Ultrassom doppler transcranial funcional para monitoramento do fluxo sanguíneo cerebral

Resumo

O ultrassom doppler transcranário funcional complementa outras modalidades de imagem funcional, com sua alta resolução temporal de alterações induzidas por estímulo no fluxo sanguíneo cerebral dentro das artérias cerebrais basais. Este artigo métodos fornece instruções passo a passo para o uso de ultrassom doppler transcranário funcional para realizar um experimento de imagem funcional.

Resumo

O ultrassom doppler transcranial funcional (fTCD) é o uso de ultrassom doppler transcraniano (TCD) para estudar a ativação neural ocorrida durante estímulos como movimento físico, ativação de sensores táteis na pele e visualização de imagens. A ativação neural é inferida a partir de um aumento na velocidade de fluxo sanguíneo cerebral (CBFV) que fornece a região do cérebro envolvida no processamento da entrada sensorial. Por exemplo, a visualização da luz brilhante causa aumento da atividade neural no lobo occipital do córtex cerebral, levando ao aumento do fluxo sanguíneo na artéria cerebral posterior, que fornece o lobo occipital. Na FTCD, as mudanças no CBFV são utilizadas para estimar alterações no fluxo sanguíneo cerebral (CBF).

Com sua alta resolução temporal de velocidades de fluxo sanguíneo nas principais artérias cerebrais, o FTCD complementa outras técnicas de imagem funcional estabelecidas. O objetivo deste artigo methods é dar instruções passo a passo para o uso de fTCD para realizar um experimento de imagem funcional. Primeiro, serão descritos os passos básicos para identificar a artéria cerebral média (MCA) e otimizar o sinal. Em seguida, será descrita a colocação de um dispositivo de fixação para manter a sonda TCD no lugar durante o experimento. Finalmente, o experimento de respiração, que é um exemplo específico de um experimento de imagem funcional usando fTCD, será demonstrado.

Introdução

Na pesquisa de neurociência, muitas vezes é desejável monitorar a atividade cerebral em tempo real não invasivamente em uma variedade de ambientes. No entanto, as modalidades convencionais de neuroimagem funcional têm limitações que impedem a capacidade de capturar alterações localizadas e/ou rápidas de atividade. A verdadeira resolução temporal (não nervosa, não retrospectiva) da ressonância magnética funcional (fMRI) é atualmente da ordem de alguns segundos¹, que pode não capturar alterações hemodinâmicas transitórias ligadas à ativação neural transitória. Em outro exemplo, embora a espectroscopia funcional quase infravermelha (fNIRS) tenha alta resolução temporal (milissegundos) e resolução espacial razoável, ela só pode sondar alterações hemodinâmicas dentro do córtex cerebral e não pode fornecer informações sobre alterações que ocorrem nas artérias maiores que fornecem o cérebro.

Em contraste, fTCD — classificado como uma modalidade de neuroimagem — "imagem" refere-se às dimensões do tempo e do espaço, em vez de duas direções espaciais ortogonais mais familiares em uma "imagem". fTCD fornece informações complementares a outras modalidades de neuroimagem, medindo altas resolução temporal (tipicamente 10 ms) alterações hemodinâmicas em locais precisos dentro dos vasos da circulação cerebral basal. Assim como outras modalidades de neuroimagem, a FTCD pode ser usada para uma variedade de experimentos, como estudar a lateralização da ativação cerebral durante as tarefas relacionadas à linguagem^2,3,4, estudar a ativação neural em resposta a vários estímulos somatossensorial⁵, e explorar a ativação neural em diversos estímulos cognitivos, como tarefas visuais^6,tarefas mentais⁷e até produção de ferramentas⁸.

Embora o fTCD ofereça várias vantagens para uso em imagens funcionais, incluindo baixo custo de equipamentos, portabilidade e segurança aprimorada (em comparação com o teste^{wada 3} ou tomografia de emissão de pósitrons [PET]), a operação de uma máquina de TCD requer habilidades obtidas pela prática. Algumas dessas habilidades, que devem ser aprendidas por um operador de TCD, incluem a capacidade de identificar várias artérias cerebrais e as habilidades motoras necessárias para manipular precisamente a sonda de ultrassom durante a busca pela artéria relevante. O objetivo deste artigo methods é apresentar uma técnica para o uso de fTCD para realizar um experimento de imagem funcional. Primeiro, serão listados os passos básicos para identificar e otimizar o sinal da AMC, que perfusa 80% do hemisfério cerebral^9. Em seguida, será descrita a colocação de um dispositivo de fixação para manter a sonda TCD no lugar durante o experimento. Finalmente, o experimento de respiração, que é um exemplo de um experimento de imagem funcional usando fTCD, será descrito, e resultados representativos serão mostrados.

