Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

מדידה אופטית לא פולשנית של מטבוליזם ופרמטרים המודינמיים במוח אצל תינוקות

Published: March 14, 2013 doi: 10.3791/4379
Automatic Translation
1, 1,2, 3, 1, 3, 4, 1, 3, 1
1Athinoula A. Martinos Center for Biomedical Imaging, Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School, 2Lab. PALM, Université de Caen Basse-Normandie, 3Fetal-Neonatal Neuroimaging and Developmental Science Center, Boston Children's Hospital, Harvard Medical School, 4ISS, INC.

Summary

אנחנו בשילוב אמצעי ספקטרוסקופיה תדר תחום קרוב אינפרא האדום של חמצון המוגלובין מוחות עם אמצעים מפוזרים מתאם ספקטרוסקופיה של מדד זרימת דם במוח כדי להעריך מדד חילוף חומרים של חמצן. בדקנו את התועלת של אמצעי זה ככלי מיון מיטה כדי להעריך את הבריאות והתפתחות המוח של התינוק.

Abstract

פגיעה מוחית סביב לידה נשארה גורם משמעותי בתמותת תינוקות ותחלואה, אך אין עדיין כלי מיטה יעילה שיכול להקרין במדויק לפגיעה מוחית, פגיעה בהתפתחות לפקח, או להעריך את התגובה לטיפול. האנרגיה בשימוש על ידי נוירונים נגזרה במידה רבה מחילוף חומרי חמצון רקמות, והיפראקטיביות עצבית ומוות של תאים באים לידי ביטוי בשינויים מתאימים בחילוף חומרים של חמצן במוח (CMRO 2). לכן, מדדים של CMRO 2 הם שיקוף של כדאיות עצבית ולספק מידע אבחון קריטי, מה שהופך CMRO 2 יעד אידיאלי למדידה ליד המיטה של בריאות מוח.

טכניקות הדמיה מוחית כגון טומוגרפיה פליטת פוזיטרונים (PET) ו( SPECT) צעדים חד פליטת פוטון טומוגרפיה ממוחשבת תשואה של גלוקוז במוח ולחילוף חומרים של חמצן, אולם טכניקות אלו דורשות ניהול radionucleotides, ולכן הם משמשים רק במקרים הקשים ביותר.

ספקטרוסקופיה רציפת גל הקרובה אינפרא אדום (CWNIRS) מספקת אמצעי קרינה בלתי פולשניים ובלתי מייננת של רוויון חמצן המוגלובין (SO 2) כתחליף לצריכת חמצן במוח. עם זאת, SO 2 הם פחות אידיאלי כתחליף לחילוף חומרים של חמצן במוח כפי שהוא מושפע גם אספקת חמצן וצריכה. יתר על כן, מדידות של SO 2 אינן רגישות מספיק כדי לזהות שעות לאחר פגיעה מוחית 1,2 העלבון, כי צריכת חמצן ואספקה ​​להגיע שיווי משקל לאחר ארעיים חריפה 3. חקרנו את האפשרות של שימוש בNIRS המתוחכם יותר בשיטות אופטיות לכמת חילוף חומרים של חמצן במוח בצד המיטה בתינוקות בריאים והמוח פגועים. באופן ספציפי יותר, אנו משלבים את NIRS תדר התחום (FDNIRS) המדד של SO 2 עם ספקטרוסקופיה המפוזרת המתאם (DCS) מדד של מדד זרימת דם (CBF אני) לyielד מדד CMRO 2 (CMRO 2i) 4,5.

עם FDNIRS המשולב / מערכת DCS אנחנו מסוגלים לכמת את חילוף חומרים ופרמטרים המודינמיים מוחות. זה מייצג שיפור לעומת CWNIRS לאיתור בריאות מוח, התפתחות מוח, ותגובה לטיפול בילודים. יתר על כן, שיטה זו שומרת על כל יחידה לטיפול הנמרצת בילוד המדיניות (פגייה) בבקרת זיהום ומדיניות מוסדית על בטיחות ליזר. עבודה עתידית מבקשת לשלב את שני מכשירים כדי לקצר את זמן רכישה במיטה וליישם משוב בזמן אמת על איכות נתונים כדי להפחית את השיעור של דחיית נתונים.

