本文介绍了一种利用漫射光学技术在床旁无创、实时监测神经危重症患者脑血流动力学的实验方案。具体而言，该方案采用一种混合式漫射光学系统，用于检测并实时显示脑组织氧合、脑血流量和脑代谢的相关信息。
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摘要
摘要
神经生理监测是神经危重症患者治疗中的重要目标，因其可能预防继发性损伤并直接影响发病率与死亡率。然而，目前尚缺乏适用于床旁连续监测脑生理功能的无创、实时技术。漫射光学技术已被提出作为潜在工具，用于神经危重症患者脑血流和脑氧合状态的床旁测量。此前，漫射光谱技术已在多种临床场景中用于患者监测，范围涵盖新生儿监护到成人脑血管干预。但该技术在床旁为临床医生提供实时信息的可行性仍缺乏充分研究。本文报道了一种漫射光学系统在重症监护期间对脑血流、脑氧合及脑氧代谢进行连续实时监测的临床转化应用。该仪器的实时监测功能有望推动基于个体化脑生理特征的治疗策略，而非依赖动脉血压等替代性指标。通过使用相对廉价且便携的设备，在不同时间尺度上提供脑循环的实时信息，该方法在预算有限的医院、偏远地区以及 在开阔区域的监测（如国防和体育领域）。
引言
导致重症神经疾病患者预后不良的大多数并发症均与脑血流动力学障碍引起的继发性损伤相关。因此，对这些患者的脑生理功能进行监测可能直接影响其发病率与死亡率1,2,3,4,5,6,7然而，目前尚无成熟的临床工具可用于对脑生理进行连续、实时、无创的监测 重症监护患者床旁监测。在众多潜在技术中，扩散光学技术最近被提出作为一种有前景的手段，以填补这一空白8,9,10,11通过测量从头皮扩散散射的近红外光（~650–900 nm）的缓慢变化（即数十至数百毫秒量级），扩散光学光谱法（DOS）可检测脑内主要色素物质的浓度，例如脑氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR）。12<....
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方案
该方案已获得坎皮纳斯大学当地伦理委员会的批准（方案编号 56602516.2.0000.5404）。在进行测量之前，已从患者或其法定代理人处获得书面知情同意。我们纳入了因前循环缺血性卒中或前循环蛛网膜下腔出血而入住坎皮纳斯大学临床医院的患者。排除标准包括：后循环缺血性卒中患者、因颅内压升高而接受减压性颅骨切除术的患者，以及患有其他神经退行性疾病（如痴呆、帕金森病或任何可能与皮质萎缩相关的疾病）的患者。
1. 将系统转移至重症监护室（ICU）前的准备工作
- 将所有光纤连接至相应的激光器和探测器，并确保它们已正确固定在光学探头（图1B）上。
- 检查光学探头是否已用黑色布料覆盖，以避免激光在室内散射。
- 将系统电源开关拨至“开启”位置。系统通电后，等待30秒，然后将DCS激光器的钥匙开关转至“开启”位置。FD-DOS激光器在系统通电时会自动启动。
- 在系统准备过程中，需获得受试者或其法定代理人签署的知情同意书。获得同意后，将设备推车推至患者病房。
注意：由于该混合系统内置电池可持续工作长达45分钟，因此在转运过程中无需关闭电源。
2. DOS 系统的校准与增益设置
- 到达ICU后，将DCS激光器的钥匙开关转至“OFF”位置以关闭激光器。
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结果
理想情况下，使用扩散相关光谱（DCS）模块获得的归一化自相关曲线在零延迟时间外推处的值应约为1.5（当使用单模光纤时）14），且在较长的延迟时间下，曲线应衰减至1。曲线应平滑，并且在源-探测器间距较长时衰减更快。一个良好的自相关曲线示例如下所示 图2A. 图2B 显示了一个不良的自相关曲线示例；在此示例中，无法区分不同源-探测器间距的曲线。 图2C 显示了另一个不良自相关曲线的示例，其中曲线的尾部与所使用的模型不匹配。这两条曲线中存在的问题（图2B，C与探头和皮肤耦合不良或光源的光直接泄漏到较短的源-探测器间距有关。
为了正确解读实时监测中观察到的变化，并将其与临床行为相关联，展示不同时间窗口下的神经生理学数据至关重要。作为示例，
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讨论
本文介绍了一种混合光学系统，可在床旁实时提供神经危重症患者的脑血流、脑氧合及脑氧代谢信息。此前已有研究指出，扩散光学技术有望作为临床场景中无创、床旁监测的潜在指标。先前一项研究通过病例报告的形式，重点关注了在神经重症监护室住院期间光学监测的临床意义及其可行性9。本研究的重点是详细阐述与扩散光学实时监测相关的关键且创新的技术要点。具体而言，本文提出了一种实时图形用户界面（GUI），可为临床医生提供清晰且有用的信息。该GUI支持对不同时段的数据进行便捷比较，这对于解读具有临床意义的数据至关重要。本文所实现的GUI可轻松适配基于软件相关器的扩散相关光谱（DCS）系统，但需注意实时显示频率应限制在约20 Hz。可通过对接收的自相关曲线进行实时平均处理，以降低更高采样速率的数据频率。未来，本方案所提供的实时信息有望用于指导临床治疗，从而改善神经危重症患者的临床预后。
本研究还提出使用一种可定制的光学探头，能够适应不同的应用场景，从而满足临床医生在不同目的和需求下的使用。正确选择光源-探测器间距是最大化扩散光学技术对大脑敏感性的关键步骤。在大多数.......
