Échographie Doppler transcrânienne fonctionnelle pour la surveillance du flux sanguin cérébral

Résumé

L’échographie Doppler transcrânienne fonctionnelle complète d’autres modalités d’imagerie fonctionnelle, avec sa mesure à haute résolution temporelle des changements induits par le stimulus dans le flux sanguin cérébral dans les artères cérébrales basales. Cet article sur les méthodes donne des instructions étape par étape pour l’utilisation de l’échographie Doppler transcrânienne fonctionnelle pour effectuer une expérience d’imagerie fonctionnelle.

Résumé

L’échographie Doppler transcrânienne fonctionnelle (dtst partie) est l’utilisation de l’échographie Doppler transcrânienne (TCD) pour étudier l’activation neuronale se produisant lors de stimuli tels que le mouvement physique, l’activation de capteurs tactiles dans la peau et la visualisation d’images. L’activation neuronale est déduite d’une augmentation de la vitesse du flux sanguin cérébral (CBFV) alimentant la région du cerveau impliquée dans le traitement de l’entrée sensorielle. Par exemple, la visualisation de la lumière vive provoque une augmentation de l’activité neuronale dans le lobe occipital du cortex cérébral, entraînant une augmentation du flux sanguin dans l’artère cérébrale postérieure, qui alimente le lobe occipital. Dans la dts fTCD, les changements dans le CBFV sont utilisés pour estimer les changements dans le flux sanguin cérébral (CBF).

Avec sa mesure à haute résolution temporelle des vitesses du flux sanguin dans les principales artères cérébrales, la dts fTCD complète d’autres techniques d’imagerie fonctionnelle établies. L’objectif de cet article sur les méthodes est de donner des instructions étape par étape pour l’utilisation de la dts fTCD pour effectuer une expérience d’imagerie fonctionnelle. Tout d’abord, les étapes de base pour identifier l’artère cérébrale moyenne (MCA) et optimiser le signal seront décrites. Ensuite, le placement d’un dispositif de fixation pour maintenir la sonde TCD en place pendant l’expérience sera décrit. Enfin, l’expérience de maintien de la respiration, qui est un exemple spécifique d’expérience d’imagerie fonctionnelle utilisant la dts fTCD, sera démontrée.

Introduction

Dans la recherche en neurosciences, il est souvent souhaitable de surveiller l’activité cérébrale en temps réel de manière non invasive dans divers environnements. Cependant, les modalités conventionnelles de neuroimagerie fonctionnelle ont des limites qui entravent la capacité de capturer des changements d’activité localisés et / ou rapides. La résolution temporelle réelle (non agitée, non rétrospective) de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est actuellement de l’ordre de quelques secondes¹, qui peut ne pas capturer les changements hémodynamiques transitoires liés à l’activation neuronale transitoire. Dans un autre exemple, bien que la spectroscopie fonctionnelle dans le proche infrarouge (fNIRS) ait une résolution temporelle élevée (millisecondes) et une résolution spatiale raisonnable, elle ne peut sonder que les changements hémodynamiques dans le cortex cérébral et ne peut pas fournir d’informations sur les changements qui se produisent dans les grandes artères alimentant le cerveau.

En revanche, la dts fTC – classée comme une modalité de neuroimagerie – « imagerie » fait référence aux dimensions du temps et de l’espace, plutôt qu’à deux directions spatiales orthogonales qui sont plus familières dans une « image ». La dts fTCD fournit des informations complémentaires à d’autres modalités de neuroimagerie en mesurant les changements hémodynamiques à haute résolution temporelle (généralement 10 ms) à des endroits précis dans les vaisseaux de la circulation cérébrale basale. Comme avec d’autres modalités de neuroimagerie, la dts fTCD peut être utilisée pour une variété d’expériences telles que l’étude de la latéralisation de l’activation cérébrale pendant les tâches liées au langage^2,3,4, l’étude de l’activation neuronale en réponse à divers stimuli somatosensoriels⁵, et l’exploration de l’activation neuronale dans divers stimuli cognitifs tels que les tâches visuelles⁶, les tâches^{mentales 7}, et même la production d’outils⁸.

Bien que la dts fTCD offre plusieurs avantages pour une utilisation en imagerie fonctionnelle, notamment le faible coût de l’équipement, la portabilité et une sécurité accrue (par rapport au test Wada³ ou à la tomographie par émission de positons [TEP]), le fonctionnement d’un appareil TCD nécessite des compétences acquises par la pratique. Certaines de ces compétences, qui doivent être apprises par un opérateur TCD, comprennent la capacité d’identifier diverses artères cérébrales et les habiletés motrices nécessaires pour manipuler avec précision la sonde à ultrasons lors de la recherche de l’artère concernée. L’objectif de cet article sur les méthodes est de présenter une technique d’utilisation de la dts fTC pour effectuer une expérience d’imagerie fonctionnelle. Tout d’abord, les étapes de base pour identifier et optimiser le signal du MCA, qui perfuse 80% de l’hémisphère cérébral⁹, seront répertoriées. Ensuite, le placement d’un dispositif de fixation pour maintenir la sonde TCD en place pendant l’expérience sera décrit. Enfin, l’expérience de maintien de la respiration, qui est un exemple d’expérience d’imagerie fonctionnelle utilisant la dts fTCD, sera décrite et des résultats représentatifs seront présentés.

