Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Funksjonell transkraniell doppler ultralyd for overvåking cerebral blodstrøm

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

Funksjonell transkraniell Doppler ultralyd utfyller andre funksjonelle avbildningsmodaliteter, med sin høye temporale oppløsningsmåling av stimulusinduserte endringer i cerebral blodstrøm i basale cerebral arterier. Dette metodepapiret gir trinnvise instruksjoner for bruk av funksjonell transkraniell Doppler ultralyd for å utføre et funksjonelt bildebehandlingseksperiment.

Abstract

Funksjonell transkraniell Doppler ultralyd (fTCD) er bruk av transkraniell Doppler ultralyd (TCD) for å studere nevral aktivering som oppstår under stimuli som fysisk bevegelse, aktivering av taktile sensorer i huden, og visning av bilder. Nevral aktivering er utledet fra en økning i cerebral blodstrømshastighet (CBFV) som forsyner hjernens region som er involvert i behandling av sensoriske innganger. For eksempel forårsaker visning av sterkt lys økt nevral aktivitet i oksipital lobe av hjernebarken, noe som fører til økt blodstrøm i bakre cerebral arterie, som leverer oksipital lobe. I fTCD brukes endringer i CBFV til å estimere endringer i cerebral blodstrøm (CBF).

Med sin høye temporale oppløsningsmåling av blodstrømshastigheter i de store hjernearteriene, kompletterer fTCD andre etablerte funksjonelle avbildningsteknikker. Målet med dette metodepapiret er å gi trinnvise instruksjoner for bruk av fTCD for å utføre et funksjonelt bildebehandlingseksperiment. For det første vil de grunnleggende trinnene for å identifisere den midterste cerebral arterien (MCA) og optimalisere signalet bli beskrevet. Deretter vil plassering av en fikseringsenhet for å holde TCD-sonden på plass under eksperimentet bli beskrevet. Til slutt vil det pustende eksperimentet, som er et spesifikt eksempel på et funksjonelt bildebehandlingseksperiment ved hjelp av fTCD, bli demonstrert.

Introduction

I nevrovitenskapelig forskning er det ofte ønskelig å overvåke hjerneaktivitet i sanntid ikke-invasivt i en rekke miljøer. Konvensjonelle funksjonelle nevroimaging modaliteter har imidlertid begrensninger som hindrer evnen til å fange lokaliserte og / eller raske aktivitetsendringer. Den sanne (ikke-jittered, ikke-retrospektive) temporale oppløsningen av funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) er for tiden i størrelsesorden noen få sekunder1, som kanskje ikke fanger opp forbigående hemodynamiske endringer knyttet til forbigående nevral aktivering. I et annet eksempel, selv om funksjonell nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) har høy temporal oppløsning (millisekunder) og rimelig romlig oppløsning, kan den bare sondere hemodynamiske endringer i hjernebarken og kan ikke gi informasjon om endringer som skjer i de større arteriene som forsyner hjernen.

I motsetning refererer fTCD – klassifisert som en nevroimaging modalitet – "avbildning" til dimensjonene på tid og rom, i stedet for to ortogonale romlige retninger som er mer kjent i et "bilde". fTCD gir komplementær informasjon til andre nevroimaging modaliteter ved å måle høy temporal oppløsning (vanligvis 10 ms) hemodynamiske endringer på presise steder innenfor kar av basal cerebral sirkulasjon. Som med andre nevroimaging modaliteter, fTCD kan brukes til en rekke eksperimenter som å studere lateralisering av cerebral aktivering under språkrelaterte oppgaver2,3,4, studere nevral aktivering som svar på ulike somatosensoriske stimuli5, og utforske nevral aktivering i ulike kognitive stimuli som visuelle oppgaver6, mentale oppgaver7, og til og med verktøyproduksjon8.

