Name: Echtzeit-Monitoring neurokritischer Patienten mit diffuser optischer Spektroskopie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-11-19T13:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 12 s
Description: Erfahren Sie die nichtinvasive Überwachung zerebraler Hämodynamik bei neurokritischen Patienten mit diffuser optischer Spektroskopie. Diese Methode ermöglicht Echtzeit-Messungen von Sauerstoffsättigung, Blutfluss und Stoffwechsel am Patientenbett.

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Wir bedanken uns für die Unterstützung durch die São Paulo Research Foundation (FAPESP) durch Proc. 2012/02500-8 (RM), 2014/25486-6 (RF) und 2013/07559-3. Die Geldgeber spielten keine Rolle beim Studiendesign, der Datenerhebung und -analyse, der Entscheidung über die Veröffentlichung oder der Vorbereitung des Manuskripts.

Das Protokoll wurde vom lokalen Komitee der Universität Campinas genehmigt (Protokollnummer 56602516.2.0000.5404). Vor den Messungen wurde eine schriftliche Einverständniserklärung des Patienten oder eines gesetzlichen Vertreters eingeholt. Wir überwachten Patienten, die entweder mit der Diagnose eines ischämischen Schlaganfalls oder einer Subarachnoidalblutung mit der Diagnose eines ischämischen Schlaganfalls oder einer Subarachnoidalblutung im vorderen Kreislauf aufgenommen wurden. Patienten mit ischämischen Schlaganfällen, die den hinteren Kreislauf betreffen, Patienten mit dekompressiven Kraniektomien aufgrund eines erhöhten intrakraniellen Drucks und Patienten mit anderen neurodegenerativen Erkrankungen (Demenz, Parkinson oder jede andere Erkrankung, die mit kortikaler Atrophie einhergehen kann) wurden vom Studienprotokoll ausgeschlossen.
1. Vorbereitungen vor dem Transport des Systems auf die Intensivstation
<ol><li>Schließen Sie alle Fasern an die entsprechenden Laser und Detektoren an und stellen Sie sicher, dass sie richtig an der optischen Sonde befestigt sind (Abbildung 1B).</li>
	<li>Vergewissern Sie sich, dass die optische Sonde mit einem schwarzen Tuch bedeckt ist, um zu vermeiden, dass die Laser in den Raum scheinen.</li>
	<li>Drehen Sie den Netzschalter des Systems in die Position "ON". Warten Sie nach dem Einschalten des Systems 30 Sekunden und drehen Sie dann den DCS-Laserschlüsselschalter in die Position "ON". Die FD-DOS-Laser werden automatisch eingeschaltet, wenn das System mit Strom versorgt wird.</li>
	<li>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 Zimmer des Patienten. Anmerkungen: Da das Hybridsystem über einen eingebauten Akku verfügt, der bis zu 45 Minuten hält, muss es während des Transports nicht ausgeschaltet werden.</li>
</ol>2. Kalibrierung und Verstärkungseinstellungen des DOS-Systems
<ol><li>Schalten Sie bei Ihrer Ankunft auf der Intensivstation den DCS-Laser aus, indem Sie den Schlüssel in die Position "OFF" stellen.</li>
	<li>Beginnen Sie mit dem Festkörperphantom mit der Markierung "Kalibrieren" und führen Sie den Kalibrierungsprozess mit der FD-DOS-Software (BOXY, ISS) aus, indem Sie die folgenden Schritte ausführen.<ol><li>Laden Sie im Menü "Datei" die entsprechende Einstellungsdatei für die verwendete Sonde, indem Sie auf die Option "Einstellungsdatei laden" klicken.</li>
		<li>Platzieren Sie die Sonde auf der gekrümmten Seite des Phantoms, um einen guten Kontakt mit der Oberfläche zu gewährleisten, und optimieren Sie dann die PMT-Vorspannung, indem Sie in der FD-DOS-Software auf die Schaltfläche "Alle Detektoren optimieren" klicken.</li>
		<li>Führen Sie die Kalibrierung für mehrere Quellen-Detektor-Trennungen durch, indem Sie auf die Option 'Calc. Werte für optische Requisiten. und Mehrere Abstände" aus dem Menü "Kalibrieren".</li>
		<li>Öffnen Sie die Option 'Benutzerdefinierte Berechnungen' aus dem Menü 'Text-Mon', um zu überprüfen, ob die gemessenen optischen Eigenschaften mit den vorgegebenen Werten übereinstimmen (die in den Volumenkörper geschrieben wurden) und ob die Anpassung R2 nahe an eins liegt.</li>
	</ol></li>
	<li>Wiederholen Sie die obigen Schritte (außer Schritt 2.2.3), um die optischen Eigenschaften des als "Prüfen" markierten Phantoms zu messen und sicherzustellen, dass die Kalibrierung angemessen war. Die gemessenen optischen Eigenschaften sollten innerhalb von 10 % mit den in den Phantomen angegebenen Werten übereinstimmen. VORSICHT: Stellen Sie sicher, dass Sie PMTs jedes Mal ausschalten (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.</li>
	<li>Wenn die Kalibrierung nicht ausreicht, führen Sie den Kalibrierungsprozess erneut durch (Schritte 2.2 und 2.3). Die Gewährleistung einer guten Kalibrierung des FD-DOS-Systems ist für die Aussagekraft der FD-DOS-Messungen von entscheidender Bedeutung.</li>
</ol>3. Vorbereitung des Teilnehmers am Krankenbett
<ol><li>Verwenden Sie Desinfektionstücher, um sowohl die Sonde als auch die Stirn des Patienten zu reinigen.</li>
	<li>Legen Sie das doppelseitige Klebeband auf die Sonde (Abbildung 1B) und achten Sie darauf, dass das Klebeband nicht in direktem Kontakt mit den Glasfaserspitzen steht.</li>
	<li>Platzieren Sie eine Laserschutzbrille auf dem Motiv.</li>
