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Artigo de método

Medição da Reatividade Cerebrovascular com Espectroscopia Funcional de Infravermelho Próximo

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DOI:

10.3791/61284

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2 de junho de 2022

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1National Intrepid Center of Excellence, Walter Reed National Military Medical Center, 2Uniformed Services University of the Health Sciences, 3The Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development, National Institutes of Health, 4University of Pennsylvania Perelman School of Medicine

Neste artigo

Resumo

Apresenta-se aqui um protocolo para imagem e medição da reatividade cerebrovascular em humanos com Espectroscopia de Infravermelho Próximo funcional (fNIRS). O fNIRS é uma nova modalidade de imagem que captura as mudanças de concentração de espécies de hemoglobina no córtex mais externo do cérebro sob estímulos específicos.

Resumo

A reatividade cerebrovascular (CVR) é a capacidade dos vasos sanguíneos no cérebro de alterar o fluxo sanguíneo cerebral (com dilatação ou constrição) em resposta a estímulos químicos ou físicos. A quantidade de reatividade na microvasculatura cerebral depende da integridade da vasculatura capacitante e é a função primária das células endoteliais. A RCV é, portanto, um indicador da fisiologia e da saúde geral da microvasculatura. Métodos de imagem que podem medir CVR estão disponíveis, mas podem ser caros e requerem centros de ressonância magnética e conhecimento técnico. Neste estudo, usamos a tecnologia fNIRS para monitorar as alterações da oxihemoglobina (HbO) e desoxihemoglobina (HbR) na microvasculatura cerebral para avaliar a RCV de 15 controles saudáveis (HC) em resposta a um estímulo vasoativo (dióxido de carbono a 5% inalado ou CO2). Nossos resultados sugerem que esta é uma tecnologia de imagem promissora que oferece um método não invasivo, preciso, portátil e econômico de mapear a RCV cortical e a função da microvasculatura associada, resultante de uma lesão cerebral traumática ou outras condições associadas à microvasculopatia cerebral.

Introdução

A saúde vascular no córtex cerebral pode ser medida por meio da capacidade dos vasos de se contraírem ou dilatarem sob condições fisiológicas variadas. A mensuração da reatividade vascular pode ser útil no diagnóstico e manejo de condições neurológicas associadas à disfunção microvascular cerebral, como demência, traumatismo cranioencefálico (TCE) e até mesmo envelhecimento 1,2,3,4. Além disso, a RCV pode ser usada como um biomarcador preditivo e/ou farmacodinâmico para distúrbios neurológicos, como Alzheimer5 ou TCE 6,7,8,9,10. Existem métodos de imagem bem estabelecidos para estudar a RCV em seres humanos e animais. Um método típico inclui ressonância magnética funcional (fMRI) em conjunto com um estímulo exógeno ou endógeno, como hipercapnia11, apneia ou acetazolamida2. Lu et al.12,13 demonstraram que um sistema simples de fornecimento de gás acoplado à ressonância magnética dependente do nível de oxigênio no sangue (MRI-BOLD) gera mapas precisos de CVR de todo o cérebro.

Interrupções no fluxo sanguíneo, volume e taxa metabólica de oxigênio da vasculatura cerebral produzem alterações nas concentrações teciduais de HbO e HbR. A absorção tecidual de luz na faixa do infravermelho próximo é sensível a mudanças na concentração de espécies de hemoglobina, como HbO e HbR. Portanto, medir a luz retroespalhada ao longo do tempo pode quantificar alterações na concentração de HbO e HbR no córtex mais externo (aproximadamente 2 cm)15, e pode ser usada para avaliar variações hemodinâmicastemporais16 , incluindo reatividade cerebrovascular (RCV)17.

Em nosso paradigma de pesquisa, empregamos o instrumento fNIRS com função de onda contínua. O dispositivo é composto por 4 fontes e 10 detectores, que criam 16 pares fonte-detector (ver Figura 1). Os pares fonte-detector são moldados juntos em uma pulseira de silicone que pode ser facilmente colocada sobre a testa e mantida no lugar com envoltório autoaderente. O dispositivo mede a intensidade da luz em 730 e 850 nm e tem uma frequência de aquisição de 2 Hz. Este sistema foi selecionado porque é amigável ao paciente, fácil de usar e coleta dados do córtex pré-frontal, uma região do cérebro particularmente vulnerável ao TCE. Felizmente, a maioria dos outros sistemas fNIRS são compatíveis com nossa técnica de aquisição de CVR, diferindo apenas nas regiões corticais medidas com base na área de interesse do cérebro.

