי אמצעי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

  1. איתור חלון הזמן
    הערה: החלון הזמני, המכונה גם החלון האקוסטי הטרנס-טמפורי, הוא חלק מהגולגולת שבה העצם דקה ביותר11, ובכך מאפשרת העברת אנרגיית אולטרסאונד בתדר נמוך דרך הגולגולת (איור 2).
    1. לתינוקות ולילדים קטנים, אתר את החלון הזמני ממש מול האוזן ("החלל הבין-מטריאלי") ומעל הקצה הרוסטריאלי של הקשת הזיגומטית, אשר ניתן להרגיש בקלות מתחת לעור.
    2. עבור בני נוער וצעירים, אתר את החלון הזמני דרך כל אחד מהתת-לווינדים.
      הערה: תת-הרוח האחורית מספקת בדרך כלל את האות הטוב ביותר(איור 2).
    3. למבוגרים בני 30 ומעלה, אתר את חלון הזמן ממש מול האוזן.
      הערה: החלון האקוסטי יורד בגודלו ככל שאנשים מזדקנים עקב נקבוביות גוברת של עצם הגולגולת, מה שגורם לכמה אנשים מבוגרים להיות חלון זמן מוגבל מאוד12. אצל אנשים כאלה, אינסונציה דו-צדדית של MCA היא לפעמים בלתי אפשרית.

Figure 2
איור 2: החלון הטרנס-ת-קרקעי (מסומן באליפסה המקווקות), קשת זיגומטית (חץ) ותת-11. (א)תת-רוח קדמית. (B)תת-רוח קדמית. (ג)תת-רוח אמצעית. (D)תת-רוח אחורית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

  1. החלת המתמר
    1. החל מספיק ג'ל אולטרסאונד כדי לכסות את פני השטח של המתמר.
      הערה: כאשר הוא ממוקם על הראש, הג'ל אמור לכסות מספיק מקום כדי לשמור על חותם בין הקרקפת לפני השטח של הגשושית דופלר, ובכך למנוע הפרעת אות מצימוד אוויר מתחת לפני השטח של הגשושית.
    2. להתריע על הנושא כי הג'ל עלול להרגיש קר (אם בטמפרטורת החדר).
    3. הנח את המתמר על חלון הזמן, שהיה ממוקם בסעיף 1.2.
  2. מחפש את ה- MCA
    1. לאחר הנחת המתמר על הקרקפת, חפש את אות ה- MCA, אשר בדרך כלל ימוקם מעט קדמי (קדימה) ו rostral (לכיוון הראש) ממיקום קרקפת המתמרהראשונית 10.
    2. אם האות הספקטרלי TCD אינו ברור מיד, להתאים את זווית המתמר תוך שמירה על אותו באותו מיקום יחסית לקרקפת. כוון לאט את הגשוש מהרוסטריאל לקדמת ים (לכיוון הרגליים) ואחוריו עד הקדמי.
      הערה: איור 3 מציג שתי ספקטרום שנלקחו מאותו מיקום, אך בזוויות שונות.
    3. אם אות עדיין נעדר לאחר ביצוע שלב 1.4.2, בדוק את תצוגת מצב M הצבע לזרימה ב- MCA בעומקים שונים (המצוין על-ידי צביעה אדומה). הצטברות או ירידה בעומק האות בשלבי 5 מ"מ וחיפוש כמתואר בשלב 1.4.2. אם הזרימה גלויה במצב M אך לא בספקטרום דופלר, הגדל או הקטן את העומק עד שאות הזרימה יהיה גלוי בספקטרום דופלר.
    4. אם עדיין לא מתקבל אות משביע רצון, העבר את המתמר למיקום סמוך על הקרקפת, שהוא מעט יותר קהיל, וחזר על שלבים 1.4.1–1.4.3.
    5. כאשר מתקבל אות MCA אופטימלי, שים לב לעומק והמהירות המרבית.
    6. באמצעות עט איפור רחואה, הניחו סימן על הקרקפת (חלק מעקב של קצה המתמר) שבו נמצא האות האופטימלי.

