Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Medicine

Icke-invasiv optisk mätning av cerebral metabolism och hemodynamik hos spädbarn

doi: 10.3791/4379 Published: March 14, 2013

Summary

Vi kombinerade frekvens-domän nära-infraröd spektroskopi åtgärder av cerebral hemoglobin syresättning med diffusa åtgärder korrelationsspektroskopi av cerebralt blodflöde indexet att uppskatta ett index av syremetabolism. Vi testade nyttan av denna åtgärd som en säng screeningmetod för att utvärdera hälsa och utveckling av det nyfödda hjärnan.

Abstract

Perinatal hjärnskada är fortfarande en viktig orsak till spädbarnsdödlighet och sjuklighet, men det är ännu inte ett effektivt säng verktyg som exakt kan screena för hjärnskada, övervaka skada utvecklingen, eller bedöma svar på behandlingen. Den energi som används av nervceller härrör till stor del från vävnad oxidativ metabolism och neurala hyperaktivitet och celldöd avspeglas av motsvarande förändringar i cerebrala syre metabolism (CMRO 2). Således åtgärder CMRO 2 är reflekterande av neuronal livsduglighet och ge viktig diagnostisk information, vilket gör CMRO 2 ett perfekt mål för sängkanten mätning av hjärnans hälsa.

Brain-imaging tekniker som positronemissionstomografi (PET) och single-photon emission datortomografi (SPECT) åtgärder avkastning av cerebral glukos och syre metabolism, men dessa tekniker kräver tillförsel av radionukleotider, så de används endast i de mest akuta fallen.

Kontinuerlig våg nära infraröd spektroskopi (CWNIRS) ger icke-invasiva och icke-joniserande strålning åtgärder av hemoglobin syremättnad (SO 2) som ett surrogat för cerebral syreförbrukning. Emellertid är SO 2 mindre än idealisk som ett surrogat för cerebral syremetabolism eftersom den påverkas av både syre leverans och konsumtion. Vidare mätningar av SO 2 är inte tillräckligt känsliga för att upptäcka timmar hjärnskada efter förolämpning 1,2, eftersom syreförbrukning och leverans nå jämvikt efter akut transienter 3. Vi undersökte möjligheten att använda mer sofistikerade NIRS optiska metoder för att kvantifiera cerebral syre metabolism vid sängkanten hos friska och hjärnan skadade nyfödda. Mer specifikt, kombinerat vi frekvens-domän NIRS (FDNIRS) mått på SO 2 med den diffusa korrelation spektroskopi (DCS) mått på blodflödet index (CBF i) till yield ett index CMRO 2 (CMRO 2i) 4,5.

Med de kombinerade FDNIRS / DCS-systemet kan vi kvantifiera cerebral metabolism och hemodynamik. Detta innebär en förbättring jämfört med CWNIRS för att upptäcka hjärnans hälsa, hjärnans utveckling, och svar på behandling hos nyfödda. Dessutom följer denna metod för alla neonatala intensiv (NICU) vårdenhet politik för Infection Control och institutionella politik på lasersäkerhet. Framtida arbete kommer att försöka integrera de två instrumenten för att minska förvärv tid vid sängkanten och genomföra feedback i realtid på datakvalitet för att reducera uppgifter avslag.

Introduction

Den FDNIRS enheten är en anpassad frekvens-domän systemet från ISS Inc. med två identiska uppsättningar av 8 laserdioder som emitterar vid åtta våglängder varierande från 660 till 830 nm, och två fotomultiplikatorrör (PMT) detektorer. Källor och detektorer är moduleras vid 110 MHz och 110 MHz samt 5 kHz, respektive, för att uppnå heterodyn detektering 6. Varje laserdiod slås på för 10 ms i följd, för en 160 ms total förvärv tid per cykel. Källor och detektorer är kopplade till fiberoptik och anordnade i en rad i en optisk sond. Arrangemanget av fibrer på proben är sådan att den producerar fyra olika källa-detektor-separationer. Genom att mäta ljus (amplitud dämpning och fasförskjutning) på flera sträckor, kan vi kvantifiera absorption (iA) och spridning (ps) koefficienter vävnaden under observation. Från absorptionskoefficienterna vid flera våglängder, uppskattar vi sedan de absoluta värdena av syresatt (HBO) ochdeoxygenerade (HBR) hemoglobinkoncentrationer 7, cerebral blodvolym (CBV) och hemoglobin syremättnad (SO 2).

