대뇌 혈류 를 모니터링하기위한 기능성 경두개 도플러 초음파

요약

기능성 경두개 도플러 초음파는 기저 대뇌 동맥 내의 대뇌 혈류의 자극 유발 변화에 대한 높은 시간적 분해능 측정으로 다른 기능성 이미징 모달을 보완합니다. 이 방법 논문은 기능성 경두개 도플러 초음파를 사용하여 기능적 이미징 실험을 수행하기위한 단계별 지침을 제공합니다.

초록

기능성 경두개 도플러 초음파(fTCD)는 물리적 운동, 피부내 촉각 센서 활성화 및 영상 보기와 같은 자극 중에 발생하는 신경 활성화를 연구하기 위해 경두개 도플러 초음파(TCD)를 사용하는 것이다. 신경 활성화는 뇌혈계 속도(CBFV)의 증가로부터 유추되어 감각 입력 을 처리하는 데 관여하는 뇌영역을 공급한다. 예를 들어, 밝은 빛을 보는 것은 대뇌 피질의 후두엽에서 증가된 신경 활동을 일으키며, 후위 뇌동맥의 혈류가 증가하여 후두엽을 공급한다. fTCD에서, CBFV에 있는 변경은 대뇌 혈류 (CBF)에 있는 변경을 추정하기 위하여 이용됩니다.

주요 대뇌 동맥에서 혈류 속도의 높은 시간적 분해능 측정을 통해 fTCD는 다른 확립된 기능성 이미징 기술을 보완합니다. 이 방법 용지의 목표는 fTCD를 사용하여 기능적 이미징 실험을 수행하기 위한 단계별 지침을 제공하는 것입니다. 첫째, 중간 뇌동맥(MCA)을 식별하고 신호를 최적화하기 위한 기본 단계가 설명될 것이다. 다음으로, 실험 중에 TCD 프로브를 제자리에 고정하기 위한 고정 장치의 배치가 설명될 것이다. 마지막으로, fTCD를 이용한 기능영상 실험의 구체적인 예인 호흡 유지 실험이 시연될 것이다.

서문

신경 과학 연구에서, 그것은 종종 다양 한 환경에서 비 침습적으로 실시간 뇌 활동을 모니터링 하는 것이 좋습니다. 그러나, 기존의 기능신경이미징 양식에는 국소 및/또는 급속한 활동 변화를 포착하는 기능을 방해하는 한계가 있습니다. 기능성 자기 공명 영상(fMRI)의 진정한(비-불안감, 비회고전적) 측면해상도는 현재 몇 초^1의순서이며, 이는 일시적인 신경 활성화와 관련된 일시적인 혈역학적 변화를 포착하지 못할 수 있다. 또 다른 예에서, 기능적인 근적외선 분광법(fNIRS)은 높은 측두해상도(밀리초)와 합리적인 공간 해상도를 가지고 있지만, 대뇌 피질 내의 혈역학적 변화만 조사할 수 있으며 뇌를 공급하는 더 큰 동맥에서 일어나는 변화에 대한 정보를 제공할 수 없습니다.

대조적으로, fTCD는 신경 이미징 양식으로 분류됩니다-"화상 진찰은"화상 진상에 더 익숙한 두 개의 직교 공간 방향보다는 시간과 공간의 치수를 말합니다. fTCD는 기저 대뇌 순환의 혈관 내의 정확한 위치에서 높은 측두성 해상도(일반적으로 10ms) 혈역학적 변화를 측정하여 다른 신경 이미징 양식에 보완적인 정보를 제공합니다. 다른 신경이미징 양식과 마찬가지로, fTCD는 언어 관련 작업^2,3,4,다양한 소마토 감각 자극5에 대응하여 신경 활성화를 연구하고, 시각 작업^6,정신 작업^7,심지어^공구제작 툴과 같은 다양한 인지 자극에서 신경 활성화를 탐구하는 등 다양한 실험에 사용될 수 있다.

fTCD는 장비의 저렴한 비용, 휴대성 및 향상된 안전 (와다 테스트³ 또는 양전자 방출 단층 촬영 [PET] 스캔과 비교하여) 기능을 이미징에 사용하기위한 몇 가지 장점을 제공하지만, TCD 기계의 작동은 연습에 의해 얻은 기술이 필요합니다. TCD 운영자가 배워야 하는 이러한 기술 중 일부는 다양한 뇌동맥을 식별하는 능력과 관련 동맥을 검색하는 동안 초음파 프로브를 정밀하게 조작하는 데 필요한 운동 기술을 포함합니다. 이 방법 용지의 목표는 fTCD를 사용하여 기능적 이미징 실험을 수행하는 기술을 제시하는 것입니다. 첫째, 대뇌반구^9의80%를 인내하는 MCA로부터 신호를 식별하고 최적화하기 위한 기본 단계가 나열됩니다. 다음으로, 실험 중에 TCD 프로브를 제자리에 고정하기 위한 고정 장치의 배치가 설명될 것이다. 마지막으로, fTCD를 이용한 기능영상 실험의 한 예인 호흡 유지 실험이 설명될 것이며, 대표적인 결과가 나타난다.