Figure 3
איור 3: דגימת ספקטרום דופלר ותמונות במצב M מנקודת האמצע של מקטע M1 של ספקטרום MCA. (A)ספקטרום נלקח מיד לאחר החלת מתמר על החלון הזמני, ממש מול האוזן. (B)ספקטרום דופלר לדוגמה באותו מיקום ועומק כמו (A). השינוי היחיד הוא כי המתמר כבר בזווית כלפי מעלה (מעולה) מעט. הן (A) והן (B), עומק = 50 מ"מ, רווח = 50, נפח מדגם = 12 מ"מ, הספק = 420 mW / ס"מ2,ומסנן = 100 הרץ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

  1. מחפש את ההפרה
    הערה: מציאת bifurcation של העורק הראשי הפנימי (ICA) חשוב כדי לעזור לאשר כי MCA הוא העורק להיות במעקב. שלב זה צריך להתבצע משני הצדדים אם יבוצע ניטור דו-צדדי, שכן ייתכן שההפרה לא תהיה באותו עומק משני הצדדים.
    1. הגדל את העומק עד לאות מההתכת-ה-ICA ל-MCA ול-ACA (איור 4),בדרך כלל בעומק של 51-65 מ"מ10.
    2. חפש את האות הספקטרלי האופטימלי של bifurcation באמצעות ההליך המתואר בשלב 1.4.2. תמיד לשאוף לאות ספקטרלי במהירות הגבוהה ביותר האפשרי10.
    3. כאשר מתקבל אות ביפורציה אופטימלי, שים לב לעומק ההפרה.
    4. לניטור דו-צדדי, חזור על סעיפים 1.1-1.4 ועל שלבים 1.5.1–1.5.3 בצד השני של הראש.

Figure 4
איור 4: תמונת דופלר ספקטרלית (למעלה) ומצב M (למטה) של ביפורציה של ה-ICA לתוך ה-MCA וה-ACA. עומק = 65 מ"מ, רווח = 50, נפח דגימה = 12 מ"מ, הספק = 420 mW / cm2, ומסנן = 100 הרץ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

2. העברת ה- MCA לאחר הצבת מכשיר קיבעון

הערה: עבור ניסויים fTCD, יש צורך לפקח CBFV במשך 10-90 דקות או יותר. לכן, מכשיר קיבעון (איור 5) חיוני כדי לספק יציבות.

  1. מיקום התקן הקיבעון
    1. על-ידי בדיקה חזותית, התאם את התקן הקיבעון (איור 5) לגודל הראש המשוער של הנושא.
    2. התראה לנושא לפני הנחת האוזניות על ראשו. הנח את האוזניות על ראשו של הנושא.
      הערה: אם לנושא יש שיער ארוך או עבה, ייתכן שיהיה צורך לקשור את השיער של הנושא בחזרה, בהתאם למכשיר הקיבעון בשימוש.
    3. התאם את התאמת התקן הקיבעון ושאל את הנושא אם ההתקן הדוק מדי.
      הערה: המכשיר צריך להיות הדוק מספיק, כי זה לא זז כאשר נתקל מעט, אבל רופף מספיק כי הנושא אינו לא נוח.

Figure 5
איור 5: נושא לובש מכשיר קיבעון מותאם אישית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

