Artykuł metodologiczny

Spektroskopia korelacji rozproszonej do pomiaru przepływu krwi w mózgu u człowieka

17 czerwca 2025

W tym artykule

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Źródło: Menezes Forti, R. et al. Monitorowanie w czasie rzeczywistym pacjentów w stanie neurokrytycznym za pomocą rozproszonych spektroskopii optycznych. J. Vis. Exp. (2020)

Ten film demonstruje zastosowanie spektroskopii korelacji rozproszonej (DCS) do pomiaru przepływu krwi w mózgu u ludzi. Przedstawiono w nim etapy przygotowania systemu, kalibracji sondy, umieszczenia jej na czole uczestnika, pozyskiwania danych dotyczących rozproszonego światła i analizowania wahań intensywności w celu interpretacji dynamiki przepływu krwi w mózgu.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wszystkie procedury z udziałem ludzi zostały przeprowadzone zgodnie z instytucjonalnymi, krajowymi i międzynarodowymi wytycznymi dotyczącymi dobrostanu ludzi i zostały zweryfikowane przez lokalną instytucjonalną komisję rewizyjną.

1. Przygotowania przed przeniesieniem systemu na oddział intensywnej terapii (OIOM)

  1. Podłącz wszystkie światłowody do odpowiednich laserów i detektorów i upewnij się, że są prawidłowo podłączone do sondy optycznej (rysunek 1B).
  2. Sprawdź, czy sonda optyczna jest pokryta czarną szmatką, aby lasery nie świeciły w pomieszczeniu.
  3. Ustaw przełącznik zasilania systemu w pozycji "ON". Po włączeniu systemu odczekaj 30 sekund, a następnie przekręć przełącznik laserowy spektroskopii korelacji dyfuzyjnej (DCS) do pozycji "ON". Lasery dyfuzyjnej spektroskopii optycznej w dziedzinie częstotliwości (FD-DOS) są włączane automatycznie, gdy system jest zasilany.
  4. W trakcie przygotowywania systemu należy uzyskać zgodę uczestnika lub jego przedstawiciela prawnego. Po uzyskaniu zgody przynieś wózek do pokoju pacjenta.
    UWAGA: Ponieważ system hybrydowy ma wbudowaną baterię, która wystarcza na 45 minut, nie trzeba jej wyłączać na czas transportu.

2. Ustawienia kalibracji i wzmocnienia systemu DOS

  1. Po przybyciu na OIOM należy wyłączyć laser DCS, przełączając kluczyk w pozycję "OFF".
  2. Zaczynając od stałego fantomu oznaczonego "Kalibruj", uruchom proces kalibracji w oprogramowaniu FD-DOS (BOXY, ISS), wykonując poniższe czynności.
    1. W menu 'Plik' załaduj odpowiedni plik ustawień dla używanej sondy, klikając opcję 'Załaduj plik ustawień'.
    2. Umieść sondę po zakrzywionej stronie fantomu, zapewniając dobry kontakt z powierzchnią, a następnie zoptymalizuj napięcie polaryzacji lampy fotopowielacza (PMT), klikając przycisk "Optymalizuj wszystkie detektory" w oprogramowaniu FD-DOS.
    3. Uruchom kalibrację dla wielu separacji źródło-detektor, klikając opcję "Oblicz przebieg Calib. Wartości dla rekwizytów optycznych. i Wiele odległości" z menu "Kalibruj".
    4. Otwórz opcję "Obliczenia zdefiniowane przez użytkownika" z menu "Text-Mon", aby sprawdzić, czy zmierzone właściwości optyczne są zgodne z wstępnie określonymi wartościami (zapisanymi w bryle fantomowej) i czy łącznik R2 jest bliski jedności.
  3. Powtórzyć powyższe kroki (z wyjątkiem kroku 2.2.3) w celu zmierzenia właściwości optycznych fantomu oznaczonego jako "Kontrola" w celu upewnienia się, że kalibracja była odpowiednia. Zmierzone właściwości optyczne powinny odpowiadać, z dokładnością do 10%, wartościom określonym w fantomach. ostrożność: Upewnij się, że wyłączasz PMT (klikając przycisk "Wszystkie detektory wyłączone") za każdym razem, gdy sonda jest poruszana, aby uniknąć uszkodzenia PMT z powodu bezpośredniego oświetlenia światłem otoczenia.
  4. Jeśli kalibracja nie jest odpowiednia, ponownie uruchom proces kalibracji (kroki 2.2 i 2.3). Zapewnienie prawidłowej kalibracji systemu FD-DOS ma zasadnicze znaczenie dla ważności pomiarów FD-DOS.

