Name: 유아의 뇌 신진 대사와 혈류 역학의 비 침습적 광학 측정 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-03-14T09:20:00.000+00:00
Duration: 11 min 39 s
Description: 학습하세요 신생아 뇌 산소 대사의 비침습적 광학 측정법을 통해 뇌 건강을 평가하는 방법을. FD-NIRS와 DCS 기술을 활용하여 침상에서 실시간으로 뇌 혈류와 산소 소비를 측정합니다.

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저자는 신생아 ICU, 특별 케어 보육, 소아 신경과, 그리고 출산 단위 매사추세츠 종합 병원에서, 브리검과 여성의 병원과 보스턴 아동 병원의 모든이 연구에 참여에 대한 가족 및 간호사, 의사 및 직원을 감사 사람들의 도움과 지원. 특히 우리는 린다 J. 반 Marter, 로버트 M. Insoft, 조나단 H. Cronin, Julianne Mazzawi, 그리고 스티븐 A. 벨소리 감사드립니다. 저자는 또한 측정시의 지원 시아 Kocienski - 필립, 이본, 셀던 Alpna Aggarwall, 매디 Artunguada와 제네 비브 바퀴통 감사드립니다. 이 프로젝트는 NIH R01-HD042908, R21-HD058725, P41-RR14075 및 R43-HD071761에서 지원됩니다. 마샤 Kocienski - 필립과 이본 셀던은 임상 병진 과학 하버드 대학과 브리검에 상 UL1RR025758 연구 자원에 대한 국립 센터에서 여성 병원에 의해 지원됩니다. 내용은 전적으로의 책임입니다uthors와 반드시 연구 자료 또는 건강의 국립 연구소의 국립 센터의 공식 전망을 대표하지 않습니다.

