Ultrasonido Doppler Transcraneal Funcional para el Monitoreo del Flujo Sanguíneo Cerebral

Resumen

La ecografía Doppler transcraneal funcional complementa otras modalidades de imágenes funcionales, con su medición de alta resolución temporal de los cambios inducidos por estímulos en el flujo sanguíneo cerebral dentro de las arterias cerebrales basales. Este documento de Métodos proporciona instrucciones paso a paso para usar el ultrasonido Doppler transcraneal funcional para realizar un experimento de imágenes funcionales.

Resumen

El ultrasonido Doppler transcraneal funcional (fTCD) es el uso del ultrasonido Doppler transcraneal (TCD) para estudiar la activación neuronal que ocurre durante estímulos como el movimiento físico, la activación de sensores táctiles en la piel y la visualización de imágenes. La activación neuronal se infiere de un aumento en la velocidad del flujo sanguíneo cerebral (CBFV) que suministra la región del cerebro involucrada en el procesamiento de la entrada sensorial. Por ejemplo, ver luz brillante causa un aumento de la actividad neuronal en el lóbulo occipital de la corteza cerebral, lo que lleva a un aumento del flujo sanguíneo en la arteria cerebral posterior, que suministra el lóbulo occipital. En fTCD, los cambios en CBFV se utilizan para estimar los cambios en el flujo sanguíneo cerebral (CBF).

Con su medición de alta resolución temporal de las velocidades del flujo sanguíneo en las principales arterias cerebrales, fTCD complementa otras técnicas de imagen funcionales establecidas. El objetivo de este documento de Métodos es dar instrucciones paso a paso para usar fTCD para realizar un experimento de imágenes funcionales. En primer lugar, se describirán los pasos básicos para identificar la arteria cerebral media (AME) y optimizar la señal. A continuación, se describirá la colocación de un dispositivo de fijación para mantener la sonda TCD en su lugar durante el experimento. Finalmente, se demostrará el experimento de contención de la respiración, que es un ejemplo específico de un experimento de imágenes funcionales utilizando fTCD.

Introducción

En la investigación en neurociencia, a menudo es deseable monitorear la actividad cerebral en tiempo real de manera no invasiva en una variedad de entornos. Sin embargo, las modalidades convencionales de neuroimagen funcional tienen limitaciones que impiden la capacidad de capturar cambios de actividad localizados y / o rápidos. La verdadera resolución temporal (no nerviosa, no retrospectiva) de la resonancia magnética funcional (fMRI) es actualmente del orden de unos pocos segundos¹, que puede no capturar cambios hemodinámicos transitorios relacionados con la activación neuronal transitoria. En otro ejemplo, aunque la espectroscopia funcional de infrarrojo cercano (fNIRS) tiene una alta resolución temporal (milisegundos) y una resolución espacial razonable, solo puede sondear los cambios hemodinámicos dentro de la corteza cerebral y no puede proporcionar información sobre los cambios que tienen lugar en las arterias más grandes que irrigan el cerebro.

En contraste, fTCD, clasificada como una modalidad de neuroimagen, "imagen" se refiere a las dimensiones del tiempo y el espacio, en lugar de dos direcciones espaciales ortogonales que son más familiares en una "imagen". fTCD proporciona información complementaria a otras modalidades de neuroimagen mediante la medición de cambios hemodinámicos de alta resolución temporal (típicamente 10 ms) en ubicaciones precisas dentro de los vasos de la circulación cerebral basal. Al igual que con otras modalidades de neuroimagen, fTCD se puede utilizar para una variedad de experimentos, como el estudio de la lateralización de la activación cerebral durante las tareas relacionadas con el lenguaje^2,3,4,el estudio de la activación neuronal en respuesta a diversos estímulos somatosensoriales⁵y la exploración de la activación neuronal en diversos estímulos cognitivos, como las tareas visuales^6,las tareas^{mentales 7}e incluso la producción de herramientas^8.

Aunque fTCD ofrece varias ventajas para su uso en imágenes funcionales, incluido el bajo costo del equipo, la portabilidad y la seguridad mejorada (en comparación con la prueba^{Wada 3} o las tomografías por emisión de positrones [PET]), la operación de una máquina TCD requiere habilidades obtenidas por la práctica. Algunas de estas habilidades, que deben ser aprendidas por un operador de TCD, incluyen la capacidad de identificar varias arterias cerebrales y las habilidades motoras necesarias para manipular con precisión la sonda de ultrasonido durante la búsqueda de la arteria relevante. El objetivo de este artículo de Métodos es presentar una técnica para usar fTCD para realizar un experimento de imagen funcional. En primer lugar, se enumerarán los pasos básicos para identificar y optimizar la señal del MCA, que perfunde el 80% del hemisferio cerebral^9. A continuación, se describirá la colocación de un dispositivo de fijación para mantener la sonda TCD en su lugar durante el experimento. Finalmente, se describirá el experimento de retención de la respiración, que es un ejemplo de un experimento de imágenes funcionales utilizando fTCD, y se mostrarán resultados representativos.