3. Przygotowanie uczestnika przy łóżku pacjenta

  1. Użyj chusteczek odkażających, aby oczyścić zarówno sondę, jak i czoło pacjenta.
  2. Umieść taśmę dwustronną na sondzie (Rysunek 1B), upewniając się, że taśma nie styka się bezpośrednio z końcówkami światłowodu.
  3. Umieść laserowe okulary ochronne na obiekcie.
  4. Umieść sondy nad obszarem zainteresowania (ROI) i owiń elastyczne paski wokół głowy fotografowanej osoby. Chociaż nie jest to absolutnie konieczne w przypadku FD-DOS i DCS, zaleca się przykrycie sondy optycznej czarną szmatką lub czarnym bandażem w celu zmniejszenia szumów spowodowanych światłem otoczenia.
    UWAGA: Ważne jest, aby upewnić się, że elastyczny pasek nie jest ani zbyt ciasny, ani zbyt luźny. Jeśli pasek jest zbyt ciasny, może to powodować znaczny dyskomfort u pacjenta, a jeśli pasek jest zbyt luźny, może to prowadzić do złej jakości danych, ponieważ taśma dwustronna nie jest wystarczająco mocna, aby utrzymać sondy na miejscu.
  5. Po prawidłowym przymocowaniu sondy do czoła pacjenta, włącz laser DCS, przełączając kluczyk w pozycję "ON".
    UWAGA: System DCS wykorzystuje laser klasy 3B, który jest niebezpieczny dla kontaktu oczu. Bardzo ważne jest, aby włączać lasery tylko wtedy, gdy sonda jest prawidłowo przymocowana do czoła pacjenta.

4. Ocena jakości danych

  1. Przed rozpoczęciem pozyskiwania danych za pomocą graficznego interfejsu użytkownika (GUI) należy zapisać separacje między źródłem a detektorem DCS w zakładce "Ustawienia" graficznego interfejsu użytkownika.UWAGA: System DCS nie wymaga etapu kalibracji, ale do analizy w czasie rzeczywistym niezbędne jest odpowiednie wprowadzenie separacji między źródłem a detektorem.
  2. Uruchom oprogramowanie akwizycyjne, naciskając przycisk 'Start' w graficznym interfejsie użytkownika i sprawdź sygnał DOS w oprogramowaniu FD-DOS:
    1. Kliknij przycisk 'Optymalizuj wszystkie detektory' w oprogramowaniu FD-DOS, aby zoptymalizować napięcie polaryzacji PMT.
    2. Sprawdź właściwości optyczne i R2 dopasowania DOS w opcji "Obliczenia zdefiniowane przez użytkownika" z menu "Text-Mon". Współczynnik R2 powinien być bliski jedności, a z reguły współczynnik absorpcji u ludzi powinien mieścić się w granicach 0,05 i 0,2 cm-1, natomiast współczynnik rozpraszania powinien mieścić się w granicach 6 i 13 cm-113.
  3. Sprawdź sygnał DCS w zakładce "Krzywe korelacji" w graficznym interfejsie użytkownika.
    1. Włącz detektory DCS, ustawiając przełączniki w pozycji 'ON'.
    2. Upewnij się, że każdy detektor DCS mierzy odpowiednie natężenie światła. Z reguły wymagane jest więcej niż 10 kHz.
    3. Jeśli zmierzona intensywność jest wyższa niż 800 kHz, użyj filtra o neutralnej gęstości, aby zmniejszyć liczbę fotonów, aby uniknąć uszkodzenia detektorów. Jest to typowy problem w przypadku krótszych (< 1 cm) odległości między źródłem a detektorem.
      UWAGA: Oprócz potencjalnego uszkodzenia detektorów DCS, liczba fotonów wyższa niż 800 kHz może również powodować błędy spowodowane efektami nieliniowymi w detektorze.
    4. Sprawdź krzywe autokorelacji, aby zapewnić prawidłowe sprzężenie skóry (patrz rysunek 2) i w razie potrzeby zmień położenie sondy optycznej.
    5. Jeśli zmiana położenia sondy była konieczna w poprzednim kroku, powtórz kroki 4.2 i 4.3. Czynności te mogą wymagać wielokrotnego powtórzenia.
      UWAGA: Detektory DCS i FD-DOS muszą być wyłączane za każdym razem, gdy sonda jest poruszana. Aby wyłączyć czujniki DCS, ręcznie przesuń przełączniki do pozycji "OFF". Detektor FD-DOS wyłącza się po kliknięciu przycisku "Wszystkie detektory wyłączone" w oprogramowaniu FD-DOS.
  4. Po osiągnięciu dobrego kontaktu między sondą a skórą przerwij zbieranie danych, klikając przycisk "Zatrzymaj" w graficznym interfejsie użytkownika. Następnie ustaw identyfikatory eksperymentu i pacjenta w polu tekstowym "Folder" i wpisz nazwę ROI w polu tekstowym "Nazwa pliku".
  5. Rozpocznij pobieranie danych, naciskając przycisk "Start" w graficznym interfejsie użytkownika.
  6. Zbieraj dane w pierwszym ROI tak długo, jak jest to wymagane przez protokół. W razie potrzeby przenieś sondę do innych ROI i powtórz pomiar.
    UWAGA: Okres monitorowania może się różnić w zależności od celów badania.

