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요약

여기에 제시된 프로토콜은 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)을 사용하여 인간의 뇌혈관 반응성을 이미징하고 측정하기 위한 프로토콜입니다. fNIRS는 특정 자극에 따라 뇌의 가장 바깥쪽 피질에 있는 헤모글로빈 종의 농도 변화를 포착하는 새로운 이미징 방식입니다.

초록

뇌혈관 반응성(CVR)은 뇌 혈관이 화학적 또는 물리적 자극에 반응하여 뇌 혈류(확장 또는 수축)를 변경하는 능력입니다. 대뇌 미세혈관구조에서의 반응성의 양은 커패시턴스 혈관구조의 무결성에 따라 달라지며 내피 세포의 주요 기능입니다. 따라서 CVR은 미세혈관 구조의 생리학 및 전반적인 건강을 나타내는 지표입니다. CVR을 측정할 수 있는 이미징 방법을 사용할 수 있지만 비용이 많이 들고 자기 공명 이미징 센터와 기술 전문 지식이 필요할 수 있습니다. 본 연구에서는 fNIRS 기술을 사용하여 대뇌 미세혈관 구조에서 옥시헤모글로빈(HbO)과 디옥시헤모글로빈(HbR)의 변화를 모니터링하여 혈관 활성 자극(5% 이산화탄소 또는 CO2 흡입)에 대한 반응으로 15가지 건강한 대조군(HC)의 CVR을 평가했습니다. 본 연구의 결과는 이 기술이 외상성 뇌 손상 또는 대뇌 미세혈관병증과 관련된 기타 상태로 인한 피질 CVR 및 관련 미세혈관 기능을 매핑하는 비침습적이고 정확하며 휴대 가능하고 비용 효율적인 방법을 제공하는 유망한 이미징 기술임을 시사합니다.

서문

대뇌 피질의 혈관 건강은 다양한 생리학적 조건에서 혈관이 수축하거나 팽창하는 능력을 통해 측정할 수 있습니다. 혈관 반응성을 측정하는 것은 치매, 외상성 뇌 손상(TBI) 및 노화와 같은 대뇌 미세혈관 기능 장애와 관련된 신경학적 상태의 진단 및 관리에 유용할 수 있습니다 1,2,3,4. 또한 CVR은 알츠하이머병5 또는 TBI 6,7,8,9,10과 같은 신경 질환에 대한 예측 및/또는 약력학적 바이오마커로 사용할 수 있습니다. 인간과 동물을 대상으로 한 CVR을 연구하기 위해 잘 확립된 이미징 방법이 존재합니다. 일반적인 방법에는 hypercapnia11, breath hold 또는 acetazolamide2와 같은 외인성 또는 내인성 자극과 함께 기능적 자기 공명 영상(fMRI)이 포함됩니다. Lu 등12,13은 MRI-BOLD(Blood Oxygen Level Dependent) 영상과 결합된 간단한 가스 전달 시스템이 정확한 전뇌 CVR 지도를 생성한다는 것을 입증했습니다.

대뇌 혈관 구조의 혈류, 부피 및 산소 대사 속도에 대한 중단은 HbO 및 HbR의 조직 농도에 변화를 일으킵니다. 근적외선 범위에서 빛의 조직 흡수는 HbO 및 HbR과 같은 헤모글로빈 종의 농도 변화에 민감합니다. 따라서 시간 경과에 따른 후방 산란광을 측정하면 가장 바깥쪽 피질(약 2cm)15에서 HbO 및 HbR 농도의 변화를 정량화할 수 있으며15 뇌혈관 반응성(CVR)17을 포함한 시간적 혈류역학적 변화16를 평가하는 데 사용할 수 있습니다.

