Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Real-time monitoring van neurokritische patiënten met diffuse optische spectroscopieën

2K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/61608

⸱

19 november 2020

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

In dit artikel

Erratum-melding

Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice

Samenvatting

Hier wordt een protocol gepresenteerd voor het niet-invasief monitoren van cerebrale hemodynamiek van neurokritische patiënten in realtime en aan het bed met behulp van diffuse optica. In het bijzonder maakt het voorgestelde protocol gebruik van een hybride diffuus optisch systeem om real-time informatie over cerebrale oxygenatie, cerebrale bloedstroom en cerebrale metabolisme te detecteren en weer te geven.

Samenvatting

Neurofysiologische monitoring is een belangrijk doel bij de behandeling van neurokritische patiënten, omdat het secundaire schade kan voorkomen en rechtstreeks van invloed kan zijn op morbiditeit en sterftecijfers. Er is momenteel echter een gebrek aan geschikte niet-invasieve, real-time technologieën voor continue monitoring van de cerebrale fysiologie aan het bed. Diffuse optische technieken zijn voorgesteld als een potentieel hulpmiddel voor bedside metingen van cerebrale bloedstroom en cerebrale oxygenatie in het geval van neurokritische patiënten. Diffuse optische spectroscopieën zijn eerder onderzocht om patiënten te volgen in verschillende klinische scenario's, variërend van neonatale monitoring tot cerebrovasculaire interventies bij volwassenen. De haalbaarheid van de techniek om clinici te helpen door real-time informatie aan het bed te verstrekken, blijft echter grotendeels onbesproken. Hier rapporteren we de vertaling van een diffuus optisch systeem voor continue real-time monitoring van de cerebrale bloedstroom, cerebrale oxygenatie en cerebrale zuurstofmetabolisme tijdens intensieve zorg. De real-time functie van het instrument zou behandelingsstrategieën mogelijk kunnen maken op basis van patiëntspecifieke cerebrale fysiologie in plaats van te vertrouwen op surrogaatstatistieken, zoals arteriële bloeddruk. Door real-time informatie te verstrekken over de cerebrale circulatie op verschillende tijdschalen met relatief goedkope en draagbare instrumentatie, kan deze aanpak vooral nuttig zijn in low-budget ziekenhuizen, in afgelegen gebieden en voor monitoring in open velden (bijv. Defensie en sport).

Inleiding

De meeste complicaties die leiden tot slechte resultaten voor ernstig zieke neurologische patiënten zijn gerelateerd aan secundaire verwondingen veroorzaakt door cerebrale hemodynamische stoornissen. Daarom kan het monitoren van de cerebrale fysiologie van deze patiënten rechtstreeks van invloed zijn op morbiditeits- en sterftecijfers 1,2,3,4,5,6,7. Momenteel is er echter geen gevestigde klinische tool voor de continue real-time niet-invasieve monitoring van cerebrale fysiologie bij neurokritische patiënten aan het bed. Onder de potentiële kandidaten zijn onlangs diffuse optische technieken voorgesteld als een veelbelovend hulpmiddel om deze leemteop te vullen 8,9,10,11. Door de langzame veranderingen (d.w.z. in de orde van tientallen tot honderden ms) van het diffuus verstrooide nabij-infrarode licht (~ 650-900 nm) van de hoofdhuid te meten, kan diffuse optische spectroscopie (DOS) concentraties van de belangrijkste chromoforen in de hersenen meten, zoals cerebrale oxy- (HbO) en deoxy-hemoglobine (HbR)12,13. Daarnaast is het mogelijk om de cerebrale bloedstroom (CBF) te meten met diffuse correlatiespectroscopie (DCS)10,14,15,16,17 door de snelle fluctuaties in lichtintensiteit (d.w.z. van enkele μs tot enkele ms) te kwantificeren. In combinatie kunnen DOS en DCS ook een schatting geven van de cerebrale stofwisseling van zuurstof (CMRO2)18,19,20.

De combinatie van DOS en DCS is onderzocht om patiënten in verschillende preklinische en klinische scenario's te monitoren. Er is bijvoorbeeld aangetoond dat diffuse optica relevante klinische informatie biedt voor ernstig zieke pasgeborenen 21,22,23,24, inclusief tijdens hartoperaties om hartafwijkingen te behandelen 23,25,26,27,28 . Daarnaast hebben verschillende auteurs het gebruik van diffuse optica onderzocht om de cerebrale hemodynamiek te beoordelen tijdens verschillende cerebrovasculaire interventies, zoals carotis endarterectomie 29,30,31, trombolytische behandelingen voor beroerte 32, head-of-bed manipulaties 33,34,35, cardiopulmonale reanimatie 36, en anderen37,38, 39. Wanneer continue bloeddrukmonitoring ook beschikbaar is, kan diffuse optica worden gebruikt om cerebrale autoregulatie te controleren, zowel bij gezonde als bij ernstig zieke proefpersonen 11,40,41,42, evenals om de kritische sluitdruk van de cerebrale circulatie te beoordelen 43. Verschillende auteurs hebben CBF-metingen met DCS gevalideerd tegen verschillende gouden standaard CBF-metingen 18, terwijl CMRO2 gemeten met diffuse optica een nuttige parameter is gebleken voor neurokritische monitoring 8,18,23,24,28,43,44,45 . Bovendien hebben eerdere studies de optisch afgeleide cerebrale hemodynamische parameters gevalideerd voor langetermijnmonitoring van neurokritische patiënten 8,9,10,11, inclusief voor de voorspelling van hypoxische 46,47,48 en ischemische gebeurtenissen 8.