5. Uwagi dla eksperymentatora podczas pomiaru

  1. Po rozpoczęciu pomiaru należy zapisać w zakładce "Informacje o eksperymencie" w graficznym interfejsie użytkownika odpowiednie informacje o pacjencie (np. rodzaj i miejsce urazu, podawane leki, wiek, płeć itp.).
  2. Upewnij się, że każde istotne zdarzenie, które miało miejsce w okresie monitorowania, jest oznaczone, klikając przycisk "Oznacz" w graficznym interfejsie użytkownika. Po każdym znaku pamiętaj, aby wpisać opis wydarzenia w zakładce "Informacje o eksperymencie" w graficznym interfejsie użytkownika.

6. Zatrzymaj zbieranie danych

  1. Zatrzymaj zbieranie danych, naciskając przycisk "Zatrzymaj" w graficznym interfejsie użytkownika.
  2. Zatrzymaj oprogramowanie FD-DOS, naciskając przycisk zatrzymania pobierania i nagrywania danych reprezentowany przez dwa czerwone kwadraty w oprogramowaniu FD-DOS.
  3. Wyłącz detektory DCS, przestawiając przełączniki do pozycji "OFF" i wyłącz laser DCS, przekręcając kluczyk do pozycji "OFF".
  4. Wyłącz PMT modułu FD-DOS, klikając przycisk "Wszystkie detektory wyłączone".
  5. Zdejmij sondę z głowy pacjenta i usuń taśmę dwustronną z sondy. Następnie wyczyść sondę chusteczkami odkażającymi.
  6. Powtórzyć pomiar właściwości optycznych każdego stałego fantomu tak szybko, jak to możliwe, aby upewnić się, że kalibracja pozostaje odpowiednia przez cały czas trwania sesji monitorowania (patrz krok 4.2.2).
    UWAGA: Idealnie byłoby, gdyby etap kalibracji został wykonany zaraz po wyjęciu sond optycznych z głowy pacjenta (krok 6.6). Jednak ze względu na problemy z synchronizacją zostało to zrobione w magazynie w przykładach przedstawionych w następnej sekcji.
  7. Wyczyść system i jego akcesoria chusteczkami odkażającymi.
  8. Przewróć wózek z powrotem do schowka.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
figure-results-1

Rysunek 1: Środowisko optyczne opracowane do monitorowania pacjentów na oddziale intensywnej terapii. (A) Hybrydowy dyfuzyjny układ optyczny łączy w sobie moduł dyfuzyjnej spektroskopii optycznej w dziedzinie częstotliwości (D...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule Nazwa Firma Numer katalogowy Komentarze Drukarka 3DSethi3DS2Drukarka 3D służąca do drukowania konfigurowalnych sondArduino UNOArduinoUNO REV3Mikrokontroler odpowiedzialny za przeplatanie pomiarów DCS i FD-DOSKorelator DCSCorrelator.comFlex11-16chKomponent modułu DCSDectectors Płytki IOExcelitas TechnologySPCM-AQ4C-IOKomponent modułu DCSDetektoryDCS Excelitas TechnologySPCM-AQ4CKomponent modułu DCSLaser DCSCrystaLaserDL785-120-SOElement modułu DCSZasilacz DCSArtesynUMP10T-S2A-S2A-S2A-S2A-IES-00-AKomponent modułu DCS (zasilanie detektora DCS; 2, 5 i 30V)Włókna FD-DOS Materiały eksploatacyjne ISSImagentWłókna używane do wykrywania i oświetlenia FD-DOS są dostarczane przez ISSElastyczny materiał drukarki 3DSethi3DNinjaFlexMateriał używany do drukowania elastycznych, konfigurowalnych sondImagentISSModuł ImagentFD-DOSLaserowe gogle bezpieczeństwaThorlabsLG9 Światłowód wielomodowyThorlabsFT400EMTŚwiatłowód wielomodowy używany do oświetlenia DCSFiltr o neutralnej gęstości 1,0 ODEdmund Optics53-705Filtr o neutralnej gęstości do separacji detektorów krótkich źródełŚwiatłowód jednomodowyThorlabs780HPŚwiatłowód jednomodowy używany do detektory DCSBateria systemowaSMSNET4Bateria systemowa używana do transportu

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Kalibracja sondy optycznejwiat o bliskiej podczerwienianaliza wiat a rozproszonegofluktuacje intensywno ciindeks przep ywu krwinapi cie polaryzacji PMTkrzywe autokorelacjiokulary ochronne do pracy z laserem

Powiązane artykuły