Introduction

מכשיר FDNIRS הוא מערכת מותאמת אישית תדר תחום מISS Inc עם שני סטים זהים של 8 דיודות ליזר פולטת בשמונה אורכי גל הנעים 660-830 ננומטר, ושני גלאי צינור מכפיל (PMT). מקורות וגלאים הם מווסתים ב110 מגהרץ ו 110 מגה רץ בתוספת 5 קילוהרץ, בהתאמה, על מנת להשיג זיהוי אבוכי 6. כל דיודת ליזר מופעלת למשך 10 אלפיות שני ברצף, במשך זמן 160 msec סך רכישה בכל מחזור. מקורות וגלאים הם מצמידים לסיבים אופטיים ומסודרים בשורה בבדיקה אופטית. הסידור של סיבים על הבדיקה הוא כזה שמייצר ארבע פרדות מקור במכונת האמת. באמצעות מדידת אור מועבר (הנחתת המשרעת ופאזה) במרחקים שונים, אנו יכולים לכמת את הקליטה (μa) ופיזור מקדמים (μs ') של הרקמה תחת השגחה. מהמקדמים הקליטה באורכי גל מרובים, אז אנחנו מעריכים את הערכים המוחלטים של חמצן (HBO) ו(HBR) ריכוזי deoxygenated המוגלובין 7, נפח דם מוחי (CBV) וריווי חמצן המוגלובין (SO 2).

מכשיר DCS הוא בית - מערכת בנויה בדומה לזה שפותח על ידי בני הזוג. ארג'ון Yodh וטורגוט Durduran באוניברסיטת פנסילבניה 8,9. מערכת DCS שמורכב ממוצק - ליזר מדינה, ארוך קוהרנטיות ב785 ננומטר, ארבעה מפולת photodiode גלאי פוטון ספירה-(APD) (EG & G פרקין אלמר SPCM-AQRH) הכוללים ספירה כהה נמוכה (<50 ספירות / שני) וגבוה קוונטי תשואה (> 40% ב 785 ננומטר), וערוץ 4, 256-סל רב טאו עם מתאם, עם רזולוצית 200 NSEC. עם DCS למדוד את זרימת דם כלי דם בקליפת מוח על ידי כימותי התנודות בעצמה הזמניות של אור פזור מתרבה העולות מדופלר המשמרות הופק על ידי הזזת תאי דם אדומים. טכניקה, בדומה לflowmetry דם דופלר הליזר (כלומר הם הפורים Transform אנלוגים), מודדים פונקצית autocorrelation מהתנודות בעצמה של כל ערוץ גלאי מחושב על ידי עם מתאם דיגיטלי על פני טווח זמן עיכוב של 200 NSEC - 0.5 שניות. עם המתאם מחשב את העוצמת הזמנית אוטומטי המתאם של האור מחדש מתעורר-מרקמות. אז אנחנו מתאימים את משוואת קורלציה דיפוזיה לפונקצית autocorrelation נמדדה, שנרכשנו ברצף, בערך פעם בשנייה, כדי להשיג את מדד זרימת הדם (CBF אני) 10,11. צעדי DCS של שינויים בזרימת דם אומתו 12,13 בהרחבה. על ידי שילוב של אמצעי FDNIRS של SO 2 עם הצעדים של DCS CBF אני, אנחנו יכולים להשיג אומדן של חילוף חומרים של חמצן במוח (CMRO 2i).

Protocol

1. הכנה לצעדי המיטה

  1. את FDNIRS ומערכות DCS הם קומפקטיים וקלים להזזה על עגלה קטנה לצד מיטתו של התינוק בבית החולים (איור 1).
  2. אחרי שהעביר את העגלה עם התקנים למיטה, להפעיל את המערכות ולחבר את הבדיקה האופטית לFDNIRS והתקני DCS. ודא ששני הנסיינים נוכחים לכל מידה: אחד לניהול המכשירים והמחשבים, וכדי להחזיק בחללית.
  3. בחר את הבדיקה המתאימה בהתאם לגיל ההריון של התינוק (PMA). הבדיקה האופטית עם FDNIRS הפרדות מקור גלאי של 1, 1.5, 2 ו -2.5 סנטימטר משמשת לתינוקות <37 wks PMA ואת החללית עם הפרדות FDNIRS 1.5, 2, 2.5 ו 3 סנטימטר משמש לתינוקות מבוגרים יותר (איור 2- ). הבחירה של הפרדות קצרות מקור גלאים מוכתבת על ידי גודל הקטן של התינוקות פגים ועקמומיות ראש גדולות. בעת שימוש בחללית גדולה יותר עם תינוק מוקדם, relatגודל קטן יותר של ively ראשו של התינוק והעקמת המשמעותית שלה יחד לסכל קשר אפקטיבי בין ראשו של התינוק וכל המקורות והגלאים. מסיבה זו, הבדיקה עם FDNIRS הפרדות מקור גלאי של 1, 1.5, 2 ו -2.5 סנטימטר ראויה לשימוש בפגים. המחקר הוכיח שההפרדות שנבחרו מקור הגלאים מספיקות למדידת תכונות אופטיות של קליפת המוח של 14 שניהם מוקדמים וארוכים. סיבי מקור וגלאי DCS מסודרים בשורה מקבילה לסיבי FDNIRS עם מרחקי מקור גלאים של 1.5 (גלאי אחד) ו 2 סנטימטר (שלושה גלאים) בשתי בדיקות פגים וטווח.
  4. לטהר את הבדיקות האופטיות עם סאני בד החיטוי לנגב ולהכניס את החללית וסיבים לתוך שרוול פלסטיק פוליפרופילן שימוש יחיד.

