Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Medicine

Ikke-invasiv optisk Måling av Cerebral Stoffskifte-og Hemodynamics hos spedbarn

doi: 10.3791/4379 Published: March 14, 2013

Summary

Vi har kombinert frekvens-domene nær-infrarød spektroskopi tiltak av cerebral hemoglobin oksygenering med diffuse korrelasjon spektroskopi tiltak av cerebral blodstrøm indeksen å beregne en indeks av oksygen metabolisme. Vi testet nytten av dette tiltaket som et nattbord screening verktøy for å evaluere helse og utvikling av den nyfødte hjernen.

Abstract

Perinatal hjerneskade fortsatt en betydelig årsak til barnedødelighet og sykelighet, men det er ennå ikke en effektiv sengen verktøy som kan nøyaktig skjermen for hjerneskade, monitor skade evolusjon, eller vurdere respons på behandling. Energien som brukes av nevroner er avledet hovedsak fra vev oksidativ metabolisme, og nevrale hyperaktivitet og celledød er reflektert av tilsvarende endringer i cerebral oksygen metabolisme (CMRO 2). Dermed tiltak av CMRO 2 er reflekterende av neuronal levedyktighet og gi kritisk diagnostisk informasjon, noe som gjør CMRO 2 et ideelt mål for sengen måling av hjernens helse.

Hjerne-imaging teknikker som positronemisjonstomografi (PET) og single-foton emisjon computertomografi (SPECT) avkastning tiltak av cerebral glukose og oksygen metabolisme, men disse teknikkene krever administrasjon av radionucleotides, slik at de blir brukt i bare de mest akutte tilfellene.

Kontinuerlig bølge nær-infrarød spektroskopi (CWNIRS) gir ikke-invasive og ikke-ioniserende stråling tiltak av hemoglobin oksygenmetningen (SO 2) som et surrogat for cerebral oksygenforbruk. Imidlertid er SO 2 mindre enn ideell som et surrogat for cerebral oksygen metabolisme som det er påvirket av både oksygentilførsel og forbruk. Videre målinger av SO 2 er ikke sensitive nok til å oppdage hjerneskade timer etter fornærmelse 1,2, fordi oksygenforbruk og levering oppnå likevekt etter akutte transienter 3. Vi undersøkte muligheten for å bruke mer avanserte NIRS optiske metoder for å kvantifisere cerebral oksygen metabolisme ved sengen hos friske og hjerne-skadet nyfødte. Mer spesifikt, kombinert vi frekvens-domene NIRS (FDNIRS) mål av SO 2 med diffuse korrelasjon spektroskopi (DCS) mål på blodstrøm indeks (CBF i) til yield en indeks av CMRO 2 (CMRO 2i) 4,5.

Med den kombinerte FDNIRS / DCS system er vi i stand til å tallfeste cerebral metabolisme og hemodynamikk. Dette representerer en forbedring i forhold CWNIRS for å oppdage hjernen helse, hjernens utvikling, og respons på behandling hos nyfødte. Videre følger denne metoden til alle neonatal intensivavdeling (NICU) politikk på smittevern og institusjonelle retningslinjer for laser sikkerhet. Fremtidig arbeid vil søke å integrere de to instrumentene for å redusere kjøp tid på sengen og å implementere sanntid tilbakemelding på datakvaliteten for å redusere frekvensen av data avvisning.

Introduction

Den FDNIRS enheten er en tilpasset frekvens-domene-systemet fra ISS Inc. med to identiske sett med 8 laserdioder som sender ut ved åtte bølgelengder 660-830 nm, og to fotomultiplikatorrør (PMT) detektorer. Kilder og detektorer er modulert ved 110 MHz og 110 MHz pluss 5 kHz, henholdsvis, for å oppnå deteksjon heterodyne 6. Hver laser diode er slått på i 10 msek i sekvens, for en 160 msek total registreringstid per syklus. Kilder og detektorer er koplet til fiberoptikk og ordnet i en rad i en optisk sonde. Ordningen av fibre på proben er slik at den produserer fire forskjellige kilde-detektor separasjoner. Ved å måle overført lys (amplitude demping og faseforskyvning) på flere avstander, kan vi kvantifisere absorpsjon (μa) og spredning (mS ') koeffisientene vevet under observasjon. Fra absorpsjonskoeffisienter ved flere bølgelengder, vi deretter estimere absolutte verdiene av oksygenerte (HBO) ogdeoxygenated (HBR) hemoglobinkonsentrasjon 7, cerebral blodvolum (CBV) og hemoglobin oksygenmetning (SO 2).