Protocole

Toutes les recherches sur des sujets humains ont été effectuées conformément au Comité d’examen institutionnel de l’Université du Nebraska-Lincoln, et le consentement éclairé a été obtenu de tous les sujets.

1. Localisation du signal MCA par TCD à main levée

REMARQUE: TcD « à main levée » fait référence au fonctionnement du TCD avec un transducteur portable pour trouver un signal CBFV avant de commencer une expérience fTCD.

1. Définition des paramètres TCD
   1. Maintenez la puissance à une valeur raisonnablement élevée (p. ex., 400 mW) pendant la recherche initiale du MCA. Une fois le signal MCA localisé, réduisez la puissance autant que possible tout en maintenant un « bon » signal (voir étape 2.2.7).
      REMARQUE: L’utilisation d’une puissance raisonnablement élevée lors de la recherche initiale ne viole pas le principe ALARA (As Low As Reasonably Achievable) de l’exposition au rayonnement acoustique, car une puissance plus élevée permettra de découvrir le signal MCA plus rapidement¹⁰.
   2. Réglez le volume de l’échantillon sur 8–12 mm lors de la recherche initiale du signal MCA. Si le signal est difficile à trouver, augmentez la taille de la porte pour augmenter l’intensité du signal, mais notez que cela peut incorporer le signal d’une ou plusieurs artères voisines dans le signal du MCA.
   3. Réglez le gain à un niveau moyen, dans le but de « garder le bruit de fond au minimum, mais présent »¹⁰.
   4. Réglez la coupure du filtre passe-haut (normalement appelée « seuil ») sur 50 à 150 Hz.
   5. Si le sujet est un adulte, réglez la profondeur sur 50 mm, qui est la profondeur moyenne du point médian du segment M1 du MCA¹⁰ (Figure 1).
      REMARQUE : Ce paramètre sera abordé plus en détail dans les étapes suivantes. Les paramètres de profondeur pour les enfants sont donnés dans le tableau 1.

Figure 1: Représentation du cercle de Willis et des principales artères du système circulatoire cérébral. La bifurcation de l’ICA en ACA et MCA est marquée d’un cercle noir. Le segment M1 du MCA est montré. Ce chiffre a été modifié à partir de²⁴. Abréviations : ACA = artère cérébrale antérieure; Bif. = bifurcation; ICA = artère carotide interne; MCA = artère cérébrale moyenne. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

2. Localisation de la fenêtre temporelle
   REMARQUE: La fenêtre temporale, également appelée fenêtre acoustique transtemporale, est une partie du crâne où l’os est le plus mince¹¹, permettant ainsi la transmission de l’énergie ultrasonore basse fréquence à travers le crâne (Figure 2).
   1. Pour les nourrissons et les jeunes enfants, localisez la fenêtre temporale juste devant l’oreille (l'«espace intertragal ») et au-dessus du bord rostral de l’arc zygomatique, qui peut être facilement ressenti sous la peau.
   2. Pour les adolescents et les jeunes adultes, localisez la fenêtre temporelle via l’une des sous-fenêtres.
      REMARQUE: La sous-fenêtre postérieure fournit généralement le meilleur signal (Figure 2).
   3. Pour les adultes âgés de 30 ans ou plus, localisez la fenêtre temporale juste devant l’oreille.
      REMARQUE: La fenêtre acoustique diminue en taille à mesure que les gens vieillissent en raison de l’augmentation de la porosité de l’os du crâne, ce qui fait que certaines personnes âgées ont une fenêtre temporelle très limitée¹². Chez de telles personnes, l’insonation bilatérale du MCA est parfois impossible.