DCS-enheten är ett hem - inbyggd som liknar det som utvecklats av Dr. Arjun Yodh och Turgut Durduran vid University of Pennsylvania 8,9. DCS-system som består av en solid - state, lång samstämmighet laser vid 785 nm, fyra fotonräknande lavinfotodiod (APD) detektorer (EG & G Perkin Elmer SPCM-AQRH) presenterar låga mörka räknas (<50 impulser / sek) och en hög kvantutbyte (> 40% vid 785 nm), och en fyra kanal, 256-bin flera tau korrelator, med 200 nsek upplösning. Med DCS mäter vi mikrovaskulär blodflöde i hjärnbarken genom att kvantifiera de temporala intensitet fluktuationer av multipelt spritt ljus som uppstår från Doppler skift produceras genom att flytta röda blodkroppar. Tekniken, som liknar laser Doppler blod flowmetry (dvs de är Fourier Transform analoger), mäter en autokorrelationsfunktion av intensiteten fluktuationer i varje detektor kanal beräknas av en digital korrelator över en fördröjningstid mellan 200 ns - 0,5 sek. Korrelatorn beräknar den temporala intensitet autokorrelationen av ljuset åter dykt från vävnad. Vi passar sedan ekvationen diffusionen korrelationen till den uppmätta autokorrelationsfunktionen förvärvade sekventiellt, ungefär en gång per sekund, för att erhålla indexet blodflödet (CBF i) 10,11. DCS åtgärder av förändringar blodflödet har omfattande validerats 12,13. Genom att kombinera FDNIRS åtgärder SO 2 med DCS åtgärder CBF i, uppnår vi en uppskattning av cerebral syre metabolism (CMRO 2i).

Protocol

1. Förberedelse för Bedside åtgärder

  1. De FDNIRS och DCS-system är kompakt och lätt att gå på en liten vagn till barnets säng på sjukhuset (figur 1).
  2. Efter att ha flyttat vagnen med enheter till sängen, slå på systemen och anslut den optiska sonden till FDNIRS och DCS-enheter. Se till att två experimentatorerna finns för varje mätning: en för att hantera instrument och dator och en för att hålla sonden.
  3. Välj lämplig sond enligt spädbarnets postmenstruell ålder (PMA). Den optiska sonden med FDNIRS källa-detektor separationer av 1, 1,5, 2 och 2,5 cm används för spädbarn <37 veckor PMA och sonden med FDNIRS separationer 1,5, 2, 2,5 och 3 cm används för äldre spädbarn (fig 2-A ). Valet av kortare source-detektor separationer styrs av för tidigt födda barn "liten och större huvud krökning. När du använder en större sond med en prematura barn, de fråively mindre storlek av barnets huvud och dess betydande krökning hindra ihop effektiv kontakt mellan barnets huvud och alla källor och detektorer. Av denna anledning är den sond med FDNIRS källa-detektor separationer av 1, 1,5, 2 och 2,5 cm passande för användning med prematura spädbarn. Vår forskning har bekräftat att de valda källa-detektor separationer är tillräckliga för att mäta optiska egenskaper hos hjärnbarken både prematura och term 14. DCS källa och detektor fibrer är anordnade i en rad parallellt med FDNIRS fibrerna med källa-detektor avstånd 1,5 (en detektor) och 2 cm (tre detektorer) i både tidigt och term spädbarn prober.
  4. Desinficera de optiska sonderna med Sani-duk desinficering torka och sätt proben och fibrerna till en enda användning polypropylenplast ärm.