Selv om fTCD tilbyr flere fordeler for bruk i funksjonell avbildning, inkludert lave kostnader for utstyr, bærbarhet og forbedret sikkerhet (sammenlignet med Wada test3 eller positron utslipp tomografi [PET] skanninger), krever drift av en TCD-maskin ferdigheter oppnådd ved praksis. Noen av disse ferdighetene, som må læres av en TCD-operatør, inkluderer evnen til å identifisere ulike cerebral arterier og motoriske ferdigheter som er nødvendige for å nøyaktig manipulere ultralydsonden under søket etter den aktuelle arterien. Målet med dette metodepapiret er å presentere en teknikk for bruk av fTCD for å utføre et funksjonelt bildebehandlingseksperiment. For det første vil de grunnleggende trinnene for å identifisere og optimalisere signalet fra MCA, som parfymerer 80% av hjernehalvøya9, bli oppført. Deretter vil plassering av en fikseringsenhet for å holde TCD-sonden på plass under eksperimentet bli beskrevet. Til slutt vil det pustende eksperimentet, som er et eksempel på et funksjonelt bildebehandlingseksperiment ved hjelp av fTCD, bli beskrevet, og representative resultater vil bli vist.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

All menneskelig fagforskning ble utført i samsvar med Institutional Review Board ved University of Nebraska-Lincoln, og informert samtykke ble innhentet fra alle.

1. Lokalisering av MCA-signalet ved frihånds TCD

MERK: "Freehand" TCD refererer til drift av TCD med en håndholdt svinger for å finne et CBFV-signal før du begynner et fTCD-eksperiment.

  1. Angi TCD-parametere
    1. Hold strømmen til en rimelig høy verdi (f.eks. 400 mW) under det første søket etter MCA. Når MCA-signalet er plassert, reduserer du strømmen så mye som mulig samtidig som du opprettholder et "godt" signal (se trinn 2.2.7).
      MERK: Bruk av en rimelig høy effekt under det første søket bryter ikke "Så lavt som rimelig oppnåelig" (ALARA) prinsippet om eksponering for akustisk stråling fordi høyere effekt vil tillate MCA-signalet å bli oppdagetraskere 10.
    2. Sett prøvevolumet til 8–12 mm under det første søket etter MCA-signalet. Hvis signalet er vanskelig å finne, øker du portstørrelsen for å øke intensiteten til signalet, men vær oppmerksom på at dette kan innlemme signalet fra en eller flere arterier i nærheten i signalet fra MCA.
    3. Sett gevinsten på et middels nivå, med mål om å "holde bakgrunnsstøy på et minimum, men til stede"10.
    4. Sett høypassfilterets avskjæring (vanligvis kalt "terskel") til 50–150 Hz.
    5. Hvis motivet er voksent, setter du dybden til 50 mm, som er den gjennomsnittlige midtpunktdybden for M1-segmentet i MCA10 (figur 1).
      MERK: Denne innstillingen vil bli diskutert mer detaljert i de påfølgende trinnene. Dybdeinnstillinger for barn er angitt i tabell 1.

Figure 1
Figur 1: Representasjon av sirkelen av Willis og de viktigste arteriene i hjernesirkulasjonssystemet. Bifurkasjonen av ICA inn i ACA og MCA er merket med en svart sirkel. M1-segmentet i MCA vises. Dette tallet er endret fra24. Forkortelser: ACA = fremre cerebral arterie; Bif. = bifurkasjon; ICA = intern halspulsåre; MCA = middels cerebral arterie. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

  1. Finne det tidsmessige vinduet
    MERK: Det tidsmessige vinduet, også kalt det transtemporale akustiske vinduet, er en del av skallen der benet er tynneste11, og dermed tillater overføring av lavfrekvent ultralydenergi gjennom kraniet (Figur 2).
    1. For spedbarn og små barn, finn det tidsmessige vinduet rett foran øret ("intertragalrommet") og over rostralkanten av den zygomatiske buen, som lett kan føles under huden.
    2. For tenåringer og unge voksne, finn det timelige vinduet via noen av undervinduene.
      MERK: Den bakre undervinden gir vanligvis det beste signalet (Figur 2).
    3. For voksne i alderen 30 år eller eldre, finn temporalvinduet rett foran øret.
      MERK: Det akustiske vinduet reduseres i størrelse etter hvert som folk blir eldre på grunn av økende porøsitet i kraniets bein, noe som fører til at noen eldre mennesker har et svært begrenset temporalt vindu12. I slike individer er bilateral insonasjon av MCA noen ganger umulig.