  1. איתור אות ה- MCA
    1. שחררו את המנגנון של מכשיר הקיבוע שמחזיק את המתמר במקומו (למשל, שחררו את המנגנון, המוצג באיור 5, על ידי סיבוב ידית נגד כיוון השעון) כדי שהמתמר יוכל לנוע בחופשיות.
    2. להתריע על הנושא לפני החלת ג'ל על מתמרים (אשר כבר צריך להיות במקום מסעיף 2.1), וכי הג'ל עשוי להיות קר (אם הוא מאוחסן בטמפרטורת החדר).
    3. החל מספיק ג'ל אולטרסאונד על המתמר כדי לכסות את הפנים של המתמר.
    4. התאם את התקן הקיבעון כך שהמתמר ימוקם מעל החלק העליון של הסימן שנעשה בשלב 1.4.6.
    5. חפש את האות הספקטרלי האופטימלי של MCA באמצעות ההליך המתואר בשלבים 1.4.1–1.4.3. תמיד לשאוף לאות ספקטרלי במהירות הגבוהה ביותר האפשרי10.
      הערה: בהשוואה ל- TCD ביד חופשית, העומק האופטימלי שבו ממוקם ה- MCA באמצעות התקן הקיבעון עשוי להיות שונה במקצת (לכל היותר 1-2 מ"מ) מהעומק של המכשיר החופשי. הסיבה לכך היא שמכשיר הקיבעון עשוי להחזיק את המתמר מעט רחוק יותר מהקרקפת תוך שמירה על חותם ג'ל צימוד.
    6. כאשר האות הספקטרלי האופטימלי MCA נמצא, הדק את המנגנון של התקן הקיבעון כדי לנעול את המתמר במקום. שים לב לעומק ולכל ההגדרות האחרות.
    7. להקטין את הכוח (ראה שלב 1.1.1) ככל האפשר תוך שמירה על מעטפה ספקטרלית העוקבת אחר המהירות המקסימלית במדויק.
    8. לניטור דו-צדדי, חזור על שלבים 2.2.1–2.2.7 בצד השני.

3. ביצוע תמרון עוצר נשימה

הערה: סעיף זה ניתן כדוגמה לניסוי פונקציונלי שניתן לבצע באמצעות ההתקנה הניסיונית המתוארת בסעיף 1 ובסעיף 2.

  1. בצע את כל השלבים המתוארים בסעיף 1 ובסעיף 2.
  2. התחל להקליט בתוכנת TCD.
  3. לנשום כרגיל במשך 3 דקות כדי להשיג הקלטה בסיסית טובה, ולאפשר CBFV להתייצב מכל ניסויים קודמים או גירויים.
  4. תספור לאט משלוש. בספירה של אחד, בקש מהנושא להתחיל לנשום בעקבות השראה רגילה13.
    הערה: הנושא לא צריך לשאוף עמוק, כמו זה היה להקטין פחמן דו חמצני בריאות ולהקטין את הסבירות של התבוננות בעלייה CBFV עקב תגובתיות מוחית. הנושא צריך גם להימנע מביצוע תמרון Valsalva, שבו לחץ תוך-אתורי מוגבר באופן משמעותי נגד השראה מוחזקת14.
  5. מקם סמן בהקלטת TCD כדי לסמן את תחילת עוצר הנשימה.
  6. יש את הנושא לעצור את נשימתם במשך 30 s, או עד שהם כבר לא נוח לעצור את נשימתם.
  7. כאשר הנושא שואף, מניח סמן בהקלטת TCD כדי לסמן את סוף עוצר הנשימה.
  8. המשך לעקוב אחר CBFV באמצעות TCD והקלטה במשך 30 s לפחות לאחר סיום הנשימה כדי להבטיח כי CBFV חוזר לערכים בסיסיים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 3 מציג ספקטרום דופלר לדוגמה ומצבי M צבעוניים מנקודת האמצע של מקטע M1 של ה- MCA. איור 3A,B נלקחו באותה תנוחה על הקרקפת, אך בזוויות שונות. שימו לב כיצד שינוי קטן מאוד בזווית, מבלי לשנות את מיקום המגע בקרקפת, יכול לשפר מאוד את עוצמת האות דופלר, כפי שמוצג על ידי הצבע הצהוב בעוצמה גבוהה יותר של הספקטרוגרמה באיור 3B. שים לב גם שמצב M באיור 3B מציג שני עורקים (כחול ואדום, המתאימים ל-ACA ול-MCA, בהתאמה).

