وظيفية عبر الجمجمة دوبلر الموجات فوق الصوتية لرصد تدفق الدم الدماغي

Summary

تكمل الموجات فوق الصوتية الوظيفية عبر الجمجمة دوبلر طرائق التصوير الوظيفية الأخرى ، مع قياسها عالي الدقة الزمنية للتغيرات الناجمة عن التحفيز في تدفق الدم الدماغي داخل الشرايين الدماغية القاعدية. تقدم ورقة الأساليب هذه إرشادات خطوة بخطوة لاستخدام الموجات فوق الصوتية الوظيفية عبر الجمجمة Doppler لإجراء تجربة تصوير وظيفية.

Abstract

الموجات فوق الصوتية دوبلر عبر الجمجمة الوظيفية (fTCD) هو استخدام الموجات فوق الصوتية دوبلر عبر الجمجمة (TCD) لدراسة التنشيط العصبي الذي يحدث أثناء المحفزات مثل الحركة الجسدية، وتفعيل أجهزة الاستشعار عن طريق اللمس في الجلد، وعرض الصور. يتم الاستدلال على التنشيط العصبي من زيادة في سرعة تدفق الدم الدماغي (CBFV) التي تزود منطقة الدماغ المشاركة في معالجة المدخلات الحسية. على سبيل المثال، يؤدي عرض الضوء الساطع إلى زيادة النشاط العصبي في الفص القذالي للقشرة الدماغية، مما يؤدي إلى زيادة تدفق الدم في الشريان الدماغي الخلفي، الذي يزود الفص القذالي. في fTCD، يتم استخدام التغيرات في CBFV لتقدير التغيرات في تدفق الدم الدماغي (CBF).

مع قياس الدقة الزمنية العالية لسرعات تدفق الدم في الشرايين الدماغية الرئيسية ، يكمل fTCD تقنيات التصوير الوظيفية الراسخة الأخرى. الهدف من هذه الورقة الأساليب هو إعطاء تعليمات خطوة بخطوة لاستخدام fTCD لإجراء تجربة التصوير الوظيفي. أولا، سيتم وصف الخطوات الأساسية لتحديد الشريان الدماغي الأوسط (MCA) وتحسين الإشارة. بعد ذلك ، سيتم وصف موضع جهاز التثبيت لعقد مسبار TCD في مكانه أثناء التجربة. وأخيرا، سيتم إثبات تجربة حبس الأنفاس، وهي مثال محدد لتجربة تصوير وظيفي باستخدام fTCD.

Introduction

في أبحاث علم الأعصاب، غالبا ما يكون من المستحسن مراقبة نشاط الدماغ في الوقت الحقيقي بشكل غير باضع في مجموعة متنوعة من البيئات. ومع ذلك، فإن طرائق التصوير العصبي الوظيفية التقليدية لها قيود تعوق القدرة على التقاط التغيرات المحلية و/ أو السريعة في النشاط. الدقة الزمنية الحقيقية (غير المتوترة وغير الاستعادية) للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) هي حاليا من أجل بضع ثوان¹، والتي قد لا تلتقط التغيرات الديناميكية الدموية العابرة المرتبطة بالتنشيط العصبي العابر. في مثال آخر ، على الرغم من أن التحليل الطيفي الوظيفي القريب من الأشعة تحت الحمراء (fNIRS) لديه دقة زمنية عالية (مللي ثانية) ودقة مكانية معقولة ، إلا أنه لا يمكنه التحقيق إلا في التغيرات الديناميكية الدموية داخل قشرة الدماغ ولا يمكنه تقديم معلومات حول التغيرات التي تحدث في الشرايين الأكبر التي تزود الدماغ.

وعلى النقيض من ذلك، يشير التصوير fTCD - المصنف على أنه طريقة تصوير عصبي - إلى أبعاد الزمان والمكان، بدلا من اتجاهين مكانيين متعامدين أكثر دراية في "الصورة". يوفر fTCD معلومات تكميلية لطرائق التصوير العصبي الأخرى عن طريق قياس التغيرات الديناميكية الدموية عالية الدقة الزمنية (عادة 10 مللي ثانية) في مواقع دقيقة داخل الأوعية من الدورة الدموية الدماغية القاعدية. كما هو الحال مع غيرها من طرائق التصوير العصبي، يمكن استخدام fTCD لمجموعة متنوعة من التجارب مثل دراسة الجانبية للتنشيط الدماغي أثناء المهام المتعلقة باللغة^2،3،4، دراسة التنشيط العصبي استجابة لمختلف المحفزات الحسية الجسدية⁵، واستكشاف التنشيط العصبي في مختلف المحفزات المعرفية مثل المهام البصرية 6 ،^المهامالعقلية⁷، وحتى إنتاج الأداة⁸.

