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Medicine

Non-invasive optische Messung des zerebralen Metabolismus und Hämodynamik bei Säuglingen

doi: 10.3791/4379 Published: March 14, 2013

Summary

Wir kombinierten Frequenz-Domain-Nahinfrarot-Spektroskopie Maßnahmen der zerebralen Oxygenierung des Hämoglobins mit diffuser Korrelations-Spektroskopie Maßnahmen des zerebralen Blutflusses Index einen Index der Sauerstoff-Stoffwechsel zu schätzen. Wir testeten den Nutzen dieser Maßnahme als Nachttisch Screening-Tool, um die Gesundheit und Entwicklung des Neugeborenen Gehirns zu beurteilen.

Abstract

Perinatale Hirnschädigung bleibt eine wesentliche Ursache der Säuglingssterblichkeit und Morbidität, aber es ist noch nicht ein wirksames Bett-Tool, das genau für Hirn-Trauma, Monitor Verletzungen Evolution, oder zu beurteilen Ansprechen auf die Therapie kann zu screenen. Die Energie, die von Neuronen verwendet wird weitgehend aus dem Gewebe oxidativen Stoffwechsel ableiten, und neuronalen Zelltod Hyperaktivität und werden durch entsprechende Änderungen der zerebralen Sauerstoffmetabolismus (CMRO 2) reflektiert. Daher sind Maßnahmen CMRO 2 reflektierende der neuronalen Lebensfähigkeit und liefern wichtige diagnostische Informationen, so dass CMRO 2 zu einem idealen Ziel für den Nachtmodus der Messung der Gesundheit des Gehirns.

Brain-Imaging-Verfahren wie die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Single-Photon-Emissions-Computertomographie (SPECT) Ausbeute Maßnahmen der zerebralen Glukose und Sauerstoff-Stoffwechsel, aber diese Techniken erfordern die Verabreichung von Radionucleotide, so dass sie nur in den dringendsten Fällen verwendet.

Continuous-Wave-Nahinfrarot-Spektroskopie (CWNIRS) bietet nicht-invasive und nicht-ionisierender Strahlung Maßnahmen Hämoglobinsauerstoffsättigung (SO 2) als Surrogat für zerebrale Sauerstoffverbrauch. Allerdings ist SO 2 weniger als ideal als Ersatz für die zerebrale Sauerstoff-Stoffwechsel, wie sie sowohl von Sauerstoffversorgung und-verbrauch beeinflusst wird. Ferner sind auch Messungen von SO 2 nicht empfindlich genug, um Hirnverletzung Stunden nach dem Insult 1,2 detektieren, weil Sauerstoffverbrauch und Lieferung Gleichgewicht erreichen nach akutem Transienten 3. Wir untersuchten die Möglichkeit der Verwendung von komplexeren NIRS optische Methoden zur zerebralen Sauerstoffmetabolismus am Krankenbett in gesunden und hirnverletzte Neugeborenen quantifizieren. Genauer gesagt, haben wir die Frequenz-Domain NIRS (FDNIRS) Maß für SO 2 mit dem diffusen Korrelationsspektroskopie (DCS) Maß Blutflußindex (CBF i) bis yield ein Index CMRO 2 (CMRO 2i) 4,5.

Mit den kombinierten FDNIRS / DCS-System sind wir in der Lage, zerebralen Metabolismus und Hämodynamik zu quantifizieren. Dies stellt eine Verbesserung gegenüber CWNIRS zum Nachweis Gesundheit des Gehirns, die Entwicklung des Gehirns und Ansprechen auf die Therapie bei Neugeborenen. Darüber hinaus haftet dieses Verfahren auf alle Neugeborenen-Intensivstation (NICU) Politik auf Infektionskontrolle und institutionelle Politik auf Laser-Sicherheit. Zukünftige Studien sollen die beiden Instrumente zu integrieren Messzeit am Krankenbett zu reduzieren und Echtzeit-Feedback über die Datenqualität zu implementieren, um die Datenrate Ablehnung zu reduzieren.