De betrouwbaarheid van de diffuse optische technieken om waardevolle real-time informatie te leveren tijdens longitudinale metingen en tijdens klinische interventies blijft grotendeels onbesproken. Het gebruik van een stand-alone DOS-systeem werd eerder vergeleken met invasieve zuurstofspanningsmonitoren van hersenweefsel en DOS werd geacht niet voldoende gevoelig te zijn om de invasieve monitoren te vervangen. Afgezien van het gebruik van relatief kleine populaties, kan de directe vergelijking van de invasieve en niet-invasieve monitoren echter misleidend zijn, omdat elke techniek verschillende volumes onderzoekt die verschillende delen van de cerebrale vasculatuur bevatten. Hoewel deze studies uiteindelijk concludeerden dat diffuse optica geen vervanging is voor de invasieve monitoren, bereikte DOS in beide studies een matige tot goede nauwkeurigheid, die voldoende kan zijn voor gevallen en/of plaatsen waar invasieve monitoren niet beschikbaar zijn.

Ten opzichte van andere benaderingen is het belangrijkste voordeel van diffuse optica het vermogen om tegelijkertijd de bloedstroom en weefselbloedoxygenatie niet-invasief (en continu) aan het bed te meten met behulp van draagbare instrumentatie. In vergelijking met Transcraniële Doppler-echografie (TCD) heeft DCS een bijkomend voordeel: het meet perfusie op weefselniveau, terwijl TCD de cerebrale bloedstroomsnelheid meet in grote slagaders aan de basis van de hersenen. Dit onderscheid kan met name van belang zijn bij de evaluatie van steno-occlusieve ziekten waarbij zowel proximale grote slagaderstroom als leptomeningeale collateralen bijdragen aan perfusie. Optische technieken hebben ook voordelen in vergelijking met andere traditionele beeldvormingsmodaliteiten, zoals positronemissietomografie (PET) en magnetische resonantiebeeldvorming (MRI). Naast gelijktijdige directe metingen van zowel CBF- als HbO/HbR-concentraties, wat niet mogelijk is met MRI of PET alleen, biedt optische monitoring ook een significant betere temporele resolutie, waardoor bijvoorbeeld de beoordeling van dynamische cerebrale autoregulatie40,41,42 en de beoordeling dynamisch evoluerende hemodynamische veranderingen mogelijk zijn. Bovendien is diffuse optische instrumentatie goedkoop en draagbaar in vergelijking met PET en MRI, wat een cruciaal voordeel is gezien de hoge last van vaatziekten in landen met lagere en middeninkomens.

Het hier voorgestelde protocol is een omgeving voor real-time neuromonitoring aan het bed van patiënten op de intensive care (ICU). Het protocol maakt gebruik van een hybride optisch apparaat samen met een klinisch-vriendelijke grafische gebruikersinterface (GUI) en aangepaste optische sensoren om de patiënten te onderzoeken (figuur 1). Het hybride systeem dat wordt gebruikt voor de presentatie van dit protocol combineert twee diffuse optische spectroscopieën van onafhankelijke modules: een commerciële frequentiedomein (FD-) DOS-module en een zelfgemaakte DCS-module (figuur 1A). De FD-DOS module49,50 bestaat uit 4 fotomultiplicatorbuizen (PMT's) en 32 laserdiodes die uitzenden op vier verschillende golflengten (690, 704, 750 en 850 nm). De DCS-module bestaat uit een lange-coherentie laser die uitzendt bij 785 nm, 16 single-photon tellers als detectoren en een correlatorkaart. De bemonsteringsfrequentie voor de FD-DOS-module is 10 Hz en de maximale bemonsteringsfrequentie voor de DCS-module is 3 Hz. Om de FD-DOS- en DCS-modules te integreren, werd in onze besturingssoftware een microcontroller geprogrammeerd om automatisch tussen elke module te schakelen. De microcontroller is verantwoordelijk voor het in- en uitschakelen van de FD-DOS- en DCS-lasers, evenals de FD-DOS-detectoren om interleaved-metingen van elke module mogelijk te maken. In totaal kan het voorgestelde systeem elke 0,5 tot 5s één gecombineerd FD-DOS- en DCS-monster verzamelen, afhankelijk van de signaal-ruisverhouding (SNR) -vereisten (langere verzameltijden leiden tot een betere SNR). Om het licht aan het voorhoofd te koppelen, ontwikkelden we een 3D-geprinte optische sonde die voor elke patiënt kan worden aangepast (figuur 1B), met brondetectorscheidingen variërend tussen 0,8 en 4,0 cm. De standaard bron-detectorscheidingen die in de hier gepresenteerde voorbeelden worden gebruikt, zijn 2,5 cm voor DCS en 1,5, 2,0, 2,5 en 3,0 cm voor FD-DOS.