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披露
作者声明了与本研究、作者身份和/或本文发表相关的以下潜在利益冲突：RC Mesquita 有一项待审批的专利申请以及两项与此工作相关的其他专利（美国专利 10,342,488 和 10,064,554）。目前没有任何作者从这些专利中获得版税或付款。
致谢
我们感谢圣保罗研究基金会（FAPESP）通过项目编号 2012/02500-8（RM）、2014/25486-6（RF）和 2013/07559-3 提供的支持。资助方在研究设计、数据收集与分析、发表决定或稿件撰写过程中均未发挥任何作用。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3D 打印机 | Sethi3D | S2 | 用于打印可定制探头的 3D 打印机 |
| Arduino UNO | Arduino | UNO REV3 | 负责交错执行 DCS 和 FD-DOS 测量的微控制器 |
| DCS 相关器 | Correlator.com | Flex11-16ch | DCS 模块的组成部分 |
| DCS 探测器 IO 板 | Excelitas Technology | SPCM-AQ4C-IO | DCS 模块的组成部分 |
| DCS 探测器 | Excelitas Technology | SPCM-AQ4C | DCS 模块的组成部分 |
| DCS 激光器 | CrystaLaser | DL785-120-SO | DCS 模块的组成部分 |
| DCS 电源 | Artesyn | UMP10T-S2A-S2A-S2A-S2A-IES-00-A | DCS 模块的组成部分（为 DCS 探测器供电；提供 2、5 和 30 V 电压） |
| FD-DOS 光纤 | ISS | Imagent supplies | 用于 FD-DOS 检测和照明的光纤由 ISS 提供 |
| 柔性 3D 打印材料 | Sethi3D | NinjaFlex | 用于打印柔性可定制探头的材料 |
| Imagent | ISS | Imagent | FD-DOS 模块 |
| 激光防护眼镜 | Thorlabs | LG9 | |
| 多模光纤 | Thorlabs | FT400EMT | 用于 DCS 照明的多模光纤 |
| 中性密度滤光片 1.0 OD | Edmund Optics | 53-705 | 用于短光源-探测器间距的中性密度滤光片 |
| 单模光纤 | Thorlabs | 780HP | 用于 DCS 探测器的单模光纤 |
| 系统电池 | SMS | NET4 | 用于设备运输过程中的系统供电电池 |
参考文献
- Papanikolaou, J., et al. Cardiac and central vascular functional alterations in the acute phase of aneurysmal subarachnoid hemorrhage. Critical Care Medicine. 40 (1), 223-232 (2012).
- Sarrafzadeh, A. S., Vajkoczy, P., Bijlenga, P., Schaller, K.
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重印与许可
勘误
Formal Correction: Erratum: Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies
Posted by JoVE Editors on 12/07/2022. Citeable Link.
An erratum was issued for: Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies. The Authors section was updated from:
Rodrigo Menezes Forti1,2
Marilise Katsurayama2,3
Lenise Valler2,3
Andrés Quiroga1,2
Luiz Simioni1
Julien Menko4
Antonio L. E. Falcão3
Li Min Li2,5
Rickson C. Mesquita1,2
1Institute of Physics, University of Campinas
2Brazilian Institute of Neuroscience and Neurotechnology
3Clinical Hospital, University of Campinas
4Department of Emergency Medicine, Albert Einstein College of Medicine
5School of Medical Sciences, University of Campinas
to:
Rodrigo Menezes Forti1,2
Marilise Katsurayama2,3
Giovani Grisotti Martins1
Lenise Valler2,3
Andrés Quiroga1,2
Luiz Simioni1
Julien Menko4
Antonio L. E. Falcão3
Li Min Li2,5
Rickson C. Mesquita1,2
1Institute of Physics, University of Campinas
2Brazilian Institute of Neuroscience and Neurotechnology
3Clinical Hospital, University of Campinas
4Department of Emergency Medicine, Albert Einstein College of Medicine
5School of Medical Sciences, University of Campinas