على الرغم من أن fTCD يوفر العديد من المزايا للاستخدام في التصوير الوظيفي ، بما في ذلك انخفاض تكلفة المعدات ، وقابلية النقل ، وتعزيز السلامة (مقارنة باختبار Wada 3 أو التصوير المقطعي للانبعاثات البوزيترونية [PET] ، فإن تشغيل جهاز TCD يتطلب مهارات يتم^الحصول عليها عن طريق الممارسة. بعض هذه المهارات، التي يجب أن يتعلمها مشغل TCD، وتشمل القدرة على تحديد الشرايين الدماغية المختلفة والمهارات الحركية اللازمة للتلاعب بدقة التحقيق بالموجات فوق الصوتية أثناء البحث عن الشريان ذات الصلة. الهدف من هذه الورقة أساليب هو تقديم تقنية لاستخدام fTCD لإجراء تجربة التصوير الوظيفي. أولا، سيتم سرد الخطوات الأساسية لتحديد وتحسين الإشارة من MCA، والتي تتغلغل 80٪ من نصف الكرة الدماغي^9. بعد ذلك ، سيتم وصف موضع جهاز التثبيت لعقد مسبار TCD في مكانه أثناء التجربة. وأخيرا، سيتم وصف تجربة حبس الأنفاس، التي تعد أحد الأمثلة على تجربة التصوير الوظيفي باستخدام fTCD، وسيتم عرض النتائج التمثيلية.

Protocol

وقد أجريت جميع البحوث المتعلقة بموضوع الإنسان وفقا لمجلس المراجعة المؤسسية لجامعة نبراسكا - لينكولن، وتم الحصول على موافقة مستنيرة من جميع المواضيع.

1. تحديد موقع إشارة MCA بواسطة TCD حرة

ملاحظة: يشير TCD "حر" إلى تشغيل TCD باستخدام محول محمول باليد للعثور على إشارة CBFV قبل بدء تجربة fTCD.

1. تعيين معلمات TCD
   1. حافظ على الطاقة بقيمة عالية بشكل معقول (على سبيل المثال، 400 كيلوواط) أثناء البحث الأولي عن MCA. بمجرد تحديد موقع إشارة MCA، قم بتقليل الطاقة قدر الإمكان مع الحفاظ على إشارة "جيدة" (انظر الخطوة 2.2.7).
      ملاحظة: استخدام قوة عالية بشكل معقول أثناء البحث الأولي لا ينتهك مبدأ "منخفضة كما يمكن تحقيقه بشكل معقول" (ALARA) من التعرض للإشعاع الصوتي لأن الطاقة العالية سوف تسمح باكتشاف إشارة MCA بسرعة أكبر¹⁰.
   2. تعيين حجم العينة إلى 8-12 مم أثناء البحث الأولي عن إشارة MCA. إذا كان من الصعب العثور على الإشارة، قم بزيادة حجم البوابة لزيادة كثافة الإشارة، ولكن لاحظ أن هذا قد يدمج الإشارة من شريان واحد أو أكثر قريب في الإشارة من MCA.
   3. تعيين كسب على مستوى متوسط، بهدف "الحفاظ على الضوضاء الخلفية في الحد الأدنى، ولكن الحاضر"¹⁰.
   4. تعيين قطع مرشح تمرير عالية (عادة ما يطلق عليه "عتبة") إلى 50-150 هرتز.
   5. إذا كان الموضوع بالغا، قم بتعيين العمق إلى 50 مم، وهو متوسط عمق منتصف نقطة الجزء M1 من MCA¹⁰ (الشكل 1).
      ملاحظة: سيتم مناقشة هذا الإعداد بمزيد من التفصيل في الخطوات اللاحقة. يتم إعطاء إعدادات العمق للأطفال في الجدول 1.