	<li>Platzieren Sie die Sonden über der 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 einem schwarzen Verband abzudecken, um das Rauschen durch Umgebungslicht zu reduzieren. HINWEIS: Es ist wichtig darauf zu achten, dass das elastische Band weder zu eng noch zu locker sitzt. Wenn der Gurt zu eng ist, kann dies dem Patienten erhebliche Beschwerden bereiten, und wenn der Gurt 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.</li>
	<li>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 Augen gefährlich ist. Es ist sehr wichtig, die Laser nur dann einzuschalten, wenn die Sonde richtig an der Stirn des Patienten befestigt ist.</li>
</ol>4. Bewertung der Datenqualität
<ol><li>Bevor Sie mit der Datenerfassung mit der 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-Trennungen ist für die Echtzeitanalyse erforderlich (siehe Ergänzendes Material für Details).</li>
	<li>Starten Sie die Erfassungssoftware, indem Sie die Schaltfläche "Start" in der GUI drücken, und überprüfen Sie das DOS-Signal in der FD-DOS-Software:<ol><li>Klicken Sie in der FD-DOS-Software auf die Schaltfläche "Alle Detektoren optimieren", um die PMT-Vorspannung zu optimieren.</li>
		<li>Überprüfen Sie die optischen Eigenschaften und den R2 des DOS-Fittings in der Option 'Benutzerdefinierte Berechnung' aus dem Menü 'Text-Mon'. Der R2-Koeffizient sollte nahe bei Eins liegen, und als Faustregel gilt, dass der Absorptionskoeffizient menschlicher Patienten innerhalb von 0,05 und 0,2 cm-1 liegen sollte, während der Streukoeffizient innerhalb von 6 und 13 cm-1 liegen sollte 13.</li>
	</ol></li>
	<li>Überprüfen Sie das DCS-Signal auf der Registerkarte "Korrelationskurven" der GUI.<ol><li>Schalten Sie die DCS-Melder ein, indem Sie die Schalter in die Position " ON" drehen.</li>
		<li>Stellen Sie sicher, dass jeder DCS-Detektor eine ausreichende Lichtintensität misst. Als Faustregel gilt, dass mehr als 10 kHz erforderlich sind.</li>
		<li>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 in der Regel ein Problem bei kürzeren (< 1 cm) Quellen-Detektor-Abständen. HINWEIS: Abgesehen von der potenziellen Beschädigung der DCS-Detektoren können Photonenzahlen von mehr als 800 kHz auch zu Fehlern aufgrund nichtlinearer Effekte im Detektor führen.</li>
		<li>Überprüfen Sie die Autokorrelationskurven, um eine gute Hautkopplung sicherzustellen (siehe repräsentative Ergebnisse und Abbildung 2), und positionieren Sie die optische Sonde bei Bedarf neu.</li>
		<li>Wenn die Neupositionierung der Sonde im vorherigen Schritt erforderlich war, wiederholen Sie die Schritte 4.2 und 4.3. Diese Schritte müssen möglicherweise mehrmals wiederholt werden. HINWEIS: Die DCS- und FD-DOS-Detektoren 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-Melder wird ausgeschaltet, indem Sie in der FD-DOS-Software auf die Schaltfläche "Alle Melder AUS" klicken.</li>
	</ol></li>
	<li>Wenn ein guter Kontakt zwischen der Sonde und der Haut erreicht ist, stoppen Sie die Datenerfassung, indem Sie in der GUI auf die Schaltfläche "Stopp" klicken. Legen Sie dann das Experiment und die Patientenkennungen im Textfeld "Ordner" fest und schreiben Sie den ROI-Namen in das Textfeld "Dateiname".</li>
	<li>Starten Sie die Datenerfassung, indem Sie auf die Schaltfläche "Start" in der GUI klicken.</li>
	<li>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 Beobachtungszeitraum kann je nach Studienziel variieren.</li>
</ol>5. Überlegungen für den Experimentator während der Messung
<ol><li>Nachdem Sie die Messung gestartet haben, schreiben Sie in den Reiter "Experiment Info" der GUI die relevanten Patienteninformationen (z. B. Art und Ort der Verletzung, verabreichte Medikamente, Alter, Geschlecht usw.).</li>
	<li>Stellen Sie sicher, dass alle relevanten Ereignisse, die während des Überwachungszeitraums aufgetreten sind, markiert werden, indem Sie auf die Schaltfläche "Markieren" in der GUI klicken. Stellen Sie sicher, dass Sie nach jeder Markierung die Ereignisbeschreibung in die Registerkarte "Experiment-Info" der GUI schreiben.</li>
</ol>6. Stoppen Sie die Datenerfassung
<ol><li>Stoppen Sie die Datenerfassung, indem Sie auf die Schaltfläche "Stop" in der GUI klicken.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Schalten Sie die DCS-Melder 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.</li>
	<li>Schalten Sie die PMTs des FD-DOS-Moduls aus, indem Sie auf die Schaltfläche "Alle Detektoren AUS" klicken.</li>
	<li>Entfernen Sie die Sonde vom Kopf des Patienten und entfernen Sie das doppelseitige Klebeband von der Sonde. Reinigen Sie dann die Sonde mit Desinfektionstüchern.</li>
	<li>Wiederholen Sie die Messung der optischen Eigenschaften jedes Festkörperphantoms so bald wie möglich, um sicherzustellen, dass die Kalibrierung während der gesamten Überwachungssitzung angemessen blieb (siehe Schritt 4.2.2). HINWEIS: Idealerweise sollte der Kalibrierungsschritt direkt nach dem Entfernen der optischen Sonden vom Kopf des Patienten durchgeführt werden (Schritt 6.6). Aufgrund von Timing-Problemen wurde dies jedoch in den im nächsten Abschnitt vorgestellten Beispielen im Lager durchgeführt.</li>
	<li>Reinigen Sie das System und sein Zubehör mit Desinfektionstüchern.</li>
	<li>Rollen Sie den Wagen zurück in den Lagerraum.</li>
</ol>