Protocolo

Toda a pesquisa de seres humanos foi realizada de acordo com o Conselho de Revisão Institucional da Universidade de Nebraska-Lincoln, e o consentimento informado foi obtido de todos os sujeitos.

1. Localização do sinal MCA por TCD à mão livre

NOTA: "Freehand" TCD refere-se à operação de TCD com um transdutor portátil para encontrar um sinal CBFV antes de iniciar um experimento fTCD.

1. Configuração de parâmetros TCD
   1. Mantenha a potência a um valor razoavelmente alto (por exemplo, 400 mW) durante a busca inicial pelo MCA. Uma vez localizado o sinal MCA, reduza a potência o máximo possível enquanto ainda mantém um sinal "bom" (ver passo 2.2.7).
      NOTA: O uso de uma potência razoavelmente alta durante a pesquisa inicial não viola o princípio de exposição "Tão Baixo Quanto Razoavelmente Alcançável" (ALARA) à radiação acústica, pois maior poder permitirá que o sinal mca seja descoberto mais rapidamente¹⁰.
   2. Ajuste o volume da amostra para 8-12 mm durante a busca inicial pelo sinal MCA. Se o sinal for difícil de encontrar, aumente o tamanho do portão para aumentar a intensidade do sinal, mas note que isso pode incorporar o sinal de uma ou mais artérias próximas ao sinal do MCA.
   3. Definir o ganho em nível médio, com o objetivo de "manter o ruído de fundo no mínimo, mas presente"¹⁰.
   4. Defina o corte do filtro de passagem alta (normalmente chamado de "limiar") para 50-150 Hz.
   5. Se o sujeito for adulto, defina a profundidade para 50 mm, que é a profundidade média de ponto médio do segmento M1 do MCA¹⁰ (Figura 1).
      NOTA: Esta configuração será discutida com mais detalhes nas etapas subsequentes. As configurações de profundidade para crianças são dadas na Tabela 1.

Figura 1: Representação do círculo de Willis e das principais artérias do sistema circulatório cerebral. A bifurcação do ICA para o ACA e MCA é marcada com um círculo negro. O segmento M1 do MCA é mostrado. Este número foi modificado a partir de²⁴. Abreviaturas: ACA = artéria cerebral anterior; A Bif. = bifurcação; ICA = artéria carótida interna; MCA = artéria cerebral média. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Localização da janela temporal
   NOTA: A janela temporal, também chamada de janela acústica transtemporal, é uma parte do crânio onde o osso é mais fino¹¹, permitindo assim a transmissão de energia de ultrassom de baixa frequência através do crânio(Figura 2).
   1. Para bebês e crianças pequenas, localize a janela temporal apenas na frente da orelha (o "espaço intertragal") e acima da borda rostral do arco zigomático, que pode ser facilmente sentida sob a pele.
   2. Para adolescentes e jovens adultos, localize a janela temporal através de qualquer uma das sub-janelas.
      NOTA: A subloca posterior geralmente fornece o melhor sinal(Figura 2).
   3. Para adultos com 30 anos ou mais, localize a janela temporal bem na frente da orelha.
      NOTA: A janela acústica diminui de tamanho à medida que as pessoas envelhecem devido ao aumento da porosidade do osso do crânio, fazendo com que algumas pessoas mais velhas tenham uma janela temporal muito limitada¹². Nesses indivíduos, a insanação bilateral da AMC às vezes é impossível.

