Funktioneller transkranialer Doppler-Ultraschall zur Überwachung des zerebralen Blutflusses

Zusammenfassung

Funktioneller transkranialer Doppler-Ultraschall ergänzt andere funktionelle Bildgebungsmodalitäten mit seiner hohen zeitlichen Auflösung der Messung von reizinduzierten Veränderungen des zerebralen Blutflusses innerhalb der basalen Hirnarterien. Dieses Methodenpapier enthält Schritt-für-Schritt-Anleitungen zur Verwendung von funktionellem transkraniellem Doppler-Ultraschall zur Durchführung eines funktionellen Bildgebungsexperiments.

Zusammenfassung

Funktioneller transkranialer Doppler-Ultraschall (fTCD) ist die Verwendung von transkraniellem Doppler-Ultraschall (TCD), um die neuronale Aktivierung zu untersuchen, die während Reizen wie körperlicher Bewegung, Aktivierung taktiler Sensoren in der Haut und Betrachtung von Bildern auftritt. Die neuronale Aktivierung wird aus einer Erhöhung der zerebralen Blutflussgeschwindigkeit (CBFV) abgeleitet, die die Region des Gehirns versorgt, die an der Verarbeitung sensorischer Eingaben beteiligt ist. Zum Beispiel verursacht die Betrachtung von hellem Licht eine erhöhte neuronale Aktivität im Okzipitallappen der Großhirnrinde, was zu einem erhöhten Blutfluss in der hinteren Hirnarterie führt, die den Okzipitallappen versorgt. Bei fTCD werden Veränderungen in CBFV verwendet, um Veränderungen des zerebralen Blutflusses (CBF) abzuschätzen.

Mit seiner hochauflösenden Messung der Blutflussgeschwindigkeiten in den wichtigsten Hirnarterien ergänzt fTCD andere etablierte funktionelle bildgebungsverfahren. Das Ziel dieses Methodenpapiers ist es, Schritt-für-Schritt-Anweisungen für die Verwendung von fTCD zur Durchführung eines funktionellen Bildgebungsexperiments zu geben. Zunächst werden die grundlegenden Schritte zur Identifizierung der mittleren Hirnarterie (MCA) und zur Optimierung des Signals beschrieben. Als nächstes wird die Platzierung einer Fixierungsvorrichtung zum Halten der TCD-Sonde während des Experiments beschrieben. Abschließend wird das atmungsaktive Experiment demonstriert, das ein konkretes Beispiel für ein funktionelles Bildgebungsexperiment mit fTCD ist.

Einleitung

In der neurowissenschaftlichen Forschung ist es oft wünschenswert, die Gehirnaktivität in Echtzeit nichtinvasiv in einer Vielzahl von Umgebungen zu überwachen. Herkömmliche funktionelle Neuroimaging-Modalitäten haben jedoch Einschränkungen, die die Fähigkeit behindern, lokalisierte und / oder schnelle Aktivitätsänderungen zu erfassen. Die wahre (nicht gejitterte, nicht retrospektive) zeitliche Auflösung der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) liegt derzeit in der Größenordnung von wenigen Sekunden¹, die möglicherweise keine vorübergehenden hämodynamischen Veränderungen im Zusammenhang mit einer vorübergehenden neuronalen Aktivierung erfasst. In einem anderen Beispiel kann die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) zwar eine hohe zeitliche Auflösung (Millisekunden) und eine angemessene räumliche Auflösung aufweisen, aber nur hämodynamische Veränderungen innerhalb der Großhirnrinde untersuchen und keine Informationen über Veränderungen liefern, die in den größeren Arterien stattfinden, die das Gehirn versorgen.

Im Gegensatz dazu bezieht sich fTCD - klassifiziert als Neuroimaging-Modalität - "Bildgebung" auf die Dimensionen von Zeit und Raum und nicht auf zwei orthogonale Raumrichtungen, die in einem "Bild" vertrauter sind. fTCD liefert komplementäre Informationen zu anderen Neuroimaging-Modalitäten, indem es hämodynamische Veränderungen mit hoher zeitlicher Auflösung (typischerweise 10 ms) an genauen Stellen innerhalb der Gefäße der basalen Hirnzirkulation misst. Wie bei anderen Neuroimaging-Modalitäten kann fTCD für eine Vielzahl von Experimenten verwendet werden, wie z.B. die Untersuchung der Lateralisierung der zerebralen Aktivierung während sprachbezogener Aufgaben^2,3,4, die Untersuchung der neuronalen Aktivierung als Reaktion auf verschiedene somatosensorische Reize⁵und die Erforschung der neuronalen Aktivierung in verschiedenen kognitiven Reizen wie Sehaufgaben⁶, mentale Aufgaben⁷und sogar Werkzeugproduktion⁸.