우리의 연구 패러다임에서는 연속파 기능이 있는 fNIRS 기기를 사용합니다. 이 장치는 4개의 소스와 10개의 검출기로 구성되며, 16개의 소스-검출기 쌍을 생성합니다( 그림 1 참조). 소스 검출기 쌍은 이마에 쉽게 고정할 수 있고 자체 접착 랩으로 제자리에 고정할 수 있는 실리콘 스트랩에 함께 성형됩니다. 이 장치는 730 및 850nm에서 광도를 측정하며 획득 주파수는 2Hz입니다. 이 시스템은 환자 친화적이고 착용하기 쉬우며 TBI에 특히 취약한 뇌 영역인 전전두엽 피질에서 데이터를 수집하기 때문에 선택되었습니다. 다행히도 대부분의 다른 fNIRS 시스템은 당사의 CVR 수집 기술과 호환되며, 관심 있는 뇌 영역을 기반으로 측정된 피질 영역에서만 차이가 있습니다.

fMRI는 기능적 뇌 영상의 황금 표준으로 간주되지만, fNIRS 기술은 fMRI에 비해 CVR을 평가하는 데 있어 고유한 이점이 있습니다. fNIRS 이미징 기술은 높은 시간 해상도(밀리초 단위)를 제공하고 HbO 및 HbR 농도의 변화를 정량화할 수 있는 반면, fMRI는 HbR 18,19,20의 변화만 측정합니다. 또한 fNIRS 기기는 휴대가 간편하고 경제적이며 fMRI보다 작동이 쉽습니다. 마지막으로, fNIRS 기술은 피험자의 움직임을 더 잘 해결하는데, 이는 고탄산증과 같은 혈관 문제가 종종 인지적 또는 신체적 연구 과제와 함께 사용된다는 점을 감안할 때 필요하다21.

본 논문에서는 fNIRS 기술과 결합된 고탄산증 챌린지를 제시합니다. CVR 값을 측정하고 이 방법의 재현성을 연구하여 fMRI CVR 측정에 대한 신뢰할 수 있는 대안을 제공하고자 했습니다.

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프로토콜

참가자는 기관 검토 위원회가 승인한 프로토콜(ClinicalTrials.gov NCT01789164)에 따라 모집되었습니다. 프로토콜에 설명된 장비는 우리 기관에서 윤리적으로 승인한 것입니다.

1. 하이퍼카프니아 챌린지에 사용되는 재료 준비(그림 2)

  1. 200% 이산화탄소, 1% 산소 및 5% 질소로 구성된 의료용 가스가 미리 혼합된 용기로 21L Douglas 가방(항목 #74)을 가득 찰 때까지 팽창시킵니다.
  2. 두 개의 다이어프램(항목 #3)을 양방향 비재호흡 밸브(항목 #4)에 삽입하여 가스가 한 방향으로만 흐르도록 합니다. 가스 전달 튜브(항목 #2)를 통해 Douglas 백(항목 #1)에 3방향 밸브(항목 #5)의 한 포트를 연결하고 두 번째 가스 전달 튜브(항목 #4)를 통해 양방향 비재호흡 밸브(항목 #5)에 연결합니다.
  3. 마우스피스(항목 #6)를 커넥터(항목 #7)에 고정한 다음 커넥터를 양방향 비재호흡 밸브(항목 #4)에 고정합니다.
  4. 캡노그래프 튜브(항목 #8)를 커넥터(항목 #7)의 구멍에 삽입합니다.
  5. 에어 필터(항목 #9)를 캡노그래프 튜브(항목 #8)에 부착합니다.
  6. 캡노그래프 튜브(항목 #9)에 연결되지 않은 플라스틱 공기 필터(항목 #8)의 끝을 CO2 (항목 #10) 모니터에 나사로 고정합니다.
  7. 케이블로 캡노그라(항목 #10)를 노트북에 연결합니다. 데이터 포트 리더 소프트웨어를 열고 해당 USB 포트를 선택한 다음 데이터 읽기를 시작합니다. 카프노그래프를 켭니다. 데이터는 컴퓨터 화면에 자동으로 표시됩니다.
  8. USB 케이블을 사용하여 fNIRS 상자를 컴퓨터에 연결합니다. 소스 검출기 헤드밴드를 FNIRS 상자에 연결합니다. 전원 어댑터를 fNIRS 상자에 연결하고 스위치를 켭니다.

