Vi har kombinert frekvens-domene nær-infrarød spektroskopi tiltak av cerebral hemoglobin oksygenering med diffuse korrelasjon spektroskopi tiltak av cerebral blodstrøm indeksen å beregne en indeks av oksygen metabolisme. Vi testet nytten av dette tiltaket som et nattbord screening verktøy for å evaluere helse og utvikling av den nyfødte hjernen.
Perinatal hjerneskade fortsatt en betydelig årsak til barnedødelighet og sykelighet, men det er ennå ikke en effektiv sengen verktøy som kan nøyaktig skjermen for hjerneskade, monitor skade evolusjon, eller vurdere respons på behandling. Energien som brukes av nevroner er avledet hovedsak fra vev oksidativ metabolisme, og nevrale hyperaktivitet og celledød er reflektert av tilsvarende endringer i cerebral oksygen metabolisme (CMRO 2). Dermed tiltak av CMRO 2 er reflekterende av neuronal levedyktighet og gi kritisk diagnostisk informasjon, noe som gjør CMRO 2 et ideelt mål for sengen måling av hjernens helse.
Hjerne-imaging teknikker som positronemisjonstomografi (PET) og single-foton emisjon computertomografi (SPECT) avkastning tiltak av cerebral glukose og oksygen metabolisme, men disse teknikkene krever administrasjon av radionucleotides, slik at de blir brukt i bare de mest akutte tilfellene.
Kontinuerlig bølge nær-infrarød spektroskopi (CWNIRS) gir ikke-invasive og ikke-ioniserende stråling tiltak av hemoglobin oksygenmetningen (SO 2) som et surrogat for cerebral oksygenforbruk. Imidlertid er SO 2 mindre enn ideell som et surrogat for cerebral oksygen metabolisme som det er påvirket av både oksygentilførsel og forbruk. Videre målinger av SO 2 er ikke sensitive nok til å oppdage hjerneskade timer etter fornærmelse 1,2, fordi oksygenforbruk og levering oppnå likevekt etter akutte transienter 3. Vi undersøkte muligheten for å bruke mer avanserte NIRS optiske metoder for å kvantifisere cerebral oksygen metabolisme ved sengen hos friske og hjerne-skadet nyfødte. Mer spesifikt, kombinert vi frekvens-domene NIRS (FDNIRS) mål av SO 2 med diffuse korrelasjon spektroskopi (DCS) mål på blodstrøm indeks (CBF i) til yield en indeks av CMRO 2 (CMRO 2i) 4,5.
Med den kombinerte FDNIRS / DCS system er vi i stand til å tallfeste cerebral metabolisme og hemodynamikk. Dette representerer en forbedring i forhold CWNIRS for å oppdage hjernen helse, hjernens utvikling, og respons på behandling hos nyfødte. Videre følger denne metoden til alle neonatal intensivavdeling (NICU) politikk på smittevern og institusjonelle retningslinjer for laser sikkerhet. Fremtidig arbeid vil søke å integrere de to instrumentene for å redusere kjøp tid på sengen og å implementere sanntid tilbakemelding på datakvaliteten for å redusere frekvensen av data avvisning.
Den FDNIRS enheten er en tilpasset frekvens-domene-systemet fra ISS Inc. med to identiske sett med 8 laserdioder som sender ut ved åtte bølgelengder 660-830 nm, og to fotomultiplikatorrør (PMT) detektorer. Kilder og detektorer er modulert ved 110 MHz og 110 MHz pluss 5 kHz, henholdsvis, for å oppnå deteksjon heterodyne 6. Hver laser diode er slått på i 10 msek i sekvens, for en 160 msek total registreringstid per syklus. Kilder og detektorer er koplet til fiberoptikk og ordnet i en rad i en optisk sonde. Ordningen av fibre på proben er slik at den produserer fire forskjellige kilde-detektor separasjoner. Ved å måle overført lys (amplitude demping og faseforskyvning) på flere avstander, kan vi kvantifisere absorpsjon (μa) og spredning (mS ') koeffisientene vevet under observasjon. Fra absorpsjonskoeffisienter ved flere bølgelengder, vi deretter estimere absolutte verdiene av oksygenerte (HBO) ogdeoxygenated (HBR) hemoglobinkonsentrasjon 7, cerebral blodvolum (CBV) og hemoglobin oksygenmetning (SO 2).