איור 4 מציג ספקטרום דופלר לדוגמה ומצב M מההתהפכות של ה- ICA ל- ACA ו- MCA. שים לב לאזורים החופפים בגווני אדום וכחול בתמונה במצב M המציינת את ה- MCA וה- ACA, בהתאמה. כמו כן, שים לב לסימטריה של צורת הגל הספקטרלית דופלר בעת השוואת הזרימה לכיוון המתמר (החיובי) עם זרימה הרחק מהמתמר (שלילי).

איור 6 מציג תמונות מדגמיות של ספקטרום ומצב M מנקודות זמן שונות בתמרון עוצר הנשימה. איור 6A מציג את ספקטרום ה-TCD הבסיסי ומצב M בתחילת הנשימה. שימו לב למהירות הממוצעת של 56 ס"מ לשנייה. איור 6B מציג את ספקטרום ה-TCD ומצב M בסוף עוצר הנשימה. שימו לב שהמהירות הממוצעת גדלה כעת ל-70 ס"מ לשנייה. איור 6C מציג את ספקטרום ה-TCD ואת מצב ה-M לאחר סיום הנשימה. שים לב לחבטה התחתונה במהירות מתחת לערכי הבסיס, כאשר הממוצע יורד ל- 47 ס"מ לשנייה. שים לב כי ACA גלוי כמו זרימה מן המתמר בספקטרום דופלר.

איור 7 מראה את כל הניסוי עוצר הנשימה. שימו לב כי המעטפה נשארת מוגבהת במשך כ-15 ש' לאחר סיום עוצר נשימה, נופלת לערכים נמוכים מאלה שבתחילת הנשימה עוצרת במשך כ-20 ש', ולבסוף מתאוששת לערכי הבסיס. שים לב כי ACA גלוי כזרימה הרחק המתמר בספקטרום דופלר.

איור 6 ואיור 7 מציגים עוצמת אות טובה בחלק ה-MCA של ספקטרום ה-TCD (ה-MCA מיוצג על-ידי המהירויות החיוביות); שים לב כיצד הקו הלבן המייצג את המעטפה עוקב אחר ספקטרום ה- TCD בצורה מדויקת מאוד כאשר הספקטרום בהיר. ניתן לשפר את הספקטרום של איור 6 ואיור 7 על ידי הפחתת עומק הניטור ב-5-10 מ"מ כך שחלק ה-ACA בספקטרום ה-TCD לא יהיה גלוי (ה-ACA מיוצג במהירויות שליליות) ועל ידי שינוי קנה המידה של הציר האנכי בספקטרום ה-TCD כך שיפעל מכ-100 ס"מ לשנייה ל-100 ס"מ לשנייה, מה שיאפשר דגימת מהירות מרבית של ספקטרום ה-TCD בכיוון האנכי.

איור 8 מציג דוגמאות לספקטרום TCD דו-צדדי ומצבי M המתאימים ל-fTCD דו-צדדי. איור 8A ואיור 8B מדגימים ספקטרום דו-צדדי מקובל, אך לא אופטימלי, ומצבי M. שימו לב כיצד הרווח באיור 8A (MCA שמאלי) מאשר באיור 8B (MCA מימין) כדי לפצות על האות החלש יותר, וכיצד איכות המעטפה באיור 8A מעט גרועה יותר מאשר באיור 8B. שימו לב גם כיצד המהירות המרבית בסיסטולס באיור 8A נמוכה במעט מאשר באיור 8B. לעומת זאת, שימו לב כיצד שתי הספקטרום באיור 8C ובאיור 8D דומות מאוד מבחינת ההגדרות, כולל עומק, רווח, כוח ונפח דגימה, וכיצד לצורות הגל הספקטרליות משני הצדדים יש מהירויות וצורות מרביות דומות. כדי לטפל בכך, מומלץ כי הספקטרום מן MCA השמאלי להיות ממוקם בעקביות בחלון השמאלי ואת הספקטרום מן MCA הימני בחלון הימני, במיוחד עבור ניסויים מעורבים לרוחב של זרימת הדם.