DCS-enheten er et hjem - bygget system lik den som er utviklet av Drs. Arjun Yodh og Turgut Durduran ved University of Pennsylvania 8,9. DCS system som består av en solid - state, lang sammenheng laser på 785 nm, fire foton-telling snøskred fotodiode (APD) detektorer (EG & G Perkin Elmer SPCM-AQRH) med lav mørke teller (<50 teller / sek) og en høy kvanteutbytte (> 40% ved 785 nm), og en fire-kanal, 256-bin multi-tau korrelator, med 200 EFF oppløsning. Med DCS måler vi mikrovaskulær blodstrøm i hjernebarken ved å tallfeste temporale intensitet svingninger multiplisere spredt lys som oppstår fra Doppler skift produsert ved å flytte røde blodlegemer. Teknikken, som ligner på laser Doppler blod flowmetry (dvs. de er Fourier Transform analogs), måler en autokorrelasjonsfunksjon av intensiteten svingninger av hver detektor-kanal beregnet av en digital korrelator over et forsinkelse rekke 200 EFF - 0,5 sek. Den korrelator beregner timelige intensitet auto-korrelasjon av den lys re-dukker fra vev. Vi passer spredningen korrelasjon ligningen til den målte autokorrelasjonsfunksjon kjøpte sekvensielt, omtrent en gang per sekund, for å få blodsirkulasjonen indeks (CBF i) 10,11. DCS tiltak av blodstrøm endringer er omfattende validert 12,13. Ved å kombinere FDNIRS tiltak av SO 2 med DCS tiltak av CBF i, oppnår vi et anslag for cerebral oksygen metabolisme (CMRO 2i).

Protocol

1. Forberedelse til Bedside Tiltak

  1. De FDNIRS og DCS-systemer er kompakte og enkle å flytte på en liten handlevogn til barnets seng på sykehuset (Figur 1).
  2. Etter å ha flyttet vogna med enheter til sengen, slå på systemene og koble den optiske sonden til FDNIRS og DCS-enheter. Sikre at to forskere er til stede for hver måling: en for å administrere instrumenter og datamaskin, og en til å holde sonden.
  3. Velge passende sonde ifølge spedbarnets postmenstrual alder (PMA). Den optiske sonden med FDNIRS kilde-detektor-separasjoner av 1, 1,5, 2 og 2,5 cm brukes for spedbarn <37 wks PMA og proben med FDNIRS separasjoner 1,5, 2, 2,5 og 3 cm brukes for eldre spedbarn (figur 2-A ). Valget av kortere kilde-detektor separasjoner er diktert av premature barn 'liten størrelse og større hode kurvatur. Når du bruker en større sonde med preterm spedbarn, det tilknytteively mindre størrelsen på babyens hode og sin betydelige krumning sammen hindre effektiv kontakt mellom barnets hode og alle kilder og detektorer. Av denne grunn, er proben med FDNIRS kilde-detektor-separasjoner av 1, 1,5, 2 og 2,5 cm passende for bruk med premature barn. Vår forskning har verifisert at de valgte kilde-detektor separasjoner er tilstrekkelig å måle optiske egenskaper av hjernebarken av både premature og term 14. DCS kilde og detektor fibre er ordnet i en rad parallelt med FDNIRS fibrene med kilde-detektor-avstander på 1,5 (en detektor) og 2 cm (tre detektorer) i både tidlig og fullbårne barn prober.
  4. Rensemiddel de optiske prober med en Sani-klut desinfisering tørk og sett sonden og fiber i en enkelt-bruk polypropylen plast ermet.