프로토콜

모든 인간 과목 연구는 네브래스카 링컨 대학의 기관 검토 위원회에 따라 수행되었으며 모든 과목에서 통보 된 동의를 얻었습니다.

1. 무료 TCD로 MCA 신호 찾기

참고: "Freehand" TCD는 fTCD 실험을 시작하기 전에 CBFV 신호를 찾기 위해 핸드헬드 트랜스듀서를 사용하여 TCD의 작동을 말합니다.

1. TCD 매개 변수 설정
   1. MCA에 대한 초기 검색 중에 전력을 합리적으로 높은 값(예: 400mW)으로 유지합니다. MCA 신호가 배치되면 "좋은" 신호를 유지하면서 가능한 한 전력을 줄입니다(2.2.7단계 참조).
      참고: 초기 검색 중에 합리적으로 높은 전력을 사용하면 "합리적으로 달성 가능한 만큼 낮음"(ALARA) 음향 방사선에 노출되는 원리를 위반하지 않는 이유는 MCA 신호가 더 빨리 발견될 수 있기 때문이다^10.
   2. MCA 신호를 처음 검색하는 동안 샘플 볼륨을 8-12mm로 설정합니다. 신호를 찾기 어려운 경우 게이트 크기를 늘려 신호의 강도를 증가시지만, 이는 하나 이상의 인근 동맥으로부터의 신호를 MCA로부터 신호에 통합할 수 있음을 주목한다.
   3. "배경 노이즈를 최소한으로 유지하지만 현재"를 목표로 중간 수준에서 게인을^{설정합니다 10.}
   4. 하이패스 필터 컷오프(일반적으로 "임계값"이라고 도) 를 50-150Hz로 설정합니다.
   5. 피사체가 성인인 경우 깊이를 50mm로 설정하여 MCA^{10(도 1)의} M1 세그먼트의 평균 중간 점 깊이입니다.
      참고: 이 설정은 후속 단계에서 보다 자세히 설명합니다. 어린이를 위한 깊이 설정은 표 1에서제공됩니다.

그림 1: 윌리스의 원과 대뇌 순환 시스템의 주요 동맥의 표현. ACA와 MCA로 ICA의 분기는 검은 원으로 표시됩니다. MCA의 M1 세그먼트가 표시됩니다. 이 그림은^24에서수정되었습니다. 약어: ACA = 전방 뇌동맥; 비프. = 분기; ICA = 내부 경동맥; MCA = 중간 뇌동맥. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

2. 시간적 창 찾기
   참고: 측두식 음향 창이라고도 하는 측두창은 뼈가 가장 얇은^두개골의일부로, 따라서 두개골을 통한 저주파 초음파 에너지의 전달을허용(도 2).
   1. 유아와 어린 아이들의 경우, 귀 바로 앞("인터트라갈 공간") 및 피부 아래에서 쉽게 느낄 수 있는 지고틱 아치의 로스트랄 가장자리 위에 있는 현세창을 찾습니다.
   2. 청소년과 젊은 성인을 위해, 하위 창을 통해 시간적 창을 찾습니다.
      참고: 후방 하위 창은 일반적으로 최상의신호(그림 2)를제공합니다.
   3. 30세 이상의 성인의 경우 귀 바로 앞에 현세창을 찾으세요.
      참고: 두개골 뼈의 다공성이 증가하여 사람들이 나이가 들면서 음향 창의 크기가 감소하여 일부 노인들은 매우 제한된 시간적^창(12)을갖게 됩니다. 이러한 개인에서, MCA의 양자 화소는 때때로 불가능하다.

그림 2: 대추경창(타선으로 표시), 지고성 아치(화살표), 서브윈도우^11. (A)정면 서브윈도우. (B)전방 서브윈도우. (C)중간 서브윈도우. (D)후방 하위 창. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