Obwohl fTCD mehrere Vorteile für den Einsatz in der funktionellen Bildgebung bietet, darunter niedrige Gerätekosten, Portabilität und erhöhte Sicherheit (im Vergleich zu Wada-Test³ oder Positronenemissionstomographie [PET]-Scans), erfordert der Betrieb einer TCD-Maschine Fähigkeiten, die durch die Praxis erworben wurden. Einige dieser Fähigkeiten, die von einem TCD-Bediener erlernt werden müssen, umfassen die Fähigkeit, verschiedene Hirnarterien zu identifizieren und die motorischen Fähigkeiten, die erforderlich sind, um die Ultraschallsonde während der Suche nach der entsprechenden Arterie präzise zu manipulieren. Das Ziel dieses Methodenpapiers ist es, eine Technik zur Verwendung von fTCD zur Durchführung eines funktionellen Bildgebungsexperiments vorzustellen. Zunächst werden die grundlegenden Schritte zur Identifizierung und Optimierung des Signals der MCA, die 80% der Gehirnhemisphäre⁹durchdringt, aufgelistet. Als nächstes wird die Platzierung einer Fixierungsvorrichtung zum Halten der TCD-Sonde während des Experiments beschrieben. Abschließend wird das atmungsaktive Experiment, das ein Beispiel für ein funktionelles Bildgebungsexperiment mit fTCD ist, beschrieben und repräsentative Ergebnisse gezeigt.

Protokoll

Alle Forschungen am Menschen wurden in Übereinstimmung mit dem Institutional Review Board der University of Nebraska-Lincoln durchgeführt, und die Einwilligung aller Probanden wurde nach Aufklärung eingeholt.

1. Lokalisierung des MCA-Signals durch Freihand-TCD

HINWEIS: "Freihand"-TCD bezieht sich auf den Betrieb von TCD mit einem Handaufnehmer, um ein CBFV-Signal zu finden, bevor ein fTCD-Experiment beginnt.

1. TCD-Parameter einstellen
   1. Halten Sie die Leistung während der ersten Suche nach dem MCA auf einem relativ hohen Wert (z. B. 400 mW). Sobald das MCA-Signal lokalisiert ist, reduzieren Sie die Leistung so weit wie möglich, während Sie immer noch ein "gutes" Signal beibehalten (siehe Schritt 2.2.7).
      HINWEIS: Die Verwendung einer relativ hohen Leistung während der ersten Suche verstößt nicht gegen das "As Low As Reasonably Achievable" (ALARA) -Prinzip der Exposition gegenüber akustischer Strahlung, da eine höhere Leistung es ermöglicht, das MCA-Signal schneller zu erkennen¹⁰.
   2. Stellen Sie das Probenvolumen während der ersten Suche nach dem MCA-Signal auf 8–12 mm ein. Wenn das Signal schwer zu finden ist, erhöhen Sie die Gate-Größe, um die Intensität des Signals zu erhöhen, aber beachten Sie, dass dies das Signal von einer oder mehreren nahe gelegenen Arterien in das Signal des MCA integrieren kann.
   3. Stellen Sie die Verstärkung auf ein mittleres Niveau ein, mit dem Ziel, "Hintergrundgeräusche auf einem Minimum zu halten, aber vorhanden"¹⁰.
   4. Legen Sie den Hochpassfilter-Cutoff (normalerweise als "Schwellenwert" bezeichnet) auf 50–150 Hz fest.
   5. Wenn das Subjekt ein Erwachsener ist, stellen Sie die Tiefe auf 50 mm ein, was der durchschnittlichen Mittlerentiefe des M1-Segments des MCA¹⁰ entspricht (Abbildung 1).
      HINWEIS: Diese Einstellung wird in den folgenden Schritten ausführlicher erläutert. Tiefeneinstellungen für Kinder sind in Tabelle 1 angegeben.