Introduction

Die FDNIRS Vorrichtung ist eine angepasste Frequenz-Domain-System von ISS Inc. mit zwei identischen Sätzen von 8 emittierende Laserdioden an acht Wellenlängen im Bereich von 660 bis 830 nm, und zwei Photovervielfacherröhre (PMT) Detektoren. Quellen und Detektoren sind bei 110 MHz und 110 MHz plus 5 kHz moduliert, jeweils mit Überlagerungserfassung 6 zu erreichen. Jede Laserdiode wird für 10 ms in der Reihenfolge gedreht, für eine 160 ms insgesamt Messzeit pro Zyklus. Quellen und Detektoren sind Lichtleitergekoppelten und angeordnet in einer Reihe in einer optischen Sonde. Die Anordnung der Fasern auf der Sonde ist, so dass es vier verschiedenen Quelle-Detektor-Abständen erzeugt. Durch Messung Durchlicht (Amplitude Dämpfung und Phasenverschiebung) an mehreren Abständen, können wir die Absorption (uA) und Streuung (us ') Koeffizienten des Gewebes unter Beobachtung zu quantifizieren. Aus den Absorptionskoeffizienten bei mehreren Wellenlängen, wir dann eine Schätzung der absoluten Werte von oxygeniertem (HbO) undsauerstoffarmes (HBR) Hämoglobinkonzentrationen 7, zerebrale Blutvolumen (CBV) und Hämoglobin-Sauerstoffsättigung (SO 2).

Die DCS-Gerät ist ein Zuhause - built-System ähnlich dem von Dr. entwickelt. Arjun Yodh und Turgut Durduran an der University of Pennsylvania 8,9. Das DCS-System, das aus einem Feststoff besteht - state, lange Kohärenz-Laser bei 785 nm, vier Photonen-Zählen Avalanche-Photodiode (APD) Detektoren (EG & G Perkin Elmer SPCM-AQRH) mit niedrigen dunklen Grafen (<50 counts / sec) und eine hohe Quantenausbeute (> 40% bei 785 nm) und ein Vier-Kanal, 256-bin Multi-tau Korrelator, mit 200 nsec Auflösung. Mit den DCS messen wir mikrovaskulären Durchblutung Großhirnrinde durch Quantifizierung der zeitliche Intensitätsschwankungen von vielfach gestreutem Licht, das von Dopplerverschiebungen durch Bewegen roten Blutkörperchen hergestellt entsteht. Die Technik, ähnlich wie Laser-Doppler-Flußmessung Blut (dh sie sind Fourier Transform Analoga), misst eine Autokorrelationsfunktion der Intensitätsfluktuationen jeden Detektorkanal durch einen digitalen Korrelator über eine Verzögerungszeit von 200 nsec berechnet - 0,5 sek. Der Korrelator berechnet die zeitliche Autokorrelationsfunktion Intensität des Lichtes wieder auftretende aus Gewebe. Dann passen die Diffusion Korrelationsgleichung der gemessenen Autokorrelationsfunktion, erworben sequentiell, etwa einmal pro Sekunde, um den Blutfluss Index (CBF i) 10,11 erhalten. DCS Maßnahmen Veränderungen des Blutflusses wurden ausgiebig 12,13 validiert. Durch die Kombination der FDNIRS Maßnahmen SO 2 mit den DCS Maßnahmen CBF i, erreichen wir eine Schätzung der zerebralen Sauerstoff-Stoffwechsel (CMRO 2i).