Figure 2: La fenêtre transtemporelle (marquée par l’ellipse pointillée), l’arc zygomatique (flèche) et les sous-fenêtres¹¹. (A) Sous-fenêtre frontale. (B) Sous-fenêtre antérieure. (C) Sous-fenêtre centrale. (D) Sous-fenêtre postérieure. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

3. Application du transducteur
   1. Appliquez suffisamment de gel à ultrasons pour couvrir la surface du transducteur.
      REMARQUE: Lorsqu’il est placé sur la tête, le gel doit couvrir suffisamment d’espace pour maintenir une étanchéité entre le cuir chevelu et la surface de la sonde Doppler, empêchant ainsi l’interruption du signal du couplage d’air sous la surface de la sonde.
   2. Avertissez le sujet que le gel peut être froid (s’il est à température ambiante).
   3. Placez le transducteur sur la fenêtre temporelle, qui se trouvait à la section 1.2.
4. Recherche du MCA
   1. Après avoir placé le transducteur sur le cuir chevelu, recherchez le signal MCA, qui sera généralement situé légèrement antérieur (vers l’avant) et rostral (vers la tête) à partir de l’emplacement du placement initial du cuir chevelu du transducteur¹⁰.
   2. Si le signal spectral TCD n’est pas immédiatement évident, ajustez l’angle du transducteur tout en le gardant au même endroit par rapport au cuir chevelu. Inclinez lentement la sonde du rostral au caudal (vers les pieds) et postérieur à antérieur.
      REMARQUE : La figure 3 montre deux spectres pris à partir de la même position, mais sous des angles différents.
   3. Si un signal est toujours absent après avoir effectué l’étape 1.4.2, vérifiez l’affichage couleur en mode M pour le flux dans le MCA à différentes profondeurs (indiqué par une coloration rouge). Incrémentez ou décrémentez la profondeur du signal par pas de 5 mm et recherchez comme décrit à l’étape 1.4.2. Si l’écoulement est visible en mode M mais pas dans le spectre Doppler, augmentez ou diminuez la profondeur jusqu’à ce que le signal d’écoulement soit visible dans le spectre Doppler.
   4. Si un signal satisfaisant n’est toujours pas obtenu, déplacez le transducteur à une position proche sur le cuir chevelu, qui est légèrement plus antérieure, et répétez les étapes 1.4.1 à 1.4.3.
   5. Lorsqu’un signal MCA optimal est obtenu, notez la profondeur et la vitesse maximale.
   6. À l’aide d’un stylo de maquillage lavable, placez une marque sur le cuir chevelu (partie trace du bord du transducteur) où le signal optimal a été trouvé.

Figure 3: Échantillon de spectres Doppler et d’images en mode M à partir du point médian du segment M1 du MCA. (A) Spectre pris juste après l’application du transducteur sur la fenêtre temporelle, juste devant l’oreille. (B) Échantillonner le spectre Doppler au même endroit et à la même profondeur que (A). Le seul changement est que le transducteur a été légèrement incliné vers le haut (de manière supérieure). Dans les deux (A) et (B), profondeur = 50 mm, gain = 50, volume de l’échantillon = 12 mm, puissance = 420 mW/cm²et filtre = 100 Hz. Veuillez cliquer ici pour afficher une version plus grande de cette figure.

5. À la recherche de la bifurcation
   REMARQUE: Trouver la bifurcation de l’artère carotide interne (ICA) est important pour aider à confirmer que le MCA est l’artère surveillée. Cette étape doit être effectuée des deux côtés si une surveillance bilatérale est effectuée, car la bifurcation peut ne pas être à la même profondeur des deux côtés.
   1. Augmenter la profondeur jusqu’à ce que le signal de la bifurcation de l’ICA dans le MCA et l’ACA soit noté(Figure 4),généralement à une profondeur de 51–65 mm¹⁰.
   2. Rechercher le signal spectral de bifurcation optimal à l’aide de la procédure décrite à l’étape 1.4.2. Efforcez-vous toujours d’obtenir le signal spectral le plus rapide possible¹⁰.
   3. Lorsqu’un signal de bifurcation optimal est obtenu, notez la profondeur de la bifurcation.
   4. Pour la surveillance bilatérale, répétez les sections 1.1 à 1.4 et les étapes 1.5.1 à 1.5.3 de l’autre côté de la tête.

Figure 4: Image spectrale Doppler (en haut) et en mode M (en bas) de la bifurcation de l’ICA dans le MCA et l’ACA. Profondeur = 65 mm, gain = 50, volume de l’échantillon = 12 mm, puissance = 420 mW/cm²et filtre = 100 Hz. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

2. Déplacement du MCA après avoir placé un dispositif de fixation

REMARQUE: Pour les expériences fTCD, il est nécessaire de surveiller le CBFV pendant 10 à 90 minutes ou plus. Par conséquent, un dispositif de fixation(Figure 5)est crucial pour assurer la stabilité.

1. Placer le dispositif de fixation
   1. Par inspection visuelle, ajustez le dispositif de fixation(Figure 5)à la taille approximative de la tête du sujet.
   2. Alertez le sujet avant de placer le casque sur sa tête. Placez le casque sur la tête du sujet.
      REMARQUE: Si le sujet a les cheveux longs ou épais, il peut être nécessaire d’attacher les cheveux du sujet en arrière, en fonction du dispositif de fixation utilisé.
   3. Ajustez l’ajustement du dispositif de fixation et demandez au sujet si l’appareil est trop serré.
      REMARQUE: L’appareil doit être suffisamment serré pour ne pas bouger lorsqu’il est légèrement heurté, mais suffisamment lâche pour que le sujet ne soit pas inconfortable.

