हम आवृत्ति डोमेन फैलाना सहसंबंध स्पेक्ट्रोस्कोपी मस्तिष्क में रक्त के प्रवाह सूचकांक के उपाय करने के लिए ऑक्सीजन चयापचय के एक सूचकांक के अनुमान के साथ मस्तिष्क हीमोग्लोबिन oxygenation के निकट अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी उपायों संयुक्त. हम एक bedside स्क्रीनिंग स्वास्थ्य और नवजात शिशु के मस्तिष्क के विकास का मूल्यांकन करने के लिए एक उपकरण के रूप में इस उपाय की उपयोगिता का परीक्षण किया.
Perinatal brain injury remains a significant cause of infant mortality and morbidity, but there is not yet an effective bedside tool that can accurately screen for brain injury, monitor injury evolution, or assess response to therapy. The energy used by neurons is derived largely from tissue oxidative metabolism, and neural hyperactivity and cell death are reflected by corresponding changes in cerebral oxygen metabolism (CMRO2). Thus, measures of CMRO2 are reflective of neuronal viability and provide critical diagnostic information, making CMRO2 an ideal target for bedside measurement of brain health.
Brain-imaging techniques such as positron emission tomography (PET) and single-photon emission computed tomography (SPECT) yield measures of cerebral glucose and oxygen metabolism, but these techniques require the administration of radionucleotides, so they are used in only the most acute cases.
Continuous-wave near-infrared spectroscopy (CWNIRS) provides non-invasive and non-ionizing radiation measures of hemoglobin oxygen saturation (SO2) as a surrogate for cerebral oxygen consumption. However, SO2 is less than ideal as a surrogate for cerebral oxygen metabolism as it is influenced by both oxygen delivery and consumption. Furthermore, measurements of SO2 are not sensitive enough to detect brain injury hours after the insult 1,2, because oxygen consumption and delivery reach equilibrium after acute transients 3. We investigated the possibility of using more sophisticated NIRS optical methods to quantify cerebral oxygen metabolism at the bedside in healthy and brain-injured newborns. More specifically, we combined the frequency-domain NIRS (FDNIRS) measure of SO2 with the diffuse correlation spectroscopy (DCS) measure of blood flow index (CBFi) to yield an index of CMRO2 (CMRO2i) 4,5.
With the combined FDNIRS/DCS system we are able to quantify cerebral metabolism and hemodynamics. This represents an improvement over CWNIRS for detecting brain health, brain development, and response to therapy in neonates. Moreover, this method adheres to all neonatal intensive care unit (NICU) policies on infection control and institutional policies on laser safety. Future work will seek to integrate the two instruments to reduce acquisition time at the bedside and to implement real-time feedback on data quality to reduce the rate of data rejection.
FDNIRS डिवाइस 8 लेजर आठ 660 से 830 एनएम को लेकर तरंगदैर्य, और दो photomultiplier ट्यूब डिटेक्टरों (PMT) में उत्सर्जन डायोड के दो समान सेट के साथ एक स्वनिर्धारित आवृत्ति डोमेन आईएसएस इंक से प्रणाली है. सूत्रों का कहना है डिटेक्टरों और 110 मेगाहर्ट्ज और 110 मेगाहर्ट्ज से अधिक 5 kHz संग्राहक हैं, क्रमशः, heterodyne 6 का पता लगाने को प्राप्त है. प्रत्येक लेजर डायोड पर 10 मिसे के लिए बदल गया है अनुक्रम में चक्र प्रति एक 160 मिसे कुल अधिग्रहण के समय के लिए. सूत्रों का कहना है डिटेक्टरों और फाइबर ऑप्टिक्स के लिए मिलकर कर रहे हैं और एक ऑप्टिकल जांच में एक पंक्ति में व्यवस्थित. जांच पर फाइबर की व्यवस्था ऐसी है कि यह चार अलग स्रोत डिटेक्टर separations का उत्पादन है. कई दूरी पर प्रेषित प्रकाश (आयाम क्षीणन और चरण में बदलाव) को मापने के द्वारा, हम निगरानी के तहत (μa) अवशोषण और बिखरने ऊतक के (μs ') coefficients यों कर सकते हैं. कई तरंगदैर्य पर अवशोषण coefficients से, हम तो oxygenated (एचबीओ) के निरपेक्ष मूल्यों का अनुमान है औरdeoxygenated (HBR) में हीमोग्लोबिन सांद्रता 7, मस्तिष्क में रक्त मात्रा (CBV) और हीमोग्लोबिन ऑक्सीजन संतृप्ति (2 एसओ).