2. FDNIRS gaininnstillinger og kalibrering

  1. Åpne FDNIRS Graphical User Interface (GUI), og velg program innstillingsfiltilsvarende sonden og kalibrering blokk som brukes.
  2. For å justere detektor gevinster, påfør sonde på et område av pasientens hode uten hår (fortrinnsvis venstre side av pannen) og opprettholde den i samme stilling uten å bruke noen press. Slå på kilder og detektorer og juster PMT spenning inntil amplituden av noen av kilden lasere når 20.000 tellinger. 32000 teller er maksimal digitalisering av analog til digital oppkjøp kortet, og gevinster må settes under denne terskelen for å unngå metning under datainnsamling. Gevinsten bør settes i frontal området fordi denne regionen generelt har den laveste absorbsjon av laserlys og er derfor mest utsatt for metning.
  3. Slå av kildene og detektorer og returnere sonden til kalibreringen blokken. Lasere må være slått av når du flytter sonden for øye sikkerhet, detektorene må være slått av fordi PMTs er veldig følsom og utsatt for noen lys increases bakgrunnsstøy og kan føre til permanent skade dem.
  4. Med sonden tilbake på kalibrering blokken, bruker den nøytrale tettheten (ND) filter hvis noen kilde-detektor par mettet fett. Ulike ND filter kan velges på grunn av optimalisering gevinster hos spedbarn med ulike hudfarger Hold sonden fortsatt for 16 sek mens du kjører kalibreringen. Siden vi ikke fysisk flytte én kilde til forskjellige avstander fra en enkelt detektor for å oppnå en multi-distanse ordningen, men i stedet bruke fire kombinasjoner av to uavhengige kilder og to uavhengige detektorer, må vi kalibrere for forskjellig effekt av de to kilder og de forskjellige gevinster av to detektorer. Ved å måle en kalibrering blokk av kjente optiske egenskaper, beregner vi amplitude og fase korrigeringsfaktorer måtte gjenopprette absorpsjon og spredning koeffisientene kalibreringen blokken.
  5. Etter kalibrering, erverve 16 flere sek av data på blokken og visuelt vurdere tilstrekkeligheten av the kalibrering med en in-house MATLAB GUI. Den målte μa og mS 'bør samsvare med de faktiske koeffisientene kalibreringen blokk på alle bølgelengder. Rekalibrer hvis det passer er dårlig.
  6. Hvis detektoren gevinster må endres, eller kilde og detektor fibre må frakobles under målingene, gjentar du kalibreringsprosessen av FDNIRS enheten.
  7. På slutten av målingen økt, erverve en annen 16 sek av data på kalibrering blokken å verifisere om kalibreringen ble opprettholdt under målinger på emnet. Hvis kalibreringen ikke er opprettholdt, kan andre kalibrering ved slutten av målingen og gjelder for de innsamlede data.

3. DCS-innstillinger

  1. Åpne in-house DCS datainnsamling GUI og laste innstillingsfilen tilsvarende den optiske sonden som brukes.
  2. Før du starter målingene, må du kontrollere at laseren makt DCS kilden er riktig for huden eksponering ved å måle tHan laser makt DCS kilde med en kraftmåler og sjekke spot størrelse med en IR visning kort (laseren avgir på 785 nm, som ikke er synlig). DCS laser makt er ~ 60 mW og koplet til en forholdsvis liten diameter fiber (400-600 um). Å møte ANSI standarder for hudeksponering, må lyset på sonden dempes og diffust over et stort område. Dette oppnås ved å dekke tuppen av fiber med en diameter 3 mm hvit Teflon ark (figur 2-A). Teflon er svært spredning og vidt sprer laserstrålen. Ved sengen, at lasereffekten på proben er mindre enn 25 mW og spot er større enn 3 mm i diameter. Som for FDNIRS Slå alltid av kilder og detektorer når du flytter den optiske sonden.
  3. DCS deteksjon er foton-telling, og det er ingen APD gain justering som er nødvendig for FDNIRS enheten. Et flagg i oppkjøpet programvaren indikerer om for mye lys detekteres, i hvilket tilfelle lys kopling til EiThennes kilde eller detektor fibre må reduseres ved å dreie fiber kontakter. Tilstrekkelig lys påvisning er på området 200,000-4,000,000 oppdaget fotoner (tilsvarende -26 ~ 0 dB på maskinens skjerm). Unngå overdreven rombelysning å redusere bakgrunnsstøy.
  4. DCS krever ikke kalibrering å måle CBF jeg. Blodstrøm er proporsjonalt med tiden det tar å miste korrelasjon. En solid blokk ikke nok ikke til å sjekke signalkvaliteten fordi det er ingen bevegelige spredning partikler til å forårsake forråtnelse. En eksperimentator arm viser i stedet forfall - desto raskere blodstrøm, brattere forfallet.