1. 의상 대책 준비 <ol><li> FDNIRS와 DCS 시스템은 병원에서 아기의 침대 옆 (그림 1)에 작은 바구니에 이동 콤팩트하고 쉽습니다. </li><li> 침대 옆에 장치 카트를 이동 한 후, 시스템 설정 및 FDNIRS 및 DCS 장치에 광학 프로브를 연결합니다. 악기와 컴퓨터를 관리하는 하나 하나의 프로브를 잡아 두 가지 experimenters 모든 측정을위한 존재하는지 확인합니다. </li><li> 유아의 postmenstrual 세 (PMA)에 따라 적절한 프로브를 선택합니다. 1, 1.5, 2, 2.5 cm의 FDNIRS 소스 검출기 분리와 광학 프로브가 유아 &lt;37 wks PMA와 프로브 FDNIRS의 분리 1.5, 2, 2.5 3cm에 사용되는이 세 유아 (그림 2-A에 사용됩니다 ). 짧은 소스 검출기 분리의 선택은 preterm 유아 &#39;작은 크기와 큰 머리 곡률에 의해 결정됩니다. preterm 유아와 함께 더 큰 프로브를 사용하여 relat아기의 머리와 큰 곡률 ively 작은 크기는 함께 유아의 머리와 모든 소스와 검출기 사이의 효과적인 접촉을 방해. 이러한 이유로, 1, 1.5, 2, 2.5 cm의 FDNIRS 소스 검출기 분리와 프로브는 preterm 유아와 함께 사용하기위한 피팅입니다. 우리의 연구는 선택한 소스 탐지기 분리는 preterm 및 용어 모두 14 대뇌 피질의 광학 특성을 측정하기에 충분한 것으로 확인되었습니다. DCS 소스와 검출기 섬유는 소스 검출기 1.5 거리 (한 검출기)와 모두 조기 및 용어 영유아 프로브에 2cm (3 감지기)와 FDNIRS 섬유에 평행 한 행에 배치된다. </li><li> 사니 - 천은 단일 사용 폴리 프로필렌 플라스틱 슬리브에 프로브 및 섬유를 닦아 삽입 소독과 광학 프로브를 살균합니다. </li></ol> 2. FDNIRS 게인 설정 및 보정 <ol><li> FDNIRS 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)를 열고 프로그램 설정 파일을 선택프로브에 해당하는 및 교정 블록은 사용중인. </li><li> 검출기 이득을 조정하려면, 부드럽게 머리 (바람직하게는 이마의 왼쪽)없이 대상의 머리의 지역에 프로브를 삽입하고 압력을 적용하지 않고 같은 위치에 유지합니다. 소스와 감지기의 전원을 켜고 소스 레이저의의 진폭이 20,000 카운트에 도달 할 때까지 PMT 전압을 조정합니다. 32,000 카운트는 디지털 수집 카드에 아날로그의 최대 디지털화이며, 이득은 데이터 수집 중에 채도를 방지하기 위해 해당 임계 값 미만으로 설정해야합니다. 이 지역은 일반적으로 레이저 빛의 낮은 흡수를 보유하고 있으며 따라서 채도에 가장 자주 발생하기 때문에 이익은 정면 지역에 설정해야합니다. </li><li> 소스와 검출기를 끄고 교정 블록에 프로브를 반환합니다. 레이저는 눈 안전을 위해 프로브를 이동할 때 해제해야 할, PMTs 어떤 밝은 빛에 매우 민감하고 노출하기 때문에 경보기가 해제 할 필요가 전배경 잡음을 ncreases하고 지속적으로 손상 될 수 있습니다. </li><li> 다시 보정 블록에 프로브를 통해 중립적 인 밀도 (ND) 필터를 사용하는 소스 검출기 쌍 saturates 경우. 보정 절차를 실행하는 동안 다른 ND 필터는 다른 피부 색조로 인해 유아의 최적화 이득을 선택할 수 있습니다하는 것은 16 초에 여전히 프로브를 잡아. 우리가 물리적으로 여러 거리 구성표를 달성하기 위해 하나의 검출기에서 다른 거리에 하나의 소스를 이동하지만, 대신에 두 개의 독립적 인 소스와 두 개의 독립적 인 검출기 네 가지 조합을 사용하지 않는 때문에, 우리는 두 가지 소스의 다양한 능력에 대한 보정하고 필요 두 감지기의 다른 이득. 알려진 광학 특성의 보정 블록을 측정하여, 우리는 진폭 및 교정 블록의 흡수 및 산란 계수를 복구하는 데 필요한 단계 보정 요소를 추정합니다. </li><li> 보정 후, 블록에 데이터를 16 초 이상을 취득하고 시각적으로 일의 적절성을 평가내부 MATLAB GUI로 전자 교정. 측정 μA 및 μs &#39;는 모든 파장에서 교정 블록의 실제 계수를 일치해야합니다. 적합한 가난 경우 재조정. </li><li> 검출기 증가가 변경, 또는 소스와 검출기 섬유는 측정하는 동안 연결이 끊어해야 할 필요가있는 경우 FDNIRS 장치의 보정 절차를 반복하십시오. </li><li> 측정 세션의 끝에서 보정이 주제에 대한 측정 기간 동안 유지되었는지 여부를 확인하기 위해 보정 블록에있는 데이터의 또 다른 16 초를 취득. 보정이 유지되지 않은 경우, 측정의 끝에서 두 번째 보정을하고 얻은 데이터에 적용됩니다. </li></ol> 3. DCS 설정 <ol><li> 자체 DCS 데이터 수집 GUI를 열고 사용되는 광학 프로브에 해당하는 설정 파일을로드합니다. </li><li> 측정을 시작하기 전에, DCS 소스의 레이저 전원이 t를 측정하여 피부 노출에 적합한 있는지 확인그는 파워 미터 IR보기 카드 (레이저 어떤이 표시되지 785 nm의에서 방출)와 스폿 사이즈를 확인으로 DCS 소스의 레이저 전력. DCS 레이저 파워 ~ 60 MW과 상대적으로 작은 직경 섬유 (400-600 μm)에 커플 링입니다. 피부 노출 ANSI 기준을 충족하려면 프로브의 빛은 감쇠하고 넓은 지역에 걸쳐 확산해야합니다. 이것은 3mm 직경 흰색 테플론 시트 (그림 2-A)와 섬유의 끝을 다루는에 의해 달성된다. 테플론은 매우 분산 널리 레이저 빔을 diffuses 있습니다. 침대 옆에서, 프로브에서 레이저 전원이 적은보다 25 MW이며, 그 자리의 크기가 직경 3mm보다 큰 있는지 확인하십시오. 광학 프로브를 이동할 때 FDNIRS에 대해서는 항상 소스와 검출기를 끄십시오. </li><li> DCS 감지 광자 - 계산하고 같은 FDNIRS 장치에 필요한 더 APD 게인 조정이 없습니다. 너무 많은 빛이 감지 된 경우 수집 소프트웨어의 국기가 나타내는 경우 eit에 커플 링 빛의그녀 소스 또는 검출기 섬유는 섬유 커넥터를 돌려 감소해야합니다. 충분한 빛을 감지 200,000-4,000,000 감지 광자 (컴퓨터 디스플레이에 -26 ~ 0dB에 해당)의 범위에 있습니다. 