Protocol

Ein. Vorbereitung für Bedside Maßnahmen

  1. Die FDNIRS und die DCS-Systeme sind kompakt und einfach auf einem kleinen Karren des Säuglings Krankenbett im Krankenhaus (Abbildung 1) zu bewegen.
  2. Nach dem Umzug der Wagen mit den Geräten an das Bett, auf den Systemen ab und schließen Sie das optische Sonde den FDNIRS und DCS-Geräte. Stellen Sie sicher, dass zwei Experimentatoren Geschenk für jede Messung sind: ein, die Instrumente und Computer zu verwalten, und eine, um die Sonde zu halten.
  3. Wählen Sie die passende Sonde gemäß des Kindes postmenstruellen Alter (PMA). Die optische Sonde mit FDNIRS Quelle-Detektor-Abständen von 1, 1,5, 2 und 2,5 cm wird für Säuglinge <37 wks PMA und die Sonde mit FDNIRS Trennungen 1,5, 2, 2,5 und 3 cm verwendet wird für ältere Babys (Abbildung 2-A gebrauchter ). Die Wahl der kürzeren Quelle-Detektor-Trennungen von Frühgeborenen "kleine und größere Kopfkrümmung diktiert. Bei Verwendung eines größeren Sonde mit einem Frühgeborenen, die Relatively geringere Größe der Kopf des Babys und seine signifikante Krümmung zusammen wirksamen Kontakt zwischen Kopf des Kindes und alle Quellen und Detektoren. Aus diesem Grund ist die Sonde mit FDNIRS Quelle-Detektor-Abständen von 1, 1,5, 2 und 2,5 cm passend für die Verwendung mit Frühgeborenen. Unsere Untersuchungen haben nachgewiesen, dass die ausgewählten Quellen-Detektor-Trennungen ausreicht, um optische Eigenschaften der Hirnrinde von beiden Frühgeborenen und 14 zu messen sind. DCS Quelle und Detektor Fasern sind in einer Reihe parallel zu den Fasern mit FDNIRS Quelle-Detektor-Abständen von 1,5 (ein Detektor) und 2 cm (drei Detektoren) in beiden Frühgeborenen und Neugeborenen Sonden angeordnet.
  4. Sanitize die optischen Sonden mit einem Sani-Tuch Desinfektion wischen und legen Sie die Sonde und Fasern in eine Einweg-Polypropylen-Kunststoff Ärmel.

2. FDNIRS Gain-Einstellungen und Kalibrierung

  1. Öffnen Sie die FDNIRS Graphical User Interface (GUI) und wählen Sie die Programm-Einstellungen-Dateientsprechend der Sonde und Kalibrierblock verwendet wird.
  2. Zum Detektor Verstärkungen einzustellen, sanft zu platzieren die Sonde auf einer Fläche des Kopfes des Subjektes ohne Haare (vorzugsweise der linken Seite der Stirn) und halten diesen in der gleichen Position ohne Druck auszuüben. Schalten Quellen und Detektoren und PMT-Spannung einzustellen, bis die Amplitude des einen der Source-Lasern erreicht 20.000 Zählungen. 32.000 Zählungen die maximale Digitalisierung der Analog-Digital-Erfassungskarte und Verstärkungen erforderlich unterhalb dieser Schwelle eingestellt werden, um eine Sättigung während der Datenaufnahme zu vermeiden. Die Verstärkungen sollte im vorderen Bereich eingestellt werden, da dieser Bereich in der Regel den geringsten Absorption von Laserlicht und ist daher besonders anfällig für Sättigung.
  3. Schalten Sie die Quellen und Detektoren und Rückkehr der Sonde zur Kalibrierung Block. Die Laser müssen ausgeschaltet werden, wenn die Sonde für Augensicherheit; die Detektoren müssen ausgeschaltet werden, weil PMTs sehr empfindlich und der Exposition gegenüber hellem Licht sind increases Hintergrundgeräusche und kann dauerhaft beschädigt werden.
  4. Mit der Sonde zurück auf die Kalibrierung Block, die neutrale Dichte (ND)-Filter, wenn alle Quelle-Detektor-Paar sättigt. Verschiedene ND-Filter kann durch die Optimierung Gewinne bei Säuglingen mit verschiedenen Hauttönen ausgewählt werden Halten Sie die Sonde noch für 16 sec während der Ausführung der Kalibrierung. Da wir nicht physisch zu bewegen einer Quelle auf unterschiedlichen Entfernungen von einem einzigen Detektor, eine Multi-Abstand Regelung zu erreichen, sondern stattdessen vier Kombinationen von zwei unabhängigen Quellen und zwei unabhängigen Detektoren, müssen wir uns auf die verschiedenen Leistungen der beiden Quellen zu kalibrieren und die verschiedenen Verstärkungen der beiden Detektoren. Durch Messung eine Kalibrierung Block von bekannten optischen Eigenschaften schätzen wir, die Amplitude und Phase Korrekturfaktoren benötigt, um die Absorptions-und Streukoeffizienten der Kalibrierkörper erholen.
  5. Nach der Kalibrierung erwerben 16 weitere sec von Daten auf dem Block und visuell die Angemessenheit der the Kalibrierung mit einem in-house MATLAB GUI. Die gemessene uA und us 'sollten die tatsächlichen Koeffizienten der Kalibrierung Block bei allen Wellenlängen entsprechen. Kalibrieren Sie, wenn der fit ist schlecht.
  6. Wenn Detektor Gewinne geändert werden, oder die Quelle und Detektor Fasern müssen während der Messungen abgeschaltet werden müssen, wiederholen Sie die Kalibrierung des FDNIRS Gerät.
  7. Am Ende der Messreihe erwerben weitere 16 sec von Daten auf dem Kalibrierkörper zu verifizieren, ob die Kalibrierung während der Messungen auf dem Gegenstand gehalten wurde. Wenn die Kalibrierung nicht gepflegt, nehmen eine zweite Kalibrierung am Ende der Messung und gelten für die erfassten Daten.

