Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Функциональное транскраниальное допплерография для мониторинга мозгового кровотока

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

Функциональное транскраниальное допплерография дополняет другие функциональные методы визуализации с его измерением высокого временного разрешения стимул-индуцированных изменений мозгового кровотока в базальных мозговых артериях. В этой статье приводятся пошаговые инструкции по использованию функционального транскраниального допплерографии для выполнения эксперимента по функциональной визуализации.

Abstract

Функциональное транскраниальное допплеровское ультразвуковое исследование (fTCD) - это использование транскраниального допплерографии ультразвука (TCD) для изучения нейронной активации, происходящей во время стимулов, таких как физическое движение, активация тактильных датчиков в коже и просмотр изображений. Нейронная активация выводится из увеличения скорости мозгового кровотока (CBFV), снабжающей область мозга, участвующую в обработке сенсорного ввода. Например, просмотр яркого света вызывает повышенную нейронную активность в затылочной доле коры головного мозга, что приводит к усилению кровотока в задней мозговой артерии, которая снабжает затылочную мочку. При фТКД изменения в CBFV используются для оценки изменений мозгового кровотока (CBF).

Благодаря измерению скоростей кровотока в основных мозговых артериях с высоким временным разрешением, fTCD дополняет другие установленные методы функциональной визуализации. Целью данного документа по методам является предоставление пошаговых инструкций по использованию fTCD для выполнения функционального эксперимента по визуализации. Сначала будут описаны основные этапы выявления средней мозговой артерии (MCA) и оптимизации сигнала. Далее будет описано размещение фиксатора для удержания зонда TCD на месте во время эксперимента. Наконец, будет продемонстрирован эксперимент с задержкой дыхания, который является конкретным примером функционального эксперимента по визуализации с использованием fTCD.

Introduction

В исследованиях в области неврологии часто желательно контролировать активность мозга в режиме реального времени неинвазивно в различных средах. Однако обычные функциональные методы нейровизуализации имеют ограничения, которые препятствуют способности улавливать локализованные и/или быстрые изменения активности. Истинное (недрожащее, неретроспективное) временное разрешение функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) в настоящее время составляет порядка нескольких секунд1,что может не фиксировать переходные гемодинамические изменения, связанные с транзиторной нейронной активацией. В другом примере, хотя функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) имеет высокое временное разрешение (миллисекунды) и разумное пространственное разрешение, она может исследовать только гемодинамические изменения в коре головного мозга и не может предоставить информацию об изменениях, происходящих в более крупных артериях, снабжающих мозг.

Напротив, fTCD, классифицируемый как модальность нейровизуализации, «визуализация» относится к измерениям времени и пространства, а не к двум ортогональным пространственным направлениям, которые более знакомы в «изображении». fTCD предоставляет дополнительную информацию к другим модальностям нейровизуализации путем измерения гемодинамических изменений с высоким временным разрешением (обычно 10 мс) в точных местах в сосудах базального мозгового кровообращения. Как и в случае с другими модальностями нейровизуализации, fTCD может быть использован для различных экспериментов, таких как изучение латерализации церебральной активации во время связанных с языком задач2,3,4,изучение нейронной активации в ответ на различные соматосенсорные стимулы5и изучение нейронной активации в различных когнитивных стимулах, таких как визуальные задачи6,умственные задачи7и даже производство инструментов8.

Хотя fTCD предлагает несколько преимуществ для использования в функциональной визуализации, включая низкую стоимость оборудования, портативность и повышенную безопасность (по сравнению с тестом WADA3 или позитронно-эмиссионной томографией [ПЭТ]), эксплуатация машины TCD требует навыков, полученных на практике. Некоторые из этих навыков, которые должны быть изучены оператором TCD, включают в себя способность идентифицировать различные мозговые артерии и двигательные навыки, необходимые для точного манипулирования ультразвуковым зондом во время поиска соответствующей артерии. Целью данной статьи по методам является представление методики использования fTCD для выполнения эксперимента по функциональной визуализации. Во-первых, будут перечислены основные шаги по выявлению и оптимизации сигнала от MCA, который перфузирует 80% полушария головного мозга9. Далее будет описано размещение фиксатора для удержания зонда TCD на месте во время эксперимента. Наконец, будет описан эксперимент с задержкой дыхания, который является одним из примеров эксперимента по функциональной визуализации с использованием fTCD, и будут показаны репрезентативные результаты.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Все исследования на людях проводились в соответствии с Институциональным наблюдательным советом Университета Небраски-Линкольна, и было получено информированное согласие от всех субъектов.