2. FDNIRS הגדרות רווח וכיול

  1. פתח את ממשק המשתמש הגרפי FDNIRS (GUI) ובחר את קובץ הגדרות התכניתמקביל לבדיקה וכיול בלוק בשימוש.
  2. כדי לכוונן את רווחי גלאי, מניח בעדינות את הבדיקה בשטח של ראשו של הנושא בלי שיער (רצוי בצד השמאל של המצח) ולשמור אותו באותה התנוחה ללא החלה כל לחץ. הפעל מקורות וגלאים ולהתאים את מתח PMT עד המשרעת של כל אחד מלייזרי המקור מגיעה 20,000 סעיפים. 32,000 ספירות הן דיגיטציה המרבית של אנלוגי לכרטיס רכישה דיגיטלי, ורווחים צריכים להיות מוגדרים מתחת לסף, כדי למנוע רוויה במהלך רכישת נתונים. הרווחים צריכים להיות מוגדרים בחלק הקדמי, כי אזור זה בדרך כלל יש קליטה הנמוכה של אור ליזר, ולכן הוא נוטה ביותר לרוויה.
  3. כבה את המקורות וגלאים ולהחזיר את החללית לבלוק הכיול. הלייזרים צריכים להיות כבוי בעת מעבר לבדיקת בטיחות עין; הגלאים צריכים להיות כבוי בגלל PMTs רגישים מאוד וחשיפה לכל אור בהיר אניncreases רעשי רקע, ויכול לגרום ניזק בלתי הפיך אותם.
  4. עם החללית חזרה על בלוק הכיול, השתמש במסנן הצפיפות הניטראלי (ND), אם בכלל, מרווה את זוג המקור במכונת האמת. ניתן לבחור מסנני ND שונים עקב רווחי אופטימיזציה בתינוקות עם גווני עור שונים החזק את החללית עדיין ל16 שניות תוך כדי ריצת הליך הכיול. מכיוון שאנחנו לא פיסיים להעביר את המקור אחד למרחקים שונים מגלאי יחיד להשיג ערכה רבת מרחק, אך במקום להשתמש בארבעה שילובים של שני מקורות עצמאיים ושני גלאים עצמאיים, אנחנו צריכים לכייל לכוח השונה של שני מקורות ו הרווחים השונים של שני הגלאים. על ידי מדידת בלוק כיול של תכונות אופטיות ידועות, אנו מעריכים את המשרעת וגורמי תיקון שלב הדרושים כדי לשחזר את מקדמי קליטה ופיזור של בלוק הכיול.
  5. לאחר כיול, תרכוש 16 שניות יותר של נתונים על הבלוק וחזותי להעריך את הלימות הכיול עם דואר בבית MATLAB GUI. Μa נמדד וμs 'צריך להתאים את המקדמים בפועל של בלוק כיול בכל אורכי הגל. לכייל מחדש אם בכושר ירוד.
  6. אם רווחי גלאי צריכים להיות שונים, או סיבי מקור וגלאי צריכים להיות מנותקים במהלך מדידות, לחזור על תהליך הכיול של מכשיר FDNIRS.
  7. בסיומה של פגישת המדידה, לרכוש 16 שניות נוספות של נתונים על בלוק הכיול כדי לוודא אם הכיול נשמר במהלך מדידות בנושא. אם הכיול לא נשמר, לקחת כיול 2 בסוף המדידה ותחול על המידע שנרכש.