2. FDNIRS Gain Inställningar och kalibrering

  1. Öppna FDNIRS grafiskt användargränssnitt (GUI) och välj programmet inställningsfilmotsvarande sonden och kalibrering blocket som används.
  2. För att justera detektor vinster, försiktigt placera sonden på ett område av ämnet huvud utan hår (helst den vänstra sidan av pannan) och bibehålla den i samma position utan att något tryck. Slå på källor och detektorer och justera PMT spänning tills amplituden av någon av de källor lasrar når 20.000 räknas. 32.000 räknas är den maximala digitalisering av analog till digital förvärv kort och vinster måste fastställas under denna tröskel för att undvika mättnad under datainsamling. Förstärkningarna bör fastställas i den främre delen, eftersom detta område i allmänhet har den lägsta absorptionen av laserljus och är därför mest benägen till mättnad.
  3. Stäng av källor och detektorer och återgå sonden till kalibreringen blocket. De lasrar måste vara avstängd när du flyttar sonden för ögat säkerhet, detektorerna måste stängas eftersom PMT är mycket känsliga och exponering för starkt ljus increases bakgrundsljud och kan permanent skada dem.
  4. Med sonden tillbaka på kalibreringsblocket använder neutral densitet (ND)-filter om någon källa-detektor par mättas. Olika ND filter kan väljas på grund optimera vinster hos spädbarn med olika hudtoner Håll sonden fortfarande under 16 sekunder medan du kör kalibreringsproceduren. Eftersom vi inte fysiskt flytta en källa till olika avstånd från en enda detektor för att uppnå en flera distans system, utan istället använda fyra kombinationer av två oberoende källor och två oberoende detektorer, måste vi att kalibrera för olika effekt av de två källorna och de olika förstärkningarna hos båda detektorerna. Genom att mäta ett kalibreringsblock av kända optiska egenskaper, uppskattar vi amplitud och fas korrektionsfaktorer som behövs för att återvinna absorptions-och spridningskoefficientema hos kalibreringsblocket.
  5. Efter kalibrering, förvärva 16 mer sekunder av data på blocket och visuellt bedöma lämpligheten av the kalibrering med en egen MATLAB GUI. Den uppmätta iA-och ps "bör matcha de faktiska koefficienterna kalibreringen blocket vid alla våglängder. Kalibrera om passformen är dålig.
  6. Om detektorn vinster behöver ändras eller källa och detektor fibrer måste kopplas bort vid mätningar, upprepa kalibreringen av FDNIRS enheten.
  7. I slutet av mätserie förvärva ytterligare 16 sekunder av data på kalibrering blocket för att kontrollera om kalibreringen bibehölls under mätningarna i ämnet. Om kalibreringen inte har upprätthållits, ta en andra kalibrering vid slutet av mätningen och gälla för insamlade data.

3. DCS-inställningar

  1. Öppna den interna DCS datainsamling GUI och ladda inställningsfilen som motsvarar den optiska sonden som används.
  2. Innan du börjar mätningar kontrollera att lasern makt DCS källan är lämplig för hudexponering genom att mäta tHan lasereffekt av DCS källan med en effekt mätare och kontrollera platsen storlek med en IR visning kort (lasern avger vid 785 nm, vilket inte syns). DCS lasereffekten är ~ 60 mW och kopplad till en relativt liten diameter fibrer (400-600 um). För att uppfylla ANSI-standarder för hudexponering, måste ljuset vid sonden dämpas och spridas över ett stort område. Detta uppnås genom att täcka spetsen av fibern med en 3 mm diameter vit Teflon ark (fig 2-A). Den Teflon är mycket spridande och allmänt sprider laserstrålen. Vid sängkanten, att lasereffekten vid sonden är mindre än 25 mW och platsen är större än 3 mm i diameter. När det gäller FDNIRS alltid stänga källor och detektorer när du flyttar den optiska sonden.
  3. DCS upptäckt är fotonräknande och det finns ingen APD förstärkningsjustering som krävs för FDNIRS enheten. En flagga i förvärvet mjukvaran indikerar om för mycket ljus detekteras, i vilket fall ljuset koppling till ETIhennes källa eller fibrer detektor måste minskas genom att vrida fibern kontakter. Tillräckligt ljus upptäckt är om utbudet av 200,000-4,000,000 detekterade fotoner (motsvarande -26 ~ 0 dB på datorskärmen). Undvik stark rumsbelysning för att minska bakgrundsljud.
  4. DCS kräver inte kalibrering för att mäta CBF jag. Blodflödet är proportionell mot den tid det tar att förlora korrelationen. Ett massivt block räcker inte att kontrollera signalkvaliteten eftersom det inte finns några rörliga spridande partiklar för att orsaka röta. En försöksledaren arm visar istället förfall - desto snabbare blodflödet, desto brantare sönderfallet.

