La plupart des complications qui entraînent de mauvais résultats pour les patients neurologiques gravement malades sont liées à des blessures secondaires causées par des déficiences hémodynamiques cérébrales. Par conséquent, la surveillance de la physiologie cérébrale de ces patients peut avoir un impact direct sur les taux de morbidité et de mortalité 1,2,3,4,5,6,7. Actuellement, cependant, il n’existe aucun outil clinique établi pour la surveillance continue non invasive en temps réel de la physiologie cérébrale chez les patients neurocritiques au chevet du patient. Parmi les candidats potentiels, les techniques d’optique diffuse ont récemment été proposées comme un outil prometteur pour combler cette lacune 8,9,10,11. En mesurant les changements lents (c’est-à-dire de l’ordre de dizaines à des centaines de ms) de la lumière proche infrarouge diffusée de manière diffuse (~650-900 nm) du cuir chevelu, la spectroscopie optique diffuse (DOS) peut mesurer les concentrations des principaux chromophores dans le cerveau, tels que l’oxy- cérébral (HbO) et la désoxy-hémoglobine (HbR)12,13. De plus, il est possible de mesurer le débit sanguin cérébral (CBF) avec la spectroscopie de corrélation diffuse (DCS)10,14,15,16,17 en quantifiant les fluctuations rapides de l’intensité lumineuse (c’est-à-dire de quelques μs à quelques ms). Lorsqu’ils sont combinés, DOS et DCS peuvent également fournir une estimation du taux métabolique cérébral d’oxygène (CMRO2)18,19,20.
La combinaison de DOS et de DCS a été explorée pour surveiller les patients dans plusieurs scénarios précliniques et cliniques. Par exemple, il a été démontré que l’optique diffuse fournit des informations cliniques pertinentes pour les nouveau-nés gravement malades 21,22,23,24, y compris lors de chirurgies cardiaques pour traiter des malformations cardiaques 23,25,26,27,28 . En outre, plusieurs auteurs ont exploré l’utilisation de l’optique diffuse pour évaluer l’hémodynamique cérébrale au cours de différentes interventions cérébrovasculaires, telles que l’endartériectomie carotidienne 29,30,31, les traitements thrombolytiques pour l’AVC 32, les manipulations de tête de lit 33,34,35, la réanimation cardiorespiratoire 36, et d’autres37,38, 39. Lorsque la surveillance continue de la pression artérielle est également disponible, l’optique diffuse peut être utilisée pour surveiller l’autorégulation cérébrale, tant chez les sujets sains que chez les sujets gravement malades 11,40,41,42, ainsi que pour évaluer la pression de fermeture critique de la circulation cérébrale 43. Plusieurs auteurs ont validé les mesures de CBF avec DCS par rapport à différentes mesures de CBF de référence 18, tandis que CMRO2 mesuré avec l’optique diffuse s’est avéré être un paramètre utile pour la surveillance neurocritique 8,18,23,24,28,43,44,45 . De plus, des études antérieures ont validé les paramètres hémodynamiques cérébraux dérivés optiquement pour la surveillance à long terme des patients neurocritiques 8,9,10,11, y compris pour la prédiction des événements hypoxiques 46,47,48 et ischémiques 8.
La fiabilité des techniques d’optique diffuse pour fournir des informations précieuses en temps réel lors des mesures longitudinales ainsi que pendant les interventions cliniques reste largement ignorée. L’utilisation d’un système DOS autonome a déjà été comparée à des moniteurs invasifs de tension d’oxygène dans les tissus cérébraux, et le DOS a été jugé ne pas avoir une sensibilité suffisante pour remplacer les moniteurs invasifs. Cependant, en plus d’utiliser des populations relativement petites, la comparaison directe des moniteurs invasifs et non invasifs peut être erronée car chaque technique sonde différents volumes contenant différentes parties du système vasculaire cérébral. Même si ces études ont finalement conclu que l’optique diffuse ne remplace pas les moniteurs invasifs, dans les deux études, DOS a atteint une précision modérée à bonne, ce qui peut être suffisant pour les cas et / ou les endroits où les moniteurs invasifs ne sont pas disponibles.
