Serebral Kan Akışını İzlemek için Fonksiyonel Transkraniyal Doppler Ultrason

Özet

Fonksiyonel transkraniyal Doppler ultrason, bazal serebral arterler içindeki serebral kan akışındaki uyaran kaynaklı değişikliklerin yüksek zamansal çözünürlük ölçümü ile diğer fonksiyonel görüntüleme yöntemlerini tamamlar. Bu Yöntemler makalesi, fonksiyonel bir görüntüleme deneyi gerçekleştirmek için fonksiyonel transkraniyal Doppler ultrason kullanmak için adım adım talimatlar verir.

Özet

Fonksiyonel transkraniyal Doppler ultrason (fTCD), fiziksel hareket, ciltteki dokunsal sensörlerin aktivasyonu ve görüntüleri görüntüleme gibi uyaranlar sırasında meydana gelen nöral aktivasyonu incelemek için transkraniyal Doppler ultrasonun (TCD) kullanılmasıdır. Nöral aktivasyon, duyusal girdinin işlenmesinde rol oynayan beynin bölgesini sağlayan serebral kan akışı hızındaki (CBFV) bir artıştan kaynaklanır. Örneğin, parlak ışığın görüntülenmesi, serebral korteksin oksipital lobunda nöral aktivitenin artmasına neden olur ve oksipital lobu sağlayan arka serebral arterde kan akışının artmasına neden olur. fTCD'de, CBFV'deki değişiklikler serebral kan akışındaki (CBF) değişiklikleri tahmin etmek için kullanılır.

FTCD, ana serebral arterlerdeki kan akışı hızlarının yüksek zamansal çözünürlük ölçümü ile diğer yerleşik fonksiyonel görüntüleme tekniklerini tamamlar. Bu Yöntemler makalesinin amacı, işlevsel bir görüntüleme denemesi gerçekleştirmek için fTCD'yi kullanmak için adım adım yönergeler vermektir. İlk olarak, orta serebral arteri (MCA) tanımlamak ve sinyali optimize etmek için temel adımlar açıklanacaktır. Daha sonra, deney sırasında TCD probunu yerinde tutmak için bir fiksasyon cihazının yerleştirilmesi açıklanacaktır. Son olarak, fTCD kullanılarak yapılan fonksiyonel görüntüleme deneyinin özel bir örneği olan nefes tutma deneyi gösterilecektir.

Giriş

Nörobilim araştırmalarında, çeşitli ortamlarda gerçek zamanlı beyin aktivitesinin noninvaziv olarak izlenmesi sıklıkla arzu edilir. Bununla birlikte, geleneksel fonksiyonel nörogörünte yöntemleri, lokalize ve / veya hızlı aktivite değişikliklerini yakalama yeteneğini engelleyen sınırlamalara sahiptir. Fonksiyonel manyetik rezonans görüntülemenin (fMRI) gerçek (gergin olmayan, geriye dönük olmayan) zamansal çözünürlüğü şu anda geçici nöral aktivasyona bağlı geçici hemodinamik değişiklikleri yakalayamayan birkaç saniye¹sırasına sahiptir. Başka bir örnekte, fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi (fNIRS) yüksek zamansal çözünürlüğe (milisaniye) ve makul mekansal çözünürlüğe sahip olmasına rağmen, sadece serebral korteks içindeki hemodinamik değişiklikleri araştırabilir ve beyni sağlayan daha büyük arterlerde meydana gelen değişiklikler hakkında bilgi veremez.

Buna karşılık, nörogörüntüleme modalitesi olarak sınıflandırılan fTCD", bir "görüntüde" daha tanıdık olan iki ortogonal mekansal yön yerine zaman ve uzayın boyutlarını ifade eder. fTCD, bazal serebral dolaşımın damarları içindeki hassas konumlarda yüksek zamansal çözünürlük (tipik olarak 10 ms) hemodinamik değişiklikleri ölçerek diğer nörogörüntüleme yöntemlerine tamamlayıcı bilgiler sağlar. Diğer nörogörüntüleme yöntemlerinde olduğu gibi, fTCD, dille ilgili görevler sırasında serebral aktivasyonun lateralizasyonunu incelemek²,^3,4, çeşitli somatosensör uyaranlara yanıt olarak sinirsel aktivasyonu incelemek ve görsel görevler⁶, zihinsel görevler⁷ve hatta takım üretimi⁸gibi çeşitli bilişsel uyaranlarda sinirsel aktivasyonu keşfetmek gibi çeşitli deneyler için kullanılabilir.