3. 트랜스듀서 적용
   1. 트랜스듀서의 표면을 덮을 수 있는 충분한 초음파 젤을 바르습니다.
      참고: 머리에 놓이면 겔은 두피와 도플러 프로브 표면 사이의 씰을 유지하기에 충분한 공간을 커버해야 하므로 프로브 표면 아래에서 공기 커플링으로 인한 신호 중단을 방지해야 합니다.
   2. 겔이 차가운 느낌이 들 수 있음을 피사체에 경고하십시오 (실온에서 경우).
   3. 변환기를 섹션 1.2에 있는 임시 창에 놓습니다.
4. MCA 검색
   1. 두피에 트랜스듀서를 배치한 후, MCA 신호를 검색하여 일반적으로 초기 트랜스듀서 두피^{배치(10)의}위치에서 약간 전방(forwards) 및 로스트랄(head 쪽으로)에 위치하게 된다.
   2. TCD 스펙트럼 신호가 즉시 명확하지 않은 경우 두피에 비해 동일한 위치에 유지하면서 트랜스듀서의 각도를 조정합니다. 프로브를 로스트랄에서 카우달(발 쪽으로) 그리고 후방에서 전방으로 천천히 각도를 조정합니다.
      참고: 그림 3은 동일한 위치에서 가져온 두 개의 스펙트럼을 보여 주지만 다른 각도로 표시됩니다.
   3. 1.4.2 단계를 수행한 후에도 신호가 여전히 없는 경우 다양한 깊이(빨간색 색칠로 표시)에서 MCA의 흐름에 대한 색상 M 모드 디스플레이를 확인합니다. 단계 1.4.2에 설명된 바와 같이 5mm 단계및 검색에서 신호 깊이를 증가 또는 감소시. 도플러 스펙트럼에서 흐름이 표시되지만 도플러 스펙트럼에서는 유동이 보이지 않는 경우 도플러 스펙트럼에서 유동 신호가 보일 때까지 깊이를 늘리거나 줄입니다.
   4. 만족스러운 신호가 아직 얻어지지 않으면 트랜스듀서를 두피에 가까운 위치로 이동하여 앞쪽이 약간 더 앞쪽으로 이동하고 1.4.1-1.4.3 단계를 반복합니다.
   5. 최적의 MCA 신호를 받으면 깊이와 최대 속도에 유의하십시오.
   6. 세척 가능한 메이크업 펜을 사용하여 최적의 신호가 발견된 두피(트랜스듀서 가장자리의 추적 부분)에 마크를 놓습니다.

그림 3: MCA의 M1 세그먼트의 중간점에서 샘플 도플러 스펙트럼 및 M 모드 이미지. (A)스펙트럼은 귀 바로 앞에 시간적 창에 트랜스듀서를 적용 한 후 바로 촬영. (B)샘플 도플러 스펙트럼은(A)와동일한 위치와 깊이로. 유일한 변화는 트랜스듀서가 약간 위쪽으로 기울어진다는 것입니다. 둘 다(A)및(B),깊이 = 50mm, 게인 = 50, 샘플 볼륨 = 12mm, 전력 = 420 mW /cm^2,및 필터 = 100 Hz. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

5. 분기 검색
   참고: 내부 경동맥(ICA)의 분기를 찾는 것은 MCA가 모니터링되는 동맥임을 확인하는 데 도움이 되는 데 중요합니다. 양상층이 양측의 깊이에 있지 않을 수 있기 때문에 양측 모니터링이 수행될 경우 양측모두에서 이 단계를 수행해야 합니다.
   1. MCA 및 ACA로 ICA의 분기로부터의 신호가 지적될 때까지 깊이를 증가시다(그림4),전형적으로 51-65 mm^10의깊이로 지적된다.
   2. 1.4.2 단계에서 설명된 절차를 사용하여 최적의 분기 스펙트럼 신호를 검색합니다. 항상 가능한 최고 속도 스펙트럼 신호^10을위해 노력한다.
   3. 최적의 분기 신호를 얻을 때, 분기의 깊이를 주의한다.
   4. 양자 모니터링의 경우, 1.1-1.4 항과 머리 의 반대편에 1.5.1-1.5.3 단계를 반복합니다.

그림 4: 스펙트럼 도플러 (상단) 및 MCA 및 ACA로 ICA의 분기의 M 모드 (하단) 이미지. 깊이 = 65mm, 게인 = 50, 샘플 볼륨 = 12mm, 전력 = 420 mW / cm^2,필터 = 100 Hz. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

2. 고정 장치를 배치 한 후 MCA 재배치

참고: fTCD 실험의 경우 CBFV를 10~90분 이상 모니터링해야 합니다. 따라서 고정장치(도 5)는안정성을 제공하는 데 매우 중요합니다.

1. 고정 장치 배치
   1. 육안 검사를 통해 고정장치(도 5)를피사체의 대략적인 헤드 크기로 조정합니다.
   2. 헤드셋을 머리에 대고 놓기 전에 피사체에 경고합니다. 헤드셋을 피사체의 머리에 놓습니다.
      참고: 피사체의 머리카락이 길거나 두꺼운 경우 사용 중인 고정 장치에 따라 피사체의 머리카락을 다시 묶어야 할 수 있습니다.
   3. 고정 장치의 적합성을 조정하고 장치가 너무 단단한지 피사체에게 물어봅니다.
      참고: 장치가 약간 부딪쳤을 때 움직이지 않을 만큼 단단해야 하지만 피사체가 불편하지 않을 만큼 느슨해져야 합니다.