3. הגדרות DCS

  1. פתח בבית DCS נתוני רכישת GUI ולטעון את הקובץ המתאים לבדיקה האופטית בשימוש בהגדרות.
  2. לפני שמתחיל מדידות, ודא שכוח הליזר של מקור DCS מתאים לחשיפת עור על ידי מדידה לאהוא כוח הליזר של מקור DCS עם מד כוח ובדיקת גודל המקום עם כרטיס צפיית IR (הליזר פולט ב785 ננומטר, אשר אינו גלוי). כוח ליזר DCS הוא ~ 60 mW ומצמיד את הסיבים בקוטר קטן יחסית (400-600 מיקרומטר). כדי לעמוד בסטנדרטים של ANSI לחשיפת עור, האור בבדיקה חייב להיות מוחלש ומתפזר על פני שטח גדול. זו מושגת על ידי כיסוי קצה הסיב בקוטר 3 מ"מ לבן טפלון גיליון (איור 2-A). הטפלון מאוד פיזור נרחב ומפזר את קרן הליזר. ליד מיטת החולה, להבטיח כי כוח הליזר בבדיקה הוא פחות מ 25 mW וגודל הנקודה גדול יותר מ 3 מ"מ בקוטר. באשר לFDNIRS, תמיד לכבות מקורות וגלאים כשעוברים בדיקה האופטית.
  3. איתור DCS הוא פוטון-ספירה ואין התאמת רווח APD כנדרש עבור מכשיר FDNIRS. דגל בתוכנת הרכישה מציין אם יותר מדי אור מזוהה, ובמקרה כזה אור הצימוד לeitהמקור שלה או סיבי גלאי צריך להיות מופחת באמצעות הפיכת מחברי הסיב. גילוי נאות הוא אור בטווח של 200,000-4,000,000 פוטונים אותרו (מקביל ל-26 ~ 0 dB על צג המחשב). הימנע מאור בחדר מוגזם כדי להפחית את רעש רקע.
  4. DCS אינו דורש כיול למדוד CBF אני. זרימת דם היא פרופורציונלית לזמן שנדרש כדי לאבד את הקשר. גוש מוצק לא יספיק כדי לבדוק את איכות אות כי אין פיזור חלקיקים נעים לגורמים עששת. הזרוע של הנסיין במקום תערוכות ריקבון - מהר יותר את זרימת הדם, הריקבון התלול יותר.

4. רכישת נתונים

  1. אמנם ניתן לעשות FDNIRS ומדידות DCS מהירות ברצף, למדוד תחילה את כל המקומות במכשיר אחד ולאחר מכן לחזור על אותה ההתקדמות עם מכשיר האחר, באמצעות תוכנת רכישה עצמאית מתאימה לכל אחד.
  2. מדדו שבעה מקומות כיסוי חזיתי, זמני וparietאזורי al, על פי 10-20 מערכת (FP1, FpZ, FP2, C3, C4, P3, P4), ברצף (איור 2-B). חלק השיער לאורך קו מקור הגלאי ולמקם את החללית שבאזור הראש.
  3. הפעל לייזרים וגלאי FDNIRS ולבדוק את איכות האות: ספירת האמפליטודה צריכה להיות בין 2000 ל -20,000 ושלב משמרות SNR <2 מעלות. אם מחוץ לטווחים אלו, למקם מחדש את החללית, שיער הבטחתו נפרד וכל המקורות והגלאים נמצאים במגע עם העור.
  4. לרכוש נתונים עבור 16 שניות. חזור על מדידות עד שלוש פעמים בכל מיקום (איור 2-C), פרידת השיער ולמקם מחדש את החללית בנקודה שונה מעט לכל רכישה. הדבר נעשה כדי למזער את ההשפעה של inhomogeneities המקומי כגון שיער וספינות גדולות, שטחיות ולספק ערכים מייצגים של אזור, ולא נקודה אחת.
  5. הפעל DCS הליזר וגלאים ולרכוש נתונים עבור 10 שניות. שנה את מיקום הבדיקה והנציגלאכול את הרכישות (כמו באמצעי FDNIRS).
  6. כבה את כל הלייזרים בעת מעבר בין מקומות הבדיקה. איסוף נתונים בכל השבעה המקומות לא תמיד אפשרי. יש להפסיק את מדידות אם הנושא בא לידי ביטוי כל סימן של מצוקה או תנועה. נסה שוב את הרכישה אם זה אפשרי. אלקטרודות EEG או ציוד נשימה עשויות גם למנוע מדידות במקומות מסוימים.