3. DCS-Einstellungen

  1. Öffnen Sie die in-house DCS Datenerfassung GUI und laden Sie die Einstellungen-Datei entsprechend der optischen Sonde verwendet wird.
  2. Vor Beginn der Messungen sicher, dass die Laserleistung des DCS-Quelle geeignet für Hautkontakt durch Messung ter Laserleistung des DCS-Quelle mit einem Leistungsmesser und Kontrolle der Fleckgröße mit einem IR gesichtet Karte (die Laser emittiert bei 785 nm, was nicht sichtbar). Das DCS Laserleistung beträgt ~ 60 mW und mit einem relativ kleinen Durchmesser Faser (400-600 um). Um ANSI-Standards für Hautkontakt zu erfüllen, muss das Licht an der Sonde abgeschwächt und gestreut über eine große Fläche. Dies wird durch Abdecken der Spitze der Faser mit einem Durchmesser von 3 mm weißen Teflonfolie (Abbildung 2-A) erreicht. Die Teflon ist stark streuenden und stark streut das Laserstrahl. Am Krankenbett, sicherzustellen, dass die Laserleistung auf die Sonde weniger als 25 mW ist und die Spotgröße ist größer als 3 mm im Durchmesser. Wie für die FDNIRS, immer ausschalten Quellen und Detektoren beim Bewegen der optischen Sonde.
  3. DCS Detektion ist Photonenzählung und es gibt keine APD Verstärkungseinstellung wie es für die FDNIRS Vorrichtung erforderlich. Eine Fahne mit dem Erwerb Software zeigt, wenn zu viel Licht detektiert wird, in welchem ​​Fall Lichtkopplung EITQuelle oder ihr Detektorfasern muss durch Drehen der Faser-Verbinder verringert werden. Ausreichend Licht Erkennung ist auf den Bereich der 200,000-4,000,000 detektierten Photonen (entsprechend -26 ~ 0 dB auf dem Computer-Display). Vermeiden Sie übermäßige Raumbeleuchtung, um Hintergrundgeräusche zu reduzieren.
  4. Das DCS muss nicht kalibriert werden, um CBF i messen. Blutflusses ist proportional zu der Zeit, die zur Korrelation verlieren. Ein fester Block nicht ausreichen, um die Signalqualität zu überprüfen, weil es keine beweglichen Streupartikel dem Zerfall verursachen. Ein Experimentator Arm zeigt stattdessen Zerfall - je schneller die Durchblutung, desto steiler ist der Zerfall.