1. Поиск сигнала MCA от руки TCD

ПРИМЕЧАНИЕ: "Freehand" TCD относится к работе TCD с портативным преобразователем для поиска сигнала CBFV до начала эксперимента fTCD.

  1. Настройка параметров TCD
    1. Сохраняйте мощность на достаточно высоком уровне (например, 400 мВт) во время первоначального поиска MCA. Как только сигнал MCA будет найден, уменьшите мощность как можно больше, сохраняя при этом «хороший» сигнал (см. шаг 2.2.7).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Использование достаточно высокой мощности во время первоначального поиска не нарушает принцип воздействия акустического излучения «Настолько низко, насколько это разумно достижимо» (ALARA), поскольку более высокая мощность позволит быстрее обнаружить сигнал MCA10.
    2. Установите объем образца на 8–12 мм во время первоначального поиска сигнала MCA. Если сигнал трудно найти, увеличьте размер затвора, чтобы увеличить интенсивность сигнала, но обратите внимание, что это может включать сигнал от одной или нескольких близлежащих артерий в сигнал от MCA.
    3. Установите коэффициент усиления на среднем уровне, с целью «сажайте фоновый шум на минимальном, но присутствуют»10.
    4. Установите отсечку фильтра высоких частот (обычно называемое «порогом») на 50–150 Гц.
    5. Если субъект является взрослым, установите глубину 50 мм, что является средней глубиной средней точки сегмента M1 MCA10 (рисунок 1).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот параметр будет обсуждаться более подробно на последующих этапах. Настройки глубины для детей приведены в таблице 1.

Figure 1
Рисунок 1:Изображение виллизиевого круга и крупных артерий мозговой системы кровообращения. Раздвоение ICA на ACA и MCA отмечено черным кругом. Показан сегмент M1 MCA. Эта цифра была изменена с24. Сокращения: ACA = передняя мозговая артерия; Биф. = бифуркация; ICA = внутренняя сонная артерия; MCA = средняя мозговая артерия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

  1. Поиск временного окна
    ПРИМЕЧАНИЕ: Временное окно, также называемое транстемпоральным акустическим окном, является частью черепа, где кость самая тонкая11,что позволяет передавать низкочастотную ультразвуковую энергию через череп(рисунок 2).
    1. Для младенцев и маленьких детей расположить височное окно прямо перед ухом («межтрагольское пространство») и над ростральным краем скуловой дуги, которую можно легко ощутить под кожей.
    2. Для подростков и молодых людей найдите временное окно через любое из подокна.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Заднее подокно обычно обеспечивает наилучший сигнал(рисунок 2).
    3. Для взрослых в возрасте 30 лет и старше распостите височное окно прямо перед ухом.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Акустическое окно уменьшается в размерах по мере старения людей из-за увеличения пористости кости черепа, в результате чего некоторые пожилые люди имеют очень ограниченное временное окно12. У таких лиц двусторонняя инсонация MCA иногда невозможна.

Figure 2
Рисунок 2:Транстемпоральное окно (отмечено пунктирным эллипсом), скуловая дуга (стрелка) и подокна11. (A) Фронтальное подоко. (B) Переднее подоко. (C) Среднее подокнь. (D) Заднее подокнь. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