배경 잡음을 줄이기 위해 과도한 방 빛을 피하십시오. </li><li> DCS는 보정이 CBF 전을 측정 할 필요가 없습니다. 혈액의 흐름은 상관 관계를 잃게하는 데 걸리는 시간에 비례합니다. 고체 블록은 부패의 원인이 할 이동 분산 입자가 없기 때문에 신호 품질을 확인 충분하지 않습니다. 혈액의 흐름, 가파른 부패 빠르게 - 실험의 팔을 대신 부패를 보여줍니다. </li></ol> 4. 데이터 수집 <ol><li> FDNIRS 및 DCS 측정은 순서대로 신속하게 수행 할 수 있지만, 첫 번째 장치와 함께 모든 위치를 측정하고 다음 각에 해당하는 독립 수집 소프트웨어를 사용하여 다른 장치와 동일한 진행을 반복합니다. </li><li> 커버 칠 위치를 측정, 정면 시간적 pariet10-20 시스템 (Fp1, FpZ, FP2, C3, C4, P3, P4)에 따라 알 분야, 순서 (그림 2-B). 일부는 소스 검출기 라인을 따라 머리와 머리의 영역에 프로브를 배치합니다. </li><li> FDNIRS 레이저와 감지기의 전원을 켜고 신호 품질을 확인하십시오 진폭 카운트는 2,000과 20,000 사이 여야합니다 및 위상은 SNR에게 &lt;2 학위를 주던 사람이야. 이 범위 이외의 프로브 위치를 변경하는 경우, 보증 머리 헤어진 모든 소스와 감지기는 피부 접촉에 있습니다. </li><li> 16 초에 대한 데이터를 수집. 머리를 이별하고 각 인수에 대해 약간 다른 장소에있는 프로브를 변경하지, 각 위치에 세 번 (그림 2-C)로 측정을 반복합니다. 이것은 같은 머리와 얕은 대형 선박 등의 지역 inhomogeneities의 영향을 최소화하고 오히려 단일 지점보다 지역의 대표 값을 제공하기위한 것입니다. </li><li> DCS 레이저와 감지기의 전원을 켜고 10 초에 대한 데이터를 수집. 프로브 및 담당자 위치를인수 (FDNIRS 조치와 같이) 먹습니다. </li><li> 위치 사이의 프로브를 이동할 때 모든 레이저의 전원을 끕니다. 일곱 개 모두 위치에서 데이터 컬렉션은 항상 그렇지는 않습니다. 피사체가 곤란이나 운동의 흔적을 명부 경우 측정을 중지. 가능하면 인수를 다시 시도합니다. EEG 전극 또는 호흡기 장비는 일부 지역에서 측정을 배제 할 수 있습니다. </li></ol> 5. 체 매개 변수의 측정 <ol><li> CMRO 2i, 두 조직 매개 변수의 피 (HGB)의 동맥 산소 (상 2) 헤모글로빈의 계산의 경우, 인수해야합니다. HGB는 CBV를 계산하기 위해 필요합니다. 기존의 펄스 oximetry은 상 2 조치를 제공하고 있지만, HGB는 통상 혈액 검사로 측정됩니다. Masimo Corporation에 의해 개발 된 새로운 펄스 산소 농도계는 여러 파장을 사용하여 비 invasively HGB을 측정 할 수 있습니다. 이 장치는 유아&gt; 3kg에 대한 FDA 승인하며, 빠른 머리맡의 meas을 허용상 2 HGB 모두 우레. </li><li> 기록 상 2 HGB는 Masimo 펄스 산소 농도계 (그것도 급히 현장은 펄스 공동 산소 농도계를 확인)을 사용합니다. 이러한 측정치를 들어, 아기의 발 엄지 발가락에 접착제 일회용 센서를 연결합니다. HGB는 몇 초 내에 모니터에 표시됩니다. </li><li> 은 다른 FDA 승인 펄스 oximeters과 Masimo 펄스 공동 산소 농도계, 측정 상 2를 사용 할 수 없습니다합니다. HGB는 어느 환자의 임상 차트에서 복구 나 정상적인 값을 사용하여 추정 할 수 있습니다. </li></ol> 6. 데이터 분석 <ol><li> MATLAB을 사용하여 내부 후 처리 데이터를 분석 GUI를 엽니 다. 이 소프트웨어는 모든 hemodynamic 매개 변수를 추정, 또한 자동으로 측정 품질을 평가하고 결과를 제한 할 데이터의 중복을 사용하여뿐만 아니라. </li><li> &lt;실험 데이터의 모델 피팅, P-값 0.98&gt; R2 0 : 품질 제어를위한 자동 목표 기준은 FDNIRS에 대한 폐기 데이터를 경우로 구성8 측정 흡수 계수 사이의 피어슨 제품의 순간 상관 계수와 헤모글로빈 맞춤을위한 0.02 (그림 3-A), 파장 대 감소 분산 계수의 선형 운동을위한 P-값이&gt; 0.02 (그림 3-B) 15. 데이터 장점 버리는 이상의 33% 경우, 전체 집합이 삭제됩니다. DCS를 들어, 데이터가있는 경우 삭제됩니다 피팅 곡선의 꼬리가 0.02 이상 1 일부터 다릅니다, 곡선의 3 첫번째 점 사이의 누적 편차 이상 0.1, 또는 3 첫번째 점의 평균 값은 더 1.6 (그림 4).보다 곡선의 50 % 이상이 폐기하거나 적합한 값이 변화&gt; 15 %의 계수가있는 경우, 전체 세트는 15 삭제됩니다. </li><li> HB 멸종 계수 16 문학 값을 사용하고, 모든 파장에서 흡수 계수를 맞는이 절대 HBO 채널과 HBR의 농도를 계산조직 17 물 75 % 농도. 총 헤모글로빈 농도 (HBT = HBO 채널의 시청이 + HBR)과 HBO 채널의 시청이와 HBR 농도의 SO 2 (HBO 채널 / HBT)를 도출. </li><li> Ijichi 외 18에 설명 된 방정식을 사용하여 뇌성 혈액 양을 추정. CBV = (HBT × MW HB) / (HGB × D BT), 어디 MW HB = 64500 [g / 몰] HB의 분자량이며, D BT는 = 1.05가 g / ML 뇌 조직의 밀도입니다. </li><li> 확산 상관 관계 방정식에 측정 시간적 상관 함수에 맞는하여 CBF 전을 계산합니다. CBF를 계산하는 자세한 이론적 프레임 워크는 내가 Boas 외.와 Boas와 Yodh 10,11에 있습니다. 방정식에서 FDNIRS와 전체 인구에 걸쳐 산란 계수의 평균에서 측정 각각의 흡수 계수를 사용합니다. </li><li> SO의 FDNIRS 측정을 사용하여 뇌성 산소 소비의 색인을 계산 <sub다음 방정식과&gt; 2 CBFi의 DCS 측정 : CMRO 2i = (HGB × CBFi × (상 2 - SO 2)) / (4 × MW HB × β) 계수 4는 네 개의 O 2 분자를 반영 15 각 헤모글로빈에 바인딩와 β는 헤모글로빈 산소 측정 19 정맥 구획의 %를 기여하고 있습니다. </li></ol>

