אולטרסאונד דופלר חוצה תותח פונקציונלי לניטור זרימת הדם במוח
Summary
אולטרסאונד דופלר תפקודי חוצה cranial משלים שיטות הדמיה פונקציונליות אחרות, עם מדידת רזולוציה זמנית גבוהה של שינויים המושרים גירוי בזרימת הדם במוח בתוך העורקים המוחיים הבזליים. נייר שיטות זה נותן הוראות שלב אחר שלב לשימוש אולטרסאונד דופלר transcranial פונקציונלי לבצע ניסוי הדמיה פונקציונלית.
Abstract
אולטרסאונד דופלר תוחם תפקודי (fTCD) הוא שימוש באולטרסאונד דופלר טרנס-קדנציאלי (TCD) כדי לחקור הפעלה עצבית המתרחשת במהלך גירויים כגון תנועה פיזית, הפעלת חיישני מישוש בעור וצפייה בתמונות. הפעלה עצבית נובעת מעלייה במהירות זרימת הדם המוחית (CBFV) המספקת את אזור המוח המעורב בעיבוד קלט חושי. לדוגמה, צפייה באור בהיר גורמת לפעילות עצבית מוגברת באונה העורפית של קליפת המוח, מה שמוביל לזרימת דם מוגברת בעורק המוחי האחורי, המספק את האונה העורפית. ב- fTCD, שינויים ב- CBFV משמשים להערכת שינויים בזרימת הדם במוח (CBF).
עם מדידת רזולוציית הזמן הגבוהה של מהירויות זרימת הדם בעורקים המוחיים העיקריים, fTCD משלים טכניקות הדמיה פונקציונליות אחרות שנקבעו. מטרת נייר שיטות זה היא לתת הוראות שלב אחר שלב לשימוש ב- fTCD לביצוע ניסוי הדמיה פונקציונלי. ראשית, השלבים הבסיסיים לזיהוי העורק המוחי האמצעי (MCA) ואופטימיזציה של האות יתוארו. לאחר מכן, מיקום של מכשיר קיבעון להחזקת גשושית TCD במקום במהלך הניסוי יתואר. לבסוף, הניסוי עוצר הנשימה, שהוא דוגמה ספציפית לניסוי הדמיה פונקציונלי באמצעות fTCD, יודגם.
Introduction
במחקר מדעי המוח, לעתים קרובות רצוי לעקוב אחר פעילות המוח בזמן אמת באופן לא פולשני במגוון סביבות. עם זאת, שיטות דימות עצבי פונקציונלי קונבנציונאלי יש מגבלות הפוגעות ביכולת ללכוד שינויים מקומיים ו / או פעילות מהירה. הרזולוציה הזמנית האמיתית (הלא עצבנית, הלא רטרוספקטיבית) של הדמיית תהודה מגנטית תפקודית (fMRI) היא כרגע בסדר גודל של כמה שניות1, אשר לא יכול ללכוד שינויים המודינמיים חולפים הקשורים להפעלה עצבית חולפת. בדוגמה אחרת, למרות ספקטרוסקופיה כמעט אינפרא אדום פונקציונלי (fNIRS) יש רזולוציה זמנית גבוהה (אלפיות השנייה) ורזולוציה מרחבית סבירה, זה יכול רק לחקור שינויים המודינמיים בתוך קליפת המוח ולא יכול לספק מידע על שינויים המתרחשים בעורקים הגדולים יותר המספקים את המוח.
לעומת זאת, fTCD – המסווגים כמודל מדמות מוחית – מתייחס לממדי הזמן והמרחב, ולא לשני כיוונים מרחביים אורתוגונליים המוכרים יותר ב”תמונה”. fTCD מספק מידע משלים לאופנים אחרים של דימות מוחי על ידי מדידת רזולוציה טמפלית גבוהה (בדרך כלל 10 אלפיות השנייה) שינויים המודינמיים במיקומים מדויקים בתוך כלי הדם של מחזור המוחי הבזלי. כמו עם שיטות דימות מוחי אחרות, fTCD עשוי לשמש עבור מגוון ניסויים כגון לימוד לרוחב של הפעלה מוחית במהלך משימות הקשורות לשפה2,3,4, לימודהפעלהעצבית בתגובה לגירויים סומטוסנסוריים שונים5, ובחינת הפעלה עצבית בגירויים קוגניטיביים שונים כגון משימות חזותיות6, משימות מנטליות7, ואפילו ייצור כלים8.
למרות fTCD מציע מספר יתרונות לשימוש בהדמיה פונקציונלית, כולל עלות נמוכה של ציוד, ניידות, ובטיחות משופרת (בהשוואה ל- Wada test3 או טומוגרפיה פליטת פוזיטרונים [PET]), פעולה של מכונת TCD דורשת מיומנויות המתקבלות בפועל. חלק מהמיומנויות האלה, אשר חייב להילמד על ידי מפעיל TCD, כוללים את היכולת לזהות עורקים מוחיים שונים ואת הכישורים המוטוריים הדרושים כדי לתפעל במדויק את הבדיקה אולטרסאונד במהלך החיפוש אחר העורק הרלוונטי. המטרה של נייר שיטות זה היא להציג טכניקה לשימוש fTCD כדי לבצע ניסוי הדמיה פונקציונלית. ראשית, השלבים הבסיסיים לזיהוי ואופטימיזציה של האות מה- MCA, אשר מחדיר 80% מחצי המוח9, יפורטו. לאחר מכן, מיקום של מכשיר קיבעון להחזקת גשושית TCD במקום במהלך הניסוי יתואר. לבסוף, הניסוי עוצר הנשימה, המהווה דוגמה אחת לניסוי הדמיה פונקציונלי באמצעות fTCD, יתואר, ותוצאות מייצגות יוצגו.