5. מדד של פרמטרים מערכתיים

  1. לחישוב CMRO 2i, שני פרמטרים מערכתיים, חמצון העורקי (סאו 2) והמוגלובין בדם (HGB), חייב להיות שנרכש. HGB נחוץ גם כדי לחשב CBV. בעוד oximetry הדופק הקונבנציונלי מספק מדדים של סאו 2, HGB נמדד כמקובל בבדיקת דם. Oximeter דופק חדש, שפותח על ידי חברת Masimo, הוא מסוגל למדוד HGB הלא פולשני באמצעות אורכי גל מרובים. המכשיר הוא-FDA אשר לתינוקות> 3 ק"ג, ומאפשר MEAs bedside מהיריור של שניהם סאו 2 ו HGB.
  2. שיא סאו 2 ו HGB באמצעות Masimo דופק oximeter (נקודת Pronto לבדוק את הדופק של שיתוף oximeter). מדידות אלה, לצרף חיישן דבק חד פעמי לבוהן רגלו של התינוק. HGB יוצג על המסך תוך כמה שניות.
  3. כאשר לא ניתן להשתמש Masimo דופק השיתוף oximeter, מדד סאו 2 עם oximeters דופק-FDA האחר. HGB ניתן לשחזר או מתרשימים הקליניים של המטופלים או נאמד באמצעות ערכים נורמטיביים.

6. ניתוח נתונים

  1. פתח בבית לאחר עיבוד נתוני ניתוח GUI באמצעות MATLAB. תוכנה זו לא רק מעריכה את כל הפרמטרים המודינמים, אלא גם משתמשת ביתירות של נתונים כדי להעריך באופן אוטומטי את איכות מדידה והגבלת תוצאות.
  2. קריטריונים אובייקטיביים אוטומטיים לבקרת איכות מורכבת מנתוני השלכת לFDNIRS אם: R2 <0.98 להתאמת המודל של הנתונים הניסיוניים, p-value> 0.02 למקדם פירסון מוצר רגע המתאם בין מקדם הקליטה נמדדה 8 וכושר המוגלובין (איור 3-), p-value> 0.02 להתאמה ליניארית של מקדמי הפיזור המופחתים לעומת אורך גל (איור 3-B) 15. אם יותר מ 33 אחוזים מנתוני גוף השלכת, המערך השלם נמחק. לDCS, הנתונים נמחקים אם: הזנב של העקומה ההולמת שונה מ1 על ידי יותר מ 0.02, הווריאציה מצטברת בין 3 הנקודות הראשונות של העקומה היא יותר מ -0.1, או השווי הממוצע של 3 הנקודות הראשונות הוא יותר מ -1.6 (איור 4). אם עברתי יותר מ 50 אחוזים מעיקולים מבוטלים, או את הערכים המתאימים יש לי מקדמים שונים> 15 אחוזים, המערך השלם נמחק 15.
  3. חישוב ריכוזי HBr המוחלט HBO והולם את מקדמי קליטה בכל אורכי הגל, תוך שימוש בערכי המוגלובין ספרות להכחדת 16 מקדמים וריכוז 75 אחוזים ממים ברקמות 17. לגזור ריכוז מוחלט המוגלובין (= HBT HBO + HBr) וכן 2 (HBO / HBT) מריכוזי HBO וHBr.
  4. מעריך נפח דם במוח באמצעות המשוואה המתוארת בIjichi אח' 18. CBV = (HBT × MW המוגלובין) / (HGB × D BT), שבו MW Hb = 64500 [ג'/ מול] הוא משקל המולקולרי של המוגלובין, וD BT = 1.05 הוא גרם / מיליליטר צפיפות רקמת המוח.
  5. חישוב CBF אני ידי התאמת פונקציות autocorrelation הזמניות המדודות למשוואת קורלציה דיפוזיה. המסגרת התיאורטית המפורטת לחשב CBF אני נמצא בבועז ואח'. ובועז וYodh 10,11. במשוואות, השתמש מקדם קליטה בודדה שנמדד מFDNIRS וממוצע של המקדמים התפזרו על פני כל האוכלוסייה.
  6. לחשב את מדד צריכת חמצן במוח על ידי שימוש באמצעי FDNIRS של SO 2i = (HGB × × CBFi (סאו 2 - SO 2)) / (4 × MW Hb × β) 15, שבו הגורם 4 משקף את 2 ארבע מולקולות O חייבים כל ההמוגלובין וβ הוא תרומת אחוזים מתא הוורידים למדידת חמצון המוגלובין 19.

Representative Results

בחמש השנים האחרונות יש לנו הוכחנו את הכדאיות ותועלת קלינית של השיטה המוצעת. בפרט, אנו הראינו CMRO 2 כדי לייצג טובים יותר לבריאות והתפתחות המוח מאשר SO 2.