الشكل 1:تمثيل دائرة ويليس والشرايين الرئيسية في الدورة الدموية الدماغية. تم وضع علامة على تشعب ICA في ACA و MCA بدائرة سوداء. يظهر الجزء M1 من MCA. وقد تم تعديل هذا الرقم من²⁴. الاختصارات: ACA = الشريان الدماغي الأمامي. (بيف) = التشعب؛ ICA = الشريان السباتي الداخلي. MCA = الشريان الدماغي الأوسط. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

2. تحديد موقع النافذة الزمنية
   ملاحظة: النافذة الزمنية، وتسمى أيضا النافذة الصوتية عبر الصدغية، هي جزء من الجمجمة حيث العظام هي أنحف^11،مما يسمح بنقل الطاقة بالموجات فوق الصوتية منخفضة التردد من خلال الجمجمة (الشكل 2).
   1. بالنسبة للرضع والأطفال الصغار، حدد موقع النافذة الزمنية أمام الأذن مباشرة ("الفضاء بين المجرات") وفوق الحافة الوردية للقوس الزيجوماتيكي، والتي يمكن الشعور بها بسهولة تحت الجلد.
   2. بالنسبة للمراهقين والشباب، حدد موقع النافذة الزمنية عبر أي من الرياح الفرعية.
      ملاحظة: عادة ما يوفر إطار العرض الفرعي الخلفي أفضل إشارة (الشكل 2).
   3. للبالغين الذين تتراوح أعمارهم بين 30 سنة أو أكثر، حدد موقع النافذة الزمنية أمام الأذن مباشرة.
      ملاحظة: نافذة الصوتية يقلل في الحجم مع تقدم الناس في السن بسبب زيادة المسامية من عظم الجمجمة، مما تسبب في بعض كبار السن لديهم نافذة زمنية محدودة جدا¹². وفي هؤلاء الأفراد، يكون من المستحيل أحيانا تقديم الرنانة الثنائية ل MCA.

الشكل 2: النافذة عبر الصدغية (التي تميزها القطع الناقص المتقطع) ، القوس الزيغوماتيكي (السهم) ، والرياح الفرعية¹¹. (أ) إطار فرعي أمامي. (ب) الرياح الفرعية الأمامية. (C) إطار فرعي متوسط. (D) الرياح الفرعية الخلفية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

3. تطبيق محول
   1. تطبيق ما يكفي من هلام الموجات فوق الصوتية لتغطية سطح محول.
      ملاحظة: عند وضعه على الرأس، يجب أن يغطي الجل مساحة كافية للحفاظ على ختم بين فروة الرأس وسطح مسبار دوبلر، وبالتالي منع انقطاع الإشارة من اقتران الهواء تحت سطح المسبار.
   2. تنبيه الموضوع أن الجل قد يشعر بالبرد (إذا كان في درجة حرارة الغرفة).
   3. ضع المحول على النافذة الزمنية، التي كانت موجودة في القسم 1.2.
4. البحث عن MCA
   1. بعد وضع محول على فروة الرأس، والبحث عن إشارة MCA، والتي سوف تكون موجودة عموما الأمامي قليلا (إلى الأمام) وrostral (نحو الرأس) من موقع موضع فروة الرأس محول الأولي¹⁰.
   2. إذا لم تكن الإشارة الطيفية ل TCD واضحة على الفور، فاضبط زاوية المحول مع الاحتفاظ بها في نفس الموقع بالنسبة لفروة الرأس. ببطء زاوية التحقيق من rostral إلى caudal (نحو القدمين) والخلفي إلى الأمامي.
      ملاحظة: يظهر الشكل 3 أطياف اثنين مأخوذة من نفس الموضع، ولكن في زوايا مختلفة.
   3. إذا كانت الإشارة لا تزال غائبة بعد تنفيذ الخطوة 1.4.2، تحقق من شاشة وضع M اللون لتدفق في MCA في أعماق مختلفة (المشار إليها تلوين أحمر). زيادة عمق الإشارة أو إنقاصه في خطوات 5 مم والبحث كما هو موضح في الخطوة 1.4.2. إذا كان التدفق مرئيا في وضع M ولكن ليس في طيف دوبلر، قم بزيادة أو تقليل العمق حتى تكون إشارة التدفق مرئية في طيف دوبلر.
   4. إذا لم يتم الحصول على إشارة مرضية بعد، قم بنقل المحول إلى موضع قريب على فروة الرأس، وهو أكثر من ذلك بقليل، وكرر الخطوات 1.4.1-1.4.3.
   5. عند الحصول على إشارة MCA الأمثل، لاحظ العمق والسرعة القصوى.
   6. باستخدام قلم ماكياج قابل للغسل، ضع علامة على فروة الرأس (جزء التتبع من حافة محول) حيث تم العثور على الإشارة المثلى.