  1. Применение преобразователя
    1. Нанесите достаточно ультразвукового геля, чтобы покрыть поверхность датчика.
      ПРИМЕЧАНИЕ: При размещении на головке гель должен занимать достаточное пространство для поддержания уплотнения между кожей головы и поверхностью доплеровского зонда, тем самым предотвращая прерывание сигнала от воздушной связи под поверхностью зонда.
    2. Предупредите испытуемого о том, что гель может ощущаться холодным (если при комнатной температуре).
    3. Поместите преобразователь на временное окно, которое находилось в разделе 1.2.
  2. Поиск MCA
    1. После размещения датчика на коже головы выполните поиск сигнала MCA, который, как правило, будет расположен слегка впереди (вперед) и ростраль (по направлению к голове) от места первоначального размещения датчика головы10.
    2. Если спектральный сигнал TCD не сразу очевиден, отрегулируйте угол датчика, сохраняя его в том же месте относительно кожи головы. Медленно наклоняйте зонд от рострального к каудальному (к ногам) и с заднего к переднему.
      ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 3 показаны два спектра, взятые из одного и того же положения, но под разными углами.
    3. Если сигнал по-прежнему отсутствует после выполнения шага 1.4.2, проверьте цветной дисплей M-режима на наличие потока в MCA на разной глубине (обозначен красной окраской). Увеличение или увеличение глубины сигнала с шагом 5 мм и поиск, как описано в шаге 1.4.2. Если поток виден в М-режиме, но не в доплеровском спектре, увеличивайте или уменьшайте глубину до тех пор, пока сигнал потока не будет виден в доплеровском спектре.
    4. Если удовлетворительный сигнал все еще не получен, переместите преобразователь в ближайшее положение на коже головы, которое немного более переднее, и повторите шаги 1.4.1–1.4.3.
    5. При получении оптимального сигнала MCA обратите внимание на глубину и максимальную скорость.
    6. С помощью моемой ручки для макияжа поместите отметку на кожу головы (следовую часть края датчика), где был найден оптимальный сигнал.

Figure 3
Рисунок 3:Выборка доплеровских спектров и изображений М-режима из средней точки сегмента M1 MCA. (A)Спектр, полученный сразу после применения преобразователя к височному окну, прямо перед ухом. (B) Доплеровский спектр образца в том же месте и глубине, что и(A). Единственное изменение заключается в том, что преобразователь был слегка наклонен вверх (лучше). Как в(A),так и(B)глубина = 50 мм, коэффициент усиления = 50, объем образца = 12 мм, мощность = 420 мВт/см2 и фильтр =100Гц. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

  1. Поиск бифуркации
    ПРИМЕЧАНИЕ: Обнаружение бифуркации внутренней сонной артерии (ICA) важно для подтверждения того, что MCA является контролируемой артерией. Этот шаг должен быть выполнен с обеих сторон, если будет осуществляться двусторонний мониторинг, поскольку бифуркация может не находиться на одинаковой глубине с обеих сторон.
    1. Увеличивают глубину до тех пор, пока не будет отмечен сигнал от бифуркации ICA в MCA и ACA(рисунок 4),обычно на глубине 51–65 мм10.
    2. Поиск оптимального спектрального сигнала бифуркации с использованием процедуры, описанной в шаге 1.4.2. Всегда стремитесь к максимально возможной скорости спектрального сигнала10.
    3. Когда получен оптимальный бифуркационный сигнал, обратите внимание на глубину бифуркации.
    4. Для двустороннего мониторинга повторите разделы 1.1–1.4 и шаги 1.5.1–1.5.3 на другой стороне головы.

Figure 4
Рисунок 4:Спектральное доплеровско-доплеровское (сверху) и М-модное (снизу) изображение бифуркации ICA в MCA и ACA. Глубина = 65 мм, коэффициент усиления = 50, объем образца = 12 мм, мощность = 420 мВт/см2 и фильтр =100Гц. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

2. Перемещение MCA после установки фиксированного устройства

ПРИМЕЧАНИЕ: Для экспериментов с fTCD необходимо контролировать CBFV в течение 10-90 минут или дольше. Поэтому фиксируемое устройство(рисунок 5)имеет решающее значение для обеспечения стабильности.

  1. Размещение фиксационного устройства
    1. При визуальном осмотре отрегулируйте фиксировочное устройство(рисунок 5)в соответствии с приблизительным размером головы субъекта.
    2. Предупредите субъекта, прежде чем надеть гарнитуру на голову. Поместите гарнитуру на голову субъекта.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если у субъекта длинные или густые волосы, может потребоваться завязать волосы субъекта назад, в зависимости от используемого фиксируемого устройства.
    3. Отрегулируйте посадку фиксировочного устройства и спросите субъекта, не слишком ли плотное устройство.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Устройство должно быть достаточно плотным, чтобы оно не двигалось при слегка ударе, но достаточно свободным, чтобы объекту не было неудобно.