במחקר חתך על יותר מ 50 תינוקות בריאים, מצא כי בעוד CBV הוא יותר מכפול במהלך השנה הראשונה לחיים, ולכן קבוע 2 שרידים 4 (איור 5). במחקר שנערך על 70 תינוקות בריאים מצאנו גם כי SO 2 הוא קבוע על פני אזורים במוח בזמן CMRO 2i, CBV וCBF הם גבוהים יותר באזורי זמן והקודקודית מאשר באיזור הקדמי (איור 6) 20, העולה בקנה אחד עם ספיגת גלוקוז PET ממצאים 21. בשני המחקרים שלנו, הקבוע SO 2, בטווח 60-70 אחוזים מציין כי אספקת חמצן תואמת במידה רבה לצריכה מקומית, ואילו CBV, CBF וCMRO 2 הם מומחדש באופן הדוק עם התפתחות עצבית.

כדי לוודא שCMRO 2i הוא כלי סינון טוב יותר מאשר SO 2 באיתור פגיעה מוחית בילוד, מדדו תינוקות מוח פגועים בשלב החריף 5, ו( בכמה תינוקות) בשלב הכרוני כמה חודשים לאחר פציעה. תוצאות באיור 7 תכנית כיצד SO 2 הן לא השתנה באופן משמעותי על ידי פגיעה במוח בשני המוקדמים (1-15 ימים לאחר עלבון) וכרוניים (חודשים לאחר פציעה) השלבים, תוך CMRO 2i הוא שונה באופן משמעותי מרגיל במהלך שני השלבים האקוטיים וכרוניים . באופן ספציפי, CMRO 2i הוא גבוה בשלב החריף בשל פעילות התקפים לאחר פגיעה מוחית, והנמוך מרגילים בשלב הכרוני עקב איבוד עצבי.

תינוקות עם פציעות איסכמי Hypoxic כרגע מטופלים עם היפותרמיה טיפולית (TH) לחילוף חומרים במוח נמוך יותר ולהפחית את הניזק לאחר תוספות היפוקסיult. היפותרמיה טיפולית נשמרה במשך שלושה ימים והיינו מסוגל לעקוב אחר 11 תינוקות במהלך הטיפול (איור 8). מצאנו כי CMRO 2i מקטין באופן משמעותי לרמות נמוכות נורמלי במהלך TH, וירידה זו נראית כקשורה לתגובה לטיפול ותוצאה התפתחותית. תוצאות ראשוניות אלו עולות כי שיטת FDNIRS-DCS ייתכן שתוכל להדריך ולייעל את הטיפול ביפותרמיה.

איור 1
איור 1. תמונה של העגלה עם FDNIRS והתקני DCS. שני המכשירים הן קומפקטית מספיק כדי להתאים על עגלה קטנה שניתן להעביר לצד מיטתו של התינוק בפגייה.

איור 2
איור 2. () תצורת בדיקה אופטית. (ג') תמונה של מדידה אופיינית FDNIRS-DCS על תינוק.

איור 3
איור 3. דוגמאות מייצגות של כושר טוב והרע של מדוד (א) מקדם קליטה ו( B) מקדמי פיזור המתאים ההמוגלובין ואת ההתאמה ליניארית. P-ערך> 0.02 מתייחסים להתאמה טובה. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

איור 4
איור 4. דוגמה מייצגת של כושר טוב והרע של פונקצית autocorrelation מהתנודות בעצמה חושבועל ידי עם מתאם על פני טווח זמן השהיה של 200 NSEC - 0.5 שניות. בדמות הכושר הרעה הזנב של העקומה ההולמת שונה מ1 על ידי יותר מ 0.02 ואת הווריאציה של 3 הנקודות הראשונות היא יותר מ -0.1. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

איור 5
איור 5. שינויים בCBV וSO 2 פני אזורים בקליפת מוח קדמיים, זמניים והקודקודית בתינוקות מלידה ועד גיל שנה.

איור 6
איור 6. CBF, SO 2, CBV וCMRO 2i של החזיתי, teאזורי mporal והקודקודית ב70 תינוקות בריאים.

איור 7
איור 7. דוגמאות של צריכת חמצן חריגה ולכן 2 נורמלים לאחר פגיעה מוחית בתינוקות. פגיעה מוחית מתאפיינת בשינויים בCMRO 2 ביחס למצב נורמלי תוך SO 2 הן לא שונה באופן משמעותי מרגיל. שים לב שבשתי הדמויות האלה, CMRO 2 חושבים באמצעות יחסי הגרב, בגלל מידת DCS לא הייתה זמינה בעת המדידות אלה.

איור 8
איור 8. rCMRO 2 מתוך 11 תינוקות במהלך היפותרמיה טיפולית לעומת בקרות גיל מתאים בריאות. חילוף חומרים של חמצן מופחת מאוד בכל התינוקות עם טיפול היפותרמיה.