Protocolo

Toda la investigación en sujetos humanos se realizó de acuerdo con la Junta de Revisión Institucional de la Universidad de Nebraska-Lincoln, y se obtuvo el consentimiento informado de todos los sujetos.

1. Localización de la señal MCA mediante TCD a mano alzada

NOTA: TCD "a mano alzada" se refiere a la operación de TCD con un transductor de mano para encontrar una señal CBFV antes de comenzar un experimento fTCD.

1. Configuración de parámetros TCD
   1. Mantenga la potencia en un valor razonablemente alto (por ejemplo, 400 mW) durante la búsqueda inicial del MCA. Una vez que se encuentre la señal MCA, reduzca la potencia tanto como sea posible mientras mantiene una señal "buena" (consulte el paso 2.2.7).
      NOTA: El uso de una potencia razonablemente alta durante la búsqueda inicial no viola el principio de exposición a la radiación acústica "Tan bajo como sea razonablemente alcanzable" (ALARA) porque una mayor potencia permitirá que la señal MCA se descubra más rápidamente¹⁰.
   2. Establezca el volumen de muestra en 8–12 mm durante la búsqueda inicial de la señal MCA. Si la señal es difícil de encontrar, aumente el tamaño de la puerta para aumentar la intensidad de la señal, pero tenga en cuenta que esto puede incorporar la señal de una o más arterias cercanas a la señal del MCA.
   3. Establezca la ganancia en un nivel medio, con el objetivo de "mantener el ruido de fondo al mínimo, pero presente"¹⁰.
   4. Establezca el límite del filtro de paso alto (normalmente denominado "umbral") en 50–150 Hz.
   5. Si el sujeto es un adulto, establezca la profundidad en 50 mm, que es la profundidad media del punto medio del segmento M1 del MCA¹⁰ (Figura 1).
      NOTA: Esta configuración se discutirá con más detalle en los pasos siguientes. La configuración de profundidad para los niños se indica en la Tabla 1.

Figura 1: Representación del círculo de Willis y las arterias principales del sistema circulatorio cerebral. La bifurcación del ICA en el ACA y el MCA está marcada con un círculo negro. Se muestra el segmento M1 del MCA. Esta cifra ha sido modificada de²⁴. Abreviaturas: ACA = arteria cerebral anterior; Bif. = bifurcación; ICA = arteria carótida interna; MCA = arteria cerebral media. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Localización de la ventana temporal
   NOTA: La ventana temporal, también llamada ventana acústica transtemporal, es una parte del cráneo donde el hueso es más delgado^11,lo que permite la transmisión de energía de ultrasonido de baja frecuencia a través del cráneo(Figura 2).
   1. Para bebés y niños pequeños, ubique la ventana temporal justo en frente de la oreja (el "espacio intertragal") y por encima del borde rostral del arco cigomático, que se puede sentir fácilmente debajo de la piel.
   2. Para adolescentes y adultos jóvenes, ubique la ventana temporal a través de cualquiera de las subventanas.
      NOTA: La subventana posterior generalmente proporciona la mejor señal(Figura 2).
   3. Para los adultos de 30 años o más, ubique la ventana temporal justo en frente de la oreja.
      NOTA: La ventana acústica disminuye de tamaño a medida que las personas envejecen debido al aumento de la porosidad del hueso del cráneo, lo que hace que algunas personas mayores tengan una ventana temporal muy limitada¹². En tales individuos, la insonación bilateral del MCA a veces es imposible.