Figure 5
Рисунок 5:Субъект носит пользовательское устройство фиксации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

  1. Поиск сигнала MCA
    1. Ослабьте механизм фиксировочного устройства, удерживая преобразователь на месте (например, ослабьте механизм, показанный на рисунке 5,повернув ручку против часовой стрелки), чтобы преобразователь мог свободно перемещаться.
    2. Предупредите субъекта перед нанесением геля на датчики (которые уже должны быть на месте из раздела 2.1), и что гель может быть холодным (если он хранился при комнатной температуре).
    3. Нанесите достаточно ультразвукового геля на преобразователь, чтобы покрыть лицо датчика.
    4. Отрегулируйте фиксатор таким образом, чтобы преобразователь располагался над верхней частью отметки, выполненной на шаге 1.4.6.
    5. Поиск оптимального спектрального сигнала MCA с помощью процедуры, описанной в шагах 1.4.1–1.4.3. Всегда стремитесь к максимально возможной скорости спектрального сигнала10.
      ПРИМЕЧАНИЕ: По сравнению с TCD от руки оптимальная глубина, на которой MCA расположена с помощью фиксатора, может незначительно отличаться (не более 1–2 мм) от глубины для устройства от руки. Это связано с тем, что фиксировка может удерживать датчик немного дальше от кожи головы, сохраняя при этом уплотнение геля связи.
    6. Когда будет найден оптимальный спектральный сигнал MCA, затяните механизм фиксатора, чтобы зафиксировать преобразователь на месте. Обратите внимание на глубину и все остальные настройки.
    7. Уменьшите мощность (см. шаг 1.1.1) настолько, насколько это возможно, сохраняя при этом спектральную оболочку, которая точно отслеживает максимальную скорость.
    8. Для двустороннего мониторингаповторите шаги 2.2.1–2.2.7 с другой стороны.

3. Выполнение маневра задержки дыхания

ПРИМЕЧАНИЕ: Этот раздел приведен в качестве примера функционального эксперимента, который может быть выполнен с использованием экспериментальной установки, описанной в разделах 1 и 2.

  1. Выполните все действия, описанные в разделах 1 и 2.
  2. Начните запись в программном обеспечении TCD.
  3. Дышите нормально в течение 3 минут, чтобы достичь хорошей базовой записи и позволить CBFV стабилизироваться от любых предыдущих экспериментов или стимулов.
  4. Отсчитывайте медленно от трех. На счет одного попросите испытуемого начать задержку дыхания после обычного вдохновения13.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Субъект не должен глубоко вдыхать, так как это уменьшит углекислый газ в легких и уменьшит вероятность наблюдения увеличения CBFV из-за цереброваскулярной реактивности. Испытуемый также должен избегать выполнения маневра Вальсальвы, в котором внутриторакальное давление существенно увеличивается против удерживаемого внушительного14.
  5. Поместите маркер в запись TCD, чтобы обозначить начало задержки дыхания.
  6. Задерживайте дыхание субъекта на 30 с или до тех пор, пока он больше не перестает задерживать дыхание.
  7. Когда субъект вдыхает, поместите маркер в запись TCD, чтобы обозначить конец задержки дыхания.
  8. Продолжайте мониторинг CBFV с использованием TCD и запись в течение не менее 30 с после окончания задержки дыхания, чтобы гарантировать, что CBFV возвращается к исходным значениям.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

На рисунке 3 показан образец доплеровских спектров и цветных М-режимов из средней точки сегмента M1 MCA. Рисунок 3А,В были взяты в одном и том же положении на коже головы, но под разными углами. Обратите внимание, как очень небольшое изменение угла, без изменения положения контакта на коже головы,может значительно улучшить силу доплеровского сигнала, как показано более высокоинтенсивной желтой окраской спектрограммы на рисунке 3B. Отметим также, что M-режим на рисунке 3B показывает две артерии (синюю и красную, соответствующие ACA и MCA соответственно).

На рисунке 4 показан образец доплеровского спектра и М-режима от бифуркации ICA на ACA и MCA. Обратите внимание на перекрывающиеся красно- и синие области в изображении M-режима, обозначающие MCA и ACA соответственно. Также отметим симметрию доплеровской спектральной формы волны при сравнении потока в сторону преобразователя (положительного) с потоком от преобразователя (отрицательным).

На рисунке 6 показаны образцы спектров и изображения в М-режиме из разных временных точек в маневре задержки дыхания. На рисунке 6А показан базовый спектр TCD и M-режим в начале задержки дыхания. Обратите внимание на среднюю скорость 56 см/с. На рисунке 6B показан спектр TCD и M-режим в конце задержки дыхания. Обратите внимание, что средняя скорость теперь увеличилась до 70 см/с. На рисунке 6C показан спектр TCD и M-режим после окончания задержки дыхания. Обратите внимание на недостречу скорости ниже базовых значений, при этом среднее значение снижается до 47 см/с. Обратите внимание, что ACA виден как поток от датчика в доплеровском спектре.