Het belangrijkste kenmerk van het protocol dat in deze studie wordt gepresenteerd, is de ontwikkeling van een real-time interface die zowel de hardware met een vriendelijke GUI kan besturen als de belangrijkste cerebrale fysiologieparameters in realtime kan weergeven onder verschillende temporele vensters (figuur 1C). De real-time analysepijplijn die binnen de voorgestelde GUI is ontwikkeld, is snel en duurt minder dan 50 ms om de optische parameters te berekenen (zie het aanvullende materiaal voor meer informatie). De GUI is geïnspireerd op de huidige klinische instrumenten die al beschikbaar zijn op de neuro-ICU, en het werd aangepast door uitgebreide feedback van klinische gebruikers tijdens de vertaling van het systeem naar de neuro-ICU. Bijgevolg kan de real-time GUI de adoptie van het optische systeem door regulier ziekenhuispersoneel, zoals neuro-intensivisten en verpleegkundigen, vergemakkelijken. De brede acceptatie van diffuse optica als een klinisch onderzoeksinstrument heeft het potentieel om het vermogen om fysiologisch zinvolle gegevens te monitoren te verbeteren en kan uiteindelijk aantonen dat diffuse optica een goede optie is voor niet-invasieve monitoring van neurokritische patiënten in realtime.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

Het protocol werd goedgekeurd door het lokale comité van de Universiteit van Campinas (protocolnummer 56602516.2.0000.5404). Voorafgaand aan de metingen werd schriftelijke geïnformeerde toestemming verkregen van de patiënt of een wettelijke vertegenwoordiger. We volgden patiënten die werden opgenomen in het Clinics Hospital aan de Universiteit van Campinas met een diagnose van ischemische beroerte of een subarachnoïdale bloeding die de voorste circulatie beïnvloedde. Patiënten met ischemische beroertes die de posterieure circulatie beïnvloeden, patiënten met decompressieve craniectomie als gevolg van verhoogde intracraniale druk en patiënten met andere neurodegeneratieve ziekten (dementie, Parkinson of een andere ziekte die kan worden geassocieerd met corticale atrofie) werden uitgesloten van het onderzoeksprotocol.

1. Voorbereidingen voordat het systeem naar de ICU wordt verplaatst

  1. Sluit alle vezels aan op de relevante lasers en detectoren en zorg ervoor dat ze goed zijn bevestigd aan de optische sonde (figuur 1B).
  2. Controleer of de optische sonde is bedekt met een zwarte doek om te voorkomen dat de lasers in de kamer schijnen.
  3. Zet de aan/uit-schakelaar van het systeem in de stand 'AAN'. Nadat u het systeem hebt ingeschakeld, wacht u 30s en draait u vervolgens de DCS-lasersleutelschakelaar in de stand 'AAN'. De FD-DOS-lasers worden automatisch ingeschakeld wanneer het systeem wordt ingeschakeld.
  4. Terwijl het systeem wordt voorbereid, moet u toestemming vragen aan de deelnemer of een wettelijke vertegenwoordiger. Na het verkrijgen van toestemming, breng de kar naar de kamer van de patiënt.
    OPMERKING: Omdat het hybride systeem een ingebouwde batterij heeft die tot 45 minuten meegaat, hoeft deze tijdens het transport niet te worden uitgeschakeld.

2. Kalibratie- en versterkingsinstellingen van het DOS-systeem

  1. Schakel bij aankomst op de IC de DCS-laser uit door de sleutel in de stand 'UIT' te zetten.
  2. Begin met het vaste fantoom met de aanduiding 'Kalibreren' en voer het kalibratieproces uit op de FD-DOS-software (BOXY, ISS) door de onderstaande stappen te volgen.
    1. Laad in het menu 'Bestand' het juiste instellingenbestand voor de gebruikte test door op de optie 'Instellingenbestand laden' te klikken.
    2. Plaats de sonde aan de gebogen kant van het fantoom, zorg voor een goed contact met het oppervlak en optimaliseer vervolgens de PMT-biasspanning door op de knop 'Optimize All Detectors' in de FD-DOS-software te klikken.
    3. Voer de kalibratie voor meerdere bron-detectorscheidingen uit door op de optie 'Calc. Waveform Calib. Waarden voor optische rekwisieten. en Meerdere afstanden' in het menu 'Kalibreren' .
    4. Open de optie 'Door de gebruiker gedefinieerde berekeningen' in het menu 'Text-Mon' om te controleren of de gemeten optische eigenschappen overeenkomen met de vooraf gespecificeerde waarden (geschreven in het vaste fantoom) en of de fitting R2 dicht bij één ligt.
  3. Herhaal de bovenstaande stappen (behalve stap 2.2.3) om de optische eigenschappen van het fantoom te meten dat is gemarkeerd als 'Controleren' om er zeker van te zijn dat de kalibratie adequaat was. De gemeten optische eigenschappen moeten binnen 10% overeenkomen met de waarden die in de fantomen zijn opgegeven.
    LET OP: Zorg ervoor dat u PMT's uitschakelt (door op de knop 'Alle detectoren UIT' te klikken) telkens wanneer de sonde wordt verplaatst om te voorkomen dat PMT's worden beschadigd door directe verlichting van omgevingslicht.
  4. Als de kalibratie niet toereikend is, voert u het kalibratieproces opnieuw uit (stappen 2.2 en 2.3). Het waarborgen van een goede kalibratie van het FD-DOS systeem is essentieel voor de validiteit van de FD-DOS metingen.

