Science of Emotion and Sensibility (감성과학)

Korean Society for Emotion and Sensibility (한국감성과학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Effects of Ultrasound Stimulation of the Common Carotid Artery Using Near-Infrared Spectroscopy on Brain Physiology

근적외선 분광법을 이용한 경동맥의 초음파 자극이 뇌의 생리학적 작용에 미치는 영향

  • 박찬솔 (가천대학교 일반대학원) ;
  • 강창기 (가천대학교 의과학대학 방사선학과)
  • Received : 2024.08.28
  • Accepted : 2024.10.05
  • Published : 2024.12.31
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

Further research is needed to examine the effects of ultrasound stimulation of the carotid artery on the physiological function of the brain. Hence, this study aimed to propose a method utilizing a noninvasive and quantitative thermal stimulation technique of the carotid artery employing therapeutic ultrasound to improve and maintain the physiological function of the brain. The study was participated in by 27 healthy adults in their 20s. Diagnostic ultrasound identified the stimulation location of the right common carotid artery in the supine position, followed by the application of therapeutic ultrasound stimulation to the right sternocleidomastoid muscle. A two-minute therapeutic ultrasound stimulation was employed at two intensities (5W/cm2 and 10W/cm2) with a frequency of 3MHz. Near-infrared spectroscopy measured and compared changes in regional cerebral oxygen saturation (rSO2) and hemoglobin concentration (Hb). Furthermore, changes in each intervention section based on intensities were compared and analyzed. The area between the scalp and cerebral cortex (shallow) exhibited rSO2 increases at 10W/cm2 and decreases at 5W/cm2 in both during and after the intervention compared to pre-intervention, although differences lacked statistical significance. On the other hand, the cerebral cortex (deep) area demonstrated a statistically significant rSO2 decrease regardless of the intensities during the intervention (p = .001 for 5W/cm2; p < .001 for 10W/cm2), followed by post-intervention recovery tendencies (p = .016 for 5W/cm2; p = .012 for 10W/cm2). A significant increase in oxyhemoglobin (HbO) was illustrated during 5W/cm2 stimulation (p = .036), accompanied by a non-significant decrease in deoxyhemoglobin (HbR). Moreover, a non-significant decrease was identified in both HbO and HbR at 10W/cm2 stimulation. A significant intensity-based difference in rSO2 was observed in the shallow area (during intervention, p = .023; after intervention, p = .022). In conclusion, results revealed that the rSO2 in the deep area decreased during the intervention when performed at a frequency of 3MHz and an intensity of 5 and 10W/cm2. At a strong intensity of 10W/cm2, the rSO2 exhibited contrasting trends, increasing in the shallow area and decreasing in the deep area. The observed phenomenon stems from the excessive blood supply to the shallow area caused by increased external carotid artery blood flow, rather than the effective cerebral cortex stimulation induced by increased internal carotid artery blood flow by strong intensity stimulation. On the other hand, HbO in the brain increased at an intensity of 5W/cm2, indicating an increased oxygen supply. Accordingly, an appropriate intensity of therapeutic ultrasound stimulation is expected to improve brain function by regulating the physiological function of the brain and enhancing cerebrovascular health through improved cerebral blood flow.