4. Data Acquisition

  1. Während FDNIRS und DCS Messungen schnell hintereinander durchgeführt werden, zuerst messen alle Standorte mit einem Gerät und wiederholen Sie dann die gleiche Progression mit dem anderen Gerät mit unabhängigen Software zur Erfassung entsprechend jeder.
  2. Messen sieben Standorten abdeckt frontalen, temporalen und Parietal Bereiche, gemäß einer 10-20 Systems (Fp1, FPZ, FP2, C3, C4, P3, P4), in der Reihenfolge (2-B). Teilen Sie die Haare an der Quelle-Detektor-Linie und legen Sie die Sonde auf diesem Bereich des Kopfes.
  3. Schalten Sie FDNIRS Lasern und Detektoren und überprüfen Sie die Signalqualität: Amplitude Counts sollten zwischen 2.000 und 20.000 sein und Phasenverschiebungen SNR <2 Grad. Wenn außerhalb dieser Bereiche liegen, die Position der Sonde wird sichergestellt Haaren getrennt und alle Quellen und Detektoren sind in Kontakt mit der Haut.
  4. Erfassung von Daten für 16 sec. Wiederholen Messungen bis zu dreimal an jedem Standort (Abbildung 2-C), Abschied die Haare und Neupositionierung der Sonde in einem etwas anderen Ort für jede Akquisition. Dies geschieht, um Wirkung von lokalen Inhomogenitäten wie Haare und oberflächlich großen Gefäße zu minimieren und die repräsentativ für einen Bereich, anstatt einer einzigen Stelle bereitzustellen.
  5. Schalten Sie den DCS-Laser und Detektoren und erwerben für 10 sek. Positionieren Sie die Sonde und repessen die Akquisitionen (wie bei den FDNIRS Maßnahmen).
  6. Schalten Sie alle Laser, wenn die Sonde zwischen den Standorten. Datenerhebung in allen sieben Standorten ist nicht immer möglich. Unterbrechen Messungen, wenn das Thema manifestiert Anzeichen von Stress oder Bewegung. Wiederholen Sie die Übernahme, wenn möglich. EEG-Elektroden oder Atemschutz kann auch verhindern, dass Messungen in einigen Orten.

5. Measure of Systemic Parameter

  1. Für die Berechnung der CMRO 2i, zwei systemische Parameter, arterielle Sauerstoffsättigung (SaO2) und Hämoglobin im Blut (HGB), muss erworben. HGB ist auch erforderlich, um CBV berechnen. Während konventionelle Pulsoximetrie sieht Maßnahmen von São 2, HGB konventionell mit einem Bluttest gemessen. Eine neue Pulsoximeter durch Masimo Corporation entwickelt wurde, ist in der Lage, HGB nichtinvasiven Messung durch die Verwendung mehrerer Wellenlängen. Das Gerät ist für Kinder> 3 kg FDA-zugelassen und ermöglicht eine schnelle Bett Maßnahmenure sowohl SaO 2 und HGB.
  2. Rekord SaO 2 und HGB mit einem Masimo-Pulsoximeter (Pronto Ort-Kontrolle Pulse CO-Oximeter). Für diese Messungen legen einen Klebstoff Einweg-Sensor mit dem großen Zeh des Babys Fuß. HGB wird auf dem Monitor innerhalb von ein paar Sekunden angezeigt.
  3. Wenn es nicht möglich ist, die Masimo SET Pulse CO-Oximeter, messen SaO 2 mit anderen FDA-zugelassene Pulsoximeter verwenden. HGB kann entweder von Patienten klinische Charts wiederhergestellt werden oder anhand von normativen Werten.