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마리아 안젤라 Franceschini, 그​​녀의 남편 데이비드 Boas, 그리고 Beniamino Barbieri (ISS 주식회사)는이 기술에 대한 특허를 누르고 있습니다.

우리는 신생아 인구 FDNIRS 및 DCS와 뇌성 hemodynamic과 신진 대사의 양적 측정을 보여 주었다. 프로브 구성 신생아 대뇌 피질 14 측정에 최적화되어 있습니다. DCS에 의해 측정 혈액의 흐름 변경 사항이 광범위하게 동물과 인간의 연구 22,23에서 다른 기술에 대한 확인되었습니다. 혈액 흐름의 직접 DCS 측정을 사용하여, 우리는 CMRO 2i (24)의 계산에 차이를 줄일 수 있습니다. 반복 측정의 변동은 또한 뇌 영역 사이의 20 세와 함께 변화보다 작습니다. 우리 이전 결과에서 CBFi 및 CMRO 2i 건강 preterm neonates의 PMA가있는 중요한 변화를 보여 주었다. CMRO 2i의 법안은보다 나은 SO 2의 측정보다 뇌 손상을 감지 할 수 있습니다. 이 혈관과 신진 대사 매개 변수의 조합 대책 등보다 강력한 B 서비스를 제공 제안산소 포화도 혼자보다 신생아 뇌 건강과 개발 iomarkers. 기술 개선 획득 시간에게 35-40 세션 당 %와 폐기 조치의 빈도를 줄일 수있는 데이터 품질에 실시간 피드백의 구현을 줄이기 위해 두 악기의 통합에 초점을 맞출 것이다. 가까운 장래에,이 시스템은 변경된 뇌성 산소 신진 대사의 소설 침대 옆 모니터로 임상 최종 사용자에게 제공 할 수 있습니다. 시간이 지남에 CMRO 2의 궤도를 측정하여도 임상 중요성을 증가시키고 결과를 예측할 수 있습니다. 이 도구는 궁극적으로 신생아 뇌 손상의 개선 관리를 향한 중요한 공헌을 할 수 있습니다.