Figura 2: La ventana transtemporal (marcada por la elipse discontinua), el arco cigomático (flecha) y las subventanas¹¹. (A) Subventana frontal. (B) Subventana anterior. (C) Subventana media. (D) Subventana posterior. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. Aplicación del transductor
   1. Aplique suficiente gel de ultrasonido para cubrir la superficie del transductor.
      NOTA: Cuando se coloca en la cabeza, el gel debe cubrir suficiente espacio para mantener un sello entre el cuero cabelludo y la superficie de la sonda Doppler, evitando así la interrupción de la señal del acoplamiento de aire debajo de la superficie de la sonda.
   2. Alerte al sujeto de que el gel puede sentirse frío (si está a temperatura ambiente).
   3. Coloque el transductor en la ventana temporal, que se encontraba en la sección 1.2.
4. Buscando el MCA
   1. Después de colocar el transductor en el cuero cabelludo, busque la señal MCA, que generalmente se ubicará ligeramente anterior (hacia adelante) y rostral (hacia la cabeza) desde la ubicación de la colocación inicial del transductor del cuero cabelludo¹⁰.
   2. Si la señal espectral TCD no es inmediatamente obvia, ajuste el ángulo del transductor mientras lo mantiene en la misma ubicación en relación con el cuero cabelludo. Incline lentamente la sonda de rostral a caudal (hacia los pies) y de posterior a anterior.
      NOTA: La Figura 3 muestra dos espectros tomados de la misma posición, pero en ángulos diferentes.
   3. Si una señal sigue ausente después de realizar el paso 1.4.2, compruebe el flujo en la pantalla de modo M a color en el MCA a diferentes profundidades (indicado por la coloración roja). Incremente o disminuye la profundidad de la señal en pasos de 5 mm y busque como se describe en el paso 1.4.2. Si el flujo es visible en el modo M pero no en el espectro Doppler, aumente o disminuya la profundidad hasta que la señal de flujo sea visible en el espectro Doppler.
   4. Si aún no se obtiene una señal satisfactoria, mueva el transductor a una posición cercana en el cuero cabelludo, que es ligeramente más anterior, y repita los pasos 1.4.1–1.4.3.
   5. Cuando se obtiene una señal MCA óptima, anote la profundidad y la velocidad máxima.
   6. Usando una pluma de maquillaje lavable, coloque una marca en el cuero cabelludo (parte traza del borde del transductor) donde se encontró la señal óptima.

Figura 3:Muestra de espectros Doppler e imágenes en modo M desde el punto medio del segmento M1 del MCA. (A) Espectro tomado justo después de aplicar el transductor a la ventana temporal, justo en frente de la oreja. (B) Muestreo del espectro Doppler en la misma ubicación y profundidad que (A). El único cambio es que el transductor se ha inclinado ligeramente hacia arriba (superiormente). Tanto en (A) como en (B), profundidad = 50 mm, ganancia = 50, volumen de muestra = 12 mm, potencia = 420 mW/cm²y filtro = 100 Hz. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

5. Buscando la bifurcación
   NOTA: Encontrar la bifurcación de la arteria carótida interna (ICA) es importante para ayudar a confirmar que el MCA es la arteria que se está monitoreando. Este paso debe realizarse en ambos lados si se realiza un monitoreo bilateral, ya que la bifurcación puede no estar a la misma profundidad en ambos lados.
   1. Aumentar la profundidad hasta que se adice la señal de la bifurcación del ICA en el MCA y ACA(Figura 4),típicamente a una profundidad de 51–65 mm¹⁰.
   2. Búsqueda de la señal espectral de bifurcación óptima mediante el procedimiento descrito en el paso 1.4.2. Esfuércese siempre por obtener la señal espectral de mayor velocidad posible¹⁰.
   3. Cuando se obtiene una señal de bifurcación óptima, observe la profundidad de la bifurcación.
   4. Para la monitorización bilateral, repita las secciones 1.1–1.4 y los pasos 1.5.1–1.5.3 en el otro lado de la cabeza.

Figura 4: Imagen Doppler espectral (arriba) y modo M (abajo) de bifurcación del ICA en el MCA y ACA. Profundidad = 65 mm, ganancia = 50, volumen de muestra = 12 mm, potencia = 420 mW/cm²y filtro = 100 Hz. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Reubicación del MCA después de colocar un dispositivo de fijación

NOTA: Para los experimentos fTCD, es necesario monitorear CBFV durante 10-90 minutos o más. Por lo tanto, un dispositivo de fijación(Figura 5)es crucial para proporcionar estabilidad.

1. Colocación del dispositivo de fijación
   1. Mediante inspección visual, ajuste el dispositivo de fijación(Figura 5)al tamaño aproximado de la cabeza del sujeto.
   2. Alerte al sujeto antes de colocarse el auricular en la cabeza. Coloque el auricular en la cabeza del sujeto.
      NOTA: Si el sujeto tiene el cabello largo o grueso, puede ser necesario atar el cabello del sujeto hacia atrás, dependiendo del dispositivo de fijación que se esté utilizando.
   3. Ajuste el ajuste del dispositivo de fijación y pregúntele al sujeto si el dispositivo está demasiado apretado.
      NOTA: El dispositivo debe estar lo suficientemente apretado como para que no se mueva cuando se golpea ligeramente, pero lo suficientemente suelto como para que el sujeto no se sienta incómodo.