Embora a fMRI seja considerada o padrão-ouro para imagens cerebrais funcionais, a tecnologia fNIRS tem vantagens únicas para avaliar a RCV em comparação com a fMRI. A técnica de imagem fNIRS fornece uma alta resolução temporal (com granularidade de milissegundos) e pode quantificar alterações na concentração de HbO e HbR, enquanto a fMRI mede apenas alterações na HbR 18,19,20. Além disso, os instrumentos fNIRS são portáteis, econômicos e mais fáceis de operar do que o fMRI. Finalmente, a tecnologia fNIRS resolve melhor o movimento do sujeito, o que é necessário, uma vez que desafios vasculares como hipercapnia são frequentemente usados em combinação com tarefas de estudo cognitivo ou físico21.

Neste artigo, é apresentado um desafio de hipercapnia, combinado com a tecnologia fNIRS. Medimos os valores de CVR e estudamos a reprodutibilidade desse método, na esperança de oferecer uma alternativa confiável às medidas de CVR de fMRI.

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Protocolo

Os participantes foram recrutados de acordo com um protocolo aprovado pelo conselho de revisão institucional (ClinicalTrials.gov NCT01789164). Os equipamentos descritos no protocolo são eticamente aprovados por nossa instituição.

1. Prepare os materiais usados para o desafio da hipercapnia (Figura 2)

  1. Encha um saco Douglas de 200 L (Item # 1) com uma lata pré-misturada de gás de grau médico que é composto de 5% de dióxido de carbono, 21% de oxigênio e 74% de nitrogênio até ficar cheio.
  2. Insira dois diafragmas (Item #3) na válvula bidirecional sem reinalação (Item #4) para garantir que o gás flua apenas em uma direção. Conecte uma porta da válvula de três vias (Item #2) à bolsa Douglas (Item #1) através do tubo de fornecimento de gás (Item #5) e a outra porta à válvula bidirecional sem reinalação (Item #4) através de um segundo tubo de fornecimento de gás (Item #5).
  3. Fixe o bocal (Item #6) ao conector (Item #7) e, em seguida, prenda o conector à válvula bidirecional sem reinalação (Item #4).
  4. Insira o tubo do capnógrafo (Item #8) no orifício do conector (Item #7).
  5. Conecte o filtro de ar (Item #9) ao tubo do capnógrafo (Item #8).
  6. Aparafuse a extremidade do filtro de ar de plástico (Item #9) que não está conectado ao tubo do capnógrafo (Item #8) no monitor de CO2 (Item #10).
  7. Conecte o capnograh (Item #10) a um laptop com um cabo. Abra o software leitor de porta de dados, selecione a porta USB correspondente e inicie a leitura de dados. Ligue o capnógrafo. Os dados serão exibidos automaticamente na tela do computador.
  8. Conecte a caixa fNIRS ao computador com um cabo USB. Conecte a faixa de cabeça do detector de fonte à caixa FNIRS. Conecte o adaptador de energia à caixa fNIRS e ligue o interruptor.