그림 5: 제목 착용 사용자 정의 고정 장치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

2. MCA 신호 찾기
   1. 트랜스듀서를 제자리에 고정하는 고정 장치의 메커니즘을 느슨하게(예를 들어, 도 5에표시된 메커니즘을 느슨하게 하고, 노브를 시계 반대 방향으로 돌리면) 트랜스듀서가 자유롭게 움직일 수 있도록 한다.
   2. 트랜스듀서(섹션 2.1에서 이미 제자리에 있어야 함)에 겔을 적용하기 전에 피사체에 경고하고 겔이 차가울 수 있습니다(실온에 저장된 경우).
   3. 트랜스듀서의 얼굴을 덮기 위해 트랜스듀서에 충분한 초음파 젤을 발라주세요.
   4. 트랜스듀서가 1.4.6 단계에서 만든 마크의 상단에 위치되도록 고정 장치를 조정합니다.
   5. 1.4.1-1.4.3 단계에 설명된 절차를 사용하여 최적의 MCA 스펙트럼 신호를 검색합니다. 항상 가능한 최고 속도 스펙트럼 신호^10을위해 노력한다.
      참고: freehand TCD와 비교했을 때 고정 장치를 사용하여 MCA가 위치한 최적의 깊이는 프리핸드 장치의 깊이에서 약간 다를 수 있습니다(최대 1-2mm). 이는 고정 장치가 결합 젤 씰을 유지하면서 두피로부터 트랜스듀서를 약간 멀리 붙일 수 있기 때문이다.
   6. 최적의 MCA 스펙트럼 신호가 발견되면 고정 장치의 메커니즘을 조여 트랜스듀서를 제자리에 고정시합니다. 깊이 및 기타 모든 설정을 기록합니다.
   7. 최대 속도를 정확하게 추적하는 스펙트럼 봉투를 유지하면서 전력을 최대한 줄입니다(1.1.1 단계 참조).
   8. 양자 모니터링의경우, 다른 쪽에서 2.2.1-2.2.7 단계를 반복하십시오.

3. 호흡 홀드 기동 수행

참고: 이 섹션은 섹션 1 및 섹션 2에 설명된 실험 설정을 사용하여 수행될 수 있는 기능 실험의 예로 제공됩니다.

1. 섹션 1 과 섹션 2에 설명 된 모든 단계를 수행합니다.
2. TCD 소프트웨어에서 레코딩을 시작합니다.
3. 좋은 기준 기록을 달성하기 위해 일반적으로 3 분 동안 호흡하고 CBFV가 이전 실험이나 자극에서 안정화 할 수 있습니다.
4. 세 개에서 천천히 카운트 다운. 1의 수에, 정상적인 영감 에 따라 호흡 개최를 시작 하는 주제를 요청¹³.
   참고: 대상체는 폐의 이산화탄소를 감소시키고 뇌혈관 반응성으로 인해 CBFV의 증가를 관찰할 가능성을 감소시키기 때문에 깊이 흡입해서는 안됩니다. 피사체는 또한 발살바 기동을 수행하지 않도록해야하며,^{인스퍼레이션(14)에}대해 내트라토라시치 압력이 실질적으로 증가한다.
5. 호흡 유지의 시작을 의미 하기 위해 TCD 기록에 마커를 배치 합니다.
6. 피사체가 30 대 동안 숨을 들이쉬거나 더 이상 숨을 들이쉬지 않을 때까지 숨을 쉬게하십시오.
7. 피사체가 흡입할 때, 호흡 유지의 끝을 의미하는 TCD 기록에 마커를 놓습니다.
8. CBFV가 기준값으로 반환되도록 호흡 유지가 끝난 후 TCD를 사용하여 CBFV를 계속 모니터링하고 30대 이상 녹화합니다.

결과

도 3은 MCA의 M1 세그먼트의 중간점에서 샘플 도플러 스펙트럼 및 색상 M-모드를 나타낸다. 도 3A,B는 두피에 동일한 위치에서 촬영되었지만 다른 각도로 촬영되었다. 두피에 대한 접점 위치를 변경하지 않고각도가 매우 작은 변화는 도피 3B에서분광기의 고강도 노란색 착색에 의해 도시된 바와 같이 도플러 신호 ?...

토론

프로토콜의 중요한 단계는 1) MCA를 찾는, 2) 헤드밴드를 배치하고, 3) 호흡 유지 기동을 수행 포함한다.

연구 대상자에 따라 수정이 필요할 수 있습니다. 예를 들어, 알츠하이머 병을 가진 피험자는 지시를 따르는 데 어려움을 겪을 수 있으며, 호흡 유지^{지침(15)을}준수하기 위해 캡노그래프를 사용해야 합니다. 어린 아이들은 지시에 따?...

자료

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