الشكل 3: عينة دوبلر الأطياف والصور M-وضع من نقطة الوسط من الجزء M1 من MCA. (A) الطيف اتخذت الحق بعد تطبيق محول إلى النافذة الزمنية, فقط أمام الأذن. (ب) عينة دوبلر الطيف في نفس الموقع وعمق (أ). التغيير الوحيد هو أن محول تم الزاوية صعودا (متفوقة) قليلا. في كل من (A) و (B)، العمق = 50 مم ، الربح = 50 ، حجم العينة = 12 مم ، القوة = 420 mW / cm²، والتصفية = 100 هرتز. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

5. البحث عن التشعب
   ملاحظة: العثور على تشعب الشريان السباتي الداخلي (ICA) مهم للمساعدة في التأكد من أن MCA هو الشريان الذي يتم مراقبته. وينبغي تنفيذ هذه الخطوة من كلا الجانبين إذا ما أجريت المراقبة الثنائية، لأن التشعب قد لا يكون بنفس العمق على كلا الجانبين.
   1. زيادة العمق حتى الإشارة من تشعب ICA إلى MCA وACA هو لاحظت (الشكل 4)، وعادة على عمق 51-65 ملم¹⁰.
   2. ابحث عن الإشارة الطيفية المثلى للتشعب باستخدام الإجراء الموضح في الخطوة 1.4.2. نسعى دائما لأعلى سرعة إشارة الطيفية ممكن¹⁰.
   3. عند الحصول على إشارة التشعب الأمثل، لاحظ عمق التشعب.
   4. بالنسبة للرصد الثنائي، كرر المقاطع 1.1-1.4 والخطوات 1.5.1-1.5.3 على الجانب الآخر من الرأس.

الشكل 4: الطيفية دوبلر (أعلى) و M-وضع (أسفل) صورة من تشعب ICA في MCA وACA. العمق = 65 مم، كسب = 50، حجم العينة = 12 ملم، الطاقة = 420 كيلوواط/سم^2،والفلتر = 100 هرتز.

2. نقل MCA بعد وضع جهاز التثبيت

ملاحظة: بالنسبة لتجارب fTCD، من الضروري مراقبة CBFV لمدة 10-90 دقيقة أو أكثر. لذلك، جهاز التثبيت(الشكل 5)أمر بالغ الأهمية لتوفير الاستقرار.

1. وضع جهاز التثبيت
   1. عن طريق الفحص البصري، قم بضبط جهاز التثبيت(الشكل 5)على حجم الرأس التقريبي للموضوع.
   2. تنبيه الموضوع قبل وضع سماعة الرأس على رأسه. ضع سماعة الرأس على رأس الموضوع.
      ملاحظة: إذا كان الموضوع له شعر طويل أو سميك، فقد يكون من الضروري ربط شعر الشخص مرة أخرى، اعتمادا على جهاز التثبيت المستخدم.
   3. اضبط نوبة جهاز التثبيت، واسأل الموضوع عما إذا كان الجهاز ضيقا جدا.
      ملاحظة: يجب أن يكون الجهاز ضيقا بما فيه الكفاية بحيث لا يتحرك عند الاصطدام قليلا ، ولكنه فضفاض بما يكفي بحيث لا يكون الموضوع غير مريح.