Figura 5: Sujeto que lleva un dispositivo de fijación personalizado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Localización de la señal MCA
   1. Afloje el mecanismo del dispositivo de fijación que mantiene el transductor en su lugar (por ejemplo, afloje el mecanismo, que se muestra en la Figura 5,girando una perilla en sentido contrario a las agujas del reloj) para que el transductor pueda moverse libremente.
   2. Avise al sujeto antes de aplicar gel a los transductores (que ya deben estar en su lugar de la sección 2.1), y que el gel puede estar frío (si se ha almacenado a temperatura ambiente).
   3. Aplique suficiente gel de ultrasonido al transductor para cubrir la cara del transductor.
   4. Ajuste el dispositivo de fijación para que el transductor se ubuzca sobre la parte superior de la marca realizada en el paso 1.4.6.
   5. Busque la señal espectral MCA óptima utilizando el procedimiento descrito en los pasos 1.4.1–1.4.3. Esfuércese siempre por obtener la señal espectral de mayor velocidad posible¹⁰.
      NOTA: En comparación con la TCD a mano alzada, la profundidad óptima a la que se encuentra el MCA utilizando el dispositivo de fijación puede diferir ligeramente (como máximo 1-2 mm) de la profundidad del dispositivo a mano alzada. Esto se debe a que el dispositivo de fijación puede mantener el transductor un poco más lejos del cuero cabelludo mientras mantiene un sello de gel de acoplamiento.
   6. Cuando se encuentre la señal espectral MCA óptima, apriete el mecanismo del dispositivo de fijación para bloquear el transductor en su lugar. Tenga en cuenta la profundidad y todas las demás configuraciones.
   7. Disminuya la potencia (consulte el paso 1.1.1) tanto como sea posible mientras mantiene una envoltura espectral que traza la velocidad máxima con precisión.
   8. Para el monitoreo bilateral,repita los pasos 2.2.1–2.2.7 en el otro lado.

3. Realizar una maniobra de retención de la respiración

NOTA: Esta sección se proporciona como ejemplo de un experimento funcional que se puede realizar utilizando la configuración experimental descrita en las secciones 1 y 2.

1. Realice todos los pasos descritos en las secciones 1 y 2.
2. Comience a grabar en el software TCD.
3. Respire normalmente durante 3 minutos para lograr un buen registro de referencia y permita que CBFV se estabilice a partir de cualquier experimento o estímulo anterior.
4. Cuenta a poco desde tres. En la cuenta de uno, pídale al sujeto que comience a contener la respiración siguiendo una inspiración normal¹³.
   NOTA: El sujeto no debe inhalar profundamente, ya que esto disminuiría el dióxido de carbono en los pulmones y disminuiría la probabilidad de observar el aumento de CBFV debido a la reactividad cerebrovascular. El sujeto también debe evitar realizar una maniobra de Valsalva, en la que la presión intratorácica se incrementa sustancialmente contra una inspiración sostenida¹⁴.
5. Coloque un marcador en la grabación de TCD para indicar el inicio de la contención de la respiración.
6. Haga que el sujeto contenga la respiración durante 30 s, o hasta que ya no se sienta cómodo conteniendo la respiración.
7. Cuando el sujeto inhala, coloque un marcador en la grabación de TCD para indicar el final de la contención de la respiración.
8. Continúe monitoreando CBFV usando TCD y registrando durante al menos 30 s después del final de la contención de la respiración para asegurarse de que CBFV regrese a los valores de referencia.

Resultados

La Figura 3 muestra espectros Doppler de muestra y modos M de color desde el punto medio del segmento M1 del MCA. Figura 3A,B se tomaron en la misma posición en el cuero cabelludo, pero en diferentes ángulos. Observe cómo un cambio muy pequeño en el ángulo, sin cambiar la posición de contacto en el cuero cabelludo,puede mejorar en gran medida la intensidad de la señal Doppler, como lo demuestra la coloración amarilla de mayor in...

Discusión

Los pasos críticos en el protocolo incluyen 1) encontrar el MCA, 2) colocar la diadema y 3) realizar la maniobra de contención de la respiración.

Las modificaciones pueden ser necesarias dependiendo de los sujetos en el estudio. Por ejemplo, los sujetos con enfermedad de Alzheimer pueden tener dificultades para seguir las instrucciones, lo que requiere el uso de un capnógrafo para garantizar el cumplimiento de las instrucciones de contención de la respira...

Materiales

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