Figure 6
איור 6: דגימת ספקטרום דופלר ותמונות במצב M-mode מה-MCA בשלבים שונים של תמרון הנשימה. קו צהוב אנכי במרכז מציין את תחילת עוצר הנשימה. (B)ספקטרום ומצב M בסוף עוצר נשימה. קו צהוב אנכי במרכז מציין את סוף עוצר הנשימה כאשר הנושא שואף. (C)ספקטרום ומצב M לאחר סיום הנשימה, מראה את הירידה במהירות הזרימה הנמשכת כ -30 s לאחר נשימה. בכל הספקטרום, העומק = 56 מ"מ, רווח = 50, נפח דגימה = 8 מ"מ, הספק = 420 mW / ס"מ2, ומסנן = 100 הרץ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 7
איור 7: ספקטרום ומצב M מה-MCA לאורך כל הנשימה. עומק = 56 מ"מ, רווח = 50, נפח דגימה = 8 מ"מ, הספק = 420 mW / cm2, ומסנן = 100 הרץ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 8
איור 8: דוגמאות לספקטרום דו-צדדי ותמונות במצב M מ- MCA. (A)מקובלות, אך לא אופטימליות, ספקטרום ומצב M של MCA השמאלי, עם עומק = 62 מ"מ, רווח = 69, נפח דגימה = 12 מ"מ, הספק = 420 mW / cm2, ומסנן = 100 הרץ. (B) ספקטרום טוב ומצב M של MCA ימני, עם עומק = 62 מ"מ, רווח = 56, נפח דגימה = 12 מ"מ, הספק = 420 mW / ס"מ2, ומסנן = 100 הרץ. (C) ספקטרום טוב ומצב M של MCA השמאלי. (D)ספקטרום טוב ומצב M של MCA הנכון. עבור שניהם (C) ו - (D), עומק = 62 מ"מ, רווח = 56, נפח מדגם = 12, כוח = 420 mW / cm2, ומסנן = 100 הרץ.  אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

גיל עומק עורק המוח האמצעי (מ"מ) 
0-3 חודשיםa 25
3-12 חודשיםא 30
1-3 שניםa 35–45
3-6 שניםa 40–45
6-10 שניםa 45–50
10-18 שניםa 45–50
>18 שניםb 50

טבלה 1: עומק MCA בגילאים שונים. מקורות: a = בודה25, b = אלכסנדרוב ואח '10

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

צעדים קריטיים בפרוטוקול כוללים 1) מציאת MCA, 2) הצבת סרט הראש, ו -3) ביצוע תמרון עוצר נשימה.

שינויים עשויים להיות נחוצים בהתאם לנושאים במחקר. לדוגמה, נבדקים עם מחלת אלצהיימר עשויים להתקשות לעקוב אחר ההוראות, המחייבות שימוש בקנוגרף כדי להבטיח עמידה בהוראות עוצרותנשימה 15. ילדים צעירים עשויים להתקשות לעקוב אחר ההוראות ועשויים להיות ביישנים מהנסיין; לפיכך, ייתכן שיהיה צורך לפשט את הפרוטוקולים הניסיוניים עבור אוכלוסייה כזו (ראה לוהמן ואח '2). ייתכן שיהיה צורך לשנות הגדרות מסוימות במחשב TCD בהתאם לאוכלוסיית העניין. לדוגמה, כאשר כניסת תינוקות, שיש להם עצמות גולגולת דקות, להפחית את הכוח ככל האפשר, במיוחד אם ניטור TCD יתקיים על פני תקופה שנמשכת כמה שעות16.

