Diffuse Korrelationsspektroskopie zur Messung des zerebralen Blutflusses bei einem menschlichen Probanden

Zusammenfassung

Quelle: Menezes Forti, R. et al. Echtzeit-Monitoring von neurokritischen Patienten mit diffuser optischer Spektroskopie. J. Vis. Exp. (2020)

Dieses Video zeigt den Einsatz der diffusen Korrelationsspektroskopie (DCS) zur Messung des zerebralen Blutflusses beim Menschen. Es beschreibt die Schritte zur Vorbereitung des Systems, zur Kalibrierung der Sonde, zur Positionierung auf der Stirn des Teilnehmers, zur Erfassung von Streulichtdaten und zur Analyse von Intensitätsschwankungen, um die Dynamik des Blutflusses im Gehirn zu interpretieren.

Protokoll

Alle Eingriffe, an denen menschliche Teilnehmer beteiligt sind, wurden in Übereinstimmung mit den institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien für das Wohlergehen des Menschen durchgeführt und vom lokalen institutionellen Prüfungsausschuss überprüft.

1. Vorbereitungen vor dem Transport des Systems auf die Intensivstation (ICU)

1. Schließen Sie alle Fasern an die entsprechenden Laser und Detektoren an und stellen Sie sicher, dass sie ordnungsgemäß an der optischen Sonde befestigt sind (Abbildung 1B).
2. Vergewissern Sie sich, dass die optische Sonde mit einem schwarzen Tuch bedeckt ist, um zu vermeiden, dass die Laser im Raum leuchten.
3. Drehen Sie den Netzschalter des Systems in die Position "ON". Warten Sie nach dem Einschalten des Systems 30 Sekunden und drehen Sie dann den Laser-Schlüsselschalter für die diffuse Korrelationsspektroskopie (DCS) auf die Position "ON". Die Laser der diffusen optischen Spektroskopie (FD-DOS) im Frequenzbereich werden automatisch eingeschaltet, wenn das System mit Strom versorgt wird.
4. Holen Sie während der Vorbereitung des Systems die Zustimmung des Teilnehmers oder eines gesetzlichen Vertreters ein. Nachdem Sie die Zustimmung eingeholt haben, bringen Sie den Wagen in das Patientenzimmer.
   HINWEIS: Da das Hybridsystem über eine eingebaute Batterie verfügt, die bis zu 45 Minuten hält, muss sie während des Transports nicht ausgeschaltet werden.

2. Kalibrierung und Verstärkungseinstellungen des DOS-Systems

1. Schalten Sie bei Ihrer Ankunft auf der Intensivstation den DCS-Laser aus, indem Sie den Schlüssel in die Position "OFF" stellen.
2. Beginnen Sie mit dem soliden Phantom mit der Aufschrift "Kalibrieren" und führen Sie den Kalibrierungsprozess in der FD-DOS-Software (BOXY, ISS) aus, indem Sie die folgenden Schritte ausführen.
   1. Laden Sie im Menü 'Datei' die entsprechende Einstellungsdatei für die verwendete Sonde, indem Sie auf die Option 'Einstellungsdatei laden' klicken.
   2. Platzieren Sie die Sonde auf der gekrümmten Seite des Phantoms, um einen guten Kontakt mit der Oberfläche zu gewährleisten, und optimieren Sie dann die Vorspannung der Photomultiplier-Röhre (PMT), indem Sie in der FD-DOS-Software auf die Schaltfläche "Alle Detektoren optimieren" klicken.
   3. Führen Sie die Kalibrierung für mehrere Quellen-Detektor-Trennungen durch, indem Sie auf die Option "Calc. Waveform Calib. Werte für optische Requisiten. und Mehrere Entfernungen" aus dem Menü "Kalibrieren".
   4. Öffnen Sie die Option 'Benutzerdefinierte Berechnungen' aus dem Menü 'Text-Mon', um zu überprüfen, ob die gemessenen optischen Eigenschaften mit den vorgegebenen Werten (im festen Phantom geschrieben) übereinstimmen und ob die Anpassung R² nahe bei eins liegt.
3. Wiederholen Sie die obigen Schritte (mit Ausnahme von Schritt 2.2.3), um die optischen Eigenschaften des als "Prüfen" gekennzeichneten Phantoms zu messen und sicherzustellen, dass die Kalibrierung ausreichend war. Die gemessenen optischen Eigenschaften sollten innerhalb von 10 % mit den in den Phantomen angegebenen Werten übereinstimmen. Vorsicht: Stellen Sie sicher, dass die PMTs jedes Mal ausgeschaltet sind (indem Sie auf die Schaltfläche "Alle Detektoren AUS" klicken), wenn die Sonde bewegt wird, um eine Beschädigung der PMTs durch direkte Beleuchtung durch Umgebungslicht zu vermeiden.
4. Wenn die Kalibrierung nicht ausreichend ist, wiederholen Sie den Kalibrierungsprozess (Schritte 2.2 und 2.3). Die Sicherstellung einer guten Kalibrierung des FD-DOS-Systems ist für die Gültigkeit der FD-DOS-Messungen unerlässlich.