fTCD, düşük ekipman maliyeti, taşınabilirlik ve gelişmiş güvenlik (Wada test³ veya pozitron emisyon tomografisi [PET] taramalarına kıyasla) dahil olmak üzere fonksiyonel görüntülemede kullanım için çeşitli avantajlar sunsa da, bir TCD makinesinin çalışması pratikle elde edilen becerileri gerektirir. Bir TCD operatörü tarafından öğrenilmesi gereken bu becerilerden bazıları, çeşitli serebral arterleri tanımlama yeteneğini ve ilgili arteri arama sırasında ultrason probunun hassas bir şekilde manipüle edilmesi için gerekli motor becerileri içerir. Bu Yöntemler makalesinin amacı, işlevsel bir görüntüleme deneyi gerçekleştirmek için fTCD kullanma tekniğini sunmaktır. İlk olarak, serebral yarımküre^9'un%80'ini perfüzyona sokabilen MCA'dan gelen sinyali tanımlamak ve optimize etmek için temel adımlar listelenecektir. Daha sonra, deney sırasında TCD probunu yerinde tutmak için bir fiksasyon cihazının yerleştirilmesi açıklanacaktır. Son olarak, fTCD kullanılarak yapılan fonksiyonel görüntüleme deneyinin bir örneği olan nefes tutma deneyi açıklanacak ve temsili sonuçlar gösterilecektir.

Protokol

Tüm insan konusu araştırmaları Nebraska-Lincoln Üniversitesi Kurumsal İnceleme Kurulu'na uygun olarak gerçeklendi ve tüm konulardan bilgilendirilmiş onam alındı.

1. MCA sinyalini serbest TCD ile bulma

NOT: "Freehand" TCD, bir fTCD deneyine başlamadan önce bir CBFV sinyali bulmak için TCD'nin el dönüştürücüsü ile çalışmasını ifade eder.

1. TCD parametrelerini ayarlama
   1. MCA için ilk arama sırasında gücü makul derecede yüksek bir değerde (örneğin, 400 mW) tutun. MCA sinyali bulunduktan sonra, "iyi" bir sinyal tutarken gücü mümkün olduğunca azaltın (bkz. adım 2.2.7).
      NOT: İlk arama sırasında makul derecede yüksek bir güç kullanmak, akustik radyasyona maruz kalma "Makul Ulaşılabilir Kadar Düşük" (ALARA) ilkesini ihlal etmez, çünkü daha yüksek güç MCA sinyalinin daha hızlı keşfedilmesine izin verecektir¹⁰.
   2. MCA sinyalinin ilk arama sırasında numune hacmini 8-12 mm olarak ayarlayın. Sinyali bulmak zorsa, sinyalin yoğunluğunu artırmak için kapı boyutunu artırın, ancak bunun yakındaki bir veya daha fazla arterden gelen sinyali MCA'dan gelen sinyale dahil edebileceğini unutmayın.
   3. Kazancı orta düzeyde ayarlayın, "arka plan gürültüsünü minimumda tutma, ancak mevcut"^{hedefiyle 10}.
   4. Yüksek geçişli filtre kesmesini (normalde "eşik" olarak terimlendirilir) 50-150 Hz olarak ayarlayın.
   5. Konu bir yetişkinse, derinliği MCA 10'un M1 segmentinin ortalama orta nokta derinliği olan⁵⁰ mm'ye ayarlayın (Şekil 1).
      NOT: Bu ayar sonraki adımlarda daha ayrıntılı olarak ele alınacaktır. Çocuklar için derinlik ayarları Tablo 1'de verilmiştir.

