Диффузная корреляционная спектроскопия для измерения мозгового кровотока у человека

Аннотация

Источник: Menezes Forti, R. et al. Мониторинг нейрокритических пациентов в режиме реального времени с помощью диффузной оптической спектроскопии. J. Vis. Exp. (2020)

В этом видео демонстрируется использование диффузной корреляционной спектроскопии (DCS) для измерения мозгового кровотока у людей. В нем описываются этапы подготовки системы, калибровки зонда, его размещения на лбу участника, получения данных о рассеянном свете и анализа колебаний интенсивности для интерпретации динамики кровотока в мозге.

Протокол

Все процедуры с участием людей были выполнены в соответствии с институциональными, национальными и международными руководящими принципами по благополучию человека и были рассмотрены местным институциональным наблюдательным советом.

1. Подготовка перед перемещением системы в отделение интенсивной терапии (ОИТ)

1. Подключите все волокна к соответствующим лазерам и детекторам и убедитесь, что они правильно прикреплены к оптическому зонду (рис. 1B).
2. Убедитесь, что оптический зонд накрыт черной тканью, чтобы лазеры не светили в комнате.
3. Поверните выключатель питания системы в положение «ВКЛ». После включения системы подождите 30 секунд, а затем поверните переключатель лазерной системы диффузной корреляционной спектроскопии (DCS) в положение «ВКЛ». Лазеры диффузной оптической спектроскопии в частотной области (FD-DOS) автоматически включаются при подаче питания на систему.
4. Пока система готовится, получите согласие либо от участника, либо от законного представителя. После получения согласия принесите тележку в палату пациента.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку гибридная система имеет встроенный аккумулятор, которого хватает на 45 минут, ее не нужно выключать во время транспортировки.

2. Калибровка и настройки усиления системы DOS

1. По прибытии в отделение интенсивной терапии выключите лазер DCS, переведя ключ в положение «OFF».
2. Начиная с твердого фантома с пометкой «Калибровка», запустите процесс калибровки в программном обеспечении FD-DOS (BOXY, ISS), выполнив следующие действия.
   1. В меню "Файл" загрузите соответствующий файл настроек для используемого зонда, нажав на опцию "Загрузить файл настроек".
   2. Поместите зонд на изогнутую сторону фантома, обеспечив хороший контакт с поверхностью, а затем оптимизируйте напряжение смещения фотоумножителя (ФЭУ), нажав кнопку «Оптимизировать все детекторы» в программном обеспечении FD-DOS.
   3. Запустите калибровку для разделения нескольких источников и детекторов, щелкнув опцию «Calc. Waveform Calib. Значения для оптических параметров. и Множественные расстояния» в меню «Калибровка».
   4. Откройте опцию «Пользовательские расчеты» в меню «Text-Mon», чтобы проверить, соответствуют ли измеренные оптические свойства заданным значениям (записанным в твердотельном фантоме) и что фитинг R² близок к единице.
3. Повторите описанные выше шаги (за исключением шага 2.2.3), чтобы измерить оптические свойства фантома, помеченного как «Проверить», чтобы убедиться, что калибровка была адекватной. Измеряемые оптические свойства должны совпадать, с точностью до 10%, со значениями, указанными в фантомах. осторожность: Обязательно выключайте ФЭУ (нажимая на кнопку «Все детекторы выключены») каждый раз при перемещении зонда, чтобы не повредить ФЭУ из-за прямого освещения окружающим светом.
4. Если калибровка не является адекватной, повторите процесс калибровки (шаги 2.2 и 2.3). Обеспечение хорошей калибровки системы FD-DOS имеет важное значение для достоверности измерений FD-DOS.

3. Подготовка участника у постели больного

1. Используйте дезинфицирующие салфетки для очистки как зонда, так и лба пациента.
2. Наложите двустороннюю ленту на щуп (рис. 1B), следя за тем, чтобы лента не находилась в прямом контакте с наконечниками оптоволокна.
3. Наденьте на объект лазерные защитные очки.
4. Поместите зонды над областью интереса (ROI) и оберните эластичные ремни вокруг головы объекта. Несмотря на то, что FD-DOS и DCS это не является строго необходимым, рекомендуется накрыть оптический зонд черной тканью или черной повязкой для снижения шума из-за окружающего освещения.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Важно убедиться, что эластичный ремешок не слишком тугой и не слишком свободен. Если ремешок слишком тугой, это может причинить значительный дискомфорт пациенту, а если ремешок слишком свободный, это может привести к ухудшению качества данных, поскольку двусторонняя лента недостаточно прочна, чтобы удерживать зонды на месте.
5. После того, как зонд будет должным образом закреплен на лбу пациента, включите лазер DCS, переведя ключ в положение «ON».
   ВНИМАНИЕ: В системе DCS используется лазер класса 3B, который опасен для воздействия на глаза. Очень важно включать лазеры только тогда, когда зонд правильно прикреплен ко лбу пациента.