4. Data Acquisition

  1. Medan FDNIRS och DCS mätningar kan göras snabbt i sekvens, först mäta alla platser med en enhet och sedan upprepa samma progression med den andra enheten med hjälp av oberoende förvärv programvara som motsvarar varje.
  2. Mät sju orter täcker frontal, tidsmässiga och Parietal områden, enligt ett 10-20 system (FP1, FpZ, FP2, C3, C4, P3, P4), i följd (Figur 2-B). Del håret längs källa-detektor linje och placera sonden på det området av huvudet.
  3. Aktivera FDNIRS lasrar och detektorer och kontrollera signalkvaliteten: amplitud räknas bör vara mellan 2.000 och 20.000 och fasförskjutningar SNR <2 grader. Om utanför dessa intervall, flytta sonden, är att säkerställa hår parted och alla källor och detektorer är i kontakt med huden.
  4. Förvärva data för 16 sekunder. Upprepa mätningar upp till tre gånger i varje plats (Figur 2-C), bena håret och flytta sonden i en något annorlunda plats för varje förvärv. Detta görs för att minimera effekten av lokala inhomogeniteter som hår och ytliga stora fartyg och att ange värden som är representativa för en region, snarare än en enda fläck.
  5. Slå på DCS laser och detektorer och förvärva data för 10 sek. Flytta sonden och repäta förvärven (som med FDNIRS åtgärder).
  6. Stäng av alla lasrar när du flyttar sonden mellan platser. Datainsamling i alla sju platser är inte alltid möjligt. Avbryt mätningar om ämnet visar några tecken på ångest eller rörelse. Försök igen förvärvet om möjligt. EEG elektroder eller respiratorisk utrustning kan också hindra mätningar på vissa platser.

5. Mått på Systemiska parametrar

  1. Vid beräkning av CMRO 2i, två systemiska parametrar, arteriell syresättning (Sao 2) och hemoglobin i blodet (HGB), måste förvärvas. HGB behövs också för att beräkna CBV. Medan konventionell pulsoximetri ger åtgärder i São 2, HGB konventionellt mäts med ett blodprov. En ny pulsoximeter, som utvecklats av Masimo Corporation, kan mäta HGB icke-invasivt genom att använda flera våglängder. Enheten är FDA-godkänt för spädbarn> 3 kg, och tillåter en snabb säng åtgärure av både SAO 2 och HGB.
  2. Rekord SAO 2 och HGB med en Masimo pulsoximeter (Pronto stickprovskontroll CO-pulsoximeter). För dessa mätningar bifoga en självhäftande engångsbruk sensorn stortån av barnets fot. HGB visas på bildskärmen inom några sekunder.
  3. När det inte är möjligt att använda Masimo CO-pulsoximeter, mått SAO 2 med andra FDA-godkända pulsoximetrar. HGB kan antingen återvinnas från patienternas kliniska diagram eller beräknas med normativa värden.

6. Dataanalys

  1. Öppna en egen efterbearbetning dataanalys GUI med MATLAB. Denna programvara inte bara uppskattar alla hemodynamiska parametrar, men också använder redundans av data för att automatiskt bedöma mätkvalitet och begränsa resultaten.
  2. Automatiska objektiva kriterier för kvalitetskontroll består av information tas bort för FDNIRS om: R2 <0,98 för modellen passning av experimentella data, p-värde> 00,02 för Pearson produkt ögonblick korrelationskoefficient mellan de uppmätta åtta absorptionskoefficienter och hemoglobin passform (Figur 3-A), p-värde> 0,02 för linjär anpassning av de reducerade spridningskoefficientema kontra våglängd (figur 3-B) 15. Om mer än 33 procent av uppgifterna meriter kassering, hela uppsättningen kasseras. För DCS, data kasseras om: svansen av inredningen kurvan skiljer sig från 1 med mer än 0,02, är den kumulativa variationen bland de 3 första punkterna på kurvan mer än 0,1, eller det genomsnittliga värdet av 3 första punkterna är mer än 1,6 (fig 4). Om mer än 50 procent av kurvor kasseras, eller passa värden har en variationskoefficient> 15 procent, hela uppsättningen kasseras 15.
  3. Beräkna absolut HBO och HBR koncentrationer genom att montera absorptionskoefficienterna vid alla våglängder, med litteratur värden för Hb extinktionskoefficienterna 16 ochen 75 procent koncentration av vatten i vävnad 17. Härled total hemoglobinkoncentration (HBT = HbO + HBr) och SO 2 (HBO / HBT) från HBO och HBR koncentrationer.
  4. Uppskatta cerebral blodvolym med ekvationen som beskrivs i Ijichi et al 18. CBV = (HBT × MW Hb) / (HGB x D bt), där MV Hb = 64.500 [g / mol] är molekylvikten av Hb, och D bt = 1,05 g / ml är hjärnvävnaden densitet.
  5. Beräkna CBF I genom att montera de uppmätta temporala autokorrelationsfunktioner till spridning korrelationen ekvationen. Den detaljerade teoretiska ramverket för att beräkna CBF i är i Boas et al. Samt Boas och Yodh 10,11. I ekvationerna, använda enskilda absorptionskoefficienter mätt från FDNIRS och ett genomsnitt av de spridningskoefficientema över hela befolkningen.
  6. Beräkna indexet av cerebral syreförbrukning genom att använda FDNIRS mått av SO 2i = (HGB × CBFI × (SAO 2 - SO 2)) / (4 x MW Hb × β) 15, där faktorn 4 avspeglar de fyra O 2 molekyler bundet till varje hemoglobin och β är procent bidrag venösa facket till hemoglobin syresättning mätning 19.