Figure 2
Figur 2: Det transtemporale vinduet (merket med den stiplede ellipsen), den zygomatiske buen (pilen) og undervinduene11. (A) Frontal undervindu. (B) Fremre undervindu. (C) Midtre undervindu. (D) Bakre undervindu. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

  1. Bruke svingeren
    1. Påfør nok ultralydgel til å dekke overflaten av svingeren.
      MERK: Når gelen plasseres på hodet, skal den dekke tilstrekkelig plass til å opprettholde en forsegling mellom hodebunnen og Doppler-sondens overflate, og dermed forhindre signalavbrudd fra luftkoblingen under sondens overflate.
    2. Varsle motivet om at gelen kan føles kald (hvis ved romtemperatur).
    3. Plasser svingeren på det tidsmessige vinduet, som var plassert i avsnitt 1.2.
  2. Søker etter MCA
    1. Etter å ha plassert svingeren i hodebunnen, søk etter MCA-signalet, som vanligvis vil være plassert litt fremre (forover) og rostral (mot hodet) fra plasseringen av den første svingerbunnsplasseringen10.
    2. Hvis TCD-spektralsignalet ikke umiddelbart er åpenbart, justerer du vinkelen på svingeren samtidig som den holdes på samme sted i forhold til hodebunnen. Vinkle sonden langsomt fra rostral til kaudal (mot føtter) og bakre til fremre.
      MERK: Figur 3 viser to spektra tatt fra samme posisjon, men i forskjellige vinkler.
    3. Hvis et signal fortsatt er fraværende etter at du har utført trinn 1.4.2, kontrollerer du farge-M-modusdisplayet for flyt i MCA på forskjellige dybder (angitt med rød farge). Øk eller dekrementer signaldybden i trinn på 5 mm og søk som beskrevet i trinn 1.4.2. Hvis strømmen er synlig i M-modus, men ikke i Doppler-spekteret, øker eller reduserer du dybden til strømningssignalet er synlig i Doppler-spekteret.
    4. Hvis et tilfredsstillende signal fortsatt ikke oppnås, flytter du svingeren til en nærliggende posisjon i hodebunnen, som er litt mer fremre, og gjentar trinn 1.4.1-1.4.3.
    5. Når et optimalt MCA-signal oppnås, noterer du deg dybden og maksimal hastighet.
    6. Bruk en vaskbar sminkepenn, plasser et merke på hodebunnen (spor en del av svingerkanten) der det optimale signalet ble funnet.

Figure 3
Figur 3: Ta prøver av Doppler-spektra- og M-modusbilder fra midtpunktet i M1-segmentet i MCA. (A) Spektrum tatt rett etter påføring av svinger på temporalvinduet, rett foran øret. (B) Prøve Doppler spektrum på samme sted og dybde som (A). Den eneste endringen er at svingeren har blitt vinklet litt oppover (overlegent). I både (A) og (B), dybde = 50 mm, forsterkning = 50, prøvevolum = 12 mm, effekt = 420 mW/cm2, og filter = 100 Hz. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

  1. Søker etter bifurkasjonen
    MERK: Det er viktig å finne bifurkasjonen til den interne halspulsåren (ICA) for å bekrefte at MCA er arterien som overvåkes. Dette trinnet bør utføres på begge sider hvis bilateral overvåking vil bli utført, da bifurkasjonen kanskje ikke er på samme dybde på begge sider.
    1. Øk dybden til signalet fra bifurkasjonen av ICA til MCA og ACA er notert (figur 4), vanligvis på en dybde på 51–65 mm10.
    2. Søk etter det optimale spektralsignalet for bifurkasjon ved hjelp av prosedyren som er beskrevet i trinn 1.4.2. Streber alltid etter det høyeste hastighetsspektralsignalet som er mulig10.
    3. Når et optimalt bifurkasjonssignal oppnås, noterer du dybden på bifurkasjonen.
    4. For bilateral overvåking gjentar du avsnitt 1.1-1.4 og trinn 1.5.1–1.5.3 på den andre siden av hodet.

Figure 4
Figur 4: Spectral Doppler (øverst) og M-modus (nederst) bilde av bifurkasjon av ICA i MCA og ACA. Dybde = 65 mm, forsterkning = 50, prøvevolum = 12 mm, effekt = 420 mW/cm2, og filter = 100 Hz. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

2. Flytting av MCA etter at du har plassert en fikseringsenhet

MERK: For fTCD-eksperimenter er det nødvendig å overvåke CBFV i 10-90 minutter eller lenger. Derfor er en fikseringsenhet (figur 5) avgjørende for å gi stabilitet.

  1. Plassere fikseringsenheten
    1. Ved visuell inspeksjon justerer du fikseringsanordningen (figur 5) til motivets omtrentlige hodestørrelse.
    2. Varsle motivet før du plasserer headsettet på hodet. Plasser headsettet på motivets hode.
      MERK: Hvis motivet har langt eller tykt hår, kan det være nødvendig å knytte motivets hår tilbake, avhengig av fikseringsanordningen som brukes.
    3. Juster fikseringsenhetens passform, og spør motivet om enheten er for stram.
      MERK: Enheten skal være stram nok til at den ikke beveger seg når den støter litt, men løs nok til at motivet ikke er ubehagelig.

Figure 5
Figur 5: Emne iført tilpasset fikseringsenhet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

  1. Finne MCA-signalet
    1. Løsne mekanismen til festeanordningen som holder svingeren på plass (løsne for eksempel mekanismen, vist i figur 5, ved å dreie en knott mot klokken) slik at svingeren kan bevege seg fritt.
    2. Varsle motivet før du påfører gel på transduserne (som allerede skal være på plass fra pkt. 2.1), og at gelen kan være kald (hvis den er lagret ved romtemperatur).
    3. Påfør nok ultralydgel på transduseren til å dekke transduserens ansikt.
    4. Juster fikseringsanordningen slik at svingeren er plassert over toppen av merket i trinn 1.4.6.
    5. Søk etter det optimale MCA-spektralsignalet ved hjelp av prosedyren som er beskrevet i trinn 1.4.1–1.4.3. Streber alltid etter det høyeste hastighetsspektralsignalet som er mulig10.
      MERK: Sammenlignet med frihånds TCD, kan den optimale dybden som MCA er plassert ved hjelp av fikseringsenheten avvike noe (maksimalt 1-2 mm) fra dybden til frihåndsenheten. Dette er fordi fikseringsanordningen kan holde svingeren litt lenger unna hodebunnen mens du fortsatt opprettholder en koblingsgeltetning.
    6. Når det optimale MCA-spektralsignalet er funnet, strammer du mekanismen til fikseringsenheten for å låse svingeren på plass. Legg merke til dybden og alle andre innstillinger.
    7. Reduser strømmen (se trinn 1.1.1) så mye som mulig, samtidig som du opprettholder en spektralkonvolutt som sporer maksimal hastighet nøyaktig.
    8. For bilateral overvåkinggjentar du trinn 2.2.1–2.2.7 på den andre siden.

3. Utføre en pustemanøver

MERK: Denne delen er gitt som et eksempel på et funksjonelt eksperiment som kan utføres ved hjelp av det eksperimentelle oppsettet som er beskrevet i avsnitt 1 og avsnitt 2.

  1. Utfør alle trinnene som er beskrevet i avsnitt 1 og avsnitt 2.
  2. Begynn innspillingen av TCD-programvaren.
  3. Pust normalt i 3 minutter for å oppnå en god basislinjeopptak, og la CBFV stabilisere seg fra tidligere eksperimenter eller stimuli.
  4. Tell sakte ned fra tre. Når du teller til en, be emnet om å begynne å holde pusten etter en normal inspirasjon13.
    MERK: Motivet bør ikke inhalere dypt, da dette vil redusere karbondioksid i lungene og redusere sannsynligheten for å observere økningen i CBFV på grunn av cerebrovaskulær reaktivitet. Emnet bør også unngå å utføre en Valsalva manøver, der intrathoracic trykk er betydelig økt mot en holdt inspirasjon14.
  5. Plasser en markør i TCD-opptaket for å angi starten på pusten.
  6. Be motivet holde pusten i 30 s, eller til de ikke lenger er komfortable med å holde pusten.
  7. Når motivet inhalerer, plasserer du en markør i TCD-opptaket for å angi slutten på pusteholdingen.
  8. Fortsett å overvåke CBFV ved hjelp av TCD og opptak i minst 30 s etter slutten av pusten for å sikre at CBFV går tilbake til basisverdier.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 3 viser prøve-Doppler-spektra- og farge-M-moduser fra midtpunktet i M1-segmentet i MCA. Figur 3A,B ble tatt i samme posisjon i hodebunnen, men i forskjellige vinkler. Legg merke til hvordan en svært liten endring i vinkel, uten å endre kontaktposisjonen i hodebunnen, i stor grad kan forbedre Doppler-signalstyrken, som vist ved høyere intensitet gul farging av spektrogrammet i figur 3B. Vær også oppmerksom på at M-modus i figur 3B viser to arterier (henholdsvis blå og rød, tilsvarende henholdsvis ACA og MCA).

Figur 4 viser en prøve av Doppler-spekteret og M-modus fra bifurkasjonen av ICA til ACA og MCA. Legg merke til de overlappende rød- og blåskyggede områdene i M-modus-bildet som angir henholdsvis MCA og ACA. Legg også merke til symmetrien til Doppler-spektralbølgeformen når du sammenligner strømning mot svingeren (positiv) med strømning bort fra svingeren (negativ).

Figur 6 viser prøvespektra- og M-modusbilder fra ulike tidspunkt i pustemanøveren. Figur 6A viser baseline TCD-spektrum og M-modus i begynnelsen av pusteholding. Legg merke til gjennomsnittlig hastighet på 56 cm/s. Figur 6B viser TCD-spekteret og M-modusen på slutten av pusteholdingen. Vær oppmerksom på at gjennomsnittshastigheten nå har økt til 70 cm/s. Figur 6C viser TCD-spekteret og M-modus etter endt pusteholding. Legg merke til underslaget i hastighet under baseline-verdier, med gjennomsnittet å falle til 47 cm / s. Vær oppmerksom på at ACA er synlig som strømning bort fra svingeren i Doppler-spektraet.

Figur 7 viser hele pusteeksperimentet. Legg merke til at konvolutten forblir hevet i omtrent 15 s etter at pustende ender, faller til verdier lavere enn de som er i begynnelsen av å holde pusten i ~ 20 s, og til slutt gjenoppretter til grunnlinjeverdier. Vær oppmerksom på at ACA er synlig som strømning bort fra svingeren i Doppler-spekteret.

Figur 6 og figur 7 viser god signalintensitet i MCA-delen av TCD-spekteret (MCA representeres av de positive hastighetene); Legg merke til hvordan den hvite linjen som representerer konvolutten følger TCD-spekteret veldig nøyaktig når spekteret er lyst. Spektraet i figur 6 og figur 7 kan forbedres ved å redusere overvåkingsdybden med 5–10 mm slik at ACA-delen av TCD-spekteret ikke vil være synlig (ACA er representert av negative hastigheter) og ved å endre skalaen på den vertikale aksen i TCD-spekteret til å gå fra omtrent -100 cm/s til 100 cm/s, som vil tillate maksimal hastighetsprøvetaking av TCD-spekteret i vertikal retning.

Figur 8 viser eksempler på bilateral TCD-spektra og M-moduser egnet for bilateral fTCD. Figur 8A og figur 8B viser akseptable, men ikke optimale, bilaterale spektra- og M-moduser. Legg merke til hvordan gevinsten er høyere i figur 8A (venstre MCA) enn i figur 8B (høyre MCA) for å kompensere for svakere signal, og hvordan konvoluttkvaliteten i figur 8A er litt dårligere enn i figur 8B. Legg også merke til hvordan maksimal hastighet ved systole i figur 8A er litt lavere enn i figur 8B. Legg derimot merke til hvordan de to spektraene i figur 8C og figur 8D er svært like når det gjelder innstillinger, inkludert dybde, forsterkning, kraft og prøvevolum, og hvordan spektralbølgeformene på begge sider har lignende maksimale hastigheter og former. For å løse dette anbefales det at spekteret fra venstre MCA konsekvent plasseres i venstre vindu og spekteret fra høyre MCA i høyre vindu, spesielt for eksperimenter som involverer lateralisering av blodstrøm.

Figure 6
Figur 6: Prøv Doppler-spektra- og M-modusbilder fra MCA i ulike stadier av pustemanøveren. (A) Spectrum og M-modus i begynnelsen av pusteholding. Vertikal gul linje i midten angir starten på pusteholding. (B) Spektrum- og M-modus på slutten av pusteholdingen. Vertikal gul linje i midten angir slutten på pusteholdet når motivet inhalerer. (C) Spektrum- og M-modus etter endt pusteholding, som viser reduksjonen i strømningshastigheten som vedvarer i ca. 30 s etter å ha holdt pusten. I alle spektra, dybde = 56 mm, forsterkning = 50, prøvevolum = 8 mm, effekt = 420 mW/cm2, og filter = 100 Hz. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: Spektrum- og M-modus fra MCA gjennom pusten. Dybde = 56 mm, forsterkning = 50, prøvevolum = 8 mm, effekt = 420 mW/cm2, og filter = 100 Hz. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 8
Figur 8: Eksempler på bilaterale spektra- og M-modusbilder fra MCA. (A) Akseptabel, men ikke optimal, spektrum- og M-modus for venstre MCA, med dybde = 62 mm, forsterkning = 69, prøvevolum = 12 mm, effekt = 420 mW/cm2, og filter = 100 Hz. (B) Godt spektrum og M-modus av høyre MCA, med dybde = 62 mm, forsterkning = 56, prøvevolum = 12 mm, effekt = 420 mW/cm2, og filter = 100 Hz. (C) Godt spektrum og M-modus for venstre MCA. (D) Godt spektrum og M-modus for høyre MCA. For både (C) og (D), dybde = 62 mm, forsterkning = 56, prøvevolum = 12, effekt = 420 mW/cm2og filter = 100 Hz.  Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Alder Midtre cerebral arterie dybde (mm) 
0–3 månederper 25
3–12 månederper 30
1–3 årper 35–45
3–6 årper 40–45
6–10 årper 45–50
10–18 årper 45–50
>18 årb 50

Tabell 1: MCA-dybder i ulike aldre. Kilder: a = Bode25, b = Alexandrov et al.10

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kritiske trinn i protokollen inkluderer 1) å finne MCA, 2) plassere hodebåndet, og 3) utføre den pustende manøveren.

Modifikasjoner kan være nødvendig avhengig av fagene i studien. For eksempel kan personer med Alzheimers sykdom ha problemer med å følge instruksjonene, noe som nødvendiggjør bruk av en kapnograf for å sikre overholdelse av pusteinstruksjoner15. Små barn kan ha problemer med å følge instruksjonene og kan være sjenert av eksperimentet; Derfor kan det hende at eksperimentelle protokoller må forenkles for en slik befolkning (se Lohmann et al.2). Enkelte innstillinger på TCD-maskinen må kanskje også endres avhengig av interessepopulasjonen. For eksempel, når du insonerer spedbarn, som har tynne kranialben, reduserer kraften så mye som mulig, spesielt hvis TCD-overvåking vil finne sted over en periode som varer flere timer16.