Figure 5: Sujet portant un dispositif de fixation personnalisé. Veuillez cliquer ici pour afficher une version agrandie de cette figure.

2. Localisation du signal MCA
   1. Desserrez le mécanisme du dispositif de fixation qui maintient le transducteur en place (par exemple, desserrez le mécanisme, illustré à la figure 5, en tournant un bouton dans le sens inverse des aiguilles d’une montre) afin que le transducteur puisse se déplacer librement.
   2. Avertissez le sujet avant d’appliquer le gel sur les transducteurs (qui doivent déjà être en place à partir de la rubrique 2.1), et que le gel peut être froid (s’il a été conservé à température ambiante).
   3. Appliquez suffisamment de gel à ultrasons sur le transducteur pour couvrir la face du transducteur.
   4. Réglez le dispositif de fixation de manière à ce que le transducteur soit situé au-dessus de la marque faite à l’étape 1.4.6.
   5. Recherchez le signal spectral MCA optimal à l’aide de la procédure décrite aux étapes 1.4.1 à 1.4.3. Efforcez-vous toujours d’obtenir le signal spectral le plus rapide possible¹⁰.
      REMARQUE: Par rapport au TCD à main levée, la profondeur optimale à laquelle le MCA est situé à l’aide du dispositif de fixation peut différer légèrement (au plus 1 à 2 mm) de la profondeur du dispositif à main levée. En effet, le dispositif de fixation peut maintenir le transducteur légèrement plus loin du cuir chevelu tout en maintenant un joint de gel de couplage.
   6. Lorsque le signal spectral MCA optimal est trouvé, serrez le mécanisme du dispositif de fixation pour verrouiller le transducteur en place. Notez la profondeur et tous les autres paramètres.
   7. Diminuez la puissance (voir étape 1.1.1) autant que possible tout en maintenant une enveloppe spectrale qui trace la vitesse maximale avec précision.
   8. Pour la surveillance bilatérale,répétez les étapes 2.2.1 à 2.2.7 de l’autre côté.

3. Effectuer une manœuvre de maintien de la respiration

REMARQUE : Cette section est donnée à titre d’exemple d’expérience fonctionnelle qui peut être effectuée à l’aide de la configuration expérimentale décrite dans les sections 1 et 2.

1. Effectuez toutes les étapes décrites dans les sections 1 et 2.
2. Commencez l’enregistrement sur le logiciel TCD.
3. Respirez normalement pendant 3 minutes pour obtenir un bon enregistrement de base et permettre au CBFV de se stabiliser à partir de toute expérience ou stimulation précédente.
4. Compte à rebours lentement à partir de trois. Sur le compte d’un, demandez au sujet de commencer à retenir son souffle en suivant une inspiration normale¹³.
   REMARQUE: Le sujet ne doit pas inhaler profondément, car cela diminuerait le dioxyde de carbone dans les poumons et diminuerait la probabilité d’observer l’augmentation du CBFV due à la réactivité cérébrovasculaire. Le sujet doit également éviter d’effectuer une manœuvre de Valsalva, dans laquelle la pression intrathoracique est considérablement augmentée contre une inspiration retenue¹⁴.
5. Placez un marqueur dans l’enregistrement TCD pour signifier le début de la rétention de la respiration.
6. Demandez au sujet de retenir son souffle pendant 30 s, ou jusqu’à ce qu’il ne soit plus à l’aise de retenir son souffle.
7. Lorsque le sujet inspire, placez un marqueur dans l’enregistrement TCD pour signifier la fin de la rétention de la respiration.
8. Continuer à surveiller le CBFV à l’aide de la TCD et à enregistrer pendant au moins 30 s après la fin de la rétention de l’haleine pour s’assurer que le CBFV revient aux valeurs de référence.

Résultats

La figure 3 montre des échantillons de spectres Doppler et de modes M de couleur à partir du point médian du segment M1 du MCA. Figure 3A,B ont été prises à la même position sur le cuir chevelu, mais sous des angles différents. Notez comment un très petit changement d’angle, sans changer la position de contact sur le cuir chevelu,peut grandement améliorer la force du signal Doppler, comme le montre la coloration jaune de plu...

Discussion

Les étapes critiques du protocole comprennent 1) la recherche du MCA, 2) le placement du bandeau et 3) l’exécution de la manœuvre de maintien de la respiration.

Des modifications peuvent être nécessaires en fonction des sujets de l’étude. Par exemple, les sujets atteints de la maladie d’Alzheimer peuvent avoir de la difficulté à suivre les instructions, ce qui nécessite l’utilisation d’un capnographe pour assurer le respect des instructions ...

matériels

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