3. Voorbereiding van de deelnemer aan het bed

  1. Gebruik ontsmettende doekjes om zowel de sonde als het voorhoofd van de patiënt schoon te maken.
  2. Plaats de dubbelzijdige tape op de sonde (figuur 1B) en zorg ervoor dat de tape niet in direct contact komt met de optische vezelpunten.
  3. Plaats een laser veiligheid googles op het onderwerp.
  4. Plaats de sondes over de regio-van-interesse (ROI) en wikkel de elastische banden rond het hoofd van het onderwerp. Hoewel niet strikt noodzakelijk voor FD-DOS en DCS, is het raadzaam om de optische sonde te bedekken met een zwarte doek of zwart verband om ruis als gevolg van omgevingslicht te verminderen.
    OPMERKING: Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat de elastische band niet te strak of te los zit. Als de riem te strak zit, kan dit aanzienlijk ongemak voor de patiënt veroorzaken en als de riem te los zit, kan dit leiden tot een slechte gegevenskwaliteit omdat de dubbelzijdige tape niet sterk genoeg is om de sondes op hun plaats te houden.
  5. Nadat de sonde goed is bevestigd aan het voorhoofd van de patiënt, schakelt u de DCS-laser in door de sleutel in de positie 'AAN' te zetten.
    LET OP: Het DCS-systeem maakt gebruik van een klasse 3B-laser die gevaarlijk is voor blootstelling aan de ogen. Het is erg belangrijk om de lasers alleen in te schakelen wanneer de sonde goed is bevestigd aan het voorhoofd van de patiënt.

4. Beoordeling van de gegevenskwaliteit

  1. Voordat u begint met het verkrijgen van gegevens met de GUI, schrijft u de DCS-brondetectorscheidingen op het tabblad 'Instellingen' van de GUI.
    OPMERKING: Het DCS-systeem vereist geen kalibratiestap, maar de juiste invoer van de bron-detectorscheidingen is noodzakelijk voor de real-time analyse (zie Aanvullend materiaal voor details).
  2. Start de acquisitiesoftware door op de knop 'Start' in de GUI te drukken en controleer het DOS-signaal in de FD-DOS-software:
    1. Klik op de knop 'Optimize All Detectors' in de FD-DOS software om de PMT bias spanning te optimaliseren.
    2. Controleer de optische eigenschappen en de R2 van de DOS-fitting in de optie 'User Defined Calculation' in het menu 'Text-Mon'. De R 2-coëfficiënt moet dicht bij eenheid liggen en als vuistregel moet de absorptiecoëfficiënt van menselijke patiënten binnen 0,05 en 0,2 cm-1 liggen, terwijl de verstrooiingscoëfficiënt binnen 6 en 13 cm-113 moet liggen.
  3. Controleer het DCS-signaal op het tabblad 'Correlatiecurven' van de GUI.
    1. Schakel de DCS-detectoren in door de schakelaars in de stand ' ON' te zetten.
    2. Zorg ervoor dat elke DCS-detector een voldoende lichtintensiteit meet. Als vuistregel geldt dat meer dan 10 kHz vereist is.
    3. Als de gemeten intensiteit hoger is dan 800 kHz, gebruik dan een filter met neutrale dichtheid om het aantal fotonen te verminderen om schade aan de detectoren te voorkomen. Dit is meestal een probleem voor kortere (< 1 cm) bron-detector scheidingen.
      OPMERKING: Afgezien van het potentieel beschadigen van de DCS-detectoren, kunnen fotonentellingen hoger dan 800 kHz ook fouten veroorzaken als gevolg van niet-lineaire effecten in de detector.
    4. Controleer de autocorrelatiecurven om een goede huidkoppeling te garanderen (zie de representatieve resultaten en figuur 2) en verplaats de optische sonde indien nodig.
    5. Als het verplaatsen van de sonde in de vorige stap noodzakelijk was, herhaalt u stap 4.2 en 4.3. Deze stappen moeten mogelijk meerdere keren worden herhaald.
      OPMERKING: De DCS- en FD-DOS-detectoren moeten worden uitgeschakeld telkens wanneer de sonde wordt verplaatst. Om de DCS-detectoren uit te schakelen, verplaatst u de schakelaars handmatig naar de stand 'UIT'. De FD-DOS detector wordt uitgeschakeld door op de knop 'Alle detectoren UIT' in de FD-DOS software te klikken.
  4. Wanneer een goed contact tussen de sonde en de huid is bereikt, stopt u de gegevensverzameling door op de knop 'Stoppen' in de GUI te klikken. Stel vervolgens de experiment- en patiënt-id's in het tekstvak 'Map' in en schrijf de ROI-naam in het tekstvak 'Bestandsnaam'.
  5. Start de data-acquisitie door op de knop 'Start' in de GUI te drukken.
  6. Verzamel gegevens in de eerste ROI zolang als vereist door het protocol. Verplaats indien nodig de sonde naar de andere ROI's en herhaal de meting.
    OPMERKING: De monitoringperiode kan variëren afhankelijk van de onderzoeksdoelen.

5. Overwegingen voor de experimentator tijdens de meting

  1. Nadat u de meting hebt gestart, schrijft u in het tabblad 'Experimentinformatie' van de GUI de relevante patiëntinformatie (bijv. Type en locatie van het letsel, geneesmiddelen die worden toegediend, leeftijd, geslacht, enz.).
  2. Zorg ervoor dat elke relevante gebeurtenis die zich tijdens de bewakingsperiode heeft voorgedaan, wordt gemarkeerd door op de knop 'Markeren' op de GUI te klikken. Zorg ervoor dat u na elke markering de beschrijving van de gebeurtenis schrijft op het tabblad 'Experimentinformatie' van de GUI.