6. Data Analysis

  1. Öffnen Sie ein in-house Nachbearbeitung Datenanalyse GUI mit MATLAB. Diese Software nicht nur schätzt alle hämodynamischen Parameter, sondern nutzt auch die Redundanz der Daten automatisch beurteilen die Qualität der Messung und beschränken Ergebnisse.
  2. Automatische objektive Kriterien für die Qualitätskontrolle aus Verwerfen Daten für FDNIRS wenn R2 <0,98 für das Modell fit für den experimentellen Daten, p-Wert> 00,02 für die Pearson Produkt-Moment-Korrelation zwischen den acht gemessenen Absorptionskoeffizienten und der Hämoglobin-fit (Abbildung 3-A), p-Wert> 0,02 für die lineare Anpassung der reduzierten Streukoeffizienten Abhängigkeit von der Wellenlänge (Abbildung 3-B) 15. Wenn mehr als 33 Prozent der Daten Verdienste Verwerfen, wird der gesamte Satz verworfen. Für die DCS, wenn Daten verworfen: der Schwanz der Ausgleichskurve unterscheidet sich von 1 um mehr als 0,02, ist die kumulative Schwankung zwischen den ersten drei Punkten der Kurve mehr als 0,1, oder der Mittelwert der drei ersten Punkte ist als 1,6 (Abbildung 4). Wenn mehr als 50 Prozent der Kurven verworfen werden, oder die Passung Werte haben einen Variationskoeffizienten> 15 Prozent, wird die gesamte Gruppe 15 verworfen.
  3. Berechnen absoluter HbO und HBr Konzentrationen durch Einpassen der Absorptionskoeffizienten bei allen Wellenlängen, mit Literaturwerten für Hb Extinktionskoeffizienten 16 undein 75 Prozent Konzentration von Wasser im Gewebe 17. Leiten Gesamt-Hämoglobinkonzentration (HBT = HbO + HbR) und SO 2 (HBO / HbT) von HBO und HbR Konzentrationen.
  4. Schätzen zerebralen Blutvolumens Verwendung der Gleichung Ijichi et al 18 beschrieben. CBV = (HbT × MW Hb) / (x D HGB bt), wobei MW Hb = 64.500 [g / mol] ist das Molekulargewicht von Hb und D bt = 1,05 g / ml ist das Hirngewebe Dichte.
  5. Berechnen CBF i durch Einpassen der gemessenen zeitlichen Autokorrelationsfunktionen der Diffusion Korrelationsgleichung. Die detaillierten theoretischen Rahmen zur CBF berechnet i ist Boas et al. Und Boas und Yodh 10,11. In den Gleichungen verwenden einzelnen Absorptionskoeffizienten von FDNIRS und einem Durchschnitt von den Streukoeffizienten in der gesamten Bevölkerung gemessen.
  6. Berechnen des Index der cerebralen Sauerstoffverbrauch durch Verwendung des FDNIRS Maß für SO 2i = (HGB × CBFI × (SaO 2 - SO 2)) / (4 × MW Hb × β) 15, wobei der Faktor 4 spiegelt die vier O 2-Moleküle gebunden an jedes Hämoglobin und β ist der prozentuale Beitrag der venösen Abteil zum Hämoglobinoxygenierung Messung 19.

Representative Results

In den vergangenen fünf Jahren haben wir die Machbarkeit und des klinischen Nutzens der vorgeschlagenen Methode demonstriert. Insbesondere haben wir CMRO 2 gezeigt, die repräsentativer für die Gesundheit des Gehirns und Entwicklung als SO 2 sein.

In einer Querschnittsstudie auf mehr als 50 gesunden Säuglingen, fanden wir, dass während CBV ist mehr als doppelt während des ersten Jahres des Lebens, SO 2 konstant bleibt 4 (Abbildung 5). In einer Studie an 70 gesunden Neugeborenen fanden wir auch, dass SO 2 konstant über Hirnregionen ist, während CMRO 2i, CBV und CBF höhere zeitliche und parietalen Regionen als im vorderen Bereich (Abbildung 6) 20, die im Einklang mit PET Glukoseaufnahme ist, sind Ergebnisse 21. In unseren beiden Studien, die ständige SO 2, innerhalb eines 60-70 Prozent-Bereich zeigt, dass Sauerstoffversorgung ehesten den lokalen Verbrauch, während CBV, CBF und CMRO 2 mo sindeng mit der neuralen Entwicklung gekoppelt erneut.