Abbildung 1: Darstellung des Kreises von Willis und der Hauptarterien des zerebralen Kreislaufsystems. Die Verzweigung des ICA in ACA und MCA ist mit einem schwarzen Kreis markiert. Das M1-Segment des MCA wird gezeigt. Diese Zahl wurde von²⁴geändert. Abkürzungen: ACA = Arteria cerebralis anterior; Bif. = Verzweigung; ICA = Arteria carotis interna; MCA = mittlere Hirnarterie. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

2. Lokalisieren des Zeitfensters
   HINWEIS: Das temporale Fenster, auch transtemporales akustisches Fenster genannt, ist ein Teil des Schädels, in dem der Knochen am dünnsten^{ist 11}, wodurch die Übertragung niederfrequenter Ultraschallenergie durch den Schädel ermöglicht wird (Abbildung 2).
   1. Für Säuglinge und Kleinkinder befindet sich das Temporalfenster direkt vor dem Ohr (der "intertragale Raum") und über dem rostralen Rand des Jochbogens, der leicht unter der Haut zu spüren ist.
   2. Für Jugendliche und junge Erwachsene finden Sie das Zeitfenster über eines der Unterfenster.
      HINWEIS: Das hintere Unterfenster liefert normalerweise das beste Signal (Abbildung 2).
   3. Für Erwachsene im Alter von 30 Jahren oder älter, lokalisieren Sie das Temporalfenster direkt vor dem Ohr.
      HINWEIS: Das akustische Fenster nimmt mit zunehmendem Alter aufgrund der zunehmenden Porosität des Schädelknochens ab, was dazu führt, dass einige ältere Menschen ein sehr begrenztes zeitliches Fenster haben¹². Bei solchen Personen ist eine bilaterale Insonation des MCA manchmal unmöglich.

Abbildung 2: Das transtemporale Fenster (gekennzeichnet durch die gestrichelte Ellipse), der Jochbogen (Pfeil) und die Unterfenster¹¹. (A) Vorderes Unterfenster. (B) Vorderes Unterfenster. (C) Mittleres Unterfenster. (D) Hinteres Unterfenster. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

3. Anlegen des Wandlers
   1. Tragen Sie genügend Ultraschallgel auf, um die Oberfläche des Wandlers zu bedecken.
      HINWEIS: Wenn es auf den Kopf gelegt wird, sollte das Gel genügend Platz abdecken, um eine Abdichtung zwischen der Kopfhaut und der Oberfläche der Dopplersonde aufrechtzuerhalten und so eine Signalunterbrechung durch Luftkopplung unter der Oberfläche der Sonde zu verhindern.
   2. Warnen Sie das Subjekt, dass sich das Gel kalt anfühlen kann (bei Raumtemperatur).
   3. Platzieren Sie den Wandler auf dem Zeitfenster, das sich in Abschnitt 1.2 befand.
4. Suche nach dem MCA
   1. Nachdem Sie den Wandler auf die Kopfhaut gelegt haben, suchen Sie nach dem MCA-Signal, das sich im Allgemeinen leicht anterior (vorwärts) und rostral (in Richtung Kopf) von der Position der anfänglichen Platzierung der Kopfhaut des Wandlers^{befindet 10}.
   2. Wenn das TCD-Spektralsignal nicht sofort offensichtlich ist, passen Sie den Winkel des Wandlers an, während Sie ihn an der gleichen Stelle relativ zur Kopfhaut halten. Winkeln Sie die Sonde langsam von rostral zu kaudal (in Richtung Füße) und nach vorne nach vorne.
      HINWEIS: Abbildung 3 zeigt zwei Spektren, die aus derselben Position, aber in unterschiedlichen Winkeln aufgenommen wurden.
   3. Wenn nach Schritt 1.4.2 immer noch ein Signal fehlt, überprüfen Sie die Farbanzeige im M-Modus auf Durchfluss im MCA in verschiedenen Tiefen (gekennzeichnet durch rote Färbung). Erhöhen oder verringern Sie die Signaltiefe in 5 mm Schritten und suchen Sie wie in Schritt 1.4.2 beschrieben. Wenn der Fluss im M-Modus, aber nicht im Dopplerspektrum sichtbar ist, erhöhen oder verringern Sie die Tiefe, bis das Strömungssignal im Dopplerspektrum sichtbar ist.
   4. Wenn immer noch kein zufriedenstellendes Signal erhalten wird, bewegen Sie den Wandler an eine nahe gelegene Position auf der Kopfhaut, die etwas vorderer ist, und wiederholen Sie die Schritte 1.4.1–1.4.3.
   5. Wenn ein optimales MCA-Signal erhalten wird, notieren Sie sich die Tiefe und die maximale Geschwindigkeit.
   6. Platzieren Sie mit einem waschbaren Make-up-Stift eine Markierung auf der Kopfhaut (Spurenteil des Wandlerrandes), wo das optimale Signal gefunden wurde.