Der/die Autor(en) erklärte(n) die folgenden potenziellen Interessenkonflikte in Bezug auf die Forschung, die Autorenschaft und/oder die Veröffentlichung dieses Artikels: RC Mesquita hat eine anhängige Patentanmeldung und zwei weitere Patente, die für diese Arbeit relevant sind (US-Patente 10.342.488 und 10.064.554). Derzeit erhält kein Autor Tantiemen oder Zahlungen aus diesen Patenten.

In dieser Arbeit wurde ein hybrides optisches System vorgestellt, das Echtzeitinformationen über den zerebralen Blutfluss, die zerebrale Sauerstoffversorgung und den zerebralen Sauerstoffstoffwechsel von neurokritischen Patienten liefern kann. Der Einsatz diffuser optischer Techniken wurde zuvor als potenzieller Marker für das nicht-invasive Monitoring am Krankenbett in klinischen Szenarien diskutiert. Eine frühere Studie konzentrierte sich anhand eines Fallberichts auf die klinischen Aspekte und die Durchführbarkeit des...

An erratum was issued for:&#160;<a href="https://www.jove.com/t/61608">Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies</a>. The Authors section was updated from:
Rodrigo Menezes Forti1,2 
Marilise Katsurayama2,3 
Lenise Valler2,3 
Andr&#233;s Quiroga1,2 
Luiz Simioni1 
Julien Menko4 
Antonio L. E. Falc&#227;o3 
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 
Andr&#233;s Quiroga1,2 
Luiz Simioni1 
Julien Menko4 
Antonio L. E. Falc&#227;o3 
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

An erratum was issued for:&#160;<a href="https://www.jove.com/t/61608">Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies</a>. The Authors section was updated.