Um sicherzustellen, dass CMRO 2i eine bessere Screening-Tool als SO 2 bei der Aufdeckung von Neugeborenen-Hirn-Trauma ist, messen wir Gehirns verletzten Säuglingen während der akuten Phase 5 und (in einigen Säuglingen) in der chronischen Phase mehrere Monate nach der Verletzung. Ergebnisse in Abbildung 7 zeigen, wie SO 2 nicht wesentlich von Hirn-Trauma verändert in beiden frühen (1-15 Tage nach Beleidigung) und chronische (Monate nach der Verletzung) Stufen, während CMRO 2i ist deutlich anders als normal sowohl während der akuten und chronischen Stadien . Insbesondere wird CMRO 2i während der akuten Phase wegen epileptischer Aktivität nach einer Hirnschädigung, und niedriger als normal während der chronischen Phase durch Verlust von Nervenzellen erhöht.

Säuglinge mit hypoxischen ischämischen Verletzungen sind derzeit mit therapeutischen Hypothermie (TH) zu niedrigeren Stoffwechsel im Gehirn behandelt und zur Verringerung der Schäden nach dem hypoxisch insUlt. Therapeutische Hypothermie wird für drei Tage gehalten und wir konnten 11 Kinder während der Behandlung (Abbildung 8) zu überwachen. Wir fanden, dass CMRO 2i deutlich sinkt auf Werte unter normal während TH, und diese Abnahme scheint auf Ansprechen auf die Therapie und Entwicklungsstörungen Ergebnis bezogen werden. Die vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass die DCS FDNIRS-Verfahren kann in der Lage sein zu führen und zu optimieren Hypothermie-Therapie.

Abbildung 1
Abbildung 1. Bild des Wagens mit den FDNIRS und DCS-Geräte. Die beiden Geräte sind kompakt genug, um auf einem kleinen Wagen, die des Kindes am Krankenbett in der Intensivstation bewegt werden kann passen.

Abbildung 2
Abbildung 2. (A) Optische Sonde Konfiguration. (C) Ein Foto eines typischen FDNIRS-DCS-Messung an einem Kleinkind.

Abbildung 3
Abbildung 3. Repräsentative Beispiele für gute und schlechte Passform (A) gemessen Absorptionskoeffizienten und die Hämoglobin-fit (B) Streukoeffizienten und die lineare Anpassung. P-Wert> 0,02 bezieht sich auf eine schlechte Passform. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

Abbildung 4
Abbildung 4. Ein repräsentatives Beispiel für gute und schlechte Passform einer Autokorrelationsfunktion der Intensitätsschwankungen berechnetdurch einen Korrelator über eine Verzögerungszeit von 200 nsec - 0,5 sek. In der schlechten Passform Zahl der Schwanz der Ausgleichskurve unterscheidet sich von 1 um mehr als 0,02 und die Variation der ersten 3 Punkte mehr als 0,1. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

Abbildung 5
Abbildung 5. Änderungen in CBV und SO 2 in frontalen, temporalen und parietalen kortikalen Regionen bei Säuglingen von der Geburt bis 1 Jahr alt.

Abbildung 6
Abbildung 6. CBF, SO 2, CBV und CMRO 2i des frontalen, temporal und parietalen Regionen in 70 gesunden Neugeborenen.

Abbildung 7
Abbildung 7. Beispiele für abnorme Sauerstoffverbrauch und Normalbetrieb SO 2 nach Hirnschädigung bei Säuglingen. Hirnverletzung wird durch Veränderungen in CMRO 2 gegenüber normalen markiert, während SO 2 unterscheidet sich nicht signifikant von normalen. Bitte beachten Sie, dass in diesen beiden Figuren CMRO 2 wurde unter Verwendung der Grubb Beziehung, weil die DCS Maßnahme war nicht zu dem Zeitpunkt dieser Messungen zur Verfügung.