Discussion

אנחנו הדגמנו מדידת כמותית של המודינאמית וחילוף חומרים במוח ובFDNIRS DCS באוכלוסיית הילודים. תצורת החללית היא מותאמת למדידת קליפת מוח ילוד 14. שינויים בזרימת דם נמדדים על ידי DCS אומתו נרחב נגד שיטות אחרות בבעלי חיים ומחקרים בבני אדם 22,23. על ידי שימוש במדד DCS ישיר של זרימת דם, אנו מסוגלים להקטין את השונות בחישוב CMRO 24 2i. השונות מצעדים חוזרים ונשנים היו גם קטנות יותר מהשינויים בין אזורים במוח ובגיל 20.

מהתוצאות הקודמות שלנו, וCBFi CMRO 2i הראו שינויים משמעותיים עם PMA בפגים בריאים. המדד של CMRO 2i הוא טוב יותר מסוגל לזהות ניזק מוחי לעומת האמצעי של SO 2. הדבר מרמז כי אמצעים משולבים של פרמטרים וסקולריים וטבולים לשרת ב כחזק יותרiomarkers של בריאות מוח ילוד ופיתוח מרוויון חמצן בלבד. שיפורים טכניים יתמקדו בשילוב של שני מכשירים כדי לקצר את זמן רכישה 35-40% בכל הפעלה והיישום של משוב בזמן אמת על איכות נתונים כדי להפחית את התדירות של צעדים שהושלכו. בעתיד הקרוב, מערכת זו יכולה להיות מועברת למשתמשי קצה קליניים כצג מיטת רומן של חילוף חומרים של חמצן במוח שונה. על ידי מדידה של מסלולי CMRO 2 לאורך הזמן עשוי גם להגדיל משמעות קלינית ולחזות את התוצאות. כלי זה סופו של דבר יכול לתרום תרומה משמעותית לניהול משופר של פגיעה מוחית בילוד.

Disclosures

מריה אנג'לה Franceschini, בעלה דוד בועז, וBeniamino Barbieri (ISS Inc) מחזיקים בפטנטים על טכנולוגיה זו.