Figura 2: A janela transtemporal (marcada pela elipse tracejada), arco zigomático (seta) e subsaria¹¹. (A)Subloca frontal. (B) Subloca anterior. (C) Subloca média. (D) Subloca posterior. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Aplicando o transdutor
   1. Aplique gel de ultrassom suficiente para cobrir a superfície do transdutor.
      NOTA: Quando colocado na cabeça, o gel deve cobrir espaço suficiente para manter uma vedação entre o couro cabeludo e a superfície da sonda Doppler, evitando assim a interrupção do acoplamento de ar sob a superfície da sonda.
   2. Alerte o sujeito de que o gel pode sentir frio (se estiver em temperatura ambiente).
   3. Coloque o transdutor na janela temporal, que estava localizada na seção 1.2.
4. Procurando o MCA
   1. Após a colocação do transdutor no couro cabeludo, procure o sinal MCA, que geralmente será localizado ligeiramente anterior (para frente) e rostral (em direção à cabeça) a partir da localização do couro cabeludo transdutor inicial¹⁰.
   2. Se o sinal espectral do TCD não for imediatamente óbvio, ajuste o ângulo do transdutor mantendo-o no mesmo local em relação ao couro cabeludo. Ângulo lento da sonda de rostral para caudal (em direção aos pés) e posterior para anterior.
      NOTA: A Figura 3 mostra dois espectros retirados da mesma posição, mas em ângulos diferentes.
   3. Se um sinal ainda estiver ausente após a realização da etapa 1.4.2, verifique a tela do modo M colorida para obter fluxo no MCA em diferentes profundidades (indicadas por coloração vermelha). Incrementar ou decretar a profundidade do sinal em etapas de 5 mm e pesquisar conforme descrito na etapa 1.4.2. Se o fluxo estiver visível no modo M, mas não no espectro Doppler, aumente ou diminua a profundidade até que o sinal de fluxo seja visível no espectro Doppler.
   4. Se um sinal satisfatório ainda não for obtido, mova o transdutor para uma posição próxima no couro cabeludo, que é um pouco mais anterior, e repita as etapas 1.4.1-1.4.3.
   5. Quando um sinal MCA ideal for obtido, observe a profundidade e a velocidade máxima.
   6. Usando uma caneta de maquiagem lavável, coloque uma marca no couro cabeludo (parte do traço da borda do transdutor) onde o sinal ideal foi encontrado.

Figura 3: Amostra de espectro doppler e imagens do modo M do ponto médio do segmento M1 do espectro MCA. (A) tomadas logo após a aplicação do transdutor na janela temporal, logo na frente da orelha. (B) Espectro de amostra doppler no mesmo local e profundidade que (A). A única mudança é que o transdutor foi inclinado para cima (superiormente) ligeiramente. Em ambos (A) e (B), profundidade = 50 mm, ganho = 50, volume de amostra = 12 mm, potência = 420 mW/cm², e filtro = 100 Hz. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

5. Procurando a bifurcação
   NOTA: Encontrar a bifurcação da artéria carótida interna (ICA) é importante para ajudar a confirmar que a MCA está sendo monitorada. Esta etapa deve ser realizada em ambos os lados se o monitoramento bilateral for realizado, uma vez que a bifurcação pode não estar na mesma profundidade de ambos os lados.
   1. Aumente a profundidade até que o sinal da bifurcação do ICA para o MCA e ACA seja observado(Figura 4), tipicamente a uma profundidade de 51-65 mm¹⁰.
   2. Procure o sinal espectral de bifurcação ideal utilizando o procedimento descrito na etapa 1.4.2. Sempre se esforce pelo sinal espectral de maior velocidade possível¹⁰.
   3. Quando um sinal de bifurcação ideal é obtido, observe a profundidade da bifurcação.
   4. Para monitoramento bilateral, repita as seções 1.1-1.4 e as etapas 1.5.1-1.5.3 do outro lado da cabeça.

Figura 4: Imagem espectral doPpler (superior) e modo M (inferior) de bifurcação do ICA na MCA e ACA. Profundidade = 65 mm, ganho = 50, volume de amostra = 12 mm, potência = 420 mW/cm², e filtro = 100 Hz. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Realocar o MCA após a colocação de um dispositivo de fixação

NOTA: Para experimentos com fTCD, é necessário monitorar o CBFV por 10-90 min ou mais. Portanto, um dispositivo de fixação(Figura 5) é crucial para fornecer estabilidade.

1. Colocando o dispositivo de fixação
   1. Por inspeção visual, ajuste o dispositivo de fixação(Figura 5) ao tamanho aproximado da cabeça do sujeito.
   2. Alerte o assunto antes de colocar o fone de ouvido em sua cabeça. Coloque o fone de ouvido na cabeça do sujeito.
      NOTA: Se o sujeito tiver cabelos longos ou grossos, pode ser necessário amarrar o cabelo do sujeito para trás, dependendo do dispositivo de fixação que está sendo utilizado.
   3. Ajuste o ajuste do dispositivo de fixação e pergunte ao assunto se o dispositivo está muito apertado.
      NOTA: O dispositivo deve estar apertado o suficiente para que ele não se mova quando batido ligeiramente, mas solto o suficiente para que o sujeito não seja desconfortável.