Şekil 1: Willis çemberinin ve serebral dolaşım sisteminin ana arterlerinin temsili. ICA'nın ACA ve MCA'ya çatallanması siyah bir daire ile işaretlenmiştir. MCA'nın M1 segmenti gösterilir. Bu rakam²⁴'ten değiştirilmiştir. Kısaltmalar: ACA = anterior serebral arter; Bif. = çatallanma; ICA = iç karotis arter; MCA = orta serebral arter. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

2. Zamansal pencereyi bulma
   NOT: Transtemporal akustik pencere olarak da adlandırılan zamansal pencere, kafatasının kemiğin en ince olduğu bir parçasıdır¹¹, böylece düşük frekanslı ultrason enerjisinin kafatasından iletilmesini sağlar (Şekil 2).
   1. Bebekler ve küçük çocuklar için, temporal pencereyi kulağın hemen önünde ("intertragal alan") ve cildin altında kolayca hissedilebilen zigomatik kemerin rostral kenarının üzerinde bulun.
   2. Gençler ve genç yetişkinler için, alt pencerelerden herhangi biri aracılığıyla zamansal pencereyi bulun.
      NOT: Arka altwindow genellikle en iyi sinyali sağlar (Şekil 2).
   3. 30 yaş ve üzeri yetişkinler için, kulağın hemen önündeki zamansal pencereyi bulun.
      NOT: Kafatası kemiğinin artan gözenekliliği nedeniyle insanlar yaşlandıkça akustik pencerenin boyutu azalır ve bazı yaşlı insanların çok sınırlı bir zamansal pencereye sahip olmasına neden¹². Bu tür bireylerde, MCA'nın bilateral inzonası bazen imkansızdır.

Şekil 2: Transtemporal pencere (kesikli elips ile işaretlenmiş), zigomatik kemer (ok) ve subwindows¹¹. (A) Frontal subwindow. (B) Ön alt rüzgar. (C) Orta su altı. (D) Arka alt rüzgar. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

3. Dönüştürücünün uygulanması
   1. Dönüştürücünün yüzeyini kaplayacak kadar ultrason jeli uygulayın.
      NOT: Kafaya yerleştirildiğinde, jel kafa derisi ile Doppler prob yüzeyi arasında bir sızdırmazlık sağlamak için yeterli alanı kaplamalı ve böylece sinyal kesintisinin prob yüzeyinin altında hava bağlantısı yapmasını önlemelidir.
   2. Jeli soğuk hissedebileceği konusunda (oda sıcaklığındaysa) konuyu uyarın.
   3. Dönüştürücüsü bölüm 1.2'de bulunan zamansal pencereye yerleştirin.
4. MCA aranıyor
   1. Dönüştürücü kafa derisine yerleştirdikten sonra, genellikle ilk dönüştürücü kafa derisi yerleşiminin konumundan hafif ön (ileri) ve rostral (başa doğru) yerleştirilecek OLAN MCA sinyalini arayın¹⁰.
   2. TCD spektral sinyali hemen açık değilse, kafa derisine göre aynı yerde tutarken dönüştürücünün açısını ayarlayın. Sondayı yavaşça rostralden kaudal'a (ayaklara doğru) ve arkadan ön gönlüne doğru açıla.
      NOT: Şekil 3 aynı konumdan, ancak farklı açılardan alınan iki spektrum göstermektedir.
   3. 1.4.2 adımını gerçekleştirdikten sonra hala bir sinyal yoksa, MCA'da farklı derinliklerde (kırmızı renklendirme ile gösterilir) akış için renkli M modu ekranını kontrol edin. Sinyal derinliğini 5 mm adımda artırın veya indirin ve 1.4.2 adımında açıklandığı gibi arayın. Akış M modunda görünür, ancak Doppler spektrumunda görünmüyorsa, akış sinyali Doppler spektrumunda görünene kadar derinliği artırın veya azaltın.
   4. Tatmin edici bir sinyal hala alınamazsa, dönüştürücüsü kafa derisi üzerinde biraz daha ön olan yakındaki bir konuma getirin ve 1.4.1–1.4.3 adımlarını tekrarlayın.
   5. En uygun MCA sinyali elde edildiğinde, derinliğe ve maksimum hıza dikkat edin.
   6. Yıkanabilir bir makyaj kalemi kullanarak, en uygun sinyalin bulunduğu kafa derisine (dönüştürücü kenarının iz kısmı) bir işaret yerleştirin.