6. Stop het verzamelen van gegevens

  1. Stop de gegevensverzameling door op de knop 'Stoppen' in de GUI te drukken.
  2. Stop de FD-DOS-software door op de knop voor het verzamelen en opnemen van gegevens stoppen, weergegeven als twee rode vierkantjes in de FD-DOS-software, in te drukken.
  3. Schakel de DCS-detectoren uit door de schakelaars in de 'OFF' -positie te zetten en schakel de DCS-laser uit door de sleutel naar de 'OFF'-positie te draaien.
  4. Schakel de PMT's van de FD-DOS module uit door op de knop 'Alle detectoren UIT' te klikken.
  5. Verwijder de sonde van het hoofd van de patiënt en verwijder de dubbelzijdige tape van de sonde. Reinig vervolgens de sonde met ontsmettingsdoekjes.
  6. Herhaal de meting van de optische eigenschappen van elk vast fantoom zo snel mogelijk om ervoor te zorgen dat de kalibratie gedurende de hele bewakingssessie adequaat bleef (zie stap 4.2.2).
    OPMERKING: Idealiter moet de kalibratiestap direct na het verwijderen van de optische sondes uit het hoofd van de patiënt worden uitgevoerd (stap 6.6). Vanwege timingproblemen werd dit in de voorbeelden in de volgende sectie echter gedaan in de opslagfaciliteit.
  7. Reinig het systeem en de accessoires met ontsmettingsdoekjes.
  8. Rijd de kar terug naar de berging.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Idealiter zouden de genormaliseerde autocorrelatiecurven verkregen met de DCS-module ongeveer 1,5 moeten zijn bij de nulvertragingstijdextrapolatie (bij gebruik van single-mode vezels14), en de curven zouden moeten vervallen tot 1 bij langere vertragingstijden. De curve moet glad zijn en een sneller verval hebben voor de langere bron-detectorscheidingen. Een voorbeeld van een goede autocorrelatie is weergegeven in figuur 2A. Figuur 2B too...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Dit artikel presenteerde een hybride optisch systeem dat real-time informatie kan bieden over de cerebrale bloedstroom, cerebrale oxygenatie en cerebrale zuurstofmetabolisme van neurokritische patiënten aan de zijkant. Het gebruik van diffuse optische technieken was eerder behandeld als een potentiële marker voor niet-invasieve monitoring aan het bed in klinische scenario's. Een eerdere studie richtte zich op de klinische aspecten en de haalbaarheid van optische monitoring tijdens ziekenhuisopname op de neuro-ICU door mi...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteur(s) verklaarden de volgende potentiële belangenconflicten met betrekking tot het onderzoek, het auteurschap en/of de publicatie van dit artikel: RC Mesquita heeft één lopende octrooiaanvraag en twee andere octrooien die relevant zijn voor dit werk (Amerikaanse patenten 10.342.488 en 10.064.554). Geen enkele auteur ontvangt momenteel royalty's of betalingen van deze patenten.

   

Dankbetuigingen

We erkennen de steun van de São Paulo Research Foundation (FAPESP) via Proc. 2012/02500-8 (RM), 2014/25486-6 (RF) en 2013/07559-3. De financiers hadden geen rol in het ontwerp van de studie, het verzamelen en analyseren van gegevens, de beslissing om te publiceren of de voorbereiding van het manuscript.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
3D PrinterSethi3DS23D-printer gebruikt om de aanpasbare sondes te printen
Arduino UNOArduinoUNO REV3Microcontroller verantwoordelijk voor het doorelkaar lopen van de DCS en FD-DOS metingen
DCS CorrelatorCorrelator.comFlex11-16chOnderdeel van het DCS module
DCS Dectectors IO BoardsExcelitas TechnologySPCM-AQ4C-IOOnderdeel van het DCS module
DCS DetectorsExcelitas TechnologySPCM-AQ4COnderdeel van het DCS module
DCS LaserCrystaLaserDL785-120-SOOnderdeel van het DCS module
DCS Power supplyArtesynUMP10T-S2A-S2A-S2A-S2A-IES-00-AOnderdeel van het DCS module (voeding voor de DCS detecto; 2, 5 en 30V)
FD-DOS fibersISSImagent suppliesDe vezels die worden gebruikt voor FD-DOS detectie en verlichting worden geleverd door ISS
Flexible 3D printer materialSethi3DNinjaFlexMateriaal gebruikt om de flexibele aanpasbare sondes te printen
ImagentISSImagentFD-DOS module
Laser safety googlesThorlabsLG9
Multi-mode fiberThorlabsFT400EMTMulti-mode glasvezel gebruikt voor DCS verlichting
Neutral density filter 1.0 ODEdmund Optics53-705Neutraal dichtheidsfilter voor de korte brondetectorafstanden
Single-mode optical fiberThorlabs780HPSingle-mode glasvezel gebruikt voor de DCS detectoren
System batterySMSNET4Systeembatterij gebruikt voor transport