2. 실험 중 절차

  1. 참가자에게 의자에 앉아서 장치를 설정하는 동안 편안하게 지내도록 요청합니다. fNIRS 시스템을 켭니다.
  2. 소스 검출기 헤드밴드를 환자의 이마, 밑에 있는 전전두엽 피질 영역(등쪽 및 하측 전두엽 피질 영역) 위에 놓습니다21.
  3. 소스 감지기 헤드밴드가 눈썹 위와 이마 중앙에 조심스럽게 위치하는지 확인하십시오. 위쪽 코의 움푹 들어간 부분이 눈 사이의 이마와 만나는 콧대 또는 콧대에서 약 3.5cm 위에 하단 감지기 행을 배치합니다.
  4. 감지기가 발색단(예: 메이크업)이나 머리카락을 방해하지 않고 참가자의 피부에 단단히 부착되어 있는지 확인하십시오. 피부 제제가 필요하지 않습니다.
  5. "장치 설정"에서 감지기의 게인을 1에서 20 사이로 설정합니다. 게인이 높을수록 광 감지기의 감도가 증가합니다. 기본값은 20입니다. "LED 전류"를 5mA와 20mA 사이로 설정합니다. 값이 클수록 더 밝은 빛이 나오고 감지기에서 생성되는 신호 수준이 증가합니다. 기본값은 20mA입니다.
  6. 수집 소프트웨어에서 "현재 실험 시작"을 누릅니다. 광원은 2개의 파장으로 빛을 보내고 각 검출기에서 감지된 광 신호 강도는 실시간으로 표시됩니다. 포화(신호>4,000) 또는 낮은 신호(신호 <1,000)의 경우 소스 검출기 헤드밴드와 스킨 사이의 접촉 또는 2.3 및 2.4 단계의 매개변수를 조정합니다. 정확한 전체 절차는 Ayaz et al.22에 설명되어 있습니다.
  7. 참가자가 정상적인 호흡 속도로 입으로 숨을 들이쉬고 내쉬도록 지시합니다. 참가자의 코에 코 클립을 고정하고 입으로 정상적으로 호흡을 계속하고 불편함을 느끼거나 호흡에 어려움이 있는 경우 다른 사람에게 알리도록 상기시킵니다.
  8. 참가자가 계속 숨을 쉴 수 있도록 마우스피스(항목 #6)를 참가자의 입에 조심스럽게 삽입합니다. 시술 중 참가자의 편안함을 높이기 위해 참가자에게 비재호흡 밸브(항목 #3)를 손으로 받쳐달라고 요청하십시오.
  9. 관련 소프트웨어에서 "Baseline" 버튼을 누릅니다. 20초 동안 fNIRS 기준선에 대한 광 신호를 측정하고 자동으로 기록합니다.
  10. 실험을 시작하기 전에 "기록"을 누르십시오.
  11. 실험을 시작할 때 시계를 시작하고 "Manual Marker"를 누른 다음 카프노그래프에 표시된 시간을 종이에 씁니다. 매분 가스 튜브에 연결된 밸브를 돌려 실내 공기와 5% CO2와 혼합된 실내 공기 사이를 순환합니다. 다시 "Manual Marker"를 누르고 흡입된 가스 혼합물이 변경될 때마다 캡노그래프에 표시되는 시간을 종이에 씁니다(그림 3).
    참고: 캡노그래프에 표시된 시간을 수동으로 표시하는 것은 fNIRS 광 신호와 캡노그래프의 EtCO2 추적 간의 향후 동기화를 위해 필수적입니다.
  12. 7분 후 "중지" 버튼을 클릭하여 fNIRS 기록을 중지합니다. 호기말 CO2 (EtCO2)에 대해 60초의 추가 기록을 허용하고 데이터 리더 소프트웨어 내에서 EtCO2 데이터를 ASCII로 저장합니다.
  13. 참가자에게 절차가 완료되었음을 알립니다. 노즈 클립을 조심스럽게 제거하고 마우스피스를 빼냅니다. 시술로 인해 축적된 타액을 흡수할 수 있도록 참가자에게 조직을 제공합니다.