FDNIRS 장치는 660에서 830 나노 미터에 이르기까지 여덟 파장, 두 개의 광전자 증 배관 (PMT) 검출기에서 배출 8 레이저 다이오드의 두 개의 동일한 세트 ISS 주식회사에서 정의 된 주파수 도메인 시스템입니다. 소스와 감지기는 헤테로 다인 감지 6 달성하기 위해, 각각, 110 MHz 및 110 MHz의 플러스 5 kHz에서에서 변조 된 수 있습니다. 각 레이저 다이오드는 사이클 당 160 밀리 초 총 수집 시간 순서에 10 밀리 초에 설정되어 있습니다. 소스와 감지기는 섬유 광학에 커플 링과 광학 프로브의 행에 배치된다. 프로브에 섬유의 배열은 네 가지 소스 탐지기 분리를 생성하는 등입니다. 여러 거리에서 전송 된 빛을 (진폭 감쇠 및 위상의 변화)을 측정함으로써, 우리는 관찰 조직의 흡수 (μA)과 분산 (μs &#39;) 계수를 정할 수 있습니다. 여러 파장에서 흡수 계수에서, 우리는 산소 (HBO 채널의 시청이 가능한)의 절대 값을 계산하고deoxygenated (HBR) 헤모글로빈 농도 7 뇌성 혈액 양 (CBV)와 헤모글로빈 산소 포화도 (SO 2). 내장 된 시스템 Drs에 의해 개발 된 것과 유사한 - DCS 장치는 집입니다. 펜실베니아 8,9 대학의 아르 Yodh과 Turgut Durduran. 고체로 구성 DCS 시스템 - 785 나노 미터의 상태, 긴 일관성 레이저, 네 광자 세기 애벌랜치 포토 다이오드 (APD) 낮은 어두운 카운트 (&lt;50 카운트 / 초)를 갖춘 감지기 (EG &amp; G Perkin 엘머 SPCM-AQRH) 및 높은 양자 수율 (785 나노 미터에서&gt; 40 %), 200 nsec 해상도와 넷 채널, 256-bin에 멀티 타우 상관기. DCS를 통해 우리는 적혈구를 이동하여 생산 도플러 주던에서 발생 곱 분산 된 광의 시간 강도 변동을 정량화하여 대뇌 피질의 microvascular 혈액의 흐름을 측정합니다. 레이저 도플러 혈액 flowmetry와 유사한 기술 (예를 들면 그들은 푸리에 TR 아르0.5 초 - ansform analogs)은 200 nsec의 지연 시간 범위에서 디지털 상관기에 의해 계산 각 검출기 채널의 강도 변동의 상관 함수를 측정합니다. 상관기은 조직에서 다시 새로운 빛의 시간 강도 자동 상관 관계를 계산합니다. 우리는, 측정 자체 상관 함수에 확산 상관 관계 방정식에 맞게 초당 약 한 번 순차적으로 인수 혈액의 흐름 지수 (CBF I) 10,11을 얻을 수 있습니다. 혈액 흐름의 변화 DCS 조치가 광범위하게 12,13가 확인되었습니다. CBF 전의 DCS 조치와 SO 2의 FDNIRS 조치를 결합함으로써, 우리는 대뇌 산소 신진 대사 (CMRO 2i)의 추정치를 얻을 수 있습니다.

<table border="1"><tbody><tr><td> 장비 </td><td> 회사 </td><td> 카탈로그 번호 </td><td> 코멘트 (선택 사항) </td></tr><tr><td> Imagent </td><td> ISS </td><td></td><td> FDNIRS </td></tr><tr><td> DCS 레이저 섬유 </td><td> Thorlabs </td><td> FT400 </td><td> DCS 구성 요소 </td></tr><tr><td> DCS 검출기 섬유 </td><td> Thorlabs </td><td> 780HP </td><td> DCS 구성 요소 </td></tr><tr><td> DCS 레이저 </td><td> CrystaLaser </td><td> DL785-070-S </td><td> DCS 구성 요소 </td></tr><tr><td> DCS 검출기 </td><td> 맥박 조정 장치 국제 </td><td> SPCM-AQRH-14-FC </td><td> DCS 구성 요소 </td></tr><tr><td> DCS 상관기 </td><td> Correlator.com </td><td> Flex05 - 8ch </td><td> DCS 구성 요소 </td></tr><tr><td> 급히 공동 산소 농도계 </td><td> Masimo </td&gt; <td></td><td> HGB 및 상이 모니터 </td></tr><tr><td> 노바 </td><td> 지점에 위치한 오 피어 (Ophir) </td><td> 7Z01500 </td><td> 레이저 파워 미터 </td></tr><tr><td> 센서 카드 </td><td> 뉴 포트 (Newport) </td><td> F-IRC1-S </td><td> IR 뷰어 </td></tr><tr><td> 중성 밀도 필터 </td><td> 코닥 </td><td> NT54-453 </td><td></td></tr></tbody></table>

유아의 뇌 신진 대사와 혈류 역학의 비 침습적 광학 측정

Non-invasive Optical Measurement of Cerebral Metabolism and Hemodynamics in Infants