Referenties

  1. Papanikolaou, J., et al. Cardiac and central vascular functional alterations in the acute phase of aneurysmal subarachnoid hemorrhage. Critical Care Medicine. 40 (1), 223-232 (2012).
  2. Sarrafzadeh, A. S., Vajkoczy, P., Bijlenga, P., Schaller, K. Monitoring in neurointensive care - The challenge to detect delayed cerebral ischemia in high grade aneurysmal SAH. Frontiers in Neurology. 5 (134), (2014).
  3. Messerer, M., Daniel, R. T., Oddo, M. Neuromonitoring after major neurosurgical procedures. Minerva Anestesiologica. 78 (7), 810-822 (2012).
  4. Le Roux, P., et al. Consensus summary statement of the International Multidisciplinary Consensus Conference on Multimodality Monitoring in Neurocritical Care: A statement for healthcare professionals from the Neurocritical Care Society and the European Society of Intensive Care Medicine. Intensive Care Medicine. 40 (9), 1189-1209 (2014).
  5. Roh, D., Park, S. Brain Multimodality Monitoring: Updated Perspectives. Current Neurology and Neuroscience Reports. 16 (6), 1-10 (2016).
  6. Oddo, M., Villa, F., Citerio, G. Brain multimodality monitoring: An update. Current Opinion in Critical Care. 18 (2), 111-118 (2012).
  7. Sandsmark, D. K., Kumar, M. A., Park, S., Levine, J. M. Multimodal Monitoring in Subarachnoid Hemorrhage. Stroke. 43 (5), 1440-1445 (2012).
  8. Baker, W. B., et al. Continuous non-invasive optical monitoring of cerebral blood flow and oxidative metabolism after acute brain injury. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 39 (8), 1469-1485 (2019).
  9. Menezes Forti, R., et al. Real-time non-invasive assessment of cerebral hemodynamics with diffuse optical spectroscopies in a neuro intensive care unit: an observational study. Frontiers in Medicine. 7 (147), (2020).
  10. Kim, M. N., et al. Noninvasive measurement of cerebral blood flow and blood oxygenation using near-infrared and diffuse correlation spectroscopies in critically brain-injured adults. Neurocritical Care. 12 (2), 173-180 (2010).
  11. Selb, J., et al. Prolonged monitoring of cerebral blood flow and autoregulation with diffuse correlation spectroscopy in neurocritical care patients. Neurophotonics. 5 (04), 1(2018).
  12. Durduran, T., Choe, R., Baker, W. B., Yodh, A. G. Diffuse optics for tissue monitoring and tomography. Reports on Progress in Physics. 73 (7), 76701(2010).
  13. Jacques, S. L. Optical properties of biological tissues: a review. Physics in Medicine and Biology. 58 (11), 37-61 (2013).
  14. Durduran, T., Yodh, A. G. Diffuse correlation spectroscopy for non-invasive, micro-vascular cerebral blood flow measurement. NeuroImage. 85, 5163(2014).
  15. Durduran, T., et al. Diffuse optical measurement of blood flow, blood oxygenation, and metabolism in a human brain during sensorimotor cortex activation. Optics Letters. 29 (15), 1766(2004).
  16. Selb, J., et al. Sensitivity of near-infrared spectroscopy and diffuse correlation spectroscopy to brain hemodynamics: simulations and experimental findings during hypercapnia. Neurophotonics. 1 (1), 15005(2014).
  17. Shang, Y., Li, T., Yu, G. Clinical applications of near-infrared diffuse correlation spectroscopy and tomography for tissue blood flow monitoring and imaging. Physiological Measurement. 38 (4), 1-26 (2017).
  18. Mesquita, R. C., et al. Direct measurement of tissue blood flow and metabolism with diffuse optics. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 369 (1955), 4390-4406 (2011).
  19. Culver, J. P., et al. Diffuse optical tomography of cerebral blood flow, oxygenation, and metabolism in rat during focal ischemia. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 23 (8), 911-924 (2003).
  20. Valabrègue, R., Aubert, A., Burger, J., Bittoun, J., Costalat, R. Relation between Cerebral Blood Flow and Metabolism Explained by a Model of Oxygen Exchange. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 23 (5), 536-545 (2003).
  21. Farzam, P., et al. Shedding light on the neonatal brain: probing cerebral hemodynamics by diffuse optical spectroscopic methods. Scientific Reports. 7 (1), 15786(2017).
  22. Wong, F. Cerebral blood flow measurements in the neonatal brain. Prenatal and Postnatal Determinants of Development. 109, 69-87 (2016).
  23. Busch, D. R., et al. Noninvasive optical measurement of microvascular cerebral hemodynamics and autoregulation in the neonatal ECMO patient. Pediatric Research. , 1-9 (2020).
  24. Dehaes, M., et al. Cerebral oxygen metabolism in neonatal hypoxic ischemic encephalopathy during and after therapeutic hypothermia. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 34 (1), 87-94 (2014).
  25. Ferradal, S. L., et al. Non-invasive assessment of cerebral blood flow and oxygen metabolism in neonates during hypothermic cardiopulmonary bypass: Feasibility and clinical implications. Scientific Reports. 7 (1), 44117(2017).
  26. Busch, D. R., et al. Continuous cerebral hemodynamic measurement during deep hypothermic circulatory arrest. Biomedical Optics Express. 7 (9), 3461(2016).
  27. Wang, D., et al. Fast blood flow monitoring in deep tissues with real-time software correlators. Biomedical Optics Express. 7 (3), 776(2016).
  28. Ko, T. S., et al. Non-invasive optical neuromonitoring of the temperature-dependence of cerebral oxygen metabolism during deep hypothermic cardiopulmonary bypass in neonatal swine. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 40 (1), 187-203 (2018).