2. Procedimentos durante o experimento

  1. Peça ao participante para se sentar em uma cadeira e se sentir confortável enquanto configura os dispositivos. Ligue o sistema fNIRS.
  2. Coloque a faixa de cabeça do detector de fonte na testa do paciente, sobre as áreas subjacentes do córtex pré-frontal (áreas corticais frontais dorsais e inferiores)21.
  3. Verifique se a faixa de cabeça do detector de fonte está cuidadosamente posicionada acima da sobrancelha e no meio da testa. Coloque a fileira inferior do detector aproximadamente 3.5 cm acima do násio ou ponte do nariz, onde o recuo da parte superior do nariz encontra a testa entre os olhos.
  4. Certifique-se de que os detectores estejam firmemente aderidos à pele do participante, sem cromóforos (por exemplo, maquiagem) ou interferência de cabelo. Nenhuma preparação da pele é necessária.
  5. Em "Configuração do dispositivo", defina o ganho para detectores entre 1 e 20. Um ganho maior aumentará a sensibilidade dos detectores de luz. O valor padrão é 20. Defina a "Corrente do LED" entre 5 mA e 20 mA. Valores maiores resultarão em luz mais brilhante e aumentarão o nível de sinal gerado pelos detectores. O valor padrão é 20 mA.
  6. No software de aquisição, pressione "Iniciar experimento atual". As fontes enviarão luz em 2 comprimentos de onda e a intensidade do sinal de luz detectada em cada detector será exibida em tempo real. Em caso de sinal saturado (sinal > 4.000) ou baixo (sinal < 1.000), ajuste o contato entre a faixa de cabeça do detector de fonte e a pele ou os parâmetros nas etapas 2.3 e 2.4. O procedimento completo exato foi explicado em Ayaz et al.22.
  7. Direcione o participante para inspirar e expirar pela boca em seu ritmo normal de respiração. Prenda um clipe nasal no nariz do participante e lembre-o de continuar respirando normalmente pela boca e alertar alguém se sentir algum desconforto ou dificuldade para respirar.
  8. Insira cuidadosamente o bocal (item # 6) na boca do participante para que ele possa continuar a respirar. Para maior conforto do participante durante o procedimento, peça ao participante para apoiar a válvula sem reinalação (Item #3) com a mão.
  9. Pressione o botão "Linha de base" no software associado. Ele medirá e registrará automaticamente o sinal de luz para a linha de base fNIRS por 20 segundos (s).
  10. Pressione "Gravar" antes de iniciar o experimento.
  11. No início do experimento, inicie o relógio, pressione "Marcador Manual" e escreva em um papel o tempo exibido pelo capnógrafo. A cada minuto, gire a válvula conectada à tubulação de gás para alternar entre o ar ambiente e o ar ambiente misturado com 5% de CO2. Novamente, pressione "Marcador Manual" e escreva em um papel o tempo exibido pelo capnógrafo cada vez que a mistura de gases inalados é alterada (Figura 3).
    NOTA: Marcar manualmente a hora exibida no capnógrafo é essencial para sincronização futura entre os sinais ópticos fNIRS e o traço EtCO2 do capnógrafo.
  12. Após 7 min, pare a gravação do fNIRS clicando no botão "Parar". Aguarde 60 segundos adicionais de gravação para o CO2 expirado (EtCO2) e salve os dados do EtCO2 como ASCII no software leitor de dados.
  13. Notifique o participante de que o procedimento foi concluído. Retire cuidadosamente o clipe nasal e retire o bocal. Ofereça um lenço de papel ao participante para absorver qualquer saliva acumulada do procedimento.

3. Procedimentos de limpeza

  1. Descarte o tubo do capnógrafo (Item #8), filtro (Item #9), bocal (Item #6) e clipe nasal.
  2. Limpe o equipamento reutilizável. Retire a válvula bidirecional (Item #4) do tubo de fornecimento de gás (Item #5) e do tubo conector (Item #7) e extraia os diafragmas (Item #3). Mergulhe os diafragmas (Item #3), o tubo conector e a válvula bidirecional (Item #4) em um recipiente cheio de um desinfetante detergente de grau médico que não contenha fosfato e contenha surfactantes por 20 min. Diluir o detergente com água destilada na proporção de 1:64.
  3. Lave os itens # 1,4,7 com água destilada e coloque-os em cima de um balcão limpo com um material estéril, como uma almofada de chux por baixo. Deixe-os secar ao ar antes de reutilizá-los.
  4. Esvazie o saco Douglas.