Erratum: Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies

Die meisten Komplikationen, die bei kritisch kranken neurologischen Patienten zu schlechten Ergebnissen führen, stehen im Zusammenhang mit sekundären Verletzungen, die durch zerebrale hämodynamische Beeinträchtigungen verursacht werden. Daher kann sich die Überwachung der zerebralen Physiologie dieser Patienten direkt auf die Morbiditäts- und Mortalitätsratenauswirken 1,2,3,4,5,6,7. Derzeit gibt es jedoch kein etabliertes klinisches Werkzeug für die kontinuierliche nicht-invasive Echtzeitüberwachung der zerebralen Physiologie bei neurokritischen Patienten am Krankenbett. Unter den potenziellen Kandidaten wurden kürzlich diffuse optische Techniken als vielversprechendes Werkzeug vorgeschlagen, um diese Lücke zu schließen 8,9,10,11. Durch die Messung der langsamen Veränderungen (d. h. in der Größenordnung von zehn bis Hunderten von ms) des diffus gestreuten Nahinfrarotlichts (~650-900 nm) von der Kopfhaut kann die diffuse optische Spektroskopie (DOS) die Konzentrationen der Hauptchromophore im Gehirn messen, wie z. B. zerebrales Oxy- (HbO) und Desoxy-Hämoglobin (HbR)12,13. Darüber hinaus ist es möglich, den zerebralen Blutfluss (CBF) mit diffuser Korrelationsspektroskopie (DCS) zu messen10,14,15,16,17 durch Quantifizierung der schnellen Schwankungen der Lichtintensität (d. h. von einigen μs bis zu einigen ms). In Kombination können DOS und DCS auch eine Schätzung der zerebralen Sauerstoffstoffwechselrate (CMRO2)18,19,20 liefern.
Die Kombination von DOS und DCS wurde untersucht, um Patienten in verschiedenen präklinischen und klinischen Szenarien zu überwachen. So hat sich beispielsweise gezeigt, dass diffuse Optiken relevante klinische Informationen für kritisch kranke Neugeboreneliefern 21,22,23,24, auch bei Herzoperationen zur Behandlung von Herzfehlern 23,25,26,27,28 . Darüber hinaus haben mehrere Autoren die Verwendung diffuser Optiken zur Beurteilung der zerebralen Hämodynamik bei verschiedenen zerebrovaskulären Eingriffen untersucht, wie z. B. Carotis-Endarteriektomie 29,30,31, thrombolytische Behandlungen bei Schlaganfall 32, Kopf-des-Bett-Manipulationen 33,34,35, Herz-Lungen-Wiederbelebung 36 und andere 37,38, 39. Der Teufel Wenn auch eine kontinuierliche Blutdrucküberwachung zur Verfügung steht, kann eine diffuse Optik zur Überwachung der zerebralen Autoregulation sowohl bei gesunden als auch bei kritisch kranken Probanden verwendet werden 11,40,41,42 sowie zur Beurteilung des kritischen Schließdrucks des Hirnkreislaufs 43. Mehrere Autoren haben CBF-Messungen mit DCS anhand verschiedener Goldstandard-CBF-Messungen validiert 18, während sich CMRO2-Messungen mit diffuser Optik als nützlicher Parameter für die neurokritische Überwachung erwiesen haben 8,18,23,24,28,43,44,45 . Darüber hinaus haben frühere Studien die optisch abgeleiteten zerebralen hämodynamischen Parameter für die Langzeitüberwachung neurokritischer Patientenvalidiert 8,9,10,11, einschließlich für die Vorhersage von hypoxischen 46,47,48 und ischämischen Ereignissen 8.
Die Zuverlässigkeit der diffusen optischen Techniken, wertvolle Echtzeitinformationen sowohl bei Längsschnittmessungen als auch bei klinischen Eingriffen zu liefern, bleibt weitgehend unerforscht. Die Verwendung eines eigenständigen DOS-Systems wurde zuvor mit invasiven Sauerstoffspannungsmonitoren für Hirngewebe verglichen, und DOS wurde als nicht empfindlich genug angesehen, um die invasiven Monitore zu ersetzen. Abgesehen von der Verwendung relativ kleiner Populationen kann der direkte Vergleich der invasiven und nicht-invasiven Monitore jedoch fehlgeleitet sein, da jede Technik unterschiedliche Volumina untersucht, die unterschiedliche Teile des zerebralen Gefäßsystems enthalten. Auch wenn diese Studien letztendlich zu dem Schluss kamen, dass diffuse Optiken kein Ersatz für die invasiven Monitore sind, erreichte DOS in beiden Studien eine mittlere bis gute Genauigkeit, die für Fälle und/oder Orte, an denen invasive Monitore nicht verfügbar sind, ausreichend sein kann.
Im Vergleich zu anderen Ansätzen besteht der Hauptvorteil der diffusen Optik darin, dass sie gleichzeitig den Blutfluss und die Sauerstoffversorgung des Gewebes nicht-invasiv (und kontinuierlich) am Krankenbett mit tragbaren Instrumenten messen kann. Im Vergleich zum transkraniellen Doppler-Ultraschall (TCD) hat die DCS einen weiteren Vorteil: Sie misst die Durchblutung auf Gewebeebene, während die TCD die zerebrale Blutflussgeschwindigkeit in großen Arterien an der Basis des Gehirns misst. Diese Unterscheidung kann besonders wichtig sein, wenn es darum geht, stenookklusive Erkrankungen zu beurteilen, bei denen sowohl der proximale große Arterienfluss als auch leptomeningeale Kollateralen zur Perfusion beitragen. Optische Verfahren haben auch Vorteile im Vergleich zu anderen traditionellen Bildgebungsmodalitäten wie der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und der Magnetresonanztomographie (MRT). Neben der gleichzeitigen direkten Messung von CBF- und HbO/HbR-Konzentrationen, was mit MRT oder PET allein nicht möglich ist, bietet das optische Monitoring auch eine deutlich bessere zeitliche Auflösung, die beispielsweise die Beurteilung der dynamischen zerebralen Autoregulation40,41,42 und die Beurteilung dynamisch entwickelnder hämodynamischer Veränderungen ermöglicht. Darüber hinaus sind diffuse optische Instrumente im Vergleich zu PET und MRT kostengünstig und tragbar, was angesichts der hohen Belastung durch Gefäßerkrankungen in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen ein entscheidender Vorteil ist.
Bei dem hier vorgeschlagenen Protokoll handelt es sich um eine Umgebung für das Echtzeit-Neuromonitoring von Patienten auf der Intensivstation. Das Protokoll verwendet ein hybrides optisches Gerät zusammen mit einer klinisch freundlichen grafischen Benutzeroberfläche (GUI) und kundenspezifischen optischen Sensoren, um die Patienten zu untersuchen (Abbildung 1). Das Hybridsystem, das zur Demonstration dieses Protokolls verwendet wird, kombiniert zwei diffuse optische Spektroskopien aus unabhängigen Modulen: ein kommerzielles Frequenzbereichsmodul (FD-) DOS-Modul und ein selbstgebautes DCS-Modul (Abbildung 1A). Das FD-DOS-Modul49,50 besteht aus 4 Photomultiplier-Röhren (PMTs) und 32 Laserdioden, die bei vier verschiedenen Wellenlängen (690, 704, 750 und 850 nm) emittieren. Das DCS-Modul besteht aus einem Langkohärenzlaser, der bei 785 nm emittiert, 16 Einzelphotonenzählern als Detektoren und einer Korrelatorplatine. Die Abtastfrequenz für das FD-DOS-Modul beträgt 10 Hz und die maximale Abtastfrequenz für das DCS-Modul 3 Hz. Um die FD-DOS- und DCS-Module zu integrieren, wurde ein Mikrocontroller in unserer Steuerungssoftware programmiert, der automatisch zwischen den einzelnen Modulen umschaltet. Der Mikrocontroller ist für das Ein- und Ausschalten der FD-DOS- und DCS-Laser sowie der FD-DOS-Detektoren verantwortlich, um verschachtelte Messungen der einzelnen Module zu ermöglichen. Insgesamt kann das vorgeschlagene System alle 0,5 bis 5 s eine kombinierte FD-DOS- und DCS-Probe sammeln, abhängig von den Anforderungen an das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) (längere Erfassungszeiten führen zu einem besseren SNR). Um das Licht an die Stirn anzukoppeln, haben wir eine 3D-gedruckte optische Sonde entwickelt, die für jeden Patienten individuell angepasst werden kann (Abbildung 1B), wobei die Abstände zwischen Quelle und Detektor zwischen 0,8 und 4,0 cm variieren. Die Standard-Quellen-Detektor-Trennungen, die in den hier vorgestellten Beispielen verwendet werden, betragen 2,5 cm für DCS und 1,5, 2,0, 2,5 und 3,0 cm für FD-DOS.
Das Hauptmerkmal des in dieser Studie vorgestellten Protokolls ist die Entwicklung einer Echtzeitschnittstelle, die sowohl die Hardware mit einer benutzerfreundlichen GUI steuern als auch die wichtigsten zerebralen physiologischen Parameter in Echtzeit unter verschiedenen Zeitfenstern anzeigen kann (Abbildung 1C). Die Echtzeit-Analyse-Pipeline, die innerhalb der vorgeschlagenen GUI entwickelt wurde, ist schnell und benötigt weniger als 50 ms, um die optischen Parameter zu berechnen (siehe ergänzendes Material für weitere Details). Die GUI wurde von aktuellen klinischen Instrumenten inspiriert, die bereits auf der Neuro-Intensivstation verfügbar sind, und sie wurde durch umfangreiches Feedback von klinischen Anwendern während der Translation des Systems auf die Neuro-Intensivstation angepasst. Folglich kann die Echtzeit-GUI die Einführung des optischen Systems durch reguläres Krankenhauspersonal, wie z. B. Neurointensivmediziner und Krankenschwestern, erleichtern. Die breite Einführung der diffusen Optik als klinisches Forschungsinstrument hat das Potenzial, die Fähigkeit zur Überwachung physiologisch aussagekräftiger Daten zu verbessern und letztendlich zu zeigen, dass die diffuse Optik eine gute Option für die nicht-invasive Überwachung neurokritischer Patienten in Echtzeit ist.