Şekil 3: MCA'nın M1 segmentinin orta noktasından örnek Doppler spektrumu ve M modu görüntüleri. (A) Transdüser uygulandıktan hemen sonra kulağın hemen önündeki zamansal pencereye çekildi. (B) Örnek Doppler spektrumu (A) ile aynı yerde ve derinlikte. Tek değişiklik, dönüştürücünün hafifçe yukarı doğru (üstün) açılı olmasıdır. Her ikisinde de (A) ve (B), derinlik = 50 mm, kazanç = 50, örnek hacmi = 12 mm, güç = 420 mW/cm²ve filtre = 100 Hz. Bu şeklin daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen burayı tıklatın.

5. Çatallanma aranıyor
   NOT: İç şahdamarının (ICA) çatallanmasını bulmak, MCA'nın izlenen arter olduğunu doğrulamaya yardımcı olmak için önemlidir. Çatallanma her iki tarafta da aynı derinlikte olmayabileceği için ikili izleme yapılacaksa bu adım her iki tarafta da yapılmalıdır.
   1. ICA'nın MCA ve ACA'ya çatallanması sinyali belirtilene kadar derinliği artırın (Şekil 4), tipik olarak 51-65 mm¹⁰derinlikte.
   2. Adım 1.4.2'de açıklanan prosedürü kullanarak optimum çatallanma spektral sinyalini arayın. Her zaman mümkün olan en yüksek hızlı spektral sinyal için çabalayın¹⁰.
   3. Optimum bifurkasyon sinyali alındığında, çatallanmanın derinliğine dikkat edin.
   4. İkili izleme için, başın diğer tarafındaki 1.1–1.4 ve 1.5.1–1.5.3 adımlarını tekrarlayın.

Şekil 4: ICA'nın MCA ve ACA'ya çatallanmasının Spektral Doppler (üstte) ve M modu (altta) görüntüsü. Derinlik = 65 mm, kazanç = 50, örnek hacmi = 12 mm, güç = 420 mW/cm²ve filtre = 100 Hz. Bu şeklin daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

2. Bir sabitleme cihazı yerleştirdikten sonra MCA'nın yerini değiştirme

NOT: fTCD deneyleri için CBFV'yi 10-90 dakika veya daha uzun süre izlemek gerekir. Bu nedenle, stabilite sağlamak için bir sabitleme cihazı (Şekil 5) çok önemlidir.

1. Sabitleme cihazını yerleştirme
   1. Görsel inceleme ile sabitleme cihazını (Şekil 5) konunun yaklaşık kafa boyutuna ayarlayın.
   2. Kulaklığı kafasına yerleştirmeden önce konuyu uyarın. Kulaklığı deneğin kafasına yerleştirin.
      NOT: Konunun uzun veya kalın saçları varsa, kullanılan fiksasyon cihazına bağlı olarak öznenin saçını geriye bağlamak gerekebilir.
   3. Sabitleme cihazının uygun olup olmadığını ayarlayın ve cihaz çok sıkı olup olmadığını sorun.
      NOT: Cihaz hafifçe çarpıldığında hareket etmeyecek kadar sıkı, ancak konunun rahatsız olmadığı kadar gevşek olmalıdır.

Şekil 5: Özel fiksasyon cihazı takan konu. Bu şeklin daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