Protocol
Representative Results
Discussion
צעדים קריטיים בפרוטוקול כוללים 1) מציאת MCA, 2) הצבת סרט הראש, ו -3) ביצוע תמרון עוצר נשימה.
שינויים עשויים להיות נחוצים בהתאם לנושאים במחקר. לדוגמה, נבדקים עם מחלת אלצהיימר עשויים להתקשות לעקוב אחר ההוראות, המחייבות שימוש בקנוגרף כדי להבטיח עמידה בהוראות עוצר?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
פרויקט זה מבוסס על מחקר שנתמך חלקית על ידי תחנת הניסויים החקלאיים של נברסקה במימון חוק הצוהר (מספר כניסה 0223605) באמצעות המכון הלאומי למזון וחקלאות של משרד החקלאות האמריקאי.
Materials
| 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 |
References
- Buxton, R. B. The physics of functional magnetic resonance imaging (fMRI). Reports on Progress in Physics. 76 (9), 096601 (2013).
- Lohmann, H., Dräger, B., Müller-Ehrenberg, S., Deppe, M., Knecht, S. Language lateralization in young children assessed by functional transcranial Doppler sonography. NeuroImage. 24 (3), 780-790 (2005).
- Knecht, S., et al. Noninvasive determination of language lateralization by functional transcranial Doppler sonography: a comparison with the Wada test. Stroke. 29 (1), 82-86 (1998).
- Knecht, S., et al. Successive activation of both cerebral hemispheres during cued word generation. Neuroreport. 7 (3), 820-824 (1996).
- Hage, B., Way, E., Barlow, S. M., Bashford, G. R. Real-time cerebral hemodynamic response to tactile somatosensory stimulation. Journal of Neuroimaging. 28 (6), 615-620 (2018).
- Hage, B., et al. Functional transcranial Doppler ultrasound for measurement of hemispheric lateralization during visual memory and visual search cognitive tasks. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 63 (12), 2001-2007 (2016).
- Meyer, G. F., Spray, A., Fairlie, J. E., Uomini, N. T. Inferring common cognitive mechanisms from brain blood-flow lateralization data: a new methodology for fTCD analysis. Frontiers in Psychology. 5, 552 (2014).
- Uomini, N. T., Meyer, G. F. Shared brain lateralization patterns in language and Acheulean stone tool production: a functional transcranial Doppler ultrasound study. PLoS ONE. 8 (8), 72693 (2013).
- Edvinsson, L., MacKenzie, E. T., McCulloch, J. . Cerebral Blood Flow and Metabolism. , (1993).
- Alexandrov, A. V., et al. Practice standards for transcranial Doppler ultrasound: part I–test performance. Journal of Neuroimaging. 17 (1), 11-18 (2007).
- Fujioka, K. A., Douville, C. M., Newell, D. W., Aaslid, R. Anatomy and freehand examination techniques. Transcranial Doppler. , (1992).
- Alexandrov, A. V. Transcranial Doppler physics and techniques, lecture notes. American Society of Neuroimaging Conference. , (2020).
- Alwatban, M., Truemper, E. J., Al-rethaia, A., Murman, D. L., Bashford, G. R. The breath-hold acceleration index: a new method to evaluate cerebrovascular reactivity using transcranial Doppler. Journal of Neuroimaging. 28 (4), 429-435 (2018).
- Tiecks, F. P., et al. Effects of the Valsalva maneuver on cerebral circulation in healthy adults: a transcranial Doppler study. Stroke. 26 (8), 1386-1392 (1995).
- Alwatban, M., Murman, D. L., Bashford, G. Cerebrovascular reactivity impairment in preclinical Alzheimer’s disease. Journal of Neuroimaging. 29 (4), 493-498 (2019).
- Twedt, M. H., et al. Most high-intensity transient signals are not associated with specific surgical maneuvers. World Journal for Pediatric and Congenital Heart Surgery. 11 (4), 401-408 (2020).
- Moehring, M. A., Spencer, M. P. Power M-mode Doppler (PMD) for observing cerebral blood flow and tracking emboli. Ultrasound in Medicine & Biology. 28 (1), 49-57 (2002).
- Poldrack, R. A. The future of fMRI in cognitive neuroscience. NeuroImage. 62 (2), 1216-1220 (2012).
- Oh, H., Custead, R., Wang, Y., Barlow, S. Neural encoding of saltatory pneumotactile velocity in human glabrous hand. PLoS ONE. 12 (8), 0183532 (2017).
- Rosner, A. O., Barlow, S. M. Hemodynamic changes in cortical sensorimotor systems following hand and orofacial motor tasks and pulsed pneumotactile stimulation. Somatosensory & Motor Research. 33 (3-4), 145-155 (2016).
- Alexandrov, A. V., et al. High rate of complete recanalization and dramatic clinical recovery during tPA infusion when continuously monitored with 2-MHz transcranial doppler monitoring. Stroke. 31 (3), 610-614 (2000).
- Watt, B. P., Burnfield, J. M., Truemper, E. J., Buster, T. W., Bashford, G. R. Monitoring cerebral hemodynamics with transcranial Doppler ultrasound during cognitive and exercise testing in adults following unilateral stroke. 2012 IEEE Engineering in Medicine and Biology Society Annual Conference Proceedings. , 2310-2313 (2012).
- Markus, H. S., Harrison, M. J. Estimation of cerebrovascular reactivity using transcranial Doppler, including the use of breath-holding as the vasodilatory stimulus. Stroke. 23 (5), 668-673 (1992).
- File:Circle of Willis en.svg. . Wikimedia Commons, the free media repository Available from: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Circle_of_Willis_en.svg (2020)
- Bode, H. . Pediatric Applications of Transcranial Doppler Sonography. , (1988).