3. Vorbereitung des Teilnehmers am Krankenbett

1. Verwenden Sie Desinfektionstücher, um sowohl die Sonde als auch die Stirn des Patienten zu reinigen.
2. Legen Sie das doppelseitige Klebeband auf die Sonde (Abbildung 1B) und stellen Sie sicher, dass das Band nicht in direktem Kontakt mit den Glasfaserspitzen steht.
3. Setzen Sie eine Laserschutzbrille auf das Motiv.
4. Platzieren Sie die Sonden über dem Region-of-Interest (ROI) und wickeln Sie die elastischen Bänder um den Kopf des Probanden. Obwohl dies für FD-DOS und DCS nicht unbedingt erforderlich ist, ist es ratsam, die optische Sonde mit einem schwarzen Tuch oder einer schwarzen Binde abzudecken, um Geräusche durch Umgebungslicht zu reduzieren.
   HINWEIS: Es ist darauf zu achten, dass das elastische Band weder zu eng noch zu locker ist. Wenn das Band zu eng ist, kann dies für den Patienten zu erheblichen Beschwerden führen, und wenn das Band zu locker ist, kann dies zu einer schlechten Datenqualität führen, da das doppelseitige Klebeband nicht stark genug ist, um die Sonden an Ort und Stelle zu halten.
5. Nachdem die Sonde ordnungsgemäß an der Stirn des Patienten befestigt ist, schalten Sie den DCS-Laser ein, indem Sie den Schlüssel in die Position "ON" stellen.
   VORSICHT: Das DCS-System verwendet einen Laser der Klasse 3B, der für die Exposition der Augen gefährlich ist. Es ist sehr wichtig, die Laser nur dann einzuschalten, wenn die Sonde richtig an der Stirn des Patienten befestigt ist.

4. Bewertung der Datenqualität

1. Bevor Sie mit der Datenerfassung über die grafische Benutzeroberfläche (GUI) beginnen, schreiben Sie die DCS-Quellen-Detektor-Trennungen in die Registerkarte "Einstellungen" der GUI.HINWEIS: Das DCS-System erfordert keinen Kalibrierungsschritt, aber die korrekte Eingabe der Quellen-Detektor-Abstände ist für die Echtzeitanalyse erforderlich.
2. Starten Sie die Erfassungssoftware, indem Sie auf die Schaltfläche 'Start' in der GUI drücken und das DOS-Signal in der FD-DOS-Software überprüfen:
   1. Klicken Sie auf die Schaltfläche 'Alle Detektoren optimieren' in der FD-DOS-Software, um die PMT-Bias-Spannung zu optimieren.
   2. Überprüfen Sie die optischen Eigenschaften und den R² der DOS-Anpassung in der Option 'Benutzerdefinierte Berechnung' aus dem Menü 'Text-Mon'. Der ^{R2-Koeffizient} sollte nahe eins liegen, und als Faustregel gilt, dass der Absorptionskoeffizient bei menschlichen Patienten zwischen 0,05 und 0,2 ^cm-1 liegen sollte, während der Streukoeffizient zwischen 6 und 13 ^cm-113 liegen sollte.
3. Überprüfen Sie das DCS-Signal auf der Registerkarte "Korrelationskurven" der GUI.
   1. Schalten Sie die DCS-Detektoren ein, indem Sie die Schalter auf 'ON' stellen.
   2. Stellen Sie sicher, dass jeder DCS-Detektor eine ausreichende Lichtintensität misst. Als Faustregel gilt, dass mehr als 10 kHz erforderlich sind.
   3. Wenn die gemessene Intensität höher als 800 kHz ist, verwenden Sie einen Neutraldichtefilter, um die Photonenzahl zu reduzieren und eine Beschädigung der Detektoren zu vermeiden. Dies ist typischerweise ein Problem bei kürzeren (< 1 cm) Quellen-Detektor-Abständen.
      HINWEIS: Abgesehen davon, dass die DCS-Detektoren möglicherweise beschädigt werden, können Photonenzahlen über 800 kHz auch Fehler aufgrund nichtlinearer Effekte im Detektor verursachen.
   4. Überprüfen Sie die Autokorrelationskurven, um eine gute Hautkopplung sicherzustellen (siehe Abbildung 2) und positionieren Sie die optische Sonde gegebenenfalls neu.
   5. Wenn die Neupositionierung der Sonde im vorherigen Schritt notwendig war, wiederholen Sie die Schritte 4.2 und 4.3. Diese Schritte müssen möglicherweise mehrmals wiederholt werden.
      HINWEIS: Der DCS- und der FD-DOS-Detektor müssen jedes Mal ausgeschaltet werden, wenn die Sonde bewegt wird. Um die DCS-Melder auszuschalten, stellen Sie die Schalter manuell in die Position "OFF". Der FD-DOS-Detektor wird ausgeschaltet, indem Sie in der FD-DOS-Software auf die Schaltfläche "Alle Detektoren AUS" klicken.
4. Wenn ein guter Kontakt zwischen der Sonde und der Haut erreicht ist, stoppen Sie die Datenerfassung, indem Sie auf die Schaltfläche "Stopp" in der GUI klicken. Legen Sie dann das Experiment und die Patientenkennungen im Textfeld "Ordner" fest und schreiben Sie den ROI-Namen in das Textfeld "Dateiname".
5. Starten Sie die Datenerfassung, indem Sie auf die Schaltfläche "Start" in der GUI klicken.
6. Sammeln Sie Daten im ersten ROI so lange, wie es das Protokoll erfordert. Bewegen Sie die Sonde bei Bedarf zu den anderen ROIs und wiederholen Sie die Messung.
   HINWEIS: Der Überwachungszeitraum kann je nach Studienzielen variieren.