4. Data Acquisition

  1. Mens FDNIRS og DCS målinger kan gjøres raskt i rekkefølge, først måle alle steder med én enhet og deretter gjenta den samme progresjon med den andre enheten, ved hjelp av uavhengige oppkjøpet programvare tilsvarer hver.
  2. Mål sju steder dekker frontal, temporal og parietal områder, ifølge en 10-20 system (FP1, FPZ, FP2, C3, C4, P3, P4), i rekkefølge (figur 2-B). Del håret langs kilde-detektor linje og plassere proben på det området av hodet.
  3. Slå på FDNIRS lasere og detektorer og kontroller signalkvaliteten: amplitude teller bør være mellom 2000 og 20.000 og fasedreiingen SNR <2 grader. Hvis det er utenfor disse områder, inn proben, er å sikre hår skiltes og alle kilder og detektorer er i kontakt med huden.
  4. Samle inn data for 16 sek. Gjenta målinger opp til tre ganger på hvert sted (figur 2-C), skill håret og reposisjonering sonden i en litt forskjellig sted for hvert kjøp. Dette er gjort for å minimalisere effekten av lokale inhomogeniteter som hår og overfladiske store fartøyer og for å gi verdier som er representative for en region, i stedet for en enkelt flekk.
  5. Slå på DCS laser og detektorer og skaffe data for 10 sek. Reposisjonere sonden og repspise oppkjøp (som med de FDNIRS tiltak).
  6. Slå av alle lasere når du flytter sonden mellom steder. Datainnsamling i alle de sju steder er ikke alltid mulig. Seponer målinger hvis motivet manifesterer noen tegn til ubehag eller bevegelse. Prøv på nytt oppkjøpet hvis mulig. EEG elektroder eller åndedrettsvern kan også være til hinder for målinger i enkelte områder.

5. Mål på generell parametere

  1. For beregning av CMRO 2i, to systemiske parametre, arteriell oksygenering (Sao 2) og hemoglobin i blodet (HGB), må ervervet. HGB er også nødvendig å beregne CBV. Mens konvensjonelle pulsoksymetri gir mål på SaO 2, HGB konvensjonelt målt med en blodprøve. En ny pulsoksymeter, utviklet av Masimo Corporation, er i stand til å måle HGB non-invasiv ved hjelp av flere bølgelengder. Enheten er FDA-godkjent for spedbarn> 3 kg, og åpner for en rask nattbord tiltakure av både SaO 2 og HGB.
  2. Record SaO 2 og HGB ved hjelp av en Masimo pulsoksymeter (Pronto stikkprøver puls co-oximeter). For disse målingene, feste en selvklebende engangsbruk sensoren til stortåen av babyens fot. HGB vises på skjermen i noen sekunder.
  3. Når det ikke er mulig å bruke Masimo puls co-oximeter, måle SaO 2 med andre FDA-godkjente pulsoksimetre. HGB kan enten utvinnes fra pasientenes kliniske diagrammer eller beregnes ved hjelp av normative verdier.

6. Dataanalyse

  1. Åpne en in-house etterbehandling dataanalyse GUI MATLAB. Denne programvaren ikke bare dømmer alle hemodynamiske parametre, men bruker også redundans av data til automatisk vurdere måling kvalitet og begrense resultatene.
  2. Automatiske objektive kriterier for kvalitetskontroll består av forkaste data for FDNIRS hvis: R2 <0,98 for modellen tilpasning av de eksperimentelle data, p-verdi> 00,02 for Pearson produkt øyeblikket korrelasjonskoeffisient mellom de åtte målte absorpsjonskoeffisienter og hemoglobinkonsentrasjonen passform (figur 3-A), p-verdi> 0,02 for den lineære tilpasning av de reduserte spredende koeffisientene versus bølgelengde (figur 3-B) 15. Hvis mer enn 33 prosent av dataene meritter forkastet, er hele settet forkastet. For DCS, blir data forkastes hvis: halen av armaturen kurve avviker fra en med mer enn 0,02, er den kumulative variasjon blant 3 første punkter kurven mer enn 0,1, eller den gjennomsnittlige verdi av de tre første punktene er mer enn 1,6 (fig. 4). Hvis mer enn 50 prosent av kurver er forkastet, eller passe verdier har en variasjonskoeffisient> 15 prosent, hele settet forkastet 15.
  3. Beregn absolutt HBO og HBR konsentrasjoner ved å plassere de absorpsjonskoeffisienter på alle bølgelengder, ved hjelp av litteratur verdier for Hb utryddelse koeffisienter 16 ogen 75 prosent konsentrasjon av vann i vev 17. Utlede total hemoglobinkonsentrasjon (HBT = hbo + HBr) og SO 2 (HBO / HBT) fra HBO og HBR konsentrasjoner.
  4. Anslå cerebral blodvolum ved hjelp av ligningen beskrevet i Ijichi et al 18. CBV = (HBT × MW Hb) / (HGB × D bt), hvor MW Hb = 64.500 [g / mol] er molekylvekten av Hb, og D bt = 1,05 g / ml er den hjernevev tetthet.
  5. Beregn CBF i ved å montere de målte timelige autokorrelasjon funksjoner til diffusjon korrelasjon ligningen. Den detaljerte teoretisk rammeverk for å beregne CBF jeg er i Boas et al. Og Boas og Yodh 10,11. I ligningene, bruke individuelle absorpsjonskoeffisienter målt fra FDNIRS og et gjennomsnitt på spredning koeffisienter over hele befolkningen.
  6. Beregne indeksen av cerebral oksygenforbruk ved hjelp FDNIRS mål av SO 2i = (HGB × CBFi × (SaO 2 - SO 2)) / (4 x MW Hb × β) 15, der faktoren 4 gjenspeiler fire O 2 molekyler bundet til hver hemoglobin og β er prosent bidraget av venøse kammer til hemoglobin oksygenering måling 19.