Perinatal 뇌 부상은 유아 사망률과 병적 상태의 중요한 원인이 남아 있지만, 아직 정확하게 뇌 손상, 모니터 부상의 진화, 또는 치료에 대한 응답을 평가의 화면 수있는 효과적인 머리맡의 도구가 아닙니다. 뉴런에서 사용하는 에너지는 크게 조직 산화 대사에서 파생되고, 신경 과민 활동성과 세포 죽음은 대뇌 산소 신진 대사에 해당 변경 사항 (CMRO 2)에 의해 반영됩니다. 따라서, CMRO 2의 조치는 neuronal 생존의 반사하고 CMRO이 뇌 건강 침대 옆 측정을위한 이상적인 목표를 만드는 중요한 진단 정보를 제공합니다. 이러한 양전자 방출 단층 촬영 (PET)와 뇌성 포도당과 산소 대사 단일 광자 방출 계산 된 단층 촬영 (SPECT) 항복 조치 있지만, 이러한 기술이 radionucleotides의 관리를 필요로 뇌 이미징 기술이 때문에는 가장 심한 경우에 사용됩니다. 연속 파에 가까운 적외선 분광법 (CWNIRS)은 대뇌 산소 소비 대리로 헤모글로빈 산소 포화도의 비 침습적 및 비 이온화 방사선 조치 (SO 2) 제공합니다. 그러나, SO 2 이하가 산소 공급과 소비 모두에 의해 영향을 될 때 뇌성 산소 신진 대사를위한 대리로 이상적보다. 산소 소비 및 배송은 급성 과도 세 이후에 평형에 도달하기 때문에 또한, SO 2의 측정은 모욕 1,2 후 뇌 손상 시간을 감지 할 수있을만큼 문자를 구분하지 않습니다. 우리는 건강하고 뇌 부상당한 신생아의 침대 옆에서 대뇌 산소 신진 대사를 수량화하기 위해보다 정교한 NIRS에게 광학 방법을 사용하는 가능성을 조사했다. 더 구체적으로, 우리는 yiel로 확산 상관 분광법 (DCS) 혈액 흐름 지수의 측정 (CBF I)과 주파수 도메인 NIRS (FDNIRS) SO 2 측정을 결합D CMRO 2 (CMRO 2i) 4,5의 색인을 생성합니다. 통합 FDNIRS / DCS 시스템으로 우리는 뇌성 신진 대사와 혈류 역학을 수량화 할 수 있습니다. 이 뇌 건강, 뇌 개발, neonates의 치료에 반응을 검출하기위한 CWNIRS 이상의 개선을 나타냅니다. 또한,이 방법은 감염 제어 및 레이저 안전에 대한 제도적 정책에 대한 모든 신생아 중환자 실 (NICU) 정책을 준수합니다. 미래의 작업은 침대 옆에서 획득 시간을 줄이기 위해 데이터 제거의 속도를 줄이기 위해 데이터 품질에 실시간으로 피드백을 구현하기 위해 두 개의 악기를 통합을 추구합니다.

지난 5 년간에서 우리는 가능성과 제안 된 방법의 임상 유틸리티를 증명하고있다. 특히, 우리는 SO 2보다 뇌의 건강과 발전의 더 많은 대표 할 CMRO 2를 보여 주었다. 50 개 이상의 건강한 유아의 단면 연구에서, 우리는 발견했다 CBV는 삶의 첫 해 동안 (그림 5) 4 SO 2 유적 상수를 두 번 이상에 있습니다. 70 건강한 신생아에 대한 연구에서 우리는 CMRO 2i, CBV와 CBF는 PET 포도당 통풍 관과 일치 정면 지역 (그림 6) 20에 비해 시간적 정수리 지역의 높은 반면 SO 2 뇌 영역에 걸쳐 일정 것을 발견 결과 21. CBV, CBF와 CMRO 2 미주리에있는 동안 우리의 연구 모두에서 상수 내에서, 2 SO 60-70% 범위, 그 산소 전달이 밀접 지역 소비를 일치 나타냅니다다시 단단히 신경 개발과 커플 링. CMRO 2i는 신생아 뇌 손상을 감지 SO 2보다 더 나은 심사 도구입니다 있는지 확인하기 위해, 우리는 몇 개월 부상 후 만성 단계에서 (몇 유아에서) 급성 단계 5 중 뇌 부상당한 유아를 측정합니다. CMRO 2i는 급성과 만성 단계를 모두하는 동안 평소보다 상당히 다릅니다 동안 2 모두 초기 (1~15일 모욕 이후)과 만성 (개월 부상 후) 단계에서 크게 뇌 손상에 의해 변경되지 않습니다 얼마나 SO 그림 7의 결과 쇼 . 특히, CMRO 2i는 neuronal 손실로 인한 ​​만성 단계에서 급성 뇌 손상 후 때문에 발작 활동의 단계, 그리고 정상보다 낮은 동안 상승하고 있습니다. hypoxic 허혈성 부상과 유아는 현재 낮은 뇌의 신진 대사에 치료 저체온증 (TH)로 치료와 hypoxic 기능 후 손상을 줄일 수 아르ult. 치료 저체온증은 세 일 동안 유지되며 우리는 치료 기간 동안 11 유아 (그림 8)을 모니터링 할 수있었습니다. 우리는 CMRO 2i이 크게 TH 동안 정상 아래 수준으로 감소,이 감소는 치료와 발달 결과에 대한 응답에 관한 것 같습니다 것으로 나타났습니다. 이러한 예비 결과는 FDNIRS-DCS 방법은 저체온 요법을 안내하고 최적화 할 수 있습니다하는 것이 좋습니다. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig1.jpg" /> 1 그림. FDNIRS 및 DCS 장치와 카트의 그림. 두 악기는 NICU에 유아의 침대 옆으로 이동 할 수있는 작은 바구니에 들어갈 정도로 컴팩트합니다. <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig2.jpg" /> 그림 2. (A) 광학 프로브 구성. <strong&gt; (B) 측정 위치 체계. (C) 유아에 대한 일반적인 FDNIRS-DCS 측정의 사진입니다. <img alt="그림 3" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/4379/4379fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig3.jpg" /> 그림 3. 측정의 좋은과 나쁜 운동의 대표 예 (A) 흡수 계수와 헤모글로빈 맞춤 (B) 분산 계수와 선형 적합. P-값이&gt; 0.02 나쁜 발작을 의미하는 것은. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4379/4379fig3large.jpg" target="_blank">큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오</a> . <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig4.jpg" /> 그림 4. 계산의 강도 변동의 상관 함수의 좋고 나쁜 적합한의 대표 예0.5 초 - 200 nsec의 지연 시간 범위 상관기에 의해. 나쁜 맞춤 그림에서 피팅 곡선의 꼬리가 0.02 이상 1 일부터 다릅니다과 3 첫번째 포인트의 변화가 0.1 이상이다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4379/4379fig4large.jpg" target="_blank">큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오</a> . <img alt="그림 5" fo:content-width="4in" fo:src="/files/ftp_upload/4379/4379fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig5.jpg" /> 그림 5. 출생에서 세 1 년에 유아에 정면 시간적 정수리 피질 영역에서 CBV 및 SO 2로 변경됩니다. <img alt="그림 6" fo:content-width="4in" fo:src="/files/ftp_upload/4379/4379fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig6.jpg" /> 6 그림. CBF, SO 2, CBV과 정면, 장비의 CMRO 2i70 건강한 신생아의 mporal와 정수리 지역. <img alt="그림 7" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig7.jpg" /> 그림 7. SO 2 일반에서 크게 다르지 않다면서 이상 산소 소비의 예와 일반적인 SO 2 유아의 뇌 손상 후. 뇌 손상은 정상적인와 관련하여 CMRO 2의 변화에 의해 표시됩니다. DCS 측정은 그 측정의 시간에 사용할 수 없습니다 때문이 두 인물에 CMRO 2, Grubb 관계를 사용하여 계산합니다. <img alt="그림 8" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig8.jpg" /> 그림 8. 치료 저체온증 대 나이에 일치하는 건강한 통제시 11 영유아 rCMRO 2. 산소 신진 대사가 강력하게 저체온 요법 모든 유아에 감소된다.