5. Überlegungen für den Experimentator während der Messung

Nach

1. dem Start der Messung schreiben Sie in den Reiter "Experiment Info" der GUI die relevanten Patienteninformationen (z. B. Art und Ort der Verletzung, verabreichte Medikamente, Alter, Geschlecht usw.).
2. Stellen Sie sicher, dass jedes relevante Ereignis, das während des Überwachungszeitraums aufgetreten ist, markiert wird, indem Sie auf die Schaltfläche "Markieren" in der GUI klicken. Stellen Sie sicher, dass Sie nach jeder Markierung die Ereignisbeschreibung auf der Registerkarte "Experiment Info" der GUI schreiben.

6. Stoppen Sie die Datenerfassung

1. Stoppen Sie die Datenerfassung, indem Sie auf die Schaltfläche "Stopp" in der GUI klicken.
2. Stoppen Sie die FD-DOS-Software, indem Sie die Schaltfläche zum Stoppen der Datenerfassung und -aufzeichnung drücken, die in der FD-DOS-Software als zwei rote Quadrate dargestellt wird.
3. Schalten Sie die DCS-Detektoren aus, indem Sie die Schalter in die Position "OFF" stellen, und schalten Sie den DCS-Laser aus, indem Sie den Schlüssel in die Position "OFF" drehen.
4. Schalten Sie die PMTs des FD-DOS-Moduls aus, indem Sie auf die Schaltfläche "Alle Detektoren AUS" klicken.
5. Entfernen Sie die Sonde vom Kopf des Patienten und entfernen Sie das doppelseitige Klebeband von der Sonde. Reinigen Sie dann die Sonde mit Desinfektionstüchern.
6. Wiederholen Sie die Messung der optischen Eigenschaften jedes festen Phantoms so schnell wie möglich, um sicherzustellen, dass die Kalibrierung während der gesamten Überwachungssitzung ausreichend bleibt (siehe Schritt 4.2.2).
   HINWEIS: Idealerweise sollte der Kalibrierungsschritt direkt nach dem Entfernen der optischen Sonden aus dem Kopf des Patienten durchgeführt werden (Schritt 6.6). Aufgrund von Timing-Problemen wurde dies jedoch in den im nächsten Abschnitt vorgestellten Beispielen im Speicher durchgeführt.
7. Reinigen Sie das System und sein Zubehör mit Desinfektionstüchern.
8. Rollen Sie den Wagen zurück zum Lagerraum.

Ergebnisse

Abbildung 1: Die optische Umgebung, die entwickelt wurde, um Patienten auf einer Intensivstation zu überwachen. (A) Das hybride diffuse optische System kombiniert ein Modul für diffuse optische Spektroskopie (DOS) im Frequenzb...

Materialien