Abbildung 8
Abbildung 8. rCMRO 2 von 11 Säuglingen während der therapeutischen Hypothermie vs gleichaltrigen gesunden Kontrollpersonen. Sauerstoff-Stoffwechsel ist stark in allen Säuglingen mit Hypothermie-Therapie reduziert.

Discussion

Wir zeigten eine quantitative Messung der hämodynamischen und zerebralen Stoffwechsel mit FDNIRS und DCS im Neugeborenen Bevölkerung. Die Sonde Konfiguration wird zum Messen neonatalen Großhirnrinde 14 optimiert. Veränderungen des Blutflusses durch DCS gemessen wurden ausgiebig gegen andere Techniken in tierischen und menschlichen Studien 22,23 validiert. Durch die Verwendung eines direkten DCS Maßnahme des Blutflusses, sind wir in der Lage, um die Varianz in der Berechnung CMRO 2i 24 zu reduzieren. Die Varianz von wiederholten Maßnahmen war auch kleiner als die Veränderungen zwischen Hirnregionen und mit 20 Jahren.

Aus unserer bisherigen Ergebnisse zeigten CBFI und CMRO 2i signifikante Veränderungen mit PMA in gesunden Frühgeborenen. Das Maß der CMRO 2i ist besser in der Lage, Hirnschäden als das Maß von SO 2 zu erfassen. Dies deutet darauf hin, dass die kombinierten Maßnahmen von vaskulären und metabolischen Parameter dienen als robuster biomarkers der neonatalen Gehirn Gesundheit und Entwicklung als Sauerstoffsättigung allein. Technische Verbesserungen werden auf die Integration der beiden Instrumente zu konzentrieren Senkung der Anschaffungs-Zeit 35-40% pro Sitzung und die Umsetzung von Echtzeit-Feedback auf die Datenqualität, die Frequenz verworfen Maßnahmen zu reduzieren. In naher Zukunft kann dieses System zur klinischen Endanwendern als neuartige Bettmonitor veränderter zerebralen Sauerstoff-Stoffwechsel geliefert werden. Durch die Messung Trajektorien CMRO 2 im Laufe der Zeit kann auch erhöhen klinische Bedeutung und Vorhersage von Ergebnissen. Dieses Tool könnte letztlich einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Verwaltung der neonatalen Hirnschädigung.

Disclosures

Maria Angela Franceschini, ihr Ehemann David Boas, und Beniamino Barbieri (ISS Inc) halten Patente auf diese Technologie.

Acknowledgments

Die Autoren danken allen Familien für ihre Teilnahme an dieser Studie und die Krankenschwestern, Ärzte und Mitarbeiter in der Neugeborenen-Intensivstation, der Special Care Nursery, Pediatric Neurology, und den Entbindungsstationen am Massachusetts General Hospital, Brigham and Womens Hospital und Boston Kinderkrankenhaus für ihre Hilfe und Unterstützung. Insbesondere danken wir Linda J. Van Marter, Robert M. Insoft, Jonathan H. Cronin, Julianne Mazzawi und Steven A. Ringer. Die Autoren danken Marcia Kocienski-Filip, Yvonne Sheldon, Alpna Aggarwall, Maddy Artunguada und Genevieve Nave für ihre Unterstützung während der Messungen. Dieses Projekt wird von NIH R01-HD042908, R21-HD058725, P41-RR14075 und R43-HD071761 unterstützt. Marcia Kocienski-Filip und Yvonne Sheldon von der Clinical Translational Science Award UL1RR025758 an der Harvard Universität und Brigham and Womens Hospital aus dem National Center for Research Resources unterstützt. Der Inhalt ist allein in der Verantwortung der authors und nicht notwendigerweise die offizielle Meinung des National Center for Research Resources oder die 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

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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).
Non-invasive optische Messung des zerebralen Metabolismus und Hämodynamik bei Säuglingen
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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).

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