4. Оценка качества данных

1. Перед началом сбора данных с помощью графического интерфейса пользователя (GUI) запишите разделение DCS источник-детектор на вкладке «Настройки» графического интерфейса пользователя.ПРИМЕЧАНИЕ: Система DCS не требует этапа калибровки, но для анализа в режиме реального времени необходим надлежащий ввод разделений между источником и детектором.
2. Запустите программное обеспечение для сбора данных, нажав кнопку «Пуск» в графическом интерфейсе, и проверьте сигнал DOS в программном обеспечении FD-DOS:
   1. Нажмите кнопку «Оптимизировать все детекторы» в программном обеспечении FD-DOS, чтобы оптимизировать напряжение смещения ФЭУ
   .
   2. Проверьте оптические свойства и R² подгонки DOS в опции «Пользовательский расчет» в меню «Text-Mon». Коэффициент^R2 должен быть близок к единице, и, как правило, коэффициент поглощения у пациентов должен быть в пределах 0,05 и 0,2 ^см-1, а коэффициент рассеяния — в пределах 6 и 13 ^см-113.
3. Проверьте сигнал DCS на вкладке "Корреляционные кривые" графического интерфейса.
   1. Включите детекторы DCS, переведя переключатели в положение 'ON'.
   2. Убедитесь, что каждый детектор DCS измеряет достаточную интенсивность света. Как правило, требуется частота более 10 кГц.
   3. Если измеряемая интенсивность превышает 800 кГц, используйте фильтр нейтральной плотности для уменьшения количества фотонов и не повредите детекторы. Как правило, это является проблемой при более коротком (< 1 см) разделении источника-детектора.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Помимо потенциального повреждения детекторов DCS, количество фотонов выше 800 кГц также может привести к ошибкам из-за нелинейных эффектов в детекторе.
   4. Проверьте кривые автокорреляции, чтобы убедиться в хорошем скин-связании (см. рис. 2), и при необходимости измените положение оптического зонда.
   5. Если на предыдущем шаге было необходимо изменить положение датчика, повторите шаги 4.2 и 4.3. Эти шаги может потребоваться повторить несколько раз.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Детекторы DCS и FD-DOS должны быть выключены каждый раз при перемещении датчика. Чтобы выключить датчики DCS, вручную переведите переключатели в положение «ВЫКЛ». Извещатель FD-DOS выключается нажатием кнопки «Все детекторы выключены» в программном обеспечении FD-DOS.
4. Когда будет достигнут хороший контакт между датчиком и кожей, остановите сбор данных, нажав кнопку «Стоп» в графическом интерфейсе. Затем задайте идентификаторы эксперимента и пациента в текстовом поле «Папка» и запишите имя ROI в текстовом поле «Имя файла».
5. Начните сбор данных нажатием кнопки «Старт» в графическом интерфейсе.
6. Собирайте данные в первом ROI столько, сколько требуется по протоколу. При необходимости переместите зонд на другие ROI и повторите измерение.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Период мониторинга может варьироваться в зависимости от целей исследования.

5. Рекомендации для экспериментатора во время измерения

1. После начала измерения запишите на вкладке «Информация об эксперименте» графического интерфейса пользователя соответствующую информацию о пациенте (например, тип и место травмы, вводимые препараты, возраст, пол и т. д.).
2. Убедитесь, что любое соответствующее событие, произошедшее в течение периода мониторинга, помечено нажатием кнопки «Отметить» в графическом интерфейсе. После каждой отметки обязательно напишите описание события во вкладке «Информация об эксперименте» в графическом интерфейсе.

6. Остановить сбор данных

1. Остановите сбор данных, нажав кнопку «Стоп» в графическом интерфейсе.
2. Остановите программное обеспечение FD-DOS, нажав кнопку остановки сбора и записи данных, представленную в программном обеспечении FD-DOS в виде двух красных квадратов.
3. Выключите детекторы DCS, переведя переключатели в положение «OFF», и выключите лазер DCS, повернув ключ в положение «OFF».
4. Выключите ФЭУ модуля FD-DOS, нажав кнопку «Все детекторы выключены».
5. Снимите зонд с головы пациента и снимите двусторонний скотч с зонда. Затем очистите зонд дезинфицирующими салфетками.
6. Повторите измерение оптических свойств каждого твердого фантома как можно скорее, чтобы убедиться, что калибровка остается адекватной на протяжении всего сеанса мониторинга (см. шаг 4.2.2).
   ПРИМЕЧАНИЕ: В идеале этап калибровки должен быть выполнен сразу после снятия оптических зондов с головы пациента (шаг 6.6). Однако из-за проблем со временем это было сделано в хранилище в примерах, представленных в следующем разделе.
7. Очистите систему и ее аксессуары дезинфицирующими салфетками.
8. Катите тележку обратно в кладовку.

Результаты

Рисунок 1: Оптическая среда, разработанная для наблюдения за пациентами в отделении интенсивной терапии. (A) Гибридная диффузная оптическая система сочетает в себе модуль диффузной оптической спектроскопии (DOS) в частотной об...

Материалы