Abbildung 3: Proben-Dopplerspektren und M-Mode-Bilder vom Mittelpunkt des M1-Segments der MCA. (A) Spektrum, das direkt nach dem Auftragen des Wandlers auf das Temporalfenster direkt vor dem Ohr aufgenommen wurde. (B) Proben-Doppler-Spektrum an derselben Stelle und Tiefe wie (A). Die einzige Änderung ist, dass der Wandler leicht nach oben (überlegen) geneigt wurde. Sowohl in (A) als auch (B) Tiefe = 50 mm, Verstärkung = 50, Probenvolumen = 12 mm, Leistung = 420 mW/cm²und Filter = 100 Hz. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

5. Suche nach der Verzweigung
   HINWEIS: Das Finden der Verzweigung der Arteria carotis interna (ICA) ist wichtig, um zu bestätigen, dass die MCA die zu überwachende Arterie ist. Dieser Schritt sollte auf beiden Seiten durchgeführt werden, wenn eine bilaterale Überwachung durchgeführt wird, da die Verzweigung möglicherweise nicht auf beiden Seiten in der gleichen Tiefe liegt.
   1. Erhöhen Sie die Tiefe, bis das Signal von der Verzweigung des ICA in mcA und ACA notiert wird (Abbildung 4), typischerweise in einer Tiefe von 51–65 mm¹⁰.
   2. Suchen Sie nach dem optimalen Bifurkationsspektralsignal mit dem in Schritt 1.4.2 beschriebenen Verfahren. Streben Sie immer nach dem spektralen Signal mit der höchsten Geschwindigkeit, das möglich ist¹⁰.
   3. Wenn ein optimales Verzweigungssignal erhalten wird, notieren Sie sich die Tiefe der Verzweigung.
   4. Für die bilaterale Überwachung wiederholen Sie die Abschnitte 1.1–1.4 und die Schritte 1.5.1–1.5.3 auf der anderen Seite des Kopfes.

Abbildung 4: Spektrales Doppler- (oben) und M-Mode-Bild (unten) der Verzweigung des ICA in MCA und ACA. Tiefe = 65 mm, Verstärkung = 50, Probenvolumen = 12 mm, Leistung = 420 mW/cm²und Filter = 100 Hz. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

2. Verschieben des MCA nach dem Einsetzen einer Fixiervorrichtung

HINWEIS: Für fTCD-Experimente ist es notwendig, CBFV für 10-90 min oder länger zu überwachen. Daher ist eine Fixiervorrichtung (Abbildung 5) entscheidend, um Stabilität zu gewährleisten.

1. Platzieren der Fixiervorrichtung
   1. Passen Sie die Fixiervorrichtung (Abbildung 5) durch visuelle Inspektion an die ungefähre Kopfgröße des Probanden an.
   2. Alarmieren Sie das Subjekt, bevor Sie das Headset auf seinen Kopf setzen. Setzen Sie das Headset auf den Kopf des Motivs.
      HINWEIS: Wenn das Subjekt langes oder dickes Haar hat, kann es notwendig sein, die Haare des Probanden zurückzubinden, abhängig von der verwendeten Fixierungsvorrichtung.
   3. Passen Sie die Passform des Fixiergeräts an und fragen Sie das Motiv, ob das Gerät zu fest ist.
      HINWEIS: Das Gerät sollte fest genug sein, dass es sich nicht bewegt, wenn es leicht gestoßen wird, sondern locker genug, dass das Motiv nicht unangenehm ist.

Abbildung 5: Subjekt mit benutzerdefinierter Fixiervorrichtung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