الشكل 5: موضوع يرتدي جهاز التثبيت المخصص. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

2. تحديد موقع إشارة MCA
   1. تخفيف آلية جهاز التثبيت عقد محول في مكان (على سبيل المثال، تخفيف الآلية، كما هو موضح في الشكل 5،عن طريق تحويل مقبض عكس عقارب الساعة) بحيث يمكن للمحول التحرك بحرية.
   2. تنبيه الموضوع قبل تطبيق هلام على محولات (والتي ينبغي أن تكون بالفعل في مكان من القسم 2.1)، وأن الجل قد تكون باردة (إذا تم تخزينها في درجة حرارة الغرفة).
   3. تطبيق ما يكفي من هلام الموجات فوق الصوتية على محول لتغطية وجه محول.
   4. ضبط جهاز التثبيت بحيث يوجد محول فوق العلامة التي تم إجراؤها في الخطوة 1.4.6.
   5. ابحث عن الإشارة الطيفية المثلى ل MCA باستخدام الإجراء الموضح في الخطوات 1.4.1-1.4.3. نسعى دائما لأعلى سرعة إشارة الطيفية ممكن¹⁰.
      ملاحظة: عند مقارنتها ب TCD اليدوية، قد يختلف العمق الأمثل الذي يوجد به MCA باستخدام جهاز التثبيت اختلافا طفيفا (على الأكثر 1-2 مم) عن العمق الخاص بالجهاز اليدوي. وذلك لأن جهاز التثبيت قد عقد محول أبعد قليلا من فروة الرأس مع الحفاظ على ختم هلام اقتران.
   6. عندما يتم العثور على إشارة الطيفية MCA الأمثل، تشديد آلية جهاز التثبيت لقفل محول في مكان. لاحظ العمق وكافة الإعدادات الأخرى.
   7. تقليل الطاقة (انظر الخطوة 1.1.1) قدر الإمكان مع الحفاظ على مغلف طيفي يتتبع السرعة القصوى بدقة.
   8. بالنسبة للرصد الثنائي،كرر الخطوات 2.2.1-2.2.7 على الجانب الآخر.

3. إجراء مناورة لالتقاط الأنفاس

ملاحظة: يتم إعطاء هذا المقطع كمثال على تجربة وظيفية التي يمكن تنفيذها باستخدام الإعداد التجريبي الموضحة في المقطع 1 و القسم 2.

1. تنفيذ كافة الخطوات الموضحة في المقطع 1 و القسم 2.
2. بدء التسجيل على برنامج TCD.
3. تنفس عادة لمدة 3 دقائق لتحقيق تسجيل خط الأساس جيدة، والسماح CBFV لتحقيق الاستقرار من أي تجارب سابقة أو المحفزات.
4. العد التنازلي ببطء من ثلاثة. على العد من واحد، اطلب من هذا الموضوع أن تبدأ لالتقاط الأنفاس بعد إلهام طبيعي¹³.
   ملاحظة: لا ينبغي أن يستنشق هذا الموضوع بعمق ، لأن هذا من شأنه أن يقلل من ثاني أكسيد الكربون في الرئتين ويقلل من احتمال ملاحظة الزيادة في CBFV بسبب التفاعل الدماغي الوعائي. وينبغي لهذا الموضوع أيضا تجنب أداء مناورة Valsalva، التي يتم فيها زيادة الضغط داخل الصدر بشكل كبير ضد إلهام عقد¹⁴.
5. ضع علامة في تسجيل TCD للدلالة على بداية حبس الأنفاس.
6. يكون هذا الموضوع حبس أنفاسهم لمدة 30 ق، أو حتى أنها لم تعد مريحة حبس أنفاسهم.
7. عندما يستنشق الموضوع، ضع علامة في تسجيل TCD للدلالة على نهاية حبس الأنفاس.
8. متابعة مراقبة CBFV باستخدام TCD وتسجيل لمدة 30 s على الأقل بعد نهاية لالتقاط الأنفاس لضمان أن يعود CBFV إلى قيم خط الأساس.

النتائج

يظهر الشكل 3 عينة أطياف دوبلر وأوضاع M الملونة من نقطة الوسط في الجزء M1 من MCA. الشكل 3A،B اتخذت في نفس الموقف على فروة الرأس ، ولكن في زوايا مختلفة. لاحظ كيف يمكن لتغيير صغير جدا في الزاوية ، دون تغيير موضع الاتصال على فروة الرأس ، أن يحسن بشكل كبير قو?...

Discussion

وتشمل الخطوات الحاسمة في البروتوكول 1) العثور على MCA، 2) وضع عصابة الرأس، و 3) أداء المناورة لالتقاط الأنفاس.

قد تكون التعديلات ضرورية اعتمادا على الموضوعات في الدراسة. على سبيل المثال، قد يواجه الأشخاص المصابون بمرض الزهايمر صعوبة في اتباع التعليمات، مما ي?...

Materials

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