На рисунке 7 показан весь эксперимент с задержкой дыхания. Обратите внимание, что оболочка остается приподнятой в течение примерно 15 с после окончания задержки дыхания, падает до значений ниже, чем в начале задержки дыхания в течение ~ 20 с, а затем, наконец, восстанавливается до исходных значений. Обратите внимание, что ACA виден как поток от датчика в доплеровском спектре.

На рисунках 6 и 7 показана хорошая интенсивность сигнала в mcA-части спектра TCD (MCA представлена положительными скоростями); Обратите внимание, что белая линия, представляющая оболочку, очень точно следует за спектром TCD, когда спектр яркий. Спектры рисунков 6 и 7 могут быть улучшены путем уменьшения глубины мониторинга на 5–10 мм, с тем чтобы часть спектра TCD ACA не была видна (ACA представлена отрицательными скоростями) и путем изменения масштаба вертикальной оси в спектре TCD с примерно -100 см/с до 100 см/с, что позволило бы обеспечить максимальную скорость отбора проб спектра TCD в вертикальном направлении.

На рисунке 8 показаны примеры двусторонних спектров TCD и M-режимов, подходящих для двустороннего fTCD. Рисунки 8А и 8В демонстрируют приемлемые, но не оптимальные двусторонние спектры и М-моды. Обратите внимание, что коэффициент усиления выше на рисунке 8A (левый MCA), чем на рисунке 8B (правый MCA), чтобы компенсировать более слабый сигнал, и как качество огибающей на рисунке 8A немного хуже, чем на рисунке 8B. Также обратите внимание, что максимальная скорость в систоле на рисунке 8A немного ниже, чем на рисунке 8B. Напротив, обратите внимание, что два спектра на рисунке 8C и рисунке 8D очень похожи с точки зрения настроек, включая глубину, коэффициент усиления, мощность и объем образца, и как спектральные формы волн с обеих сторон имеют одинаковые максимальные скорости и формы. Для решения этой проблемы рекомендуется последовательно размещать спектр от левого MCA в левом окне, а спектр от правого MCA в правом окне, особенно для экспериментов, связанных с латерализацией кровотока.

Figure 6
Рисунок 6:Выборка доплеровских спектров и М-режимных изображений из MCA на разных этапах маневра задержки дыхания. (A) Спектр и M-режим в начале задержки дыхания. Вертикальная желтая линия в центре обозначает начало задержки дыхания. (B) Спектр и М-режим в конце задержки дыхания. Вертикальная желтая линия в центре обозначает конец задержки дыхания при вдохе субъекта. (C)Спектр и М-режим после окончания задержки дыхания, показывающие снижение скорости потока, которое сохраняется в течение примерно 30 с после задержки дыхания. Во всех спектрах глубина = 56 мм, коэффициент усиления = 50, объем образца= 8 мм, мощность = 420 мВт/см2 и фильтр = 100 Гц. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 7
Рисунок 7:Спектр и М-режим от MCA во время задержки дыхания. Глубина = 56 мм, коэффициент усиления = 50, объем образца =8 мм, мощность = 420 мВт/см2 и фильтр = 100 Гц. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 8
Рисунок 8:Примеры двусторонних спектров и M-режимных изображений из MCA. (A) Приемлемый, но не оптимальный, спектр и M-режим левого MCA, с глубиной = 62 мм, коэффициентом усиления = 69, объемом образца = 12 мм, мощностью = 420 мВт/см2 , и фильтром = 100 Гц. (B) Хороший спектр и M-режим правого MCA, с глубиной = 62 мм, коэффициент усиления = 56, объем образца = 12 мм, мощность = 420мВт/см2,а фильтр = 100 Гц. (C) Хороший спектр и M-режим левого MCA. (D) Хороший спектр и М-режим правильного MCA. Как для(C),так и для(D)глубина = 62 мм, коэффициент усиления = 56, объем образца = 12, мощность = 420мВт/см2и фильтр = 100 Гц.  Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Возраст Глубина средней мозговой артерии (мм) 
0–3месяца 25
3–12месяцев 30
1–3года 35–45
3–6лет 40–45
6–10лет 45–50
10–18лет 45–50
>18 летб 50

Таблица 1: Глубины MCA в различных возрастах. Источники: a = Боде25, b = Александров и др.10

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Критические шаги в протоколе включают в себя 1) нахождение MCA, 2) размещение оголовья и 3) выполнение маневра задержки дыхания.