4. Análise dos dados

  1. Processamento de sinal usando software de processamento de dados fNIRS
    NOTA: O processamento do sinal é a primeira etapa da análise de dados. Isso é feito usando um software de processamento de dados fNIRS (por exemplo, fNIRSoft) para remover ruídos ou artefatos nos dados devido ao movimento do paciente. Apenas os dados do software de aquisição são necessários para esta análise.
    1. No software de processamento de dados, clique em "Carregar arquivo" para selecionar e carregar os dados fNIRS adquiridos.
    2. Clique em "Refinar" e uma janela pop-up aparecerá. Selecione "Dados brutos" e pressione "Avançar".
      1. Clique nas ferramentas de filtragem mediana e rejeição de artefato de movimento da janela deslizante (SMAR)23 para reconhecer e excluir o artefato de movimento e os canais saturados do sinal bruto. Pressione "Aplicar".
      2. Clique no filtro "Low Pass Frequency" para descartar o pulso e o componente respiratório (filtro Hanning, n = 20, corte = 0.1Hz) 21,24,25,26. Pressione "Aplicar".
      3. Clique em "Detrend" para eliminar a variação temporal lenta. Pressione "Aplicar".
    3. Clique em "OXI" para transformar a intensidade da luz em concentrações de HbO e HbR. Clique em "Salvar" e selecione MATLAB como o formato de arquivo salvo.
  2. Processamento de sinal com MATLAB
    NOTA: A segunda parte da análise é feita usando MATLAB para correlacionar o sinal fNIRS com o EtCO2 deslocado no tempo. Os dados da etapa anterior (4.1.5) e os dados do capnógrafo (traço EtCO2 , etapa 2.12) são necessários para o processamento dos dados.
    1. Importe o traço EtCO2 do capnógrafo no MATLAB como duas colunas (uma para o tempo e a segunda para os valores do EtCO2 ). Desloque o tempo EtCO2 com tempo pré-calibrado para corrigir o atraso do tempo do tubo de amostragem.
      NOTA: Esta é a diferença de tempo entre uma respiração no bocal e a aparência dessa respiração na gravação de CO2 . Nesta configuração, foram 15 s.
    2. Utilizar o primeiro ponto de tempo registado a partir do capnógrafo no início da experiência, passo 2.11, como ponto de partida (t=0). Converta o EtCO2 em segundos.
    3. Importe os dados de oxi e desoxihemoglobina da etapa 4.1.3 para o MATLAB.
    4. Calcule o atraso fisiológico entre o EtCO2 (medido na boca) e o sinal fNIRS (medido no cérebro) encontrando o coeficiente de correlação mais alto entre esses dois sinais em mudanças de tempo variadas. (consulte o script MATLAB anexado para as etapas 4.2.3 a 4.2.6). A mudança de tempo com o maior coeficiente de correlação é considerada o tempo ideal.
    5. Mudar o curso de tempo EtCO2 pelo tempo ideal (obtido na etapa 4.2.4). Mantenha os pontos de tempo que têm dados fNIRS e EtCO2 . As séries bitemporais devem ter a mesma duração.
    6. Calcule os valores de CVR para cada canal, que é a solução da equação linear entre HbO (ou HbR) e EtCO2 usando a decomposição de Cholesky no MATLAB.

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Resultados

O fNIRS foi realizado com desafio de hipercapnia em 15 participantes saudáveis. Os critérios de exclusão foram história de TCE, distúrbios neurológicos ou psiquiátricos incapacitantes pré-existentes ou gravidez. Os participantes tinham idade média de 37,7 ± 16 anos (variação de 20 a 55) e 20% eram do sexo feminino. Conforme mostrado em um estudo semelhante de fMRI28, uma inalação de 60 s de CO2 a 5% foi acompanhada por um aumento na pressão de EtCO2 medida por capnografia. Em...

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Discussão

Conseguimos medir a RVC usando fNIRS e uma técnica de inalação de gás CO2 em 15 voluntários saudáveis. O valor de CVR medido é a correlação entre o sinal fNIRS adquirido e o EtCO2. O desafio é alinhar com precisão o traço temporal do EtCO2 com o sinal fNIRS, em outras palavras, contabilizar o tempo que leva para o sangue viajar do sistema vascular pulmonar para o coração e depois para a vasculatura cerebral. A variabilidade intercanal é baixa (30%) e most...

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Divulgações

Os autores não têm conflitos de interesse a divulgar.

Agradecimentos

O trabalho no laboratório dos autores foi apoiado pelo Centro de Neurociência e Medicina Regenerativa (CNRM), Uniformed Services University of the Health Sciences (USUHS), Bethesda, MD, pelo Centro de Excelência em Neurociência Clínica Militar (MCNCoE), Departamento de Neurologia, USUHS e pelo Programa de Pesquisa Intramural dos Institutos Nacionais de Saúde. As opiniões expressas neste artigo são do autor e não refletem a política oficial do Departamento do Exército/Marinha/Força Aérea, Departamento de Defesa ou Governo dos EUA.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Blue cuff22254Gasosa Aspirada
Tamanho 200R012000 2003Diafragma de Oxigênio
(Tamanho: médio, Tipo: espiral)602021-2608Bolsa Hans Rudolph
Douglas (capacidade de 200 litros)500942Tubo
1011-108Aspirado
Tubo de amostragem de gásT4305QoSINA
Filtro hidrofóbico9906-00Philips Medical Systems
Macho luer11547QoSINA
Bocal (Silicone, Modelo #9061)602076Hans Rudolph
Clipe nasal (Espuma de plástico, Modelo #9014)201413Hans Rudolph
Válvula de três vias (100% plástico)CR1207Hans Rudolph
Válvula bidirecional sem respiração (22 mm / 15 mm ID)CR1480Hans Rudolph
Mistura de CO2-Ar Roberts de entrega de gás Harvard Apparatus

Referências

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