निर्मित प्रणाली डीआरएस द्वारा विकसित एक समान – DCS डिवाइस एक घर है. अर्जुन Yodh और 8,9 पेंसिल्वेनिया विश्वविद्यालय में Turgut Durduran. DCS प्रणाली है कि एक ठोस के होते हैं – राज्य, 785 एनएम पर लंबे समय के जुटना लेजर, चार फोटॉन – गिनती हिमस्खलन photodiode (APD) (EG & G Perkin Elmer SPCM – AQRH) डिटेक्टरों कम अंधेरे मायने रखता (<50 मायने रखता है / सेक) की विशेषता और एक उच्च क्वांटम (785 एनएम पर 40%), उपज और एक चार चैनल, 200 nsec संकल्प के साथ 256 बिन बहु – ताऊ correlator. DCS साथ हम गुणा बिखरे हुए प्रकाश के अस्थायी तीव्रता उतार चढ़ाव है कि बदलाव डॉपलर लाल रक्त कोशिकाओं हिल द्वारा उत्पादित से उठता बढ़ाता द्वारा प्रमस्तिष्क प्रांतस्था में microvascular रक्त प्रवाह को मापने. तकनीक, लेजर डॉपलर रक्त flowmetry के लिए इसी तरह की (यानी वे फूरियर Tr0.5 सेकंड ansform) analogs, प्रत्येक डिटेक्टर 200 nsec की एक देरी समय सीमा पर एक डिजिटल correlator द्वारा गणना चैनल की तीव्रता उतार चढ़ाव के एक autocorrelation समारोह के उपाय. correlator अस्थायी ऊतक से फिर उभरती प्रकाश की तीव्रता ऑटो सहसंबंध computes. हम तो प्रसार सहसंबंध मापा autocorrelation समारोह समीकरण फिट क्रमिक रूप से हासिल कर ली है, के बारे में एक बार प्रति सेकंड, रक्त प्रवाह (CBF मैं) सूचकांक 10,11 प्राप्त. रक्त के प्रवाह में परिवर्तन की DCS उपाय बड़े पैमाने पर किया गया है 12,13 वैधीकृत. मैं CBF की DCS उपायों के साथ 2 तो FDNIRS उपायों संयोजन करके, हम मस्तिष्क ऑक्सीजन चयापचय (CMRO 2i) के एक अनुमान प्राप्त करने के.
हम मस्तिष्क और और नवजात आबादी में FDNIRS DCS साथ hemodynamic चयापचय के एक मात्रात्मक माप का प्रदर्शन किया. जांच विन्यास नवजात मस्तिष्क प्रांतस्था 14 को मापने के लिए अनुकूलित है. रक्त का प्रवाह DCS द्वारा मापा परिवर्तन बड़े पैमाने पर किया गया है जानवर और मानव अध्ययन में 22,23 अन्य तकनीकों के खिलाफ मान्य. रक्त प्रवाह का एक सीधा DCS उपाय का उपयोग करके, हम CMRO 2i 24 की गणना में अंतर को कम करने में सक्षम हैं. दोहराया उपायों से विचरण भी मस्तिष्क क्षेत्रों के बीच और 20 साल की उम्र के साथ परिवर्तन की तुलना में छोटे.
हमारे पिछले परिणामों से, CBFi और CMRO 2i PMA साथ स्वस्थ अपरिपक्व नवजात शिशुओं में महत्वपूर्ण परिवर्तन दिखाया. CMRO 2i के उपाय बेहतर उपाय के 2 अतः तुलना में मस्तिष्क क्षति का पता लगाने में सक्षम है. यह पता चलता है संवहनी और चयापचय पैरामीटर की है कि संयुक्त उपायों के रूप में और अधिक मजबूत ख की सेवानवजात मस्तिष्क स्वास्थ्य और विकास की ऑक्सीजन संतृप्ति से अकेले iomarkers. तकनीकी सुधार दो उपकरणों के एकीकरण पर ध्यान केंद्रित करने के लिए अधिग्रहण के समय प्रति सत्र 35-40% और डेटा की गुणवत्ता पर प्रतिक्रिया वास्तविक समय के कार्यान्वयन के लिए त्याग उपायों की आवृत्ति कम कम हो जाएगा. निकट भविष्य में, इस प्रणाली बदल मस्तिष्क ऑक्सीजन चयापचय के एक उपन्यास bedside निगरानी के रूप में नैदानिक अंत उपयोगकर्ताओं के लिए दिया जा सकता है. समय पर CMRO 2 के trajectories मापने के द्वारा भी नैदानिक महत्व में वृद्धि कर सकते हैं और परिणाम की भविष्यवाणी. यह उपकरण अंततः नवजात मस्तिष्क की चोट के बेहतर प्रबंधन की दिशा में एक महत्वपूर्ण योगदान कर सकता है.
The authors have nothing to disclose.
The authors thank all the families for their participation in this study and the nurses, physicians, and staff in the Neonatal ICU, the Special Care Nursery, Pediatric Neurology, and the maternity units at Massachusetts General Hospital, Brigham and Women’s Hospital and Boston Children’s Hospital for their help and support. In particular we thank Linda J. Van Marter, Robert M. Insoft, Jonathan H. Cronin, Julianne Mazzawi, and Steven A. Ringer. The authors also thank Marcia Kocienski-Filip, Yvonne Sheldon, Alpna Aggarwall, Maddy Artunguada and Genevieve Nave for their assistance during measurements. This project is supported by NIH R01-HD042908, R21- HD058725, P41- RR14075 and R43-HD071761. Marcia Kocienski-Filip and Yvonne Sheldon are supported by the Clinical Translational Science Award UL1RR025758 to Harvard University and Brigham and Women’s Hospital from the National Center for Research Resources. The content is solely the responsibility of the authors and does not necessarily represent the official views of the National Center for Research Resources or the 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 |