3. 정리 절차

  1. 카프노그래프 튜브(항목 #8), 필터(항목 #9), 마우스피스(항목 #6) 및 노즈 클립을 폐기합니다.
  2. 재사용 가능한 장비를 청소하십시오. 가스 전달 튜브(항목 #4)와 커넥터 튜브(항목 #5)에서 양방향 밸브(항목 #7)를 분리하고 다이어프램(항목 #3)을 추출합니다. 다이어프램(항목 #3), 커넥터 튜브 및 양방향 밸브(항목 #4)를 인산염이 없고 계면활성제가 포함된 의료용 세제 소독제로 가득 찬 용기에 20분 동안 담급니다. 세제를 증류수로 1:64의 비율로 희석합니다.
  3. 품목 #1,4,7을 증류수로 씻은 다음 아래에 처스 패드와 같은 멸균 재료가 있는 깨끗한 카운터 위에 놓습니다. 재사용하기 전에 자연 건조시키십시오.
  4. 더글러스 가방을 비우십시오.

4. 데이터 분석

  1. fNIRS 데이터 처리 소프트웨어를 사용한 신호 처리
    참고: 신호 처리는 데이터 분석의 첫 번째 단계입니다. 환자의 움직임으로 인한 데이터의 노이즈나 아티팩트를 제거하기 위해 fNIRS 데이터 처리 소프트웨어(예: fNIRSoft)를 사용하여 수행됩니다. 이 분석에는 수집 소프트웨어의 데이터만 필요합니다.
    1. 데이터 처리 소프트웨어에서 "파일 로드"를 클릭하여 획득한 fNIRS 데이터를 선택한 다음 업로드합니다.
    2. "구체화"를 클릭하면 팝업 창이 나타납니다. "원시 데이터"를 선택하고 "다음"을 누릅니다.
      1. 중앙값 필터링과 슬라이딩 윈도우 모션 아티팩트 제거(SMAR)23 도구를 모두 클릭하여 원시 신호에서 모션 아티팩트와 포화 채널을 모두 인식하고 삭제합니다. "적용"을 누릅니다.
      2. 펄스 및 호흡 성분(Hanning filter, n=20, cutoff=0.1Hz)을 버리려면 "Low Pass Frequency" 필터를 클릭하십시오(Hanning filter, n=20, cutoff=0.1Hz)21,24,25,26. "적용"을 누릅니다.
      3. "Detrend"를 클릭하여 느린 시간 변화를 제거합니다. "적용"을 누릅니다.
    3. "OXI"를 클릭하여 광도를 HbO 및 HbR 농도로 변환합니다. "저장"을 클릭한 다음 MATLAB을 저장 파일 형식으로 선택합니다.
  2. MATLAB을 사용한 신호 처리
    참고: 분석의 두 번째 부분은 fNIRS 신호와 시간 이동된 EtCO2의 상관 관계를 파악하기 위해 MATLAB을 사용하여 수행됩니다. 이전 단계(4.1.5)의 데이터와 캡노그래프(EtCO2 추적, 2.12단계)의 데이터가 데이터 처리에 필요합니다.
    1. MATLAB의 capnograph에서 EtCO2 trace를 두 개의 열(하나는 시간, 두 번째는 EtCO2 값)로 가져옵니다. 샘플링 튜빙 시간의 지연을 수정하기 위해 사전 보정된 시간으로 EtCO2 시간을 이동합니다.
      알림: 이것은 마우스피스에 대한 한 번의 호흡과 CO2 녹음에서 해당 호흡이 나타나는 것 사이의 시간 차이입니다. 이 셋업에서는 15초였습니다.
    2. 실험 시작 시 카프노그래프에 기록된 첫 번째 시점인 2.11단계를 시작점(t=0)으로 사용합니다. EtCO2 를 초로 변환합니다.
    3. 4.1.3단계의 옥시 및 디옥시헤모글로빈 데이터를 MATLAB으로 가져옵니다.
    4. 다양한 시간 변화에서 이 두 신호 간의 더 높은 상관 계수를 찾아 EtCO2 (입에서 측정)와 fNIRS 신호(뇌에서 측정) 사이의 생리학적 지연을 계산합니다. (4.2.3 단계부터 4.2.6 단계까지 첨부 된 MATLAB 스크립트 참조). 상관 계수가 더 높은 시간 이동이 최적의 시간으로 간주됩니다.
    5. EtCO2 시간 경로를 최적 시간(4.2.4단계에서 얻음)만큼 이동합니다. fNIRS 및 EtCO2 데이터가 모두 있는 시점을 유지합니다. 두 시간 계열의 길이는 같아야 합니다.
    6. MATLAB의 촐레스키 분해를 사용하여 HbO(또는 HbR)와 EtCO2 사이의 선형 방정식의 해인 각 채널의 CVR 값을 계산합니다.