우리는 산소 신진 대사의 색인을 예측할 수 뇌성 혈액 흐름 지수의 확산 상관 분광법 대책과 뇌성 헤모글로빈 산소의 주파수 영역에 가까운 적외선 분광 조치를 결합. 우리는 신생아 뇌의 건강과 발전을 평가하기 위해 침대 옆 심사 도구로이 법안의 유틸리티를 테스트.

주산기 뇌 손상은 영아 사망률과 이환율의 주요 원인으로 남아 있으나, 아직 정확하게 ...할 수 있는 효과적인 병상 옆 도구는 존재하지 않습니다.

이 절차의 전반적인 목표는 신생아의 침상 옆에서 뇌 산소 대사를 평가하는 것입니다. 이를 위해 먼저 머리에 광학 프로브를 배치하고, 주파수 영역 근적외선 분광법(frequency domain near infrared spectroscopy) 또는 FD nears 장치를 사용하여 하부 뇌의 뇌혈색소 산소포화도 농도를 측정합니다. 다음으로, 확산 상관 분광법(diffuse correlation spectroscopy) 또는 DCS 장치를 사용하여 뇌 혈류 지수를 측정하며, 이후 전두엽, 측두엽 및 두정엽 부위를 포함하는 다른 6곳의 위치에서 FDIR 및 DCS 측정을 반복합니다.펄스 옥시미터를 사용하여 동맥 산소 포화도 및 혈액 내 헤모글로빈과 같은 전신 파라미터를 측정합니다. 마지막으로, 모든 파라미터를 결합하여 산소 소비량 또는 CMRO₂를 계산합니다. 궁극적으로 피질 영역 전반의 뇌 헤모글로빈 산소화, 뇌 혈류 및 뇌 산소 대사를 보여주는 결과를 얻을 수 있으며, 이를 통해 잠재적인 뇌 손상에 대한 치료 반응을 감지하거나 뇌 발달 정도를 측정하는 데 도움을 줄 수 있습니다.D CSS의 주요 장점은 MI 및 Path와 같은 기존 방법과 달리 영아에게 어떠한 위험도 없이 뇌 대사를 침상 옆에서 측정할 수 있다는 점입니다. 당사는 작동을 위해 어느 정도의 기술적 전문 지식과 교육이 필요한 연구용 장비를 사용하고 있습니다. 현재 당사는 사용하기 더 쉬운 완전 통합형 FD near DCS 시스템을 개발하기 위해 Incorporated 및 기타 기업들과 협력하고 있습니다.이 방법은 손상 여부를 선별하고, 치료 반응을 모니터링하며, 결과를 예측하고, 궁극적으로 개별 맞춤형 케어를 최적화함으로써 신생아의 뇌 건강을 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 우리는 산소 추출 분율보다 신경 기능을 더 정밀하고 정확하게 측정할 수 있는 지표인 제로 산소 대사(zero oxygen metabolism)를 통해 이 절차의 효용성을 입증할 수 있다는 점을 깨닫고 이 접근 방식을 처음 구상하게 되었습니다. 저희 연구팀원인 Lynn, Angela Ollio, Catherine Hagen이 출연하며, 다음의 모든 시연 과정은 Brigham and Women 병원 신생아 집중치료실(NICU) 의료진의 소중한 도움을 받아 NICU 내에서 촬영되었습니다.본 기록물들은 Partners Healthcare IRB의 승인을 받았습니다. 주파수 영역 근적외선 분광법(frequency domain, near infrared spectroscopy)과 확산 상관 분광법(diffuse correlation Spectroscopy)은 ISS Incorporated의 맞춤형 주파수 영역 시스템으로 구성되며, 여기에는 660에서 830 nanometers 범위의 8가지 파장을 방출하는 8개의 레이저 다이오드 두 세트, 두 개의 광증배관 검출기, 그리고 785 nanometers의 고정 상태 장거리 코히런스 레이저와 4개의 광자 계수형 아발란체 광다이오드 검출기로 구성된 자체 제작 DCS 장치가 포함됩니다. 영아의 교정 임신 주수(postmenstrual age, PMA)에 따라 적절한 프로브를 선택하십시오. 예를 들어, PMA 37주 미만의 영아에게는 FD nears 소스-검출기 간격이 1, 1.52, 2.5 centimeters인 광학 프로브를 사용하고, 그보다 월령이 높은 영아에게는 두 프로브 모두 FD nears 간격이 1.52, 2.5, 3 centimeters인 프로브를 사용하십시오.DCS 광원-검출기 간격은 1.5cm 및 2cm이며, 소독 티슈로 프로브를 소독한 후 피부 노출에 관한 ANSI 표준을 준수하기 위해 프로브와 광섬유를 일회용 폴리프로필렌 플라스틱 슬리브에 삽입합니다. 프로브의 빛은 침대 옆에 위치한 흰색 테플론 디스크에 의해 감쇠되어 넓은 영역으로 확산됩니다. 파워 미터를 사용하여 프로브에서의 레이저 출력이 25 milliwatts 미만인지 확인하고, 적외선 뷰잉 카드를 사용하여 스폿 크기의 직경이 3 millimeters보다 큰지 검증합니다.ER's gooey를 열고 검출기 이득을 조정하는 데 사용되는 프로브 및 캘리브레이션 블록에 해당하는 프로브 설정 파일을 선택하십시오. 피험자의 머리 중 털이 없는 부위에 프로브를 조심스럽게 배치하고, 압력을 가하지 않은 상태로 동일한 위치를 유지하십시오. 이 부위는 흡수율이 가장 낮아 포화 상태가 되기 가장 쉽기 때문에 전두부 영역에서 이득을 설정하는 것이 좋습니다.광원과 검출기를 켜고 소스 레이저 중 어느 하나의 진폭이 20,000 counts에 도달할 때까지 PMT 전압을 조정하십시오. 프로브를 교정 블록 위에 다시 배치하고, 필요한 경우 중성 밀도 필터를 사용하십시오.광원-검출기 쌍이 포화될 수 있으므로, 보정 절차를 수행하는 동안 프로브를 16초 동안 정지 상태로 유지하십시오. 광학적 특성을 알고 있는 보정 블록을 측정하면 각 광원-검출기 쌍의 커플링 계수를 추정할 수 있습니다. 보정이 끝나면 블록에서 16초 동안 데이터를 획득하고, 자체 제작한 MATLAB GUI를 사용하여 보정의 적절성을 시각적으로 평가하십시오.측정된 흡수 및 산란 계수는 모든 파장에서 보정 블록의 실제 계수와 일치해야 합니다. 피팅 상태가 좋지 않은 경우 다시 보정하십시오. DCS 준비를 위해 내부 제작된 DCS 데이터 획득 MATLAB GUI를 열고 사용하는 광학 프로브에 해당하는 설정 파일을 로드하십시오.DCS 검출기에는 게인 조절 기능이 없습니다. FD 근접 장치의 경우, 카운트 수가 낮게 나타나면 머리카락을 가르고 프로브의 위치를 조정하여 빛 검출 상태를 개선하십시오. 배경 소음을 줄이기 위해 과도한 실내 조명은 피하십시오.FD-NIRS DCS 2 시스템 파라미터로 획득하게 될 CBFI 및 SO2 외에도, 뇌 산소 대사를 계산하기 위해서는 동맥 산소 포화도와 혈중 헤모글로빈 수치가 필요합니다. 펄스 옥시미터를 사용하여 영아의 엄지발가락이나 발에 일회용 접착식 센서를 부착함으로써 이러한 시스템 파라미터를 획득하십시오. 몇 초 이내에 모니터에 SA O2 및 HGB 수치가 표시됩니다. 여기에 표시된 순서에 따라 10-20 시스템의 전두엽, 측두엽 및 두정엽 영역을 포함하는 7개 지점을 측정하십시오.먼저 영아의 머리카락을 소스-검출기 라인을 따라 가르고 프로브를 머리 영역에 배치하십시오. 다음으로, FD 근접 레이저와 검출기를 켜고 16초 동안 데이터를 수집하십시오. 그런 다음 DCS 레이저와 검출기를 켜고 10초 동안 데이터를 수집하십시오.각 측정 위치에서 FD-NIRS 및 DCS 측정을 최대 3회 반복합니다. 매번 측정할 때마다 프로브의 위치를 약간씩 변경하여 배치합니다. 이는 모발이나 표재성 대혈관과 같은 국소적 불균질성의 영향을 최소화하고, 데이터 분석 시 단일 지점이 아닌 해당 영역을 대표하는 값을 얻기 위함입니다.자체 제작한 사후 처리 데이터 분석 MATLAB 스크립트를 실행하십시오. 이 소프트웨어는 모든 혈역학적 파라미터를 추정할 뿐만 아니라, 데이터의 중복성을 이용하여 측정 품질을 자동으로 평가하고 결과의 제약 조건을 설정합니다. 모든 파장에서의 흡수 계수를 피팅하여 절대적인 HBO 및 HBR 농도를 계산하며, HB 소멸 계수의 문헌 값과 조직 내 75%의 수분 농도를 사용하여 HBO 및 HBR 농도로부터 총 헤모글로빈 농도와 헤모글로빈 산소 포화도를 도출하십시오.헤모글로빈의 분자량과 뇌 조직 밀도를 이용하여 뇌 혈류량을 추정합니다. 측정된 시간적 자기상관 함수를 확산 상관 방정식에 피팅하여 혈류 지수 또는 CBFI를 계산합니다. 마지막으로, FD-NIRS로 측정한 SO₂ 값과 DCS로 측정한 CBFI 값을 다음 방정식을 사용하여 뇌 산소 소비 지수를 계산합니다.여기에서 보여지는 바와 같이, 50명 이상의 건강한 영유아를 대상으로 한 단면 연구 결과, 생후 1년 동안 CBV는 2배 이상 증가하는 반면 SO₂는 일정하게 유지되는 것으로 나타났습니다. 70명의 건강한 신생아를 대상으로 한 연구에서도 C-B-V-C-B-F-I와 CMR O₂ I가 전두엽 영역보다 측두엽 및 두정엽 영역에서 더 높게 나타났으며, 이는 PET 포도당 섭취 결과와 일치합니다. 두 연구 모두에서 SO₂의 일정함은 산소 공급이 국소 소비와 밀접하게 일치함을 나타내며, C-B-V-C-B-F와 CM O₂는 신경 발달과 더 밀접하게 연동되어 있음을 시사합니다.CM RO two I가 SO two보다 더 우수한 스크리닝 도구임을 검증하기 위해, 신생아 뇌 손상 감지 연구에서 뇌 손상을 입은 영아를 대상으로 한 결과 SO two는 초기 및 만성 단계 모두에서 뇌 손상에 의해 유의미하게 변화하지 않는 것으로 나타났습니다. 반면, CMR O2 I는 급성 및 만성 단계 모두에서 정상 수치와 유의미한 차이를 보였습니다. 이는 저체온 요법이 뇌 대사를 낮춤으로써 저산소성 손상 후의 손상을 감소시킨다는 것을 검증하기 위함입니다.치료 중인 영아 10명을 측정하여 정상 대조군과 비교하였습니다. 여기서 보시는 바와 같이, 저체온 치료를 받은 영아의 CMR O2 I는 정상 수치보다 유의하게 감소합니다. 이러한 예비 결과는 FD-NIRS 방법이 숙련된다면 저체온 치료를 안내하고 최적화하는 데 활용될 수 있음을 시사합니다.이 기술은 영아에게 무리를 주지 않고 침상 옆에서 효율적으로 수행할 수 있습니다. 최적의 데이터 품질을 확보하려면 측정 중에 프로브와 영아의 머리 사이에 양호한 접촉 상태를 유지하는 것이 중요합니다. 이 영상을 시청하고 나면, 영아의 뇌 대사 및 혈역학 측정 방법을 충분히 이해하게 될 것입니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Medicine