Figura 5: Sujeito usando dispositivo de fixação personalizado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Localização do sinal MCA
   1. Solte o mecanismo do dispositivo de fixação que mantém o transdutor no lugar (por exemplo, solte o mecanismo, mostrado na Figura 5, girando um botão no sentido anti-horário) para que o transdutor possa se mover livremente.
   2. Alerte o assunto antes de aplicar gel nos transdutores (que já devem estar em vigor a partir da seção 2.1), e que o gel pode estar frio (se tiver sido armazenado à temperatura ambiente).
   3. Aplique gel de ultrassom suficiente no transdutor para cobrir o rosto do transdutor.
   4. Ajuste o dispositivo de fixação para que o transdutor esteja localizado sobre a parte superior da marca feita na etapa 1.4.6.
   5. Procure o sinal espectral MCA ideal usando o procedimento descrito nas etapas 1.4.1-1.4.3. Sempre se esforce pelo sinal espectral de maior velocidade possível¹⁰.
      NOTA: Quando comparado ao TCD à mão livre, a profundidade ideal na qual o MCA está localizado usando o dispositivo de fixação pode diferir ligeiramente (no máximo 1-2 mm) da profundidade para o dispositivo à mão livre. Isso ocorre porque o dispositivo de fixação pode segurar o transdutor um pouco mais longe do couro cabeludo enquanto ainda mantém uma vedação de gel de acoplamento.
   6. Quando o sinal espectral MCA ideal for encontrado, aperte o mecanismo do dispositivo de fixação para travar o transdutor no lugar. Observe a profundidade e todas as outras configurações.
   7. Diminua a potência (ver passo 1.1.1) o máximo possível enquanto ainda mantém um envelope espectral que rastreia a velocidade máxima com precisão.
   8. Para monitoramento bilateral,repita as etapas 2.2.1-2.2.7 do outro lado.

3. Realizando uma manobra de respiração

NOTA: Esta seção é dada como um exemplo de um experimento funcional que pode ser realizado usando a configuração experimental descrita na seção 1 e seção 2.

1. Execute todas as etapas descritas na seção 1 e seção 2.
2. Comece a gravar no software TCD.
3. Respire normalmente por 3 minutos para obter uma boa gravação de linha de base, e permita que a CBFV se estabilize a partir de quaisquer experimentos ou estímulos anteriores.
4. Contagem regressiva lentamente de três. Na contagem de um, peça ao sujeito para começar a segurar a respiração após uma inspiração normal¹³.
   NOTA: O sujeito não deve inalar profundamente, pois isso diminuiria o dióxido de carbono nos pulmões e diminuiria a probabilidade de observar o aumento da CBFV devido à reatividade cerebrovascular. O sujeito também deve evitar a realização de uma manobra de Valsalva, na qual a pressão intratorácica é substancialmente aumentada contra uma inspiração^{realizada 14}.
5. Coloque um marcador na gravação de TCD para significar o início da respiração.
6. Que o sujeito segure a respiração por 30 anos, ou até que eles não estejam mais confortáveis segurando a respiração.
7. Quando o sujeito inala, coloque um marcador na gravação de TCD para significar o fim da respiração.
8. Continue monitorando a CBFV usando TCD e registrando por pelo menos 30 s após o fim da respiração para garantir que a CBFV retorne aos valores da linha de base.

Resultados

A Figura 3 mostra a amostra de espectros doppler e modos M coloridos do ponto médio do segmento M1 do MCA. Figura 3A,B foram tomadas na mesma posição no couro cabeludo, mas em ângulos diferentes. Observe como uma pequena mudança no ângulo, sem alterar a posição de contato no couro cabeludo,pode melhorar muito a força do sinal doppler, como mostrado pela coloração amarela de maior intensidade do espectrograma na Figura

Discussão

As etapas críticas do protocolo incluem 1) encontrar o MCA, 2) colocar a bandana e 3) realizar a manobra de respiração.

Modificações podem ser necessárias dependendo dos sujeitos do estudo. Por exemplo, indivíduos com Alzheimer podem ter dificuldade em seguir instruções, necessitando do uso de um capnógrafo para garantir o cumprimento das instruções de retenção da respiração¹⁵. Crianças pequenas podem ter dificuldade em...

Materiais

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