DCS-enheten er et hjem – bygget system lik den som er utviklet av Drs. Arjun Yodh og Turgut Durduran ved University of Pennsylvania 8,9. DCS system som består av en solid – state, lang sammenheng laser på 785 nm, fire foton-telling snøskred fotodiode (APD) detektorer (EG & G Perkin Elmer SPCM-AQRH) med lav mørke teller (<50 teller / sek) og en høy kvanteutbytte (> 40% ved 785 nm), og en fire-kanal, 256-bin multi-tau korrelator, med 200 EFF oppløsning. Med DCS måler vi mikrovaskulær blodstrøm i hjernebarken ved å tallfeste temporale intensitet svingninger multiplisere spredt lys som oppstår fra Doppler skift produsert ved å flytte røde blodlegemer. Teknikken, som ligner på laser Doppler blod flowmetry (dvs. de er Fourier Transform analogs), måler en autokorrelasjonsfunksjon av intensiteten svingninger av hver detektor-kanal beregnet av en digital korrelator over et forsinkelse rekke 200 EFF – 0,5 sek. Den korrelator beregner timelige intensitet auto-korrelasjon av den lys re-dukker fra vev. Vi passer spredningen korrelasjon ligningen til den målte autokorrelasjonsfunksjon kjøpte sekvensielt, omtrent en gang per sekund, for å få blodsirkulasjonen indeks (CBF i) 10,11. DCS tiltak av blodstrøm endringer er omfattende validert 12,13. Ved å kombinere FDNIRS tiltak av SO 2 med DCS tiltak av CBF i, oppnår vi et anslag for cerebral oksygen metabolisme (CMRO 2i).
Vi demonstrert en kvantitativ måling av cerebral hemodynamisk og metabolisme med FDNIRS og DCS i neonatal befolkningen. Sonden konfigurasjonen er optimalisert for å måle neonatale hjernebarken 14. Blodstrøm endringer målt ved DCS har blitt grundig validert mot andre teknikker i dyr og mennesker studier 22,23. Ved å bruke en direkte DCS mål på blodstrøm, er vi i stand til å redusere variansen i beregningen av CMRO 2i 24. Variansen fra repeterte målinger var også mindre enn endringene mellom hjernen regioner og med 20 år.
Fra våre tidligere resultater, viste CBFi og CMRO 2i vesentlige endringer med PMA hos friske premature nyfødte. Målet på CMRO 2i er bedre i stand til å oppdage hjerneskade enn tiltaket av SO 2. Dette tyder på at kombinerte tiltak av vaskulære og metabolske parametre tjene som mer robust biomarkers av neonatal hjernen helse og utvikling enn oksygenmetning alene. Tekniske forbedringer vil fokusere på integrering av to virkemidler for å redusere kjøp tid 35-40% per økt og gjennomføring av real-time tilbakemelding på datakvaliteten for å redusere hyppigheten av kasserte tiltak. I nær fremtid, kan dette systemet leveres til kliniske sluttbrukere som en roman sengen skjerm av endret cerebral oksygen metabolisme. Ved å måle baner av CMRO 2 over tid kan også øke klinisk betydning og forutsi utfall. Dette verktøyet kan til slutt gi et betydelig bidrag til bedre forvaltning av neonatal hjerneskade.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takker alle familier for deres deltakelse i denne studien og sykepleiere, leger og ansatte i Neonatal ICU, Special Care Nursery, Pediatric Neurology, og fødeinstitusjoner ved Massachusetts General Hospital, Brigham and Women 's Hospital og Boston Children Hospital for deres hjelp og støtte. Spesielt vil vi takke Linda J. Van Marter, Robert M. Insoft, Jonathan H. Cronin, Julianne Mazzawi, og Steven A. Ringer. Forfatterne også takke Marcia Kocienski-Filip, Yvonne Sheldon, Alpna Aggarwall, Maddy Artunguada og Genevieve Nave for deres hjelp under målingene. Dette prosjektet er støttet av NIH R01-HD042908, R21-HD058725, P41-RR14075 og R43-HD071761. Marcia Kocienski-Filip og Yvonne Sheldon støttes av klinisk Translasjonell Science Award UL1RR025758 til Harvard University og Brigham and Women 's Hospital fra National Center for Research Resources. Innholdet er utelukkende ansvaret til enuthors og ikke nødvendigvis representerer den offisielle utsikt over National Center for Research Resources eller National Institutes of Health.
Equipment | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
Imagent | ISS | FDNIRS | |
DCS laser fibers | Thorlabs | FT400 | DCS component |
DCS detector fiber | Thorlabs | 780HP | DCS component |
DCS laser | CrystaLaser | DL785-070-S | DCS component |
DCS detector | Pacer International | SPCM-AQRH-14-FC | DCS component |
DCS Correlator | Correlator.com | Flex05-8ch | DCS component |
Pronto co-oximeter | Masimo | HGB and SaO2 monitor | |
NOVA | OPHIR | 7Z01500 | Laser power meter |
Sensor card | Newport | F-IRC1-S | IR viewer |
Neutral Density filter | Kodak | NT54-453 |