פתרון בעיות מתרכז לעתים קרובות סביב קשיים במציאת אות ספקטרלי TCD טוב ויציב. לדוגמה, עבור אנשים מעל גיל 50, החלון האקוסטי הזמני הופך קטן יותר ויותר ככל שהגיל עולה עקב נקבוביות מוגברת של עצם הגולגולת ונוטה למקם לאזור ממש לפני האוזן ("החלל הבין-מטרי")12. באוכלוסייה כזו, מציאת אות ספקטרלי MCA טוב משני צידי הראש עשוי לפעמים להיות בלתי אפשרי, ושינויים קלים מאוד בזווית מתמר או מיקום עלול לגרום לאות ללכת לאיבוד. מכיוון שאות באיכות טובה חיוני לניסויים התלויים בצורת גל המעטפה לניתוח, יש לעשות כל מאמץ כדי להגביר את עוצמת האות הספקטרלי של MCA ואת איכותו. לדוגמה, ניתן לכוונן את הרווח כדי למטב את האות, וניתן להגדיל את נפח הדגימה כדי לקבל אות חזק יותר. כמוצא אחרון, הכוח עשוי להיות מוגבר. לבסוף, חשוב לציין כי בכ -10% מהחולים, החלון האקוסטי הזמני עשוי להיעדר11,17. החלון האקוסטי הזמני ניתן למצוא בקלות תינוקות וילדים קטנים וקשה למצוא אותו אצל מבוגרים מעל גיל 50.

מגבלות של fTCD כוללות רכישת מידע CBFV במיקום מרחבי אחד17 ולא שדה ראייה רחב, אם כי ברזולוציה זמנית גבוהה מאוד. לכן, fTCD הוא השלמה fMRI, אשר נותן מידע המודינמי מוחי (ומכאן פעילות עצבית) עם שדה ראייה רחב ברזולוציה זמנית נמוכה18,19. ואכן, fTCD יש רזולוציה זמנית דומה לזו של fNIRS20, עם ההבדל החשוב כי fTCD מודד שינויים המודינמיים ברמה של העורקים המוחיים העיקריים, ואילו fNIRS מודד שינויים בקליפת המוח. לכן, fTCD יכול למלא פרטים משמעותיים על שינויים המודינמיים במוח בתגובה להפעלה עצבית, אשר אין מודלים דימות מוחי אחר אינו מסוגל כרגע למדוד.

יישומים פוטנציאליים של TCD כוללים ניטור היווצרות תסחיף מוחי במהלך ניתוח לב16 וניטור כדי לזהות את התוצאה של טיפול מפעיל פלסמינוגן רקמה עבור שבץ21. יישומים פוטנציאליים של fTCD כוללים כל שאלה מחקרית המערבת את התגובה העצבית לגירויים פנימיים או חיצוניים, כגון לימוד העיבוד לרוחב של השפה במוח האנושי2,3,4, גירוי "מגע" סומטוסנסורי5, או לרוחב של עיבוד חזותי6. בנוסף, fTCD יכול לשמש כדי ללמוד פיזיולוגית (עם או בלי שינויים בפעילות עצבית) תגובות לגירויים כגון פעילות גופנית22 ונשימה עוצר13,15,23. לבסוף, העלות הנמוכה, הניידות והפשטות של fTCD הופכים את ההדמיה של מספר גדול של נושאים מעשית, יתרון על פני fMRI ושיטות דימות מוחי אחרות כגון PET, למשל, בעת הקרנה למחלת אלצהיימר פרה-אקלינית15.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אינם מצהירים על ניגודי עניינים.

Acknowledgments

פרויקט זה מבוסס על מחקר שנתמך חלקית על ידי תחנת הניסויים החקלאיים של נברסקה במימון חוק הצוהר (מספר כניסה 0223605) באמצעות המכון הלאומי למזון וחקלאות של משרד החקלאות האמריקאי.

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

ביו-הנדסה גיליון 169 דופלר טרנס-קדנציאלי פונקציונלי fTCD דופלר טרנס-קדנציאלי TCD מדד עוצר נשימה BHI מדד האצה לעצירת נשימה BHAI
אולטרסאונד דופלר חוצה תותח פונקציונלי לניטור זרימת הדם במוח
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