Acknowledgments

המחברים מודים לכל המשפחות להשתתפותם במחקר זה והאחיות, רופאים ואנשי צוות במחלקה לטיפול נמרץ היילודים, משתלת הטיפול המיוחדת, נוירולוגיה ילדים, ואת יחידות יולדות בבית החולים כלליים מסצ'וסטס, ריגהאם ובית החולים לנשים ובית החולים לילדים בבוסטון לעזרה ותמיכתם. בפרט אנו מודים לינדה ג'יי ואן מרטר, רוברט מ Insoft, ג'ונתן ח קרונין, ג'וליאן מזאווי, וסטיבן א רינגר. המחברים גם להודות מרסיה Kocienski-פיליפ, האיבון שלדון, Alpna Aggarwall, המאדים Artunguada וז'נבייב נווה על סיועם במהלך מדידות. פרויקט זה נתמך על ידי NIH R01-HD042908, R21-HD058725, P41-RR14075 וR43-HD071761. מרסיה Kocienski-פיליפ והאיבון שלדון נתמכת הפרס הקליני מדעים Translational UL1RR025758 לאוניברסיטת הרווארד וריגהאם ובית החולים לנשים מהמרכז הלאומי למחקר משאבים על ידי. התוכן הוא באחריות בלעדית שלuthors ואינו מייצג בהכרח את עמדתה הרשמית של המרכז הלאומי למשאבי מחקר או המכונים הלאומיים לבריאות.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Zaramella, P., et al. Can tissue oxygenation index (TOI) and cotside neurophysiological variables predict outcome in depressed/asphyxiated newborn infants? Early Hum. Dev. 83, 483-489 (2007).
  2. van Bel, F., Lemmers, P., Naulaers, G. Monitoring neonatal regional cerebral oxygen saturation in clinical practice: value and pitfalls. Neonatology. 94, 237-244 (2008).
  3. Boas, D. A., Franceschini, M. A. Haemoglobin oxygen saturation as a biomarker: the problem and a. 369, 4407-4424 (2011).
  4. Franceschini, M. A., et al. Assessment of infant brain development with frequency-domain near-infrared spectroscopy. Pediatr. Res. 61, 546-551 (2007).
  5. Grant, P. E., et al. Increased cerebral blood volume and oxygen consumption in neonatal brain injury. J. Cereb. Blood Flow Metab. 29, 1704-1713 (2009).
  6. Feddersen, B. A., Piston, D. W., Gratton, E. Digital parallel acquisition in frequency domain fluorimetry. Rev. Sci. Instrum. 60, 2929-2936 (1989).
  7. Fantini, S., et al. Frequency-domain multichannel optical detector for non-invasive tissue spectroscopy and oximetry. Opt. Eng. 34, 34-42 (1995).
  8. Cheung, C., Culver, J. P., Kasushi, T., Greenberg, J. H., Yodh, A. G. In vivo cerebrovascular measurement combining diffuse near-infrared absorption and correlation spectroscopies. Phys. Med. Biol. 46, 2053-2065 (2001).
  9. Durduran, T., et al. Diffuse optical measurement of blood flow, blood oxygenation, and metabolism in a human brain during sensorimotor cortex activation. Opt. Lett. 29, 1766-1768 (2004).
  10. Boas, D. A., Campbell, L. E., Yodh, A. G. Scattering and imaging with diffusing temporal field correlations. Phys. Rev. Lett. 75, 1855-1859 (1995).
  11. Boas, D. A., Yodh, A. G. Spatially varying dynamical properties of turbid media probed with diffusing temporal light correlation. J. Opt. Soc. Am. A. 14, 192-215 (1997).
  12. Buckley, E. M., et al. Validation of diffuse correlation spectroscopic measurement of cerebral blood flow using phase-encoded velocity mapping magnetic resonance imaging. J. Biomed. Opt. 17, 037007 (2012).
  13. Irwin, D., et al. Influences of tissue absorption and scattering on diffuse correlation spectroscopy blood flow measurements. Biomedical Optics Express. 2, 1969-1985 (2011).
  14. 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. Biomed. Opt. Exp. 2, 552-567 (2011).
  15. Roche-Labarbe, N., et al. Noninvasive optical measures of CBV, StO2, CBF index, and rCMRO2 in human premature neonates' brains in the first six weeks of life. Hum. Brain Mapp. 31, 341-352 (2010).
  16. Wray, S., Cope, M., Delpy, D. T., Wyatt, J. S., Reynolds, E. O. Characterization of the near infrared absorption spectra of cytochrome aa3 and haemoglobin for the non-invasive monitoring of cerebral oxygenation. Biochim. Biophys. Acta. 933, 184-192 (1988).
  17. Wolthuis, R., et al. Determination of water concentration in brain tissue by Raman spectroscopy. Anal. Chem. 73, 3915-3920 (2001).
  18. Ijichi, S., et al. Developmental changes of optical properties in neonates determined by near-infrared time-resolved spectroscopy. Pediatr. Res. 58, 568-573 (2005).
  19. Watzman, H. M., et al. Arterial and venous contributions to near-infrared cerebral oximetry. Anesthesiology. 93, 947 (2000).
  20. Lin, P. Y., et al. Regional and hemispheric asymmetries of cerebral hemodynamic and oxygen metabolism in newborns. Cereb. Cortex. , (2012).
  21. Chugani, H. T. A critical period of brain development: studies of cerebral glucose utilization with PET. Prev. Med. 27, 184-188 (1998).
  22. Carp, S. A., Dai, G. P., Boas, D. A., Franceschini, M. A., Kim, Y. R. Validation of diffuse correlation spectroscopy measurements of rodent cerebral blood flow with simultaneous arterial spin labeling MRI; towards MRI-optical continuous cerebral metabolic monitoring. Biomed. Opt. Exp. 1, 553-565 (2010).
  23. Durduran, T., et al. Optical measurement of cerebral hemodynamics and oxygen metabolism in neonates with congenital heart defects. J. Biomed. Opt. 15, 037004 (2010).
  24. Roche-Labarbe, N., et al. Near infrared spectroscopy assessment of cerebral oxygen metabolism in the developing premature brain. J. Cereb. Blood Flow Metab. 32, 481-488 (2012).

Tags

רפואה גיליון 73 ביולוגיה התפתחותית נוירוביולוגיה מדעי המוח הנדסה ביו רפואית אנטומיה פיזיולוגיה ליד ספקטרוסקופית אינפרא האדום המתאם ספקטרוסקופיה המפוזרת המודינאמית מוחות חילוף חומרים במוח הקרנת פגיעה מוחית בריאות מוח התפתחות מוח יילודים תינוקות הדמיה הקלינית טכניקות
מדידה אופטית לא פולשנית של מטבוליזם ופרמטרים המודינמיים במוח אצל תינוקות
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lin, P. Y., Roche-Labarbe, N.,… More

Lin, P. Y., Roche-Labarbe, N., Dehaes, M., Carp, S., Fenoglio, A., Barbieri, B., Hagan, K., Grant, P. E., Franceschini, M. A. Non-invasive Optical Measurement of Cerebral Metabolism and Hemodynamics in Infants. J. Vis. Exp. (73), e4379, doi:10.3791/4379 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter