Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Medicine

Niet-invasieve optische meting van Cerebral Metabolisme en Hemodynamica bij zuigelingen

doi: 10.3791/4379 Published: March 14, 2013

Summary

We combineerden frequentie-domein nabij-infrarood spectroscopie maatregelen van de cerebrale oxygenatie hemoglobine met diffuse correlatie spectroscopie maatregelen van de cerebrale doorbloeding index om een ​​index van zuurstof metabolisme te schatten. We testten het nut van deze maatregel als een bed screening instrument om de gezondheid en ontwikkeling van de pasgeborene hersenen te evalueren.

Abstract

Perinatale hersenletsel blijft een belangrijke oorzaak van kindersterfte en morbiditeit, maar er is nog geen effectieve bed instrument dat nauwkeurig kan screenen op hersenletsel, monitor letsel evolutie of beoordelen respons op de therapie. De energie die wordt gebruikt door neuronen is afgeleid grotendeels uit weefsel oxidatieve metabolisme, en neurale hyperactiviteit en celdood worden weerspiegeld door de bijbehorende veranderingen in cerebrale zuurstof metabolisme (CMRO 2). Zo maatregelen van CMRO 2 zijn een afspiegeling is van neuronale levensvatbaarheid en een kritische diagnostische informatie, het maken van CMRO 2 een ideaal doelwit voor de nachtkastmodus meten van gezondheid van de hersenen.

Brain-beeldvormingstechnieken zoals positron emissie tomografie (PET) en single-photon emission computed tomography (SPECT) opbrengst maatregelen van cerebrale glucose en zuurstof metabolisme, maar deze technieken vereisen toediening van radionucleotiden, zodat ze worden gebruikt in alleen de meest acute gevallen.

Continuous-wave nabij-infrarood spectroscopie (CWNIRS) biedt niet-invasieve en niet-ioniserende straling maatregelen van hemoglobine zuurstofsaturatie (SO 2) als een surrogaat voor cerebrale zuurstofverbruik. Echter, SO 2 is minder dan ideaal als een surrogaat voor cerebrale zuurstof metabolisme omdat het wordt beïnvloed door zowel zuurstof levering en het verbruik. Bovendien metingen van SO 2 zijn niet gevoelig genoeg om hersenletsel uur sporen na de belediging 1,2, omdat zuurstofverbruik en de levering te bereiken evenwicht na acute transiënten 3. We onderzochten de mogelijkheid om meer geavanceerde NIRS optische methoden voor cerebrale zuurstofmetabolisme kwantificeren aan het bed in gezonde en hersenen verwonde pasgeborenen. Meer specifiek wordt het frequentiedomein NIRS (FDNIRS) maat SO 2 met diffuse correlatie spectroscopie (DCS) meting van de bloedstroom index (CBF i) gecombineerd yield een index van CMRO 2 (CMRO 2i) 4,5.

Met de gecombineerde FDNIRS / DCS systeem zijn wij in staat om cerebrale metabolisme en hemodynamiek te kwantificeren. Dit betekent een verbetering ten opzichte van CWNIRS voor het opsporen van gezondheid van de hersenen, ontwikkeling van de hersenen, en de respons op therapie bij neonaten. Bovendien is deze methode voldoet aan alle neonatale intensive care unit (NICU) beleid inzake infectiepreventie en institutionele beleid voor laser veiligheid. Toekomstig werk zal trachten de twee instrumenten te integreren om acquisitie te verminderen aan het bed en de real-time feedback te passen op de kwaliteit van gegevens om de snelheid van data afwijzing te verminderen.

Introduction

De FDNIRS apparaat is een maat frequentiedomein systeem van ISS Inc met twee identieke sets van 8 Laserdiodes die emitteren op acht golflengten variërend 660 tot 830 nm, en twee fotomultiplicatorbuis (PMT) detectors. En detectoren worden gemoduleerd bij 110 MHz en 110 MHz plus 5 kHz, respectievelijk 6 heterodyne detektie bereikt. Elke laser diode ingeschakeld gedurende 10 msec in sequentie, een 160 msec totale opnametijd per cyclus. En detectoren zijn gekoppeld met glasvezel en in een rij in een optische sonde. De opstelling van vezels op de probe is zodanig dat vier verschillende bron-detector produceert scheidingen. Door het meten van doorvallend licht (de demping en faseverschuiving) op meerdere afstanden, kunnen we kwantificeren van de absorptie (uA) en verstrooiing (us ') coëfficiënten van het weefsel onder observatie. Van de absorptiecoëfficiënten bij meerdere golflengten, dan schatten we de absolute waarden van geoxygeneerde (HbO) enzuurstofarme (HbR) hemoglobineconcentraties 7, cerebrale bloedvolume (CBV) en zuurstofsaturatie van hemoglobine (SO 2).

De DCS-apparaat is een home - built systeem vergelijkbaar is met die welke is ontwikkeld door Drs. Arjun yodh en Turgut Durduran aan de Universiteit van Pennsylvania 8,9. De DCS-systeem dat bestaat uit een solid - state, lange samenhang laser op 785 nm, vier foton tellen lawine fotodiode (APD) detectoren (EG & G Perkin Elmer SPCM-AQRH) met lage donkere tellingen (<50 tellingen / sec) en een hoge quantum rendement (> 40% bij 785 nm) en een vier-kanaals, 256-bin multi-tau correlator, met 200 nsec resolutie. Met de DCS we meten microvasculaire bloedstroom in cerebrale cortex door kwantificeren van de tijdelijke schommelingen intensiteit van meervoudig verstrooid licht dat voortkomt uit Dopplerverschuivingen door bewegende rode bloedcellen. De techniek, vergelijkbaar met laser Doppler bloed flowmetrie (dat wil zeggen zij zijn Fourier Transform analoga), meet een autocorrelatiefunctie van de intensiteit schommelingen van elke detector kanaal berekend door een digitale correlator over een vertragingstijd van 200 nsec - 0,5 sec. De correlator berekent de tijdelijke intensiteit autocorrelatie van het licht weer die uit weefsel. Vervolgens hebben we passen de diffusie correlatie vergelijking met de gemeten autocorrelatiefunctie, verworven na elkaar, ongeveer een keer per seconde, om de bloedstroom index (CBF i) 10,11 te verkrijgen. DCS maatregelen van de bloedstroom wijzigingen zijn uitgebreid gevalideerd 12,13. Door het combineren van de FDNIRS maatregelen van SO 2 met de DCS-maatregelen van CBF i, bereiken we een schatting van de cerebrale zuurstof metabolisme (CMRO 2i).

Protocol

1. Voorbereiding voor Bedside maatregelen

  1. De FDNIRS en de DCS-systemen zijn compact en eenvoudig om op een kleine kar te verplaatsen naar het bed van de baby in het ziekenhuis (figuur 1).
  2. Na het verplaatsen van de kar bij de apparaten die het bed, zet de systemen en sluit de optische sonde naar de FDNIRS en DCS-apparaten. Zorg ervoor dat twee onderzoekers aanwezig zijn voor elke meting: een om de instrumenten en de computer te beheren, en een om de sonde te houden.
  3. Kies de juiste probe volgens de baby postmenstruele leeftijd (PMA). De optische sonde met FDNIRS bron-detector scheidingen van 1, 1,5, 2 en 2,5 cm gebruikt voor zuigelingen <37 weken PMA en de probe met FDNIRS scheidingen 1,5, 2, 2,5 en 3 cm gebruikt voor oudere kinderen (figuur 2-A ). De keuze van een kortere bron-detector scheidingen wordt gedicteerd door prematuren 'kleine formaat en groter hoofd kromming. Bij gebruik van een grotere sonde met een te vroeg geboren baby, de met beively kleinere omvang van het hoofd van de baby en haar belangrijke kromming samen daadwerkelijke contact tussen het hoofd van de baby en alle bronnen en detectoren. Daarom de probe met FDNIRS bron-detector scheidingen van 1, 1,5, 2 en 2,5 cm is passend voor gebruik met prematuren. Ons onderzoek heeft vastgesteld dat de gekozen bron-detector scheidingen voldoende zijn om optische eigenschappen van de cerebrale cortex van zowel premature en termijndeposito 14 te meten. DCS bron en detector vezels zijn aangebracht in een rij parallel aan de FDNIRS vezels met bron-detector afstand van 1,5 (een detector) en 2 cm (drie detectoren) in zowel premature en voldragen zuigelingen probes.
  4. Sanitize de optische probes met een Sani-doek desinfecteren vegen en plaats de sonde en vezels in een eenmalig gebruik polypropyleen plastic hoesje.

2. FDNIRS Gain Instellingen en kalibratie

  1. Open de FDNIRS Graphical User Interface (GUI) en selecteer het programma-instellingen bestandovereenkomt met de probe en kalibratieblok gebruikt.
  2. Om detector voordelen passen plaats voorzichtig de sonde op een gebied van het hoofd van de proefpersoon onthaard (bij voorkeur de linkerzijde van het voorhoofd) en onderhouden in dezelfde positie zonder druk. Schakel en detectoren en pas PMT voltage tot de amplitude van elke van de bron lasers bereikt 20.000 telt. 32.000 telt is de maximale digitalisering van de analoge naar digitale acquisitie kaart, en de winsten moeten worden ingesteld onder die drempel om verzadiging te vermijden tijdens de data-acquisitie. De winst moet worden ingesteld in het frontale gebied, omdat deze regio heeft in het algemeen de laagste absorptie van laserlicht en is daarom het meest gevoelig voor verzadiging.
  3. Zet de bronnen en detectoren en geeft het probe om de kalibratie blok. De lasers moeten worden uitgeschakeld bij het verplaatsen van de sonde voor het oog de veiligheid, de detectoren moeten worden uitgeschakeld, omdat PMT's zijn zeer gevoelig en blootstelling aan een helder licht increases achtergrondgeluiden en kan permanent beschadigen.
  4. Met de sonde terug op de kalibratie blok, gebruik maken van de ND (neutrale dichtheid) filter als een bron-detector paar verzadigde verbindingen. Verschillende ND filters kunnen worden geselecteerd als gevolg van het optimaliseren van winst bij kinderen met verschillende huidskleuren Houd de sonde nog gedurende 16 seconden tijdens het uitvoeren van de kalibratie procedure. Aangezien we niet fysiek een bron naar verschillende afstanden van een detector om een ​​multi-afstand regeling te bereiken, maar gebruik vier combinaties van twee onafhankelijke bronnen en twee onafhankelijke detectoren moeten we voor de verschillende kalibreren van de twee bronnen de verschillende voordelen van de twee detectoren. Door het meten van een kalibratieblok bekende optische eigenschappen schatten we de amplitude en fase correctiefactoren nodig absorptie-en verstrooiingscoëfficiënten van het kalibratieblok herstellen.
  5. Na de kalibratie te verwerven 16 meer sec van gegevens over het blok en optische beoordeling van de toereikendheid van de ee kalibratie met een in-house MATLAB GUI. De gemeten uA en us 'moet overeenkomen met de werkelijke coëfficiënten van de kalibratie blok op alle golflengten. Kalibreer indien de pasvorm is slecht.
  6. Als detector winsten moeten worden gewijzigd, of de bron en detector vezels moeten worden losgekoppeld tijdens de metingen, herhaalt u de kalibratie procedure van het FDNIRS apparaat.
  7. Aan het einde van de meetsessie verwerven eens 16 sec van gegevens over de kalibratieblok nagaan of de kalibratie werd gedurende metingen aan het onderwerp. Indien de kalibratie niet gehandhaafd, raadpleeg tweede kalibratiepunt aan het einde van de meting en toepassing op de verkregen gegevens.

3. DCS-instellingen

  1. Open de in-house DCS data-acquisitie GUI en laad het bestand met instellingen die overeenkomen met de optische sonde wordt gebruikt.
  2. Voordat u begint met metingen, controleert u of het laservermogen van de DCS bron geschikt is voor blootstelling van de huid door het meten van thij laservermogen van de DCS bron met een vermogensmeter en het controleren van de puntgrootte met een IR-weergave-kaart (de laser zendt op 785 nm, wat niet zichtbaar is). De DCS laservermogen is ongeveer 60 mW en gekoppeld met een relatief kleine diameter vezels (400-600 um). Om ANSI-normen voor blootstelling van de huid te voldoen, moet het licht aan de sonde worden verzwakt en verspreid over een groot gebied. Dit wordt bereikt door van de punt van de vezel met een diameter van 3 mm wit vel Teflon (figuur 2-A). De Teflon is zeer verstrooiing en breed verspreidt de laserstraal. Aan het bed, ervoor dat het laservermogen op de probe is minder dan 25 mW en de spot groter is dan 3 mm in diameter. Wat de FDNIRS moet altijd eerst de bronnen en detectoren bij het verplaatsen van de optische sonde.
  3. DCS detectie foton tellen en er geen APD versterkingsinstelling wordt vereist voor de FDNIRS apparaat. Een vlag in de acquisitie software geeft aan of te veel licht wordt gedetecteerd, in welk geval het licht koppeling aan het EIThaar bron of detector vezels moet worden verminderd door de glasvezelconnectoren. Voldoende licht detectie is op het bereik van de 200,000-4,000,000 gedetecteerde fotonen (overeenkomend tot -26 ~ 0 dB op de computer display). Vermijd overmatig kunstlicht om achtergrondgeluid te verminderen.
  4. De DCS vereist geen kalibratie CBF i te meten. Bloedstroom is evenredig aan de tijd die nodig correlatie te verliezen. Een massief blok is niet voldoende om de signaalkwaliteit controleren, omdat er geen bewegende verstrooiende deeltjes aan bederf veroorzaken. Een onderzoeker de arm toont in plaats verval - hoe sneller de bloedstroom, hoe steiler het verval.

4. Data Acquisition

  1. Terwijl FDNIRS en DCS metingen kunnen snel worden gedaan in de juiste volgorde, eerst meten alle locaties met een apparaat en herhaal dezelfde progressie met het andere apparaat, met behulp van onafhankelijke acquisitie software die overeenkomt met elke.
  2. Meet zeven locaties met betrekking tot frontale, temporale en Parietal gebieden volgens een 10-20 systeem (Fp1, VBZ FP2, C3, C4, P3, P4) in sequentie (Figuur 2-B). De haren langs de bron-detector lijn en plaats de sonde op die gebieden van het hoofd.
  3. Schakel FDNIRS lasers en detectoren en controleer de signaalkwaliteit: amplitude tellingen moet tussen 2.000 en 20.000 en faseverschuivingen SNR <2 graden. Als buiten deze bereiken, verplaatsen de probe, zodat een scheiding wordt en alle bronnen en detectoren in contact met de huid.
  4. Verwerven gegevens voor 16 sec. Herhaal metingen tot drie keer per locatie (Figuur 2-C), scheiden het haar en herpositionering van de probe in een iets andere plek per acquisitie. Dit wordt gedaan om het effect van lokale inhomogeniteiten zoals haren en oppervlakkige grote schepen minimaliseren en waarden representatief een regio in plaats van een enkele vlek geven.
  5. Zet de DCS laser en detectoren en verwerven data gedurende 10 sec. Plaats de sonde en repeet de acquisities (zoals bij de FDNIRS maatregelen).
  6. Schakel alle lasers bij het verplaatsen van de sonde tussen locaties. Gegevensverzameling in alle zeven locaties is niet altijd mogelijk. Stop met metingen als het onderwerp zich manifesteert enig teken van ongemak of beweging. Probeer de overname, indien mogelijk. EEG-elektroden of respiratoire apparatuur kan ook verhinderen dat de metingen op sommige locaties.