Representative Results

I de siste fem årene har vi demonstrert muligheten og kliniske nytten av den foreslåtte metoden. Spesielt har vi vist CMRO 2 å være mer representativ for hjernen helse og utvikling enn SO 2.

I en tverrsnittsstudie på mer enn 50 friske spedbarn, fant vi at mens CBV er mer enn dobbelt i løpet av første leveår, SO 2 forblir konstant 4 (figur 5). I en studie på 70 friske nyfødte også fant vi at SO 2 er konstant over områder av hjernen mens CMRO 2i, CBV og CBF er høyere i timelige og parietal regioner enn i frontal-regionen (figur 6) 20, som er konsistent med PET glukoseopptak Funnene 21. I begge våre studier, konstant SO 2, innenfor en 60-70 prosent rekkevidde indikerer at oksygentilførsel samsvarer lokalt forbruk, mens CBV, CBF og CMRO 2 er more tett sammen med nevral utvikling.

For å kontrollere at CMRO 2i er en bedre screening verktøy enn SO 2 i å oppdage neonatal hjerneskade, målte vi hjernen skadde spedbarn under den akutte fasen 5, og (i noen få spedbarn) under den kroniske fasen flere måneder etter skaden. Resultater i Figur 7 viser hvordan SO 2 er ikke signifikant endret etter hjerneskade i begge tidlige (1-15 dager etter fornærmelse) og kronisk (måneder etter skade) stadier, mens CMRO 2i er vesentlig annerledes enn normalt i både akutte og kroniske stadier . Spesielt er CMRO 2i heises opp under den akutte fasen på grunn av kramper etter hjerneskade, og lavere enn normalt i kronisk fase grunnet neuronal tap.

Spedbarn med hypoksiske iskemiske skader for tiden behandles med terapeutisk hypotermi (TH) til lavere hjernen metabolisme og redusere skader etter hypoksisk insult. Terapeutisk hypotermi opprettholdes i tre dager, og vi har vært i stand til å overvåke 11 spedbarn under behandling (Figur 8). Vi fant ut at CMRO 2i signifikant reduserer til nivåer under normalt i TH, og denne nedgangen synes å være relatert til effekten av behandlingen og utviklingsmessige utfall. Disse foreløpige resultatene tyder på at FDNIRS-DCS metoden kan være i stand til å veilede og optimalisere hypotermi behandling.

Figur 1
Figur 1. Bilde av vognen med FDNIRS og DCS-enheter. De to instrumentene er kompakt nok til å passe på en liten handlevogn som kan flyttes til barnets seng i NICU.

Figur 2
Figur 2. (A) Optisk sonde konfigurasjon. (C) Et bilde av en typisk FDNIRS-DCS måling på et spedbarn.

Figur 3
Figur 3. Representative eksempler på god og dårlig tilpasning av målte (A) absorpsjonskoeffisienter og hemoglobin fit (B) spredning koeffisienter og den lineære passform. P-verdi> 0,02 refererer til en dårlig passform. Klikk her for å se større figur .