Feilsøking dreier seg ofte om vanskeligheter med å finne et godt, stabilt TCD-spektralsignal. For eksempel, for personer eldre enn 50 år, blir det temporale akustiske vinduet stadig mindre etter hvert som alderen øker på grunn av økt porøsitet i kraniets bein og har en tendens til å lokalisere til regionen like foran øret ("intertragalrommet")12. I en slik befolkning kan det noen ganger være umulig å finne et godt MCA-spektralsignal på begge sider av hodet, og svært små endringer i svingervinkel eller posisjon kan føre til at signalet går tapt. Fordi et signal av god kvalitet er avgjørende for eksperimenter som er avhengige av konvoluttbølgeformen for analyse, bør det gjøres alt for å øke MCA-spektral signalintensitet og kvalitet. For eksempel kan forsterkningen justeres for å optimalisere signalet, og prøvevolumet kan økes for å få et sterkere signal. Som en siste utvei kan strømmen økes. Til slutt er det viktig å merke seg at hos ca. 10% av pasientene kan det temporale akustiske vinduet være fraværende11,17. Det temporale akustiske vinduet finnes lett hos spedbarn og små barn og er vanskeligst å finne hos voksne over 50 år.

Begrensninger ved fTCD inkluderer oppkjøpet av CBFV-informasjon på ett romlig sted17 i stedet for et bredt synsfelt, om enn med svært høy temporal oppløsning. Dermed er fTCD et supplement til fMRI, som gir cerebral hemodynamisk informasjon (og dermed nevral aktivitet) med et bredt synsfelt med lav temporal oppløsning18,19. Faktisk har fTCD en tidsoppløsning som kan sammenlignes med fNIRS20, med den viktige forskjellen at fTCD måler hemodynamiske endringer på nivået av de store hjernearteriene, mens fNIRS måler endringer i cortex. Derfor kan fTCD fylle ut betydelige detaljer om cerebral hemodynamiske endringer som svar på nevral aktivering, som ingen annen nevroimaging modalitet for tiden er i stand til å måle.

Potensielle anvendelser av TCD inkluderer overvåking for cerebral embolusdannelse under hjertekirurgi16 og overvåking for å oppdage utfallet av vevsplasminogenaktivatorbehandling for hjerneslag21. Potensielle anvendelser av fTCD inkluderer ethvert forskningsspørsmål som involverer nevral respons på interne eller eksterne stimuli, for eksempel å studere lateralisert behandling av språk i den menneskelige hjerne2,3,4, somatosensorisk "berøring" stimulering5, eller lateralisering av visuell behandling6. I tillegg kan fTCD brukes til å studere fysiologiske (med eller uten nevrale aktivitetsendringer) respons på stimuli som trening22 og pusteholdende13,15,23. Til slutt gjør den lave prisen, bærbarheten og enkelheten til fTCD avbildning av et stort antall forsøkspersoner praktisk, en fordel i forhold til fMRI og andre nevroimaging modaliteter som PET, for eksempel når screening for preklinisk Alzheimers sykdom15.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer ingen interessekonflikter.

Acknowledgments

Dette prosjektet er basert på forskning som delvis ble støttet av Nebraska Agricultural Experiment Station med finansiering fra Hatch Act (Accession Number 0223605) gjennom USDA National Institute of Food and Agriculture.

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

Bioengineering Utgave 169 funksjonell transkraniell Doppler fTCD transkraniell Doppler TCD pusteindeks BHI puste-hold akselerasjonsindeks BHAI
Funksjonell transkraniell doppler ultralyd for overvåking cerebral blodstrøm
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