5. Maatregel van Systemische Parameters

  1. Voor de berekening van CMRO 2i, twee systemische parameters, arteriële oxygenatie (SaO 2) en hemoglobine in het bloed (HGB), moet worden verworven. HGB is ook nodig om CBV berekenen. Terwijl conventionele pulsoximetrie voorziet in maatregelen van São 2 wordt HGB conventioneel gemeten met een bloedonderzoek. Een nieuwe pulsoximeter, ontwikkeld door Masimo Corporation, kan HGB meten niet-invasieve door meerdere golflengten. Het apparaat is door de FDA goedgekeurd voor kinderen> 3 kg, en zorgt voor een snelle bed measure zowel SaO 2 en HGB.
  2. Record SaO 2 en HGB met behulp van een Masimo pulsoximeter (Pronto controle ter plaatse pulse co-oximeter). Voor deze metingen bevestigen een lijm voor eenmalig gebruik sensor op de grote teen van de voet van de baby. HGB wordt weergegeven op de monitor binnen een paar seconden.
  3. Wanneer het niet mogelijk is de Masimo pulse co-oximeter, maatregel SaO 2 met andere FDA goedgekeurde pulsoximeters. HGB kan worden verhaald op de patiënt klinische grafieken of geschat met behulp van normatieve waarden.

6. Data-analyse

  1. Open een eigen post-processing data-analyse GUI met behulp van MATLAB. Deze software niet alleen schat alle hemodynamische parameters, maar maakt ook gebruik van de redundantie van gegevens voor het automatisch beoordelen kwaliteit van de meting en de resultaten te beperken.
  2. Automatische objectieve criteria voor kwaliteitscontrole uit gegevens te verwijderen voor FDNIRS als: R2 <0,98 voor het model fit van de experimentele data, p-waarde> 00,02 voor de Pearson correlatiecoëfficiënt tussen de acht gemeten absorptiecoëfficiënten en hemoglobine fit (Figuur 3-A), p-waarde> 0,02 voor de lineaire fit van de gereduceerde verstrooiing coëfficiënten tegen golflengte (figuur 3-B) 15. Indien meer dan 33 procent van de data verdiensten ontdoen, is het geheel verwijderd. Voor DCS, data wordt verwijderd indien: de staart van de curve fitting verschilt van een meer dan 0,02, de cumulatieve variatie tussen de eerste 3 punten van de kromme is dan 0,1, of de gemiddelde waarde van de drie eerste punten is dan 1,6 (Figuur 4). Indien meer dan 50 procent van de curves worden verwijderd of de fit waarden een variatiecoëfficiënt> 15 procent, is het geheel weggegooid 15.
  3. Bereken absolute HBO en HbR concentraties door het aanbrengen van de absorptie-coëfficiënten bij alle golflengtes, met behulp van literatuur waarden voor Hb extinctiecoëfficiënten 16 eneen 75 procent concentratie van water in weefsel 17. Leid totale hemoglobineconcentratie (HBT = HBO + HbR) en SO 2 (HBO / HBT) van HBO en HbR concentraties.
  4. Schatting cerebrale bloedvolume behulp van de vergelijking beschreven in Ijichi et al. 18. CBV = (HBT x MW Hb) / (HGB x D bt), waarbij MW = 64.500 Hb [g / mol] is het molecuulgewicht van Hb en D bt = 1,05 g / ml is het hersenweefsel dichtheid.
  5. Bereken CBF i door het aanbrengen van de gemeten tijd autocorrelatie functies om de verspreiding correlatie vergelijking. De gedetailleerde theoretisch kader te CBF berekenen i is in Boas et al.. En Boas en yodh 10,11. In de vergelijkingen met afzonderlijke absorptiecoëfficiënten gemeten FDNIRS en een gemiddelde van de coëfficiënten verstrooiing over de gehele bevolking.
  6. Bereken de index van cerebrale zuurstofverbruik door de mate van SO FDNIRS 2i = (x HGB CBFi × (SaO 2 - SO 2)) / (4 x MW Hb × β) 15, waarbij de factor 4 geeft de vier O 2 moleculen aan elkaar gebonden hemoglobine en β is het percentage bijdrage van de veneuze compartiment aan de hemoglobine oxygenatie meting 19.