2. MCA sinyalini bulma
   1. Dönüştürücünün serbestçe hareket edebilmesi için dönüştürücünün mekanizmasını gevşetin (örneğin, Şekil 5'tegösterilen mekanizmayı saat yönünün tersine bir düğme çevirerek gevşetin).
   2. Dönüştürücülere jel uygulamadan önce konuyu uyarın (bölüm 2.1'den itibaren zaten yerinde olması gerekir) ve jel soğuk olabilir (oda sıcaklığında saklanmışsa).
   3. Dönüştürücünün yüzünü kaplayacak kadar ultrason jeli transdüser uygulayın.
   4. Sabitleme cihazını, dönüştürücünün 1.4.6 adımında yapılan işaretin üstünde yer olacak şekilde ayarlayın.
   5. 1.4.1–1.4.3 adımlarında açıklanan yordamı kullanarak en uygun MCA spektral sinyalini arayın. Her zaman mümkün olan en yüksek hızlı spektral sinyal için çabalayın¹⁰.
      NOT: Serbest TCD ile karşılaştırıldığında, sabitleme cihazını kullanarak MCA'nın bulunduğu optimum derinlik, serbest cihazın derinliğinden biraz (en fazla 1-2 mm) farklı olabilir. Bunun nedeni, fiksasyon cihazının transdüseri kafa derisinden biraz daha uzakta tutabileceği ve hala bir bağlantı jeli contası tutabileceğidir.
   6. En uygun MCA spektral sinyali bulunduğunda, dönüştürücünün yerine kilitlenmesi için sabitleme cihazının mekanizmasını sıkın. Derinliğe ve diğer tüm ayarlara dikkat edin.
   7. Maksimum hızı doğru bir şekilde izleyen spektral bir zarfı korurken gücü mümkün olduğunca azaltın (bkz. adım 1.1.1).
   8. İkili izlemeiçin, diğer taraftaki 2.2.1–2.2.7 adımlarını tekrarlayın.

3. Nefes tutma manevrası yapmak

NOT: Bu bölüm, bölüm 1 ve bölüm 2'de açıklanan deneysel kurulum kullanılarak gerçekleştirilebilecek işlevsel bir deneye örnek olarak verilmiştir.

1. Bölüm 1 ve bölüm 2'de açıklanan tüm adımları gerçekleştirin.
2. TCD yazılımına kaydetmeye başlayın.
3. İyi bir taban çizgisi kaydı elde etmek için 3 dakika boyunca normal nefes alın ve CBFV'nin önceki deneylerden veya uyaranlardan stabilize olmasını sağlar.
4. Üçten yavaşça geriye say. Bire kadar sayarsam, deneklerden normal bir ilhamın ardından nefes tutmaya başlamasını isteyin¹³.
   NOT: Konu derin nefes almamalıdır, çünkü bu akciğerlerdeki karbondioksiti azaltacak ve serebrovasküler reaktiviteye bağlı CBFV'deki artışı gözlemleme olasılığını azaltacaktır. Konu ayrıca, intratorasik basıncın tutulan bir ilhama karşı önemli ölçüde arttığı bir Valsalva manevrası yapmaktan kaçınmalıdır¹⁴.
5. Nefes tutmanın başlangıcını belirtmek için TCD kaydına bir işaret yerleştirin.
6. Deneğin nefesini 30 sn boyunca veya nefeslerini tutarken rahat olmayana kadar tutmasını bekleyin.
7. Konu soluduğunda, nefes tutmanın sonunu belirtmek için TCD kaydına bir işaret yerleştirin.
8. CBFV'nin temel değerlere dönmesini sağlamak için TCD kullanarak CBFV'yi izlemeye ve nefes tutmanın bitimini takiben en az 30 s kayıt yapmaya devam edin.

Sonuçlar

Şekil 3, MCA'nın M1 segmentinin orta noktasından örnek Doppler spektrumlarını ve renkli M modlarını göstermektedir. Şekil 3A,B kafa derisinde aynı pozisyonda, ancak farklı açılarda alındı. Kafa derisindeki temas pozisyonunu değiştirmedenaçıdaki çok küçük bir değişikliğin, Şekil 3B'dekispektrogramın daha yüksek yoğunluklu sarı renklendirmesinde gösterildiği gibi Doppler siny...

Tartışmalar

Protokoldeki kritik adımlar arasında 1) MCA'yı bulmak, 2) kafa bandını yerleştirmek ve 3) nefes tutma manevrasını yapmak yer almaktadır.

Çalışmadaki konulara bağlı olarak değişiklikler gerekebilir. Örneğin, Alzheimer hastalığı olan denekler talimatları takip etmekte zorlanabilir, nefes tutma talimatlarına uyulmasını sağlamak için bir capnograph kullanılmasını zorunlu kılabilir¹⁵. Küçük çocuklar talimat...

Malzemeler

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