경동맥의 치료 초음파 자극이 뇌의 생리적인 작용에 미치는 영향은 여전히 연구가 필요한 상황이다. 이에 본 연구에서는 치료용 초음파를 이용한 비침습적이고, 정량적인 열자극 기법을 이용하여 경동맥의 자극을 통해 뇌의 생리적인 기능을 개선하고 건강한 뇌 기능을 유지할 수 있는 방법을 제안하고자 하였다. 건강한 20대 성인 남녀 27명을 대상으로 연구를 진행하였다. 바로 누운 자세에서 진단용 초음파를 이용하여 우측 총경동맥(right common carotid artery, CCA)의 자극 위치를 확인하고, 우측 목빗근(sternocleidomastoid muscle)에 치료 초음파 자극을 적용하였다. 치료 초음파 자극은 치료용 초음파를 이용하여 3MHz의 주파수에서 총 2가지 강도(5W/cm2 and 10W/cm2)에서 각각 2분 동안 중재하였다. 근적외선분광법(near-infrared spectroscopy, NIRS)을 이용하여 대뇌산소포화도(regional cerebral oxygen saturation, rSO2) 및 헤모글로빈(hemoglobin, Hb) 농도의 변화를 측정하여 비교하였으며, 추가적으로 강도에 따른 중재 구간별 변화를 비교 분석하였다. 두피와 대뇌피질 사이(Shallow) 영역에서 rSO2는 강도에 따라서 서로 증감이 다르게 나타났다. 즉, 5W/cm2에서는 중재전과 비교하여 중재중과 중재후에 모두 감소하는 경향을 보였고, 10W/cm2에서는 모두 증가하는 경향을 보였지만, 모두 통계적으로 유의한 차이를 보이지는 않았다. 반면, 대뇌피질(Deep) 영역에서는 중재중에서 강도와 상관없이 통계적으로 유의한 감소를 보였고(p = .001 for 5W/cm2; p < .001 for 10W/cm2), 중재중과 비교하여 중재후에는 다시 중재전의 상태로 회복되는 경향을 보였다(p = .016 for 5W/cm2; p = .012 for 10W/cm2). 옥시헤모글로빈(oxyhemoglobin, HbO)의 변화는 5W/cm2 자극에서 중재중에서만 유의한 증가를 보였고(p = .036), 디옥시헤모글로빈(deoxyhemoglobin, HbR)은 감소하는 경향을 나타냈지만, 유의한 차이를 보이지는 않았다. 10W/cm2 자극에서 HbO와 HbR이 모두 감소하는 경향을 보였지만, 유의한 차이를 보이지 않았다. 강도에 따른 변화는 Shallow 영역에서 rSO2가 유의한 차이를 보였다(중재중, p = .023; 중재후, p = .022). 결론적으로 3MHz의 주파수와 5W/cm2와 10W/cm2 강도로 중재를 수행하게 된다면, 중재중에 Deep 영역의 rSO2의 감소를 야기한다는 것을 볼 수 있었다. 10W/cm2의 강한 강도의 자극에서는 Shallow 영역에서 rSO2가 증가하고, Deep 영역에서는 감소하는 것을 보여주었다. 이는 강한 강도의 자극에 의해 내경동맥의 혈류 증가로 인한 대뇌피질에서의 효과적인 자극이 아니라 외경동맥의 혈류 증가로 인하여 Shallow 영역에서의 혈류 공급의 과다로 인한 현상이 나타난 것으로 보여 진다. 반면, 대뇌에서 HbO는 5W/cm2의 강도에서 증가하였고, 이는 전반적인 산소 공급량이 높아졌음을 의미한다. 이에 적절한 강도의 치료용 초음파 자극을 사용한다면 기존에 알려져 있던 뇌혈류의 개선을 통하여 뇌혈관 건강을 개선하는 기능과 더불어 대뇌의 생리적인 기능을 조절하여 뇌기능의 개선에 기여할 수 있을 것으로 보인다.

Keywords

Acknowledgement

이 논문은 2020년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(NRF-2020R1A2C1004355).

References

  1. Ando, S., Takagi, Y., Watanabe, H., Mochizuki, K., Sudo, M., Fujibayashi, M., Tsurugano, S., & Sato, K. (2021). Effects of electrical muscle stimulation on cerebral blood flow. BMC Neuroscience, 22(1), 67. DOI: 10.1186/s12868-021-00670-z
  2. Ba, S., Zhou, P., & Yu, M. (2021). Ultrasound is effective to treat temporomandibular joint disorder. Journal of Pain Research, Volume, 14, 1667-1673. DOI: 10.2147/JPR.S314342
  3. Banaji, M., Mallet, A., Elwell, C. E., Nicholls, P., & Cooper, C. E. (2008). A model of brain circulation and metabolism: NIRS signal changes during physiological challenges. PLoS Computational Biology, 4(11), e1000212. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1000212
  4. Barker-Collo, S., Feigin, V. L., Parag, V., Lawes, C. M. M., & Senior, H. (2010). Auckland stroke outcomes study. Neurology, 75(18), 1608-1616. DOI: 10.1212/WNL.0b013e3181fb44c8
  5. Chen, W.-L., Wagner, J., Heugel, N., Sugar, J., Lee, Y. W., Conant, L., Malloy, M., Heffernan, J., Quirk, B., Zinos, A., Beardsley, S. A., Prost, R., & Whelan, H. T. (2020). Functional near-infrared spectroscopy and its clinical application in the field of neuroscience: advances and future directions. Frontiers in Neuroscience, 14. DOI: 10.3389/fnins.2020.00724
  6. Chugh, C. (2019). Acute ischemic stroke: management approach. Indian Journal of Critical Care Medicine : Peer-Reviewed, Official Publication of Indian Society of Critical Care Medicine, 23(Suppl 2), S140-S146. DOI: 10.5005/jp-journals-10071-23192
  7. Cui, X., Bray, S., & Reiss, A. L. (2010). Functional near infrared spectroscopy (NIRS) signal improvement based on negative correlation between oxygenated and deoxygenated hemoglobin dynamics. Neurolmage, 49(4), 3039-3046. DOI: 10.1016/j.neuroimage.2009.11.050
  8. Ganio, M. S., Brothers, R. M., Shibata, S., Hastings, J. L., & Crandall, C. G. (2011). Effect of passive heat stress on arterial stiffness: heat stress and arterial compliance. Experimental Physiology, 96(9), 919-926. DOI: 10.1113/expphysiol.2011.057091
  9. Ghosh, A., Elwell, C., & Smith, M. (2012). Cerebral near-infrared spectroscopy in adults: a work in progress. Anesthesia & Analgesia, 115(6), 1373-1383. DOI: 10.1213/ANE.0b013e31826dd6a6
  10. Hardie, K., Hankey, G. J., Jamrozik, K., Broadhurst, R. J., & Anderson, C. (2004). Ten-year risk of first recurrent stroke and disability after first-ever stroke in the Perth community stroke study. Stroke. DOI: 10.1161/01.STR.0000116183.50167.D9
  11. Johnston, A. J., Steiner, L. A., Gupta, A. K., & Menon, D. K. (2003). Cerebral oxygen vasoreactivity and cerebral tissue oxygen reactivity. British Journal of Anaesthesia, 90(6), 774-786. DOI: 10.1093/bja/aeg104
  12. Jung, J.-Y., & Kang, C.-K. (2024). Effect of non-perceptual sensory stimulation intensity using transcutaneous electrical nerve stimulation on cerebral blood flow. Korean Society for Emotion and Sensibility, 27(2), 81-90. DOI: 10.14695/KJSOS.2024.27.2.81
  13. Lee, K. J., Lee, S. Y., Park, S. Y., Jang, S. R., Kang, C. K. (2016). EEG study for the effects of mouth breathing on brain functions. Science of Emotion & Sensibility, 19(4), 119-126.
  14. Lee, S. J., Bai, S. J. (2005). New trend of pain evaluation by brain imaging devices. Science of Emotion & Sensibility, 8(4), 365-374.
  15. Lee, S. W., Kim, H. C., Lee, H. S., & Suh, I. (2016). Thirty-year trends in mortality from cerebrovascular diseases in Korea. Korean Circulation Journal, 46(4), 507-514. DOI: 10.4070(kcj.2016.46.4.507 https://doi.org/10.4070(kcj.2016.46.4.507
  16. Matthews, M. J., & Stretanski, M. F. (2024). Ultrasound Therapy. In Stat Pearls. Stat Pearls Publishing. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK547717/
  17. Miller, D. L., Smith, N. B., Bailey, M. R., Czarnota, G. J., Hynynen, K., Makin, I. R. S., & Bioeffects Committee of the American Institute of Ultrasound in Medicine. (2012). Overview of therapeutic ultrasound applications and safety considerations. Journal of Ultrasound un Medicine, 31(4), 623-634. DOI: 10.7863/jum.2012.31.4.623
  18. Morishita, K., Karasuno, H., Yokoi, Y., Morozumi, K., Ogihara, H., Ito, T., Fujiwara, T., Fujimoto, T., & Abe, K. (2014). Effects of therapeutic ultrasound on intramuscular blood circulation and oxygen dynamics. Journal of the Japanese Physical Therapy Association, 17(1), 1-7. DOI: 10.1298/jjpta.Vol17_001
  19. Reich, G. (2005). Near-infrared spectroscopy and imaging: Basic principles and pharmaceutical applications. Advanced Drug Delivery Reviews, 57(8), 1109-1143. DOI: 10.1016/j.addr.2005.01.020
  20. Speed, C. A. (2001). Therapeutic ultrasound in soft tissue lesions. Rheumatology, 40(12), 1331-1336. DOI: 10.1093/rheumatology/40.12.1331
  21. ter Laan, M., van Dijk, J. M. C., Stewart, R., Staal, M. J., & Elting, J.-W. J. (2014). Modulation of cerebral blood flow with transcutaneous electrical neurostirnulation (tens) in patients with cerebral vasospasm after subarachnoid hemorrhage. Neuromodulation: Technology at the Neural Interface, 17(5), 431-437. DOI: 10.1111/ner.12177
  22. Vavilala, M. S., Lee, L. A., & Lam, A. M. (2002). Cerebral blood flow and vascular physiology. Anesthesiology Clinics of North America, 20(2), 247-264. DOI: 10.1016/S0889-8537(01)00012-8
  23. Yi, K.-K., Park, C., Yang, J., Lee, Y.-B., & Kang, C.-K. (2023). Quantitative thermal stimulation using therapeutic ultrasound to improve cerebral blood flow and reduce vascular stiffness. Sensors, 23(20), 8487. DOI: 10.3390/s23208487