Representative Results

In de afgelopen vijf jaar hebben wij aangetoond dat de haalbaarheid en de klinische bruikbaarheid van de voorgestelde methode. In het bijzonder hebben we aangetoond CMRO 2 tot meer representatief gezondheid van de hersenen en ontwikkeling dan SO 2.

In een cross-sectionele studie naar meer dan 50 gezonde zuigelingen, vonden we dat, terwijl CBV is meer dan het dubbele in het eerste jaar van het leven, SO 2 constant blijft 4 (figuur 5). In een studie op 70 gezonde pasgeborenen we vonden ook dat SO 2 is constant in hersengebieden terwijl CMRO 2i, CBV en CBF hoger in temporale en pariëtale gebieden dan in het frontale gebied (Figuur 6) 20, die overeenkomt met PET glucoseopname bevindingen 21. In beide van onze studies, de constante SO 2, binnen een 60-70 procent bereik geeft aan dat zuurstof levering overeenkomt met de lokale consumptie, terwijl de CBV, CBF en CMRO 2 zijn moopnieuw nauw verbonden met neurale ontwikkeling.

Om te controleren of CMRO 2i is een betere screening tool dan SO 2 in het opsporen van neonatale hersenletsel, we hersenen gewonde kinderen gemeten tijdens de acute fase 5, en (in een paar baby's) tijdens de chronische fase een aantal maanden na het letsel. Resultaten in figuur 7 tonen hoe SO 2 niet significant veranderd door hersenletsel in zowel vroege (1-15 dagen na lozing) en chronische (maanden na letsel) fasen, terwijl CMRO 2i is beduidend anders dan normaal tijdens de acute en chronische fasen . Specifiek wordt CMRO 2i verhoogd tijdens de acute fase door epileptische activiteit na hersenletsel, en lager dan normaal tijdens de chronische fase door neuronaal verlies.

Zuigelingen met hypoxische ischemische letsels zijn momenteel behandeld worden met therapeutische hypothermie (TH) naar lagere hersenstofwisseling en vermindering van schade na de hypoxische insUlt. Therapeutische hypothermie wordt gehandhaafd voor drie dagen en zijn we in staat tot 11 kinderen tijdens de behandeling (figuur 8) te monitoren. We vonden dat CMRO 2i aanzienlijk daalt tot onder normaal tijdens TH en deze daling lijkt gerelateerd aan respons op de behandeling en de ontwikkelingsresultaten. Deze voorlopige resultaten suggereren dat de FDNIRS-DCS methode kunnen sturen en te optimaliseren onderkoeling therapie.

Figuur 1
Figuur 1. Foto van de wagen met de FDNIRS en DCS-apparaten. De twee instrumenten zijn compact genoeg om op een kleine wagen die kan worden verplaatst naar het bed van de baby in de NICU.

Figuur 2
Figuur 2. (A) Optical probe configuratie. (C) Een foto van een typisch FDNIRS-DCS meting op een zuigeling.

Figuur 3
Figuur 3. Representatieve voorbeelden van goede en slechte pasvorm van gemeten (A) absorptiecoëfficiënten en hemoglobine fit (B) verstrooiing coëfficiënten en de lineaire fit. P-waarde> 0,02 verwijst naar een slechte pasvorm. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .

Figuur 4
Figuur 4. Een representatief voorbeeld van goede en slechte pasvorm van een autocorrelatiefunctie van de intensiteit berekend fluctuatiesdoor een correlator over een vertragingstijd van 200 ns - 0,5 sec. In de slechte pasvorm figuur de staart van de curve fitting verschilt van een meer dan 0,02 en het verloop van de drie eerste punten meer dan 0,1. Klik hier om groter bedrag bekijken .

Figuur 5
Figuur 5. Veranderingen in CBV en SO 2 over frontale, temporale en pariëtale corticale gebieden bij zuigelingen vanaf de geboorte tot een jaar oud.

Figuur 6
Figuur 6. CBF, SO 2, CBV en CMRO 2i van de frontale, temporal en pariëtale regio's in 70 gezonde pasgeborenen.

