Spettroscopia di correlazione diffusa per misurare il flusso sanguigno cerebrale in un soggetto umano

Abstract

Fonte: Menezes Forti, R. et al. Monitoraggio in tempo reale di pazienti neurocritici con spettroscopie ottiche diffuse. J. Vis. Exp. (2020)

Questo video mostra l'uso della spettroscopia di correlazione diffusa (MDD) per misurare il flusso sanguigno cerebrale negli esseri umani. Delinea i passaggi per la preparazione del sistema, la calibrazione della sonda, il posizionamento sulla fronte del partecipante, l'acquisizione di dati di luce diffusa e l'analisi delle fluttuazioni di intensità per interpretare la dinamica del flusso sanguigno nel cervello.

Protocollo

Tutte le procedure che coinvolgono partecipanti umani sono state eseguite in conformità con le linee guida istituzionali, nazionali e internazionali per il benessere umano e sono state esaminate dal comitato di revisione istituzionale locale.

1. Preparativi prima di spostare il sistema nell'unità di terapia intensiva (ICU)

1. Collegare tutte le fibre ai laser e ai rilevatori pertinenti e assicurarsi che siano collegati correttamente alla sonda ottica (Figura 1B).
2. Verificare che la sonda ottica sia coperta con un panno nero per evitare che i laser brillino nella stanza.
3. Portare l'interruttore di alimentazione del sistema in posizione "ON". Dopo aver acceso il sistema, attendere 30 secondi, quindi portare l'interruttore a chiave laser per spettroscopia di correlazione diffusa (DCS) in posizione "ON". I laser per spettroscopia ottica diffusa nel dominio della frequenza (FD-DOS) si accendono automaticamente quando il sistema è alimentato.
4. Durante la preparazione del sistema, ottenere il consenso del partecipante o di un rappresentante legale. Dopo aver ottenuto il consenso, portare il carrello nella stanza del paziente.
   NOTA: Poiché il sistema ibrido ha una batteria integrata che dura fino a 45 minuti, non è necessario spegnerlo durante il trasporto.

2. Impostazioni di calibrazione e guadagno del sistema DOS All'arrivo

1. in ICU, spegnere il laser DCS portando il tasto in posizione 'OFF'.
2. A partire dal fantoccio solido contrassegnato con "Calibra", eseguire il processo di calibrazione sul software FD-DOS (BOXY, ISS) seguendo i passaggi seguenti.
   1. Nel menu 'File', carica il file delle impostazioni appropriato per la sonda in uso cliccando sull'opzione 'Carica file delle impostazioni'.
   2. Posizionare la sonda sul lato curvo del fantoccio, assicurandosi un buon contatto con la superficie, quindi ottimizzare la tensione di polarizzazione del tubo fotomoltiplicatore (PMT) facendo clic sul pulsante "Ottimizza tutti i rivelatori" nel software FD-DOS.
   3. Eseguire la calibrazione per separazioni multiple sorgente-rivelatore facendo clic sull'opzione 'Calc. Valori per gli oggetti ottici. e Distanze multiple" dal menu "Calibra".
   4. Aprire l'opzione 'Calcoli definiti dall'utente' dal menu 'Text-Mon' per verificare che le proprietà ottiche misurate corrispondano ai valori prespecificati (scritti nel fantoccio solido) e che l'adattamento R² sia vicino a uno.
3. Ripetere i passaggi precedenti (ad eccezione del passaggio 2.2.3) per misurare le proprietà ottiche del fantoccio contrassegnato come "Controllo" per assicurarsi che la calibrazione fosse adeguata. Le proprietà ottiche misurate devono corrispondere, entro il 10%, ai valori specificati nei fantocci. cautela: Assicurarsi di disattivare i PMT (facendo clic sul pulsante "Tutti i rilevatori OFF") ogni volta che la sonda viene spostata per evitare di danneggiare i PMT a causa dell'illuminazione diretta della luce ambientale.
4. Se la calibrazione non è adeguata, eseguire nuovamente il processo di calibrazione (passaggi 2.2 e 2.3). Garantire una buona calibrazione del sistema FD-DOS è essenziale per la validità delle misure FD-DOS.

3. Preparazione del partecipante al letto del paziente

1. Utilizzare salviette igienizzanti per pulire sia la sonda che la fronte del paziente.
2. Posizionare il nastro biadesivo sulla sonda (Figura 1B), assicurandosi che il nastro non sia a diretto contatto con le punte delle fibre ottiche.
3. Posizionare un occhiale di sicurezza laser sul soggetto.
4. Posiziona le sonde sulla regione di interesse (ROI) e avvolgi le cinghie elastiche attorno alla testa del soggetto. Sebbene non sia strettamente necessario per FD-DOS e DCS, si consiglia di coprire la sonda ottica con un panno nero o una benda nera per ridurre il rumore dovuto alla luce ambientale.
   NOTA: È importante assicurarsi che la cinghia elastica non sia né troppo stretta né troppo larga. Se la cinghia è troppo stretta, può causare un notevole disagio al paziente e se la cinghia è troppo allentata, può portare a una scarsa qualità dei dati poiché il nastro biadesivo non è abbastanza forte da mantenere le sonde in posizione.
5. Dopo che la sonda è stata fissata correttamente alla fronte del paziente, accendere il laser DCS portando la chiave in posizione "ON".
   ATTENZIONE: Il sistema DCS utilizza un laser di classe 3B, pericoloso per l'esposizione agli occhi. È molto importante accendere i laser solo quando la sonda è fissata correttamente alla fronte del paziente.