의학

여기 우리는 특히 어린이 두뇌 개발을 공부에 적외선 분광학 (fNIRS),인지 신경 과학에 사용되는 소설 비침습 두뇌 이미징 시스템, 주변 기능을위한 데이터 수집 및 데이터 분석 방법을 설명합니다. 이 방법은 데이터 수집 및 데이터 해석과 과학적 발견에 필수적인 분석의 보편적인 기준을 제공합니다.

가까운 적외선 분광학과 함께 아기, 어린이 및 성인의인지 기능을 탐색

미세순환영상(MI)은 중증 또는 조산 신생아의 말초 관류를 모니터링하는 데 사용됩니다. 이 원고와 비디오는 고품질 이미지를 얻기 위한 최적의 접근 방식을 보여줍니다.

조산 신생아 경피 미세 영상

여기, 우리가 신생아 뇌 기능 모니터링 하 진폭 통합 electroencephalography을 적용 하는 방법을 보여 줍니다.

신생아는 진폭 통합 EEG 모니터 (대뇌 기능 모니터)의 적용

출혈성 쇼크는 심각한 부상을 입은 환자에서 심각한 합병증으로 생명을 위협하는 산소 공급 부족으로 이어집니다. 우리는 혈역학 및 미세 순환 대뇌 산소에 의해 유도되는 돼지에 있는 혈액 철수를 통해 출혈성 충격을 유도하는 표준화한 방법을 제시합니다.

돼지의 뇌산소측정및 확장된 혈역학적 모니터링에 의해 유도된 표준화된 출혈성 쇼크 유도

이 프로토콜은 맞춤형 확산 상관 분광법 계측기를 사용하여 인간 전두엽 피질에서 휴식 상태 기능 연결을 측정하는 방법을 보여줍니다. 이 보고서는 또한 실험의 실질적인 측면과 데이터 분석을 위한 자세한 단계에 대해서도 논의합니다.

광학 확산 상관 분광법을 사용하여 인간의 뇌의 대뇌 혈류 기반 휴식 상태 기능 적 연결

이 프로토콜은 임상의가 유아와 어린이의 다른 신체 부위에서 지역 조직 산소화를 측정할 수 있도록 돕기 위해 고안되었습니다. 그것은 조직 산소가 잠재적으로 손상되는 상황에서 사용할 수 있습니다, 특히 심폐 우회 동안, 비 맥동 심장 보조 장치를 사용하는 경우, 그리고 중증 아픈 신생아, 유아와 어린이.

중증 신생아, 유아 및 어린이의 근적외선 분광기 관리 방법

여기에 제시된 것은 확산 광학을 사용하여 실시간으로 그리고 침대 옆에서 신경위독한 환자의 뇌 혈역학을 비침습적으로 모니터링하기 위한 프로토콜입니다. 특히, 제안된 프로토콜은 하이브리드 확산 광학 시스템을 사용하여 대뇌 산소화, 대뇌 혈류 및 대뇌 대사에 대한 실시간 정보를 감지하고 표시합니다.

확산 광학 분광법을 이용한 신경중증 환자의 실시간 모니터링

우리는 근적외선 분광 모니터를 사용하여 혈액 투석 (HD) 환자의 국소 산소 포화도 (rSO2)를 측정하는 프로토콜을 제시합니다. rSO2 값은 조직 산소화의 지표이다. 이 비침습적 및 실시간 모니터링은 HD 동안 장기 산소 공급의 변화를 확인하는 데 유용할 수 있습니다.

혈액 투석을받는 환자에서 근적외선 분광법을 사용한 조직 산소화 측정

전체 머리 fNIRS 커버리지를 가진 동일한 피험자로부터 fMRI 및 fNIRS 신호를 동시에 수집하는 방법을 제시합니다. 이 프로토콜은 3명의 젊은 성인을 대상으로 테스트되었으며 발달 연구 및 임상 인구를 위한 데이터 수집에 적용할 수 있습니다.

전체 헤드 옵토드 어레이 및 근거리 채널을 사용한 fMRI 및 fNIRS 측정의 동시 데이터 수집

근적외선 확산 광학을 기반으로 하는 다중 모드 장치를 사용하여 절대 미세혈관 혈류 지수와 혈중 산소 포화도를 비침습적으로 지속적으로 측정하는 프로토콜을 설명합니다. 그런 다음 혈관 폐색 검사를 사용하여 산소 소비량과 반응성 충혈의 대사율을 평가합니다.

중환자 치료를 위한 하이브리드, 근적외선 확산 광학 분광법을 사용한 미세혈관 산소화 및 반응성 충혈의 비침습적 모니터링

학습하세요 신생아 뇌 산소 대사의 비침습적 광학 측정법을 통해 뇌 건강을 평가하는 방법을. FD-NIRS와 DCS 기술을 활용하여 침상에서 실시간으로 뇌 혈류와 산소 소비를 측정합니다.

유아의 뇌 신진 대사와 혈류 역학의 비 침습적 광학 측정

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