Figuur 7
Figuur 7. Voorbeelden van abnormale en normale zuurstofverbruik SO 2 na hersenletsel bij zuigelingen. Hersenletsel wordt gekenmerkt door veranderingen in CMRO 2 ten opzichte van normaal, terwijl SO 2 is niet significant verschillend van normaal. Houd er rekening mee dat in deze twee figuren, CMRO 2 werd berekend met de Grubb relatie, omdat de DCS maatregel was niet beschikbaar op het moment van die metingen.

Figuur 8
Figuur 8. rCMRO 2 van 11 baby's tijdens therapeutische hypothermie versus leeftijd gematchte gezonde controles. Zuurstof stofwisseling wordt sterk verminderd in alle zuigelingen met hypothermie therapie.

Discussion

We hebben laten zien een kwantitatieve meting van de cerebrale hemodynamische en het metabolisme met FDNIRS en DCS in de neonatale populatie. De voeler is geoptimaliseerd voor het meten neonatale cerebrale cortex 14. Bloedstroom gemeten door veranderingen DCS zijn uitgebreid gevalideerd andere technieken in dieren en mensen 22,23. Via een directe DCS meting van de bloedstroom, kunnen we de variantie in de berekening van CMRO 2i 24 verminderen. De afwijking van herhaalde metingen was kleiner dan de verschillen tussen hersenen en met 20 jaar.

Van onze vorige resultaten, CBFi en CMRO 2i toonden belangrijke veranderingen met PMA bij gezonde premature neonaten. De mate van CMRO 2i kan beter hersenbeschadiging dan de mate van SO 2 detecteren. Dit suggereert dat de gecombineerde maatregelen van vasculaire en metabole parameters dienen als meer robuuste biomarkers van neonatale gezondheid van de hersenen en de ontwikkeling dan zuurstofsaturatie alleen. Technische verbeteringen zal zich richten op de integratie van de twee instrumenten tot de verwerving te verminderen 35-40% per sessie en de implementatie van real-time feedback over de kwaliteit van gegevens om de frequentie van afgedankte maatregelen te verminderen. In de nabije toekomst kan dit systeem worden geleverd aan klinische eindgebruikers als een nieuwe bedmonitor van veranderde cerebrale zuurstof metabolisme. Door het meten van trajecten van CMRO twee na verloop van tijd kan ook toenemen klinische betekenis en het voorspellen van uitkomsten. Dit instrument zou uiteindelijk een belangrijke bijdrage leveren aan de verbetering van het beheer van de neonatale hersenletsel.

Disclosures

Maria Angela Franceschini, haar man David Boas, en Beniamino Barbieri (ISS Inc) hebben patenten op deze technologie.

Acknowledgments

De auteurs bedanken de families voor hun deelname aan deze studie en de verpleegkundigen, artsen en personeel in de neonatale intensive care, de Special Care Nursery, Kinderneurologie, en de kraamafdelingen van het Massachusetts General Hospital, Brigham and Women's Hospital en Boston Children's Hospital voor hun hulp en steun. In het bijzonder danken wij Linda J. Van Marter, Robert M. Insoft, Jonathan H. Cronin, Julianne Mazzawi, en Steven A. Ringer. De auteurs danken ook Marcia Kocienski-Filip, Yvonne Sheldon, Alpna Aggarwall, Maddy Artunguada en Genevieve Nave voor hun hulp tijdens de metingen. Dit project wordt ondersteund door NIH R01-HD042908, R21-HD058725, P41-RR14075 en R43-HD071761. Marcia Kocienski-Filip en Yvonne Sheldon worden ondersteund door de Clinical Translational Science Award UL1RR025758 aan Harvard University en Brigham and Women's Hospital van het National Center for Research Resources. De inhoud is uitsluitend de verantwoordelijkheid van de eenuthors en vertegenwoordigt niet noodzakelijkerwijs het officiële standpunt van het Nationale Centrum voor Onderzoek Resources of de National Institutes of Health.

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).
Niet-invasieve optische meting van Cerebral Metabolisme en Hemodynamica bij zuigelingen
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).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