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결과

fNIRS는 15명의 건강한 참가자를 대상으로 하이퍼카니아(hypercapnia) 챌린지와 함께 수행되었습니다. 제외 기준은 TBI의 병력, 기존의 신경 장애 또는 정신 장애 또는 임신이었습니다. 참가자의 평균 연령은 37.7세± 16세(범위 20-55세)였으며 20%는 여성이었습니다. 유사한 fMRI연구에서 볼 수 있듯이, 5%CO2 를 60초 동안 흡입하면 카프노그래피로 측정한 EtCO<...

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토론

fNIRS와 CO2 가스 흡입 기법을 사용하여 15명의 건강한 지원자를 대상으로 CVR을 측정할 수 있었습니다. 측정된 CVR 값은 획득된 fNIRS 신호와 EtCO2 간의 상관 관계입니다. 문제는 측두엽 EtCO2 트레이스를 fNIRS 신호와 정확하게 정렬하는 것, 즉 혈액이 폐혈관계에서 심장으로 이동한 다음 대뇌 혈관 구조로 이동하는 데 걸리는 시간을 설명하는 것입니다. ?...

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공개

저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.

감사의 말

저자의 실험실에서의 연구는 신경과학 및 재생의학센터(CNRM), 메릴랜드주 베데스다에 소재한 USUHS(Uniformed Services University of the Health Sciences), MCNCoE(Military Clinical Neuroscience Center of Excellence), USUHS 신경학과 및 미국 국립보건원(National Institutes of Health)의 교내 연구 프로그램(Intramural Research Program)의 지원을 받았습니다. 이 기사에 표현된 견해는 작성자의 견해이며 육군/해군/공군, 국방부 또는 미국 정부의 공식 정책을 반영하지 않습니다.

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자료

NameCompanyCatalog NumberComments
Blue cuff22254Vacumed
CO2-Air Gas Mixture Size 200R012000 2003Roberts Oxygen
Diaphragm (Size: medium, Type: spiral)602021-2608Hans Rudolph
Douglas bag (200-liters capacity)500942Harvard Apparatus
Gas delivery Tube1011-108Vacumed
Gas sampling TubeT4305QoSINA
Hydrophobic filter9906-00Philips Medical Systems
Male luer11547QoSINA
Mouth piece (Silicone, Model #9061)602076Hans Rudolph
Nose clip (Plastic foam, Model #9014)201413Hans Rudolph
Three-way valve (100% plastic)CR1207Hans Rudolph
Two-way non-breathing valve (22mm/ 15mm ID)CR1480Hans Rudolph

참고문헌

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