Изменения могут быть необходимы в зависимости от субъектов исследования. Например, субъекты с болезнью Альцгеймера могут испытывать трудности с выполнением инструкций, что обусловливает необходимость использования капнографа для обеспечения соблюдения инструкций по задержке дыхания15. Маленькие дети могут испытывать трудности с выполнением инструкций и могут стесняться экспериментатора; следовательно, экспериментальные протоколы, возможно, потребуется упростить для такой популяции (см. Lohmann et al.2). Некоторые настройки на машине TCD также могут быть изменены в зависимости от интересующей группы населения. Например, при инсонировании младенцев, у которых тонкие черепные кости, максимально уменьшают мощность, особенно если мониторинг ТХД будет проходить в течение периода продолжительностью в несколько часов16.

Устранение неполадок часто сосредотачивается на трудностях с поиском хорошего, стабильного спектрального сигнала TCD. Например, у людей старше 50 лет височное акустическое окно становится все меньше с возрастом увеличивается из-за повышенной пористости кости черепа и имеет тенденцию локализоваться в область непосредственно перед ухом («межтраговое пространство»)12. В такой популяции найти хороший спектральный сигнал MCA с обеих сторон головы иногда может быть невозможно, а очень незначительные изменения угла или положения преобразователя могут привести к потере сигнала. Поскольку сигнал хорошего качества необходим для экспериментов, которые зависят от формы сигнала огибающей для анализа, следует приложить все усилия для увеличения интенсивности и качества спектрального сигнала MCA. Например, коэффициент усиления может быть отрегулирован для оптимизации сигнала, а громкость выборки может быть увеличена для получения более сильного сигнала. В крайнем случае, мощность может быть увеличена. Наконец, важно отметить, что примерно у 10% больных временное акустическое окно может отсутствовать11,17. Временное акустическое окно можно легко найти у младенцев и маленьких детей, и его труднее всего найти у взрослых старше 50 лет.

Ограничения fTCD включают получение информации CBFV в одном пространственном месте17, а не в широком поле зрения, хотя и с очень высоким временным разрешением. Таким образом, fTCD является дополнением к фМРТ, которая дает мозговую гемодинамическую информацию (а значит, и нейронную активность) с широким полем зрения при низком временном разрешении18,19. Действительно, fTCD имеет временное разрешение, сопоставимое с разрешением fNIRS20,с важным отличием, что fTCD измеряет гемодинамические изменения на уровне основных мозговых артерий, тогда как fNIRS измеряет изменения в коре. Таким образом, fTCD может заполнить важные детали о церебральных гемодинамических изменениях в ответ на нейронную активацию, которые ни один другой метод нейровизуализации в настоящее время не способен измерить.

Потенциальные применения TCD включают мониторинг образования церебральной эмболии во время кардиохирургии16 и мониторинг для выявления результатов лечения активатором тканевого плазминогена при инсульте21. Потенциальные применения fTCD включают любой исследовательский вопрос, связанный с нейронной реакцией на внутренние или внешние раздражители, такой как изучение латерализованной обработки языка в человеческом мозге2,3,4,соматосенсорная «сенсорная» стимуляция5или латерализация визуальной обработки6. Кроме того, fTCD может быть использован для изучения физиологических (с изменениями нейронной активности или без них) реакций на стимулы, такие как упражнение22 и задержка дыхания13,15,23. Наконец, низкая стоимость, портативность и простота fTCD делают визуализацию большого количества субъектов практичной, что является преимуществом перед фМРТ и другими методами нейровизуализации, такими как ПЭТ, например, при скрининге на доклиническую болезнь Альцгеймера15.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Acknowledgments

Этот проект основан на исследованиях, которые были частично поддержаны Сельскохозяйственной экспериментальной станцией Небраски при финансировании из Закона Хэтча (номер присоединения 0223605) через Национальный институт продовольствия и сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США.

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

Биоинженера выпуск 169 функциональная транскраниальная допплеровская fTCD транскраниальная допплеровская TCD индекс задержки дыхания BHI индекс ускорения задержки дыхания BHAI
Функциональное транскраниальное допплерография для мониторинга мозгового кровотока
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