<table><tbody><tr><td>3D-Drucker</td><td>Sethi3D</td><td>S2</td><td>3D-Drucker zum Drucken der anpassbaren Sonden</td></tr><tr><td>Arduino UNO</td><td>Arduino</td><td>UNO REV3</td><td>Mikrocontroller, der für die Verschachtelung der DCS- und FD-DOS-Messungen verantwortlich ist</td></tr><tr><td>DCS-Korrelator</td><td>Correlator.com</td><td>Flex11-16ch</td><td>Komponente des DCS-Moduls</td></tr><tr><td>DCS-Detektoren IO-Boards</td><td>Excelitas Technology</td><td>SPCM-AQ4C-IO</td><td>Komponente des DCS-Moduls</td></tr><tr><td>DCS-Detektoren</td><td>Excelitas Technology</td><td>SPCM-AQ4C</td><td>Komponente des DCS-Moduls</td></tr><tr><td>DCS Laser</td><td>CrystaLaser</td><td>DL785-120-SO</td><td>Komponente des DCS-Moduls</td></tr><tr><td>DCS-Stromversorgung</td><td>Artesyn</td><td>UMP10T-S2A-S2A-S2A-S2A-IES-00-A</td><td>Komponente des DCS-Moduls (Stromversorgung für den DCS-Detecto; 2, 5 und 30V)</td></tr><tr><td>FD-DOS Fasern</td><td>ISS</td><td>Imagent Verbrauchsmaterialien</td><td>Die Fasern, die für die FD-DOS-Erkennung und -Beleuchtung verwendet werden, stammen aus ISS Flexibles</td></tr><tr><td>3D-Druckermaterial</td><td>Sethi3D</td><td>NinjaFlex</td><td>Material, das zum Drucken der flexiblen, anpassbaren Sonden verwendet wird</td></tr><tr><td>Imagent</td><td>ISS</td><td>Imagent</td><td>FD-DOS Modul</td></tr><tr><td>Laserschutzbrille</td><td>Thorlabs</td><td>LG9</td><td></td></tr><tr><td>Multimode-Faser</td><td>Thorlabs</td><td>FT400EMT</td><td>Multimode-Faser für die DCS-Beleuchtung</td></tr><tr><td>Neutraldichtefilter 1,0 OD</td><td>Edmund Optics</td><td>53-705</td><td>Neutraldichtefilter für die Trennung von Kurzstrahldetektoren</td></tr><tr><td>Singlemode-Glasfaser</td><td>Thorlabs</td><td>780HP</td><td>Singlemode-Glasfaser für die DCS-Detektoren</td></tr><tr><td>Systembatterie</td><td>SMS</td><td>NET4</td><td>Systembatterie für den Transport</td></tr></tbody></table>

echtzeit-monitoring neurokritischer patienten mit diffuser optischer spektroskopie

Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies

Die neurophysiologische Überwachung ist ein wichtiges Ziel bei der Behandlung neurokritischer Patienten, da sie Folgeschäden verhindern und sich direkt auf die Morbiditäts- und Mortalitätsraten auswirken kann. Derzeit fehlt es jedoch an geeigneten nicht-invasiven Echtzeittechnologien für die kontinuierliche Überwachung der zerebralen Physiologie am Krankenbett. Diffuse optische Techniken wurden als potenzielles Werkzeug für Messungen des zerebralen Blutflusses und der zerebralen Sauerstoffversorgung bei neurokritischen Patienten am Krankenbett vorgeschlagen. Die diffuse optische Spektroskopie wurde bereits zur Überwachung von Patienten in verschiedenen klinischen Szenarien untersucht, die von der Überwachung von Neugeborenen bis hin zu zerebrovaskulären Eingriffen bei Erwachsenen reichen. Die Machbarkeit der Technik, Kliniker durch die Bereitstellung von Echtzeitinformationen am Krankenbett zu unterstützen, bleibt jedoch weitgehend ungeklärt. In dieser Arbeit berichten wir über die Translation eines diffusen optischen Systems zur kontinuierlichen Echtzeitüberwachung des zerebralen Blutflusses, der zerebralen Oxygenierung und des zerebralen Sauerstoffstoffwechsels während der Intensivmedizin. Die Echtzeitfunktion des Instruments könnte Behandlungsstrategien ermöglichen, die auf der patientenspezifischen zerebralen Physiologie basieren, anstatt sich auf Surrogatmetriken wie den arteriellen Blutdruck zu verlassen. Durch die Bereitstellung von Echtzeitinformationen über die zerebrale Durchblutung auf verschiedenen Zeitskalen mit relativ billigen und tragbaren Instrumenten kann dieser Ansatz besonders in Low-Budget-Krankenhäusern, in abgelegenen Gebieten und für die Überwachung auf offenem Feld (z. B. Verteidigung und Sport) nützlich sein.

Idealerweise sollten die normalisierten Autokorrelationskurven, die mit dem DCS-Modul erhalten werden, bei der Nullverzögerungszeitextrapolation (bei Verwendung von Singlemode-Fasern14) ungefähr 1,5 betragen, und die Kurven sollten bei längeren Verzögerungszeiten auf 1 abfallen. Die Kurve sollte glatt sein und bei längeren Trennungen zwischen Quelle und Detektor einen schnelleren Abklang aufweisen. Ein Beispiel für eine gute Autokorrelation ist in Abbildung 2A dargest...

Hier wird ein Protokoll zur nicht-invasiven Überwachung der zerebralen Hämodynamik neurokritischer Patienten in Echtzeit und am Krankenbett mittels diffuser Optik vorgestellt. Insbesondere verwendet das vorgeschlagene Protokoll ein hybrides diffuses optisches System, um Echtzeitinformationen über die zerebrale Sauerstoffversorgung, den zerebralen Blutfluss und den zerebralen Stoffwechsel zu erkennen und anzuzeigen.

Echtzeit-Monitoring neurokritischer Patienten mit diffuser optischer Spektroskopie

Neurophysiological monitoring is an important goal in the treatment of neurocritical patients, as it may prevent secondary damage and directly impact ...