2. Lokalisieren des MCA-Signals
   1. Lösen Sie den Mechanismus der Fixiervorrichtung, die den Wandler an Ort und Stelle hält (z. B. lösen Sie den Mechanismus, wie in Abbildung 5gezeigt, indem Sie einen Knopf gegen den Uhrzeigersinn drehen), damit sich der Wandler frei bewegen kann.
   2. Warnen Sie das Subjekt, bevor Sie Gel auf die Wandler auftragen (die bereits ab Abschnitt 2.1 vorhanden sein sollten) und dass das Gel kalt sein kann (wenn es bei Raumtemperatur gelagert wurde).
   3. Tragen Sie genügend Ultraschallgel auf den Schallkopf auf, um die Fläche des Wandlers zu bedecken.
   4. Stellen Sie die Fixiervorrichtung so ein, dass sich der Wandler über der Oberseite der markierung in Schritt 1.4.6 befindet.
   5. Suchen Sie nach dem optimalen MCA-Spektralsignal mit dem in den Schritten 1.4.1–1.4.3 beschriebenen Verfahren. Streben Sie immer nach dem spektralen Signal mit der höchsten Geschwindigkeit, das möglich ist¹⁰.
      HINWEIS: Im Vergleich zu Freihand-TCD kann die optimale Tiefe, in der sich der MCA mit der Fixiervorrichtung befindet, geringfügig (höchstens 1–2 mm) von der Tiefe des Freihandgeräts abweichen. Dies liegt daran, dass die Fixierungsvorrichtung den Wandler etwas weiter von der Kopfhaut entfernt halten kann, während gleichzeitig eine Kopplungsgeldichtung erhalten bleibt.
   6. Wenn das optimale MCA-Spektralsignal gefunden ist, ziehen Sie den Mechanismus der Fixierungsvorrichtung fest, um den Wandler an Ort und Stelle zu verriegeln. Beachten Sie die Tiefe und alle anderen Einstellungen.
   7. Verringern Sie die Leistung (siehe Schritt 1.1.1) so weit wie möglich, während Sie gleichzeitig eine spektrale Hülle beibehalten, die die maximale Geschwindigkeit genau verfolgt.
   8. Für die bilaterale Überwachungwiederholen Sie auf der anderen Seite die Schritte 2.2.1–2.2.7.

3. Durchführen eines Atemzugmanövers

HINWEIS: Dieser Abschnitt ist als Beispiel für ein funktionelles Experiment angegeben, das mit dem in Abschnitt 1 und Abschnitt 2 beschriebenen Versuchsaufbau durchgeführt werden kann.

1. Führen Sie alle in Abschnitt 1 und Abschnitt 2 beschriebenen Schritte aus.
2. Beginnen Sie mit der Aufnahme in der TCD-Software.
3. Atmen Sie 3 Minuten lang normal, um eine gute Baseline-Aufnahme zu erreichen, und lassen Sie CBFV sich von früheren Experimenten oder Reizen stabilisieren.
4. Countdown langsam von drei. Bitten Sie das Subjekt, nach einer normalen Inspiration mit dem Atem zu beginnen¹³.
   HINWEIS: Der Probanden sollte nicht tief einatmen, da dies kohlendioxid in der Lunge verringern und die Wahrscheinlichkeit verringern würde, den Anstieg von CBFV aufgrund zerebrovaskulärer Reaktivität zu beobachten. Das Subjekt sollte auch vermeiden, ein Valsalva-Manöver durchzuführen, bei dem der intrathorakische Druck gegen eine gehaltene Inspiration erheblich erhöht wird¹⁴.
5. Platzieren Sie einen Marker in der TCD-Aufzeichnung, um den Beginn des Atmungspauses anzuzeigen.
6. Lassen Sie das Subjekt den Atem für 30 s anhalten oder bis es sich nicht mehr wohl fühlt, den Atem anzuhalten.
7. Wenn das Subjekt einatmet, platzieren Sie einen Marker in der TCD-Aufnahme, um das Ende des Atmungs haltend anzuzeigen.
8. Setzen Sie die Überwachung von CBFV mit TCD fort und nehmen Sie mindestens 30 s nach dem Ende des Atmungspauses auf, um sicherzustellen, dass CBFV zu den Ausgangswerten zurückkehrt.

Ergebnisse

Abbildung 3 zeigt Beispiel-Dopplerspektren und Farb-M-Modi aus der Mitte des M1-Segments des MCA. Abbildung 3A,B wurden an der gleichen Position auf der Kopfhaut, aber in unterschiedlichen Winkeln aufgenommen. Beachten Sie, wie eine sehr kleine Winkeländerung, ohne die Kontaktposition auf der Kopfhautzu ändern, die Dopplersignalstärke erheblich verbessern kann, wie die höherintensive gelbe Färbung des Spektrogramms in Abbildung

Diskussion

Zu den kritischen Schritten im Protokoll gehören 1) das Finden des MCA, 2) das Platzieren des Stirnbandes und 3) das Ausführen des atmungsaktiven Manövers.

Je nach Den Probanden in der Studie können Modifikationen erforderlich sein. Zum Beispiel können Probanden mit Alzheimer-Krankheit Schwierigkeiten haben, Anweisungen zu befolgen, was die Verwendung eines Kapnographen erfordert, um die Einhaltung der atemhaltenden Anweisungen zu gewährleisten

Materialien

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