Representative Results

Under de senaste fem åren har vi visat genomförbarheten och kliniska nyttan av den föreslagna metoden. Framför allt har vi visat CMRO 2 vara mer representativ för hjärnans hälsa och utveckling än SO 2.

I en tvärsnittsstudie på mer än 50 friska barn, fann vi att när CBV är mer än dubbelt under det första levnadsåret, SO 2 förblir konstant 4 (Figur 5). I en studie på 70 friska nyfödda vi fann också att SO 2 är konstant över hjärnregioner medan CMRO 2i, CBV och CBF är högre i tid och parietala regioner än i den främre regionen (Figur 6) 20, vilket är i linje med PET glukosupptag resultaten 21. I båda våra studier, konstant så 2, inom ett 60-70 procent sortiment indikerar att syretillförsel närmast motsvarar den lokala konsumtionen, medan CBV, CBF och CMRO 2 är more tätt tillsammans med neural utveckling.

För att verifiera att CMRO 2i är en bättre screeningmetod än SO 2 att upptäcka neonatal hjärnskada, mätte vi hjärnan skadade barn under den akuta fasen 5, och (i några barn) under den kroniska fasen flera månader efter skadan. Resultaten i figur 7 visar hur SO 2 är inte signifikant av en hjärnskada i både tidiga (1-15 dagar efter förolämpning) och kroniska (månader efter skada) steg, medan CMRO 2i är väsentligt annorlunda än normalt under både akuta och kroniska stadier . Specifikt CMRO 2i förhöjd under den akuta fasen på grund av kramper efter hjärnskada, och lägre än normalt under den kroniska fasen på grund av neuronal förlust.

Spädbarn med hypoxiska ischemiska skador närvarande behandlas med terapeutisk hypotermi (TH) till lägre hjärnans ämnesomsättning och minska skador efter hypoxiska insUlt. Terapeutisk hypotermi bibehålls under tre dagar och vi har kunnat följa 11 spädbarn under behandlingen (figur 8). Vi fann att CMRO 2i signifikant minskar till nivåer under normala under TH, och denna minskning tycks vara relaterad till terapisvaret och utvecklande resultat. Dessa preliminära resultat tyder på att FDNIRS-DCS metod kanske kan vägleda och optimera hypotermi terapi.

Figur 1
Figur 1. Bild av vagnen med FDNIRS och DCS-enheter. De två instrumenten är tillräckligt kompakt för att få plats på en liten vagn som kan flyttas till barnets säng i NICU.

Figur 2
Figur 2. (A) Optisk sond konfiguration. (C) Ett foto av en typisk FDNIRS-DCS mätning på ett spädbarn.

Figur 3
Figur 3. Representativa exempel på bra och dålig passning av uppmätt (A) absorptionskoefficienter och hemoglobin passform (B) spridningskoefficientema och den linjära passform. P-värde> 0,02 hänvisar till en dålig passform. Klicka här för att se större bild .