Figur 4
Figur 4. Et representativt eksempel på god og dårlig tilpasning av en autokorrelasjonsfunksjon av intensiteten svingningene beregnetav en korrelator over en forsinkelse rekkevidde på 200 EFF - 0,5 sek. I dårlig passform figuren halen av montering kurven avviker fra en med mer enn 0,02 og variasjonen av de tre første punktene er mer enn 0,1. Klikk her for å se større figur .

Figur 5
Figur 5. Endringer i CBV og SO 2 i frontpartiet, temporal og parietal kortikale regioner i spedbarn fra fødselen til ett års alder.

Figur 6
Figur 6. CBF, SO 2, CBV og CMRO 2i av frontale, temporal og parietal regioner i 70 friske nyfødte.

Figur 7
Figur 7. Eksempler på unormal oksygenforbruk og normal SO 2 etter hjerneskade hos spedbarn. Hjerneskade er preget av endringer i CMRO 2 med hensyn til normal mens SO 2 er ikke signifikant forskjellig fra vanlig. Vær oppmerksom på at disse to tallene, ble CMRO 2 beregnes etter Grubb forholdet, fordi DCS tiltaket ikke var tilgjengelig på tidspunktet for disse målingene.

Figur 8
Figur 8. rCMRO 2 av 11 spedbarn under terapeutisk hypotermi vs alder-matchet friske kontroller. Oksygen metabolisme er sterkt redusert i alle spedbarn med hypotermi behandling.

Discussion

Vi demonstrert en kvantitativ måling av cerebral hemodynamisk og metabolisme med FDNIRS og DCS i neonatal befolkningen. Sonden konfigurasjonen er optimalisert for å måle neonatale hjernebarken 14. Blodstrøm endringer målt ved DCS har blitt grundig validert mot andre teknikker i dyr og mennesker studier 22,23. Ved å bruke en direkte DCS mål på blodstrøm, er vi i stand til å redusere variansen i beregningen av CMRO 2i 24. Variansen fra repeterte målinger var også mindre enn endringene mellom hjernen regioner og med 20 år.

Fra våre tidligere resultater, viste CBFi og CMRO 2i vesentlige endringer med PMA hos friske premature nyfødte. Målet på CMRO 2i er bedre i stand til å oppdage hjerneskade enn tiltaket av SO 2. Dette tyder på at kombinerte tiltak av vaskulære og metabolske parametre tjene som mer robust biomarkers av neonatal hjernen helse og utvikling enn oksygenmetning alene. Tekniske forbedringer vil fokusere på integrering av to virkemidler for å redusere kjøp tid 35-40% per økt og gjennomføring av real-time tilbakemelding på datakvaliteten for å redusere hyppigheten av kasserte tiltak. I nær fremtid, kan dette systemet leveres til kliniske sluttbrukere som en roman sengen skjerm av endret cerebral oksygen metabolisme. Ved å måle baner av CMRO 2 over tid kan også øke klinisk betydning og forutsi utfall. Dette verktøyet kan til slutt gi et betydelig bidrag til bedre forvaltning av neonatal hjerneskade.

Disclosures

Maria Angela Franceschini, hennes ektemann David Boas, og Beniamino Barbieri (ISS Inc) holder patenter på denne teknologien.

Acknowledgments

Forfatterne takker alle familier for deres deltakelse i denne studien og sykepleiere, leger og ansatte i Neonatal ICU, Special Care Nursery, Pediatric Neurology, og fødeinstitusjoner ved Massachusetts General Hospital, Brigham and Women 's Hospital og Boston Children Hospital for deres hjelp og støtte. Spesielt vil vi takke Linda J. Van Marter, Robert M. Insoft, Jonathan H. Cronin, Julianne Mazzawi, og Steven A. Ringer. Forfatterne også takke Marcia Kocienski-Filip, Yvonne Sheldon, Alpna Aggarwall, Maddy Artunguada og Genevieve Nave for deres hjelp under målingene. Dette prosjektet er støttet av NIH R01-HD042908, R21-HD058725, P41-RR14075 og R43-HD071761. Marcia Kocienski-Filip og Yvonne Sheldon støttes av klinisk Translasjonell Science Award UL1RR025758 til Harvard University og Brigham and Women 's Hospital fra National Center for Research Resources. Innholdet er utelukkende ansvaret til enuthors og ikke nødvendigvis representerer den offisielle utsikt over National Center for Research Resources eller National Institutes of Health.

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).
Ikke-invasiv optisk Måling av Cerebral Stoffskifte-og Hemodynamics hos spedbarn
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