Par rapport à d’autres approches, le principal avantage de l’optique diffuse est sa capacité à mesurer simultanément le débit sanguin et l’oxygénation du sang des tissus de manière non invasive (et continue) au chevet du patient à l’aide d’instruments portables. Par rapport à l’échographie Doppler transcrânienne (DCD), la MDD présente un avantage supplémentaire : elle mesure la perfusion au niveau tissulaire, tandis que la DTC mesure la vitesse du flux sanguin cérébral dans les grosses artères à la base du cerveau. Cette distinction peut être particulièrement importante lors de l’évaluation des maladies sténo-occlusives dans lesquelles l’écoulement proximal des grosses artères et les collatéraux leptoméningés contribuent à la perfusion. Les techniques optiques présentent également des avantages par rapport à d’autres modalités d’imagerie traditionnelles, telles que la tomographie par émission de positrons (TEP) et l’imagerie par résonance magnétique (IRM). En plus de fournir simultanément des mesures directes des concentrations de CBF et d’HbO/HbR, ce qui n’est pas possible avec l’IRM ou la TEP seules, la surveillance optique fournit également une résolution temporelle nettement meilleure, permettant, par exemple, l’évaluation de l’autorégulation cérébrale dynamique40,41,42 et l’évaluation des changements hémodynamiques évolutifs dynamiquement. En outre, l’instrumentation optique diffuse est peu coûteuse et portable par rapport à la TEP et à l’IRM, ce qui constitue un avantage essentiel compte tenu de la charge élevée des maladies vasculaires dans les pays à revenu faible et intermédiaire.
Le protocole proposé ici est un environnement pour le neuromonitoring en temps réel des patients à l’unité de soins intensifs (USI). Le protocole utilise un dispositif optique hybride associé à une interface utilisateur graphique (GUI) conviviale et à des capteurs optiques personnalisés pour sonder les patients (Figure 1). Le système hybride utilisé pour présenter ce protocole combine deux spectroscopies optiques diffuses provenant de modules indépendants : un module DOS commercial dans le domaine fréquentiel (FD-) et un module DCS maison (Figure 1A). Le module FD-DOS49,50 se compose de 4 tubes photomultiplicateurs (PMT) et de 32 diodes laser émettant à quatre longueurs d’onde différentes (690, 704, 750 et 850 nm). Le module DCS se compose d’un laser à longue cohérence émettant à 785 nm, de 16 compteurs monophotons comme détecteurs et d’une carte corrélative. La fréquence d’échantillonnage pour le module FD-DOS est de 10 Hz et la fréquence d’échantillonnage maximale pour le module DCS est de 3 Hz. Pour intégrer les modules FD-DOS et DCS, un microcontrôleur a été programmé à l’intérieur de notre logiciel de contrôle pour basculer automatiquement entre chaque module. Le microcontrôleur est responsable de l’allumage et de l’extinction des lasers FD-DOS et DCS, ainsi que des détecteurs FD-DOS pour permettre des mesures entrelacées de chaque module. Au total, le système proposé peut collecter un échantillon FD-DOS et DCS combiné toutes les 0,5 à 5 s, en fonction des exigences du rapport signal sur bruit (SNR) (des temps de collecte plus longs conduisent à un meilleur SNR). Pour coupler la lumière au front, nous avons développé une sonde optique imprimée en 3D qui peut être personnalisée pour chaque patient (Figure 1B), avec des séparations source-détecteur variant entre 0,8 et 4,0 cm. Les séparations source-détecteur standard utilisées dans les exemples présentés ici sont de 2,5 cm pour le DCS et de 1,5, 2,0, 2,5 et 3,0 cm pour le FD-DOS.
La principale caractéristique du protocole présenté dans cette étude est le développement d’une interface temps réel qui peut à la fois contrôler le matériel avec une interface graphique conviviale et afficher les principaux paramètres de physiologie cérébrale en temps réel sous différentes fenêtres temporelles (Figure 1C). Le pipeline d’analyse en temps réel développé dans l’interface graphique proposée est rapide et prend moins de 50 ms pour calculer les paramètres optiques (voir le matériel supplémentaire pour plus de détails). L’interface graphique s’inspire des instruments cliniques actuels déjà disponibles à la neuro-USI, et elle a été adaptée grâce à de nombreux commentaires des utilisateurs cliniques lors de la traduction du système à la neuro-USI. Par conséquent, l’interface graphique en temps réel peut faciliter l’adoption du système optique par le personnel hospitalier régulier, tel que les neurointensivistes et les infirmières. L’adoption généralisée de l’optique diffuse en tant qu’outil de recherche clinique a le potentiel d’améliorer sa capacité à surveiller des données physiologiquement significatives et peut finalement démontrer que l’optique diffuse est une bonne option pour la surveillance non invasive des patients neurocritiques en temps réel.