Figur 4
Figur 4. Ett representativt exempel på bra och dålig passform på en autokorrelationsfunktion av de beräknade intensitet fluktuationergenom en korrelator över en fördröjningstid mellan 200 nsek - 0,5 sek. I dålig passform siffran svansen av inredningen kurvan skiljer sig från 1 med mer än 0,02 och variationen av de 3 första punkterna är mer än 0,1. Klicka här för att se större bild .

Figur 5
Figur 5. Förändringar i CBV och SO 2 över frontal, temporal och parietal kortikala regioner i spädbarn från födseln till ett års ålder.

Figur 6
Figur 6. CBF, SO 2, CBV och CMRO 2i i frontala, temporal och parietala regioner 70 friska nyfödda.

Figur 7
Figur 7. Exempel på onormala syreförbrukning och normalt så 2 efter hjärnskada hos spädbarn. Har Hjärnskada märkt av förändringar i CMRO 2 med avseende på vanligt medan SO 2 är inte signifikant från det normala. Observera att i dessa två siffror var CMRO 2 beräknas med hjälp av Grubb relationen, eftersom DCS åtgärden inte var tillgänglig vid tiden för dessa mätningar.

Figur 8
Figur 8. rCMRO 2 av 11 spädbarn under terapeutisk hypotermi vs åldersmatchade friska kontroller. Syremetabolism starkt reducerad i alla spädbarn med hypotermi terapi.

Discussion

Vi visade en kvantitativ mätning av cerebral hemodynamiska och metabolism med FDNIRS och DCS i den neonatala populationen. Sonden konfigurationen är optimerad för mätning neonatalt hjärnbarken 14. Blodflödet förändringar mätt med DCS har omfattande validerats mot andra tekniker i djur och människor 22,23. Genom att använda en direkt DCS mått på blodflödet, kan vi minska variansen i beräkningen av CMRO 2i 24. Variansen från upprepade mätningar var också mindre än förändringarna mellan hjärnregioner och med åldern 20.

Från våra tidigare resultat visade CBFI och CMRO 2i betydande förändringar med PMA i friska prematura nyfödda. Måttet på CMRO 2i är bättre i stånd att detektera hjärnskador än måttet av SO 2. Detta tyder på att kombinerade åtgärder av vaskulära och metabola parametrar fungerar som mer robust biomarkers av neonatal hjärnans hälsa och utveckling än syremättnad ensam. Tekniska förbättringar kommer att fokusera på att integrera två instrument för att minska förvärv tid 35-40% per session och genomförande av feedback i realtid på datakvalitet för att minska frekvensen av kasserade åtgärder. Inom en snar framtid kan detta system levereras till klinisk slutanvändare som en ny sängplatsmonitorn av förändrad cerebral syre metabolism. Genom att mäta banor CMRO 2 tiden kan också öka klinisk signifikans och förutsäga resultat. Detta verktyg kan i slutändan ge ett betydande bidrag till bättre förvaltning av neonatal hjärnskada.

Disclosures

Maria Angela Franceschini, hennes man David Boas, och Beniamino Barbieri (ISS Inc) håller patent på denna teknik.

Acknowledgments

Författarna tackar alla familjer för deras deltagande i denna studie och sjuksköterskor, läkare och personal i neonatal intensivvård, Special Care Nursery, Pediatric Neurology, och enheterna moderskap vid Massachusetts General Hospital, Brigham and Women sjukhus och Boston Barnsjukhus för deras hjälp och stöd. I synnerhet vi tackar Linda J. Van Marter, Robert M. Insoft, Jonathan H. Cronin, Julianne Mazzawi och Steven A. Ringer. Författarna tackar också Marcia Kocienski-Filip, Yvonne Sheldon, Alpna Aggarwall, Maddy Artunguada och Genevieve Nave för deras hjälp under mätningarna. Projektet stöds av NIH R01-HD042908, R21-HD058725, P41-RR14075 och R43-HD071761. Marcia Kocienski-Filip och Yvonne Sheldon stöds av kliniska Translationell Science Award UL1RR025758 till Harvard University och Brigham and Women sjukhus från National Center for Research Resources. Innehållet är helt ansvarig för enuthors och inte nödvändigtvis representerar officiella ståndpunkter 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).
Icke-invasiv optisk mätning av cerebral metabolism och hemodynamik hos spädbarn
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