Die nicht-invasive Überwachung der Gehirnphysiologie in Echtzeit während der Behandlung neurokritischer Patienten kann die Mobilität und Sterblichkeitsrate verringern, was besonders in abgelegenen Gebieten und auf offenem Feld von entscheidender Bedeutung ist. Mit dem Aufkommen tragbarer und relativ billiger Instrumente können diffuse Optiken verwendet werden, um den Blutfluss und die Sauerstoffversorgung gleichzeitig zu messen, mit hoher zeitlicher Auflösung und ohne Interferenz in der Intensivpflege. Die Echtzeitfunktion hat das Potenzial, Behandlungsstrategien für Hirnverletzungen auf der Grundlage der patientenspezifischen zerebralen Physiologie auf der Neuro-Intensivstation zu leiten, anstatt universell angewendete Standardprotokolle oder Surrogatmetriken.Bevor Sie das System auf die Intensivstation bringen, schließen Sie alle Fasern an die entsprechenden Laser und Detektoren an und stellen Sie sicher, dass sie ordnungsgemäß an der optischen Sonde befestigt sind. Holen Sie dann die Zustimmung des Patienten oder eines gesetzlichen Vertreters ein und bringen Sie den Wagen in das Patientenzimmer. Schalten Sie bei der Ankunft den DCS-Laser aus.Klicken Sie im Menü Datei auf Einstellungsdatei laden, um die entsprechende Datei mit den Testeinstellungen zu laden. Platzieren Sie die Sonde auf der gekrümmten Seite des Kalibrierphantoms, um einen guten Kontakt mit der Oberfläche zu gewährleisten, und klicken Sie auf Alle Detektoren optimieren, um die PMT-Vorspannung zu optimieren. Klicken Sie im Menü "Kalibrieren" auf "Wellenform-Kalibrierungswerte für optische Requisiten und mehrere Entfernungen berechnen", um die Kalibrierung für mehrere Quellendetektortrennungen durchzuführen.Öffnen Sie im Menü Text-Mon die benutzerdefinierte Option, um zu überprüfen, ob die gemessenen optischen Eigenschaften mit den vorgegebenen Werten übereinstimmen und dass die Anpassung des R-Quadrats nahe eins liegt. Sondieren Sie dann das Phantom erneut, um die optischen Eigenschaften des Phantoms zu messen, das als Prüfung markiert ist, um sicherzustellen, dass die Kalibrierung ausreichend war. Die gemessenen optischen Eigenschaften sollten innerhalb von 10 % der in den Phantomen angegebenen Werte liegen.Um den Patienten auf die Analyse vorzubereiten, verwenden Sie zunächst Desinfektionstücher, um sowohl die Sonde als auch die Stirn des Patienten zu reinigen. Legen Sie doppelseitiges Klebeband auf die Sonde und achten Sie darauf, dass das Band nicht in direktem Kontakt mit den Glasfaserspitzen steht, und setzen Sie dem Patienten eine Laserschutzbrille auf. Platzieren Sie die Sonden über dem interessierenden Bereich und wickeln Sie die elastischen Bänder um den Kopf des Patienten.Schalten Sie dann den DCS-Laser ein. Bevor Sie mit der Datenerfassung beginnen, geben Sie die Trennungen der DCS-Quelldetektoren auf der Registerkarte Einstellungen der grafischen Benutzeroberfläche ein. Um die Erfassung zu starten, drücken Sie in der Systemsoftware auf Start.Klicken Sie auf Alle Detektoren optimieren, um die PMT-Bias-Spannung für den Patienten zu optimieren und die optischen Eigenschaften und das R-Quadrat der DOS-Anpassung wie demonstriert zu überprüfen. Schalten Sie die DCS-Detektoren ein und überprüfen Sie, ob jeder DCS-Detektor eine ausreichende Lichtintensität misst. In der Regel werden mehr als 10 Kilohertz benötigt.Wenn die gemessene Intensität 800 Kilohertz überschreitet, verwenden Sie einen Neutraldichtefilter, um die Photonenzahl zu reduzieren und eine Beschädigung der Detektoren zu vermeiden. Überprüfen Sie die Autokorrelationskurven auf der Registerkarte Korrelationskurven der grafischen Benutzeroberfläche, um eine gute Hautkopplung sicherzustellen, und positionieren Sie die optische Sonde bei Bedarf neu. Wenn ein guter Kontakt zwischen der Sonde und der Haut erreicht ist, klicken Sie auf Stopp, um die Datenerfassung zu stoppen und das Experiment und die Patientenkennungen im Textfeld Ordner und den Namen des Interessenbereichs im Textfeld Dateiname festzulegen.Drücken Sie dann auf Start, um die Datenerfassung zu starten. Geben Sie nach dem Starten der Messung die relevanten Patienteninformationen auf der Registerkarte Experimentinformationen ein und klicken Sie auf Markieren, um sicherzustellen, dass alle relevanten Ereignisse, die während des Überwachungszeitraums auftreten, markiert sind. Geben Sie nach jeder Markierung die Ereignisbeschreibung auf der Registerkarte Experiment-Info ein.Drücken Sie am Ende der Bewertung in der grafischen Benutzeroberfläche auf Stopp, um die Datenerfassung zu stoppen. Schalten Sie den DCS-Detektorschalter aus und drehen Sie den DCS-Laserschlüssel in die Aus-Position. Klicken Sie auf Alle Detektoren aus, um die PMTs auszuschalten und die Sonde vom Kopf des Patienten und das doppelseitige Klebeband von der Sonde zu entfernen.Reinigen Sie dann die Sonde sowie das System und das Zubehör mit Desinfektionstüchern. Normalisierte Autokorrelationskurven, die mit dem DCS-Modul erhalten werden, sollten bei der Nullverzögerungszeitextrapolation etwa 1,5 betragen und bei längeren Verzögerungszeiten auf eins abklingen. In diesem Beispiel einer schlechten Autokorrelationskurve ist es nicht möglich, die Kurven für die verschiedenen Trennungen der Quelldetektoren zu unterscheiden.In diesem Beispiel stimmte das Ende der Kurve nicht mit dem verwendeten Modell überein. Hier kann die Zeitreihe aus einer Überwachungssitzung eines sedierten Schlaganfallpatienten beobachtet werden, bei der das Bronchialsekret und das Mundsekret des Patienten abgesaugt wurden. Die durch den Eingriff induzierte Patientenbewegung störte das optische Signal deutlich, was zu unphysiologischen Spitzen in den optischen Parametern führte.Kurz nach dem Eingriff kehrten die hämodynamischen Parameter in etwa auf die gleichen Werte wie vor dem Eingriff zurück, wie sie für einen stabilen Patienten zu erwarten sind. Während dieser Überwachungssitzung, 13 Tage nach dem Krankenhausaufenthalt wegen ischämischer Schlaganfälle, waren der zerebrale Blutfluss und der zerebrale Sauerstoffumsatz in der ipsilesionalen Stirn erheblich niedriger als ihre kontraläsionalen Parameter im symmetrischen Bereich, während in beiden Hemisphären ein hoher Sauerstoffextraktionsanteil beobachtet wurde. Die sorgfältige Analyse dieser repräsentativen Lateralitätsindexdaten eines anderen Patienten ergab eine signifikante Periode der Beeinträchtigung zwischen dem ersten und dem dritten Tag nach dem Krankenhausaufenthalt und eine zweite Periode, die nach dem dritten Tag des Krankenhausaufenthalts begann.Mit kontinuierlichen arteriellen Blutdruckmessgeräten kann unser Protokoll leicht modifiziert werden, um auch die zerebrale Regulation bei neurokritischen Patienten zu beurteilen und klinisch relevante Daten zu liefern. Die Möglichkeit, die Neurophysiologie jedes Patienten am Krankenbett zu beurteilen, kann uns helfen, den Fortschritt verschiedener Verletzungen und die Auswirkungen verschiedener Behandlungsmethoden besser zu verstehen.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Medicine