4. Valutazione della qualità dei dati

1. Prima di iniziare ad acquisire i dati con l'interfaccia utente grafica (GUI), scrivere le separazioni sorgente-rivelatore DCS nella scheda 'Impostazioni' della GUI.NOTA: Il sistema DCS non richiede una fase di calibrazione, ma per l'analisi in tempo reale è necessario l'inserimento corretto delle separazioni sorgente-rivelatore.
2. Avviare il software di acquisizione premendo il pulsante 'Start' nella GUI e controllare il segnale DOS nel software FD-DOS:
   1. Fare clic sul pulsante 'Ottimizza tutti i rivelatori' nel software FD-DOS per ottimizzare la tensione di polarizzazione PMT.
   2. Controllare le proprietà ottiche e l'R² del raccordo DOS nell'opzione 'Calcolo definito dall'utente' dal menu 'Text-Mon'. Il coefficiente R² dovrebbe essere vicino all'unità e, come regola generale, il coefficiente di assorbimento dei pazienti umani dovrebbe essere compreso tra 0,05 e 0,2 ^cm-1, mentre il coefficiente di dispersione dovrebbe essere compreso tra 6 e 13 ^cm-113.
3. Controllare il segnale DCS nella scheda "Curve di correlazione" della GUI.
   1. Accendi i rilevatori DCS portando gli interruttori in posizione 'ON'.
   2. Assicurarsi che ogni rilevatore DCS misuri un'intensità luminosa adeguata. Come regola generale, sono necessari più di 10 kHz.
   3. Se l'intensità misurata è superiore a 800 kHz, utilizzare un filtro a densità neutra per ridurre il numero di fotoni ed evitare di danneggiare i rivelatori. Questo è in genere un problema per separazioni sorgente-rivelatore più brevi (< 1 cm).
      NOTA: Oltre a danneggiare potenzialmente i rivelatori DCS, un numero di fotoni superiore a 800 kHz può anche portare a errori dovuti a effetti non lineari nel rivelatore.
   4. Controllare le curve di autocorrelazione per garantire un buon accoppiamento cutaneo (vedere la Figura 2) e riposizionare la sonda ottica se necessario.
   5. Se il riposizionamento della sonda è stato necessario nel passaggio precedente, ripetere i passaggi 4.2 e 4.3. Potrebbe essere necessario ripetere questi passaggi più volte.
      NOTA: I rilevatori DCS e FD-DOS devono essere spenti ogni volta che si sposta la sonda. Per spegnere i rilevatori DCS, spostare manualmente gli interruttori in posizione "OFF". Il rilevatore FD-DOS si spegne facendo clic sul pulsante 'Tutti i rivelatori OFF' nel software FD-DOS.
4. Quando si ottiene un buon contatto tra la sonda e la pelle, interrompere la raccolta dei dati facendo clic sul pulsante "Stop" nella GUI. Quindi, imposta gli identificatori dell'esperimento e del paziente nella casella di testo "Cartella" e scrivi il nome del ROI nella casella di testo "Nome file".
5. Avviare l'acquisizione dei dati premendo il pulsante 'Start' nella GUI.
6. Raccogli i dati nel primo ROI per tutto il tempo richiesto dal protocollo. Se necessario, spostare la sonda sulle altre ROI e ripetere la misurazione.
   NOTA: Il periodo di monitoraggio può variare a seconda degli obiettivi dello studio.

5. Considerazioni per lo sperimentatore durante la misurazione

1. Dopo aver avviato la misurazione, scrivere nella scheda "Info esperimento" dell'interfaccia grafica le informazioni rilevanti per il paziente (ad esempio, tipo e posizione della lesione, farmaci somministrati, età, sesso, ecc.).
2. Assicurarsi che qualsiasi evento rilevante che si è verificato durante il periodo di monitoraggio sia contrassegnato facendo clic sul pulsante "Contrassegna" sulla GUI. Dopo ogni segno, assicurati di scrivere la descrizione dell'evento nella scheda "Informazioni sull'esperimento" della GUI.

6. Interrompere la raccolta dei dati

1. Interrompere la raccolta dei dati premendo il pulsante 'Stop' nella GUI.
2. Arrestare il software FD-DOS premendo il pulsante di arresto dell'acquisizione e della registrazione dei dati rappresentato da due quadrati rossi nel software FD-DOS.
3. Spegnere i rilevatori DCS portando gli interruttori in posizione "OFF" e spegnere il laser DCS ruotando la chiave in posizione "OFF".
4. Disattivare i PMT del modulo FD-DOS facendo clic sul pulsante 'Tutti i rivelatori OFF'.
5. Rimuovere la sonda dalla testa del paziente e rimuovere il nastro biadesivo dalla sonda. Quindi, pulire la sonda con salviette igienizzanti.
6. Ripetere la misurazione delle proprietà ottiche di ciascun fantoccio solido il prima possibile per garantire che la calibrazione rimanga adeguata durante la sessione di monitoraggio (vedere il passaggio 4.2.2).
   NOTA: Idealmente, la fase di calibrazione dovrebbe essere eseguita subito dopo aver rimosso le sonde ottiche dalla testa del paziente (passaggio 6.6). Tuttavia, a causa di problemi di temporizzazione, questo è stato fatto nel magazzino negli esempi presentati nella sezione successiva.
7. Pulire l'impianto e i suoi accessori con salviette igienizzanti.
8. Riporta il carrello al ripostiglio.

Risultati

Figura 1: L'ambiente ottico sviluppato per monitorare i pazienti all'interno di un'unità di terapia intensiva. (A) Il sistema ottico diffuso ibrido combina un modulo di spettroscopia ottica diffusa nel dominio della frequenza ...

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