  29. Pennekamp, C. W. A. A., et al. Near-infrared spectroscopy can predict the onset of cerebral hyperperfusion syndrome after carotid endarterectomy. Cerebrovascular Diseases. 34 (4), 314-321 (2012).
  30. Pennekamp, C. W. A. A., Bots, M. L., Kappelle, L. J., Moll, F. L., de Borst, G. J. The Value of Near-Infrared Spectroscopy Measured Cerebral Oximetry During Carotid Endarterectomy in Perioperative Stroke Prevention. A Review. European Journal of Vascular and Endovascular Surgery. 38 (5), 539-545 (2009).
  31. Shang, Y., et al. Cerebral monitoring during carotid endarterectomy using near-infrared diffuse optical spectroscopies and electroencephalogram. Physics in Medicine and Biology. 56 (10), 3015-3032 (2011).
  32. Delgado-Mederos, R., et al. Transcranial diffuse optical assessment of the microvascular reperfusion after thrombolysis for acute ischemic stroke. Biomedical Optics Express. 9 (3), 1262(2018).
  33. Favilla, C. G., et al. Optical Bedside Monitoring of Cerebral Blood Flow in Acute Ischemic Stroke Patients During Head-of-Bed Manipulation. Stroke. 45 (5), 1269-1274 (2014).
  34. Gregori-Pla, C., et al. Early microvascular cerebral blood flow response to head-of-bed elevation is related to outcome in acute ischemic stroke. Journal of Neurology. 266 (4), 990-997 (2019).
  35. Kim, M. N., et al. Continuous optical monitoring of cerebral hemodynamics during head-of-bed manipulation in brain-injured adults. Neurocritical Care. 20 (3), 443-453 (2014).
  36. Ko, T., et al. Prediction of Return of Spontaneous Circulation During Cardiopulmonary Resuscitation using Frequency-Domain Diffuse Optical Spectroscopy in a Pediatric Swine Model of Asphyxial Cardiac Arrest. Biophotonics Congress: Biomedical Optics Congress 2018 (Microscopy/Translational/Brain/OTS). , (2018).
  37. Favilla, C. G., et al. Non-invasive respiratory impedance enhances cerebral perfusion in healthy adults. Frontiers in Neurology. 8, (2017).
  38. Favilla, C. G., et al. Perfusion Enhancement with Respiratory Impedance After Stroke (PERI-Stroke). Neurotherapeutics. 16 (4), 1296-1303 (2019).
  39. Ritzenthaler, T., et al. Cerebral near-infrared spectroscopy a potential approach for thrombectomy monitoring. Stroke. 48 (12), 3390-3392 (2017).
  40. Fantini, S., Sassaroli, A., Tgavalekos, K. T., Kornbluth, J. Cerebral blood flow and autoregulation: current measurement techniques and prospects for noninvasive optical methods. Neurophotonics. 3 (3), 31411(2016).
  41. Parthasarathy, A. B., et al. Dynamic autoregulation of cerebral blood flow measured non-invasively with fast diffuse correlation spectroscopy. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 38 (2), 230-240 (2018).
  42. Kainerstorfer, J. M., Sassaroli, A., Tgavalekos, K. T., Fantini, S. Cerebral autoregulation in the microvasculature measured with near-infrared spectroscopy. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 35 (6), 959-966 (2015).
  43. Baker, W. B., et al. Noninvasive optical monitoring of critical closing pressure and arteriole compliance in human subjects. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 37 (8), 2691-2705 (2017).
  44. Lin, P. Y., et al. Non-invasive optical measurement of cerebral metabolism and hemodynamics in infants. Journal of Visualized Experiments. (73), e4379(2013).
  45. Wintermark, P., Hansen, A., Warfield, S. K., Dukhovny, D., Soul, J. S. Near-infrared spectroscopy versus magnetic resonance imaging to study brain perfusion in newborns with hypoxic-ischemic encephalopathy treated with hypothermia. NeuroImage. 85, 287-293 (2014).
  46. Busch, D. R., et al. Detection of brain hypoxia based on noninvasive optical monitoring of cerebral blood flow with diffuse correlation spectroscopy. Neurocritical Care. 30 (1), 72-80 (2019).
  47. Davies, D. J., et al. Cerebral oxygenation in traumatic brain injury: Can a non-invasive frequency domain near-infrared spectroscopy device detect changes in brain tissue oxygen tension as well as the established invasive monitor. Journal of Neurotrauma. 36 (7), 1175-1183 (2019).
  48. Leal-Noval, S. R., et al. Invasive and noninvasive assessment of cerebral oxygenation in patients with severe traumatic brain injury. Intensive Care Medicine. 36 (8), 1309-1317 (2010).
  49. Fantini, S., Franceschini, M. A., Fishkin, J. B., Barbieri, B., Gratton, E. Quantitative determination of the absorption spectra of chromophores in strongly scattering media: a light-emitting-diode based technique. Applied Optics. 33 (22), 5204(1994).
  50. Fantini, S., et al. Frequency-domain multichannel optical detector for noninvasive tissue spectroscopy and oximetry. Optical Engineering. 34 (1), 32(1995).
  51. Carpenter, D. A., Grubb, R. L., Tempel, L. W., Powers, W. J. Cerebral oxygen metabolism after aneurysmal subarachnoid hemorrhage. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 11 (5), 837-844 (1991).
  52. Johansen-Berg, H., et al. The role of ipsilateral premotor cortex in hand movement after stroke. Proceedings of the National Academy of Sciences, U.S.A. 99 (22), 14518-14523 (2002).
  53. Hunt, W. E., Hess, R. M. Surgical risk as related to time of intervention in the repair of intracranial aneurysms. Journal of Neurosurgery. 28 (1), 14-20 (1968).
  54. Fisher, C. M., Kistler, J. P., Davis, J. M. Relation of Cerebral Vasospasm to Subarachnoid Hemorrhage Visualized by Computerized Tomographic Scanning. Neurosurgery. 6 (1), 1-9 (1980).
  55. Carey, J. R., et al. Analysis of fMRI and finger tracking training in subjects with chronic stroke. Brain. 125 (4), 773-788 (2002).