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Wir präsentieren ein experimentelles Verfahren zur Messung der Sauerstoff-Partialdruck (pO2) in zerebralen Gefäßen auf Sauerstoff-abhängigen Löschung der Phosphoreszenz basiert. Tierische Vorbereitung und bildgebenden Verfahren wurden sowohl für großes Sichtfeld CCD-basierten Imaging von pO2 in Ratten und 2-Photonen-Anregung Bildgebung des pO2 bei Mäusen beschrieben.

Cerebral Blutoxygenierung Messung auf Sauerstoff-abhängige Quenching der Phosphoreszenz Based

Wir kombinierten Frequenz-Domain-Nahinfrarot-Spektroskopie Maßnahmen der zerebralen Oxygenierung des Hämoglobins mit diffuser Korrelations-Spektroskopie Maßnahmen des zerebralen Blutflusses Index einen Index der Sauerstoff-Stoffwechsel zu schätzen. Wir testeten den Nutzen dieser Maßnahme als Nachttisch Screening-Tool, um die Gesundheit und Entwicklung des Neugeborenen Gehirns zu beurteilen.

Non-invasive optische Messung des zerebralen Metabolismus und Hämodynamik bei Säuglingen

In diesem Video demonstrieren wir die Technik der diffusen Korrelationsspektroskopie zur Messung des zerebralen Blutflusses in einem Mausmodell für leichte traumatische Hirnverletzungen.

Diffuse Korrelationsspektroskopie zur Beurteilung des zerebralen Blutflusses in einem Mausmodell

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...

Diffuse Korrelationsspektroskopie zur Messung des zerebralen Blutflusses bei einem menschlichen Probanden

Die gleichzeitige Auswertung von zerebralen Hämodynamik und den Lichtstreuungseigenschaften der in vivo Rattenhirngeweben wird ein herkömmliches multispektraler diffuses Reflexions - Bildgebungssystem unter Verwendung demonstriert.

Die gleichzeitige Auswertung der zerebralen Hämodynamik und Lichtstreuungseigenschaften der<em&gt; In Vivo</em&gt; Rattenhirn Mit Multispektral Diffuse Reflectance Imaging

Dieses Protokoll zeigt, wie die funktionale Ruhezustandskonnektivität im menschlichen präfrontalen Kortex mithilfe eines maßgeschneiderten diffusen Korrelationsspektroskopieinstruments gemessen wird. Der Bericht behandelt auch praktische Aspekte des Experiments sowie detaillierte Schritte zur Analyse der Daten.

Cerebral Blood Flow-Based Resting State Functional Connectivity of the Human Brain using Optical Diffuse Correlation Spectroscopy

Dieses Protokoll soll Ärzten helfen, die regionale Gewebesauerstoffversorgung an verschiedenen Körperstandorten bei Säuglingen und Kindern zu messen. Es kann in Situationen verwendet werden, in denen die Sauerstoffversorgung des Gewebes potenziell beeinträchtigt wird, insbesondere während des herzkarnierenden Bypasss, bei der Verwendung nicht-pulsatiler Herzhilfegeräte und bei kritisch kranken Neugeborenen, Säuglingen und Kindern.

Wie man Nahinfrarot-Spektroskopie bei kritisch kranken Neugeborenen, Säuglingen und Kindern verabreicht

Wir beschreiben ein Protokoll zur nicht-invasiven und kontinuierlichen Messung des absoluten mikrovaskulären Blutflussindex und der Blutsauerstoffsättigung mit einem multimodalen Gerät, das auf einer diffusen Nahinfrarotoptik basiert. Anschließend bewerten wir die Stoffwechselrate des Sauerstoffverbrauchs und der reaktiven Hyperämie mit einem Gefäßverschlusstest.

Nicht-invasive Überwachung der mikrovaskulären Sauerstoffversorgung und reaktiven Hyperämie mit hybrider, diffuser optischer Nahinfrarotspektroskopie für die Intensivpflege

Umschulung abnorme Bewegungsmuster nach einer Verletzung oder Krankheit ist ein wichtiger Bestandteil der Rehabilitation. Jüngste Fortschritte in der Technologie haben genaue Beurteilung der Bewegung während einer Vielzahl von Aufgaben erlaubt, mit nahezu sofortiges Quantifizierung der Ergebnisse. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Änderung von fehlerhaften Bewegungsmuster in Echtzeit.

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Erfahren Sie die nichtinvasive Überwachung zerebraler Hämodynamik bei neurokritischen Patienten mit diffuser optischer Spektroskopie. Diese Methode ermöglicht Echtzeit-Messungen von Sauerstoffsättigung, Blutfluss und Stoffwechsel am Patientenbett.

Echtzeit-Monitoring neurokritischer Patienten mit diffuser optischer Spektroskopie

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