  56. Lindenberg, R., Renga, V., Zhu, L. L., Nair, D., Schlaug, G. Bihemispheric brain stimulation facilitates motor recovery in chronic stroke patients. Neurology. 75 (24), 2176-2184 (2010).
  57. Schaechter, J. D., et al. Motor recovery and cortical reorganization after constraint-induced movement therapy in stroke patients: A preliminary study. Neurorehabilitation and Neural Repair. 16 (4), 326-338 (2002).
  58. Dehaes, M., et al. Assessment of the frequency-domain multi-distance method to evaluate the brain optical properties: Monte Carlo simulations from neonate to adult. Biomedical Optics Express. 2 (3), 552(2011).
  59. Fantini, S., Sassaroli, A. Frequency-domain techniques for cerebral and functional near-infrared spectroscopy. Front Neurosci. 14, 1-18 (2020).
  60. Blaney, G., Sassaroli, A., Pham, T., Fernandez, C., Fantini, S. Phase dual-slopes in frequency-domain near-infrared spectroscopy for enhanced sensitivity to brain tissue: First applications to human subjects. Journal of Biophotonics. 13 (1), 201960018(2020).
  61. Abdalsalam, O., O'Sullivan, T. D., Howard, S., Zhang, Y. Self-calibrated frequency domain diffuse optical spectroscopy with a phased source array. Optical Tomography and Spectroscopy of Tissue XIII Conference. 1087403, 2(2019).
  62. Applegate, M. B., Istfan, R. E., Spink, S., Tank, A., Roblyer, D. Recent advances in high speed diffuse optical imaging in biomedicine Recent advances in high speed diffuse optical imaging in biomedicine. APL Photonics. 5, 040802(2020).
  63. Torricelli, A., et al. Time domain functional NIRS imaging for human brain mapping. NeuroImage. 85, 28-50 (2014).
  64. Pifferi, A., et al. New frontiers in time-domain diffuse optics , a review. Journal of Biomedical Optics. 21 (9), 091310(2016).
  65. Gagnon, L., Desjardins, M., Jehanne-Lacasse, J., Bherer, L., Lesage, F. Investigation of diffuse correlation spectroscopy in multi-layered media including the human head. Optics Express. 16 (20), 15514(2008).
  66. Verdecchia, K., et al. Assessment of a multi-layered diffuse correlation spectroscopy method for monitoring cerebral blood flow in adults. Biomedical Optics Express. 7 (9), 3659(2016).
  67. Liemert, A., Kienle, A. Light diffusion in a turbid cylinder II Layered case. Optics Express. 18 (9), 9266(2010).
  68. Hallacoglu, B., Sassaroli, A., Fantini, S. Optical characterization of two-layered turbid media for non-invasive, absolute oximetry in cerebral and extracerebral tissue. PLoS One. 8 (5), 64095(2013).
  69. Alexandrakis, G., Busch, D. R., Faris, G. W., Patterson, M. S. Determination of the optical properties of two-layer turbid media by use of a frequency-domain hybrid Monte Carlo diffusion model. Applied Optics. 40 (22), 3810(2001).
  70. Martelli, F., Sassaroli, A., Del Bianco, S., Yamada, Y., Zaccanti, G. Solution of the time-dependent diffusion equation for layered diffusive media by the eigenfunction method. Physical Review E - Statistical Physics, Plasmas, Fluids, and Related Interdisciplinary Topics. 67 (5), 14(2003).
  71. Mesquita, R. C., et al. Influence of probe pressure on the diffuse correlation spectroscopy blood flow signal: extra-cerebral contributions. Biomedical Optics Express. 4 (7), 978(2013).
  72. Wang, D., et al. Influence of probe pressure on the pulsatile diffuse correlation spectroscopy blood flow signal on the forearm and forehead regions. Neurophotonics. 6 (03), 1(2019).
  73. Baker, W. B., et al. Pressure modulation algorithm to separate cerebral hemodynamic signals from extracerebral artifacts. Neurophotonics. 2 (3), 35004(2015).
  74. He, L., et al. Noninvasive continuous optical monitoring of absolute cerebral blood flow in critically ill adults. Neurophotonics. 5 (04), 1(2018).
  75. Milej, D., et al. Quantification of cerebral blood flow in adults by contrast-enhanced near-infrared spectroscopy: Validation against MRI. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. , (2019).
  76. Diop, M., Verdecchia, K., Lee, T. Y., St Lawrence, K. Calibration of diffuse correlation spectroscopy with a time-resolved near-infrared technique to yield absolute cerebral blood flow measurements. Biomedical Optics Express. 2 (7), 2068(2011).
  77. Khalid, M., et al. Development of a stand-alone DCS system for monitoring absolute cerebral blood flow. Biomedical Optics Express. 10 (9), 4607(2019).
  78. Kohl-Bareis, M., et al. Noninvasive monitoring of cerebral blood flow by a dye bolus method: Separation of brain from skin and skull signals. Journal of Biomedical Optics. 7 (3), 464(2002).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Erratum


Formal Correction: Erratum: Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies
Posted by JoVE Editors on 12/07/2022. Citeable Link.

An erratum was issued for: Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies. The Authors section was updated from:

Rodrigo Menezes Forti1,2
Marilise Katsurayama2,3
Lenise Valler2,3
Andrés Quiroga1,2
Luiz Simioni1
Julien Menko4
Antonio L. E. Falcão3
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
Andrés Quiroga1,2
Luiz Simioni1
Julien Menko4
Antonio L. E. Falcão3
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

Tags

Cerebrale bloedstroomcerebrale oxygenatiediffuse correlatiespectroscopiekalibratie van optische probespatiëntspecifieke fysiologiemonitoring aan het bedcerebraal zuurstofmetabolisme
Real-time monitoring van neurokritische patiënten met diffuse optische spectroscopieën
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.