Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

المراقبة في الوقت الحقيقي للمرضى العصبيين الحرجين باستخدام التحليل الطيفي البصري المنتشر

Published: November 19, 2020 doi: 10.3791/61608
Automatic Translation
1,2, 2,3, 1, 2,3, 1,2, 1, 4, 3, 2,5, 1,2
1Institute of Physics, University of Campinas, 2Brazilian Institute of Neuroscience and Neurotechnology, 3Clinical Hospital, University of Campinas, 4Department of Emergency Medicine, Albert Einstein College of Medicine, 5School of Medical Sciences, University of Campinas

ERRATUM NOTICE

Summary

يظهر هنا بروتوكول لمراقبة ديناميكا الدم الدماغية غير الغازية للمرضى العصبيين في الوقت الفعلي وبجانب السرير باستخدام البصريات المنتشرة. على وجه التحديد ، يستخدم البروتوكول المقترح أنظمة بصرية منتشرة هجينة لاكتشاف وعرض معلومات في الوقت الفعلي عن الأوكسجين الدماغي وتدفق الدم الدماغي والتمثيل الغذائي الدماغي.

Abstract

تعد المراقبة الفسيولوجية العصبية هدفا مهما في علاج المرضى العصبيين ، لأنها قد تمنع الضرر الثانوي وتؤثر بشكل مباشر على معدلات المراضة والوفيات. ومع ذلك ، هناك حاليا نقص في التقنيات المناسبة غير الغازية في الوقت الفعلي للمراقبة المستمرة لعلم وظائف الأعضاء الدماغية بجانب السرير. تم اقتراح التقنيات البصرية المنتشرة كأداة محتملة للقياسات بجانب السرير لتدفق الدم الدماغي والأوكسجين الدماغي في حالة المرضى العصبيين. تم استكشاف التحليل الطيفي البصري المنتشر سابقا لمراقبة المرضى في العديد من السيناريوهات السريرية التي تتراوح من مراقبة حديثي الولادة إلى التدخلات الدماغية الوعائية لدى البالغين. ومع ذلك ، فإن جدوى هذه التقنية لمساعدة الأطباء من خلال توفير معلومات في الوقت الفعلي بجانب السرير لا تزال دون معالجة إلى حد كبير. هنا ، نبلغ عن ترجمة نظام بصري منتشر للمراقبة المستمرة في الوقت الفعلي لتدفق الدم الدماغي والأوكسجين الدماغي واستقلاب الأكسجين الدماغي أثناء العناية المركزة. يمكن أن تتيح ميزة الوقت الفعلي للأداة استراتيجيات العلاج القائمة على علم وظائف الأعضاء الدماغية الخاص بالمريض بدلا من الاعتماد على مقاييس بديلة ، مثل ضغط الدم الشرياني. من خلال توفير معلومات في الوقت الفعلي عن الدورة الدموية الدماغية على نطاقات زمنية مختلفة باستخدام أجهزة رخيصة نسبيا ومحمولة ، قد يكون هذا النهج مفيدا بشكل خاص في المستشفيات منخفضة الميزانية ، في المناطق النائية وللمراقبة في الحقول المفتوحة (مثل الدفاع والرياضة).

Introduction

ترتبط معظم المضاعفات التي تؤدي إلى نتائج سيئة لمرضى الأعصاب المصابين بأمراض خطيرة بالإصابات الثانوية الناجمة عن ضعف الدورة الدموية الدماغية. لذلك ، قد تؤثر مراقبة الفسيولوجيا الدماغية لهؤلاء المرضى بشكل مباشر على معدلات المراضة والوفيات1،2،3،4،5،6،7. ومع ذلك ، لا توجد حاليا أداة سريرية ثابتة للمراقبة المستمرة غير الباضعة في الوقت الفعلي لعلم وظائف الأعضاء الدماغية في المرضى العصبيين الحرجين بجانب السرير. من بين المرشحين المحتملين ، تم اقتراح التقنيات البصرية المنتشرة مؤخرا كأداة واعدة لسد هذه الفجوة8،9،10،11. من خلال قياس التغيرات البطيئة (أي بترتيب عشرات إلى مئات مللي ثانية) للضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء المتناثر بشكل منتشر (~ 650-900 نانومتر) من فروة الرأس ، يمكن للتحليل الطيفي البصري المنتشر (DOS) قياس تركيزات الكروموسومات الرئيسية في الدماغ ، مثل أوكسي الدماغ (HbO) وديوكسي هيموغلوبين (HbR) 12,13. بالإضافة إلى ذلك ، من الممكن قياس تدفق الدم الدماغي (CBF) باستخدام التحليل الطيفي للارتباط المنتشر (DCS) 10،14،15،16،17 عن طريق تحديد التقلبات السريعة في شدة الضوء (أي من بضعة ميكروثانية إلى بضعة مللي ثانية). عند الجمع بينهما ، يمكن أن يوفر DOS و DCS أيضا تقديرا لمعدل الأيض الدماغي للأكسجين (CMRO2) 18،19،20.

تم استكشاف مزيج DOS و DCS لمراقبة المرضى في العديد من السيناريوهات قبل السريرية والسريرية. على سبيل المثال ، ثبت أن البصريات المنتشرة توفر معلومات سريرية ذات صلة لحديثي الولادة المصابين بأمراض خطيرة21،22،23،24 ، بما في ذلك أثناء جراحات القلب لعلاج عيوب القلب23،25،26،27،28 . بالإضافة إلى ذلك ، استكشف العديد من المؤلفين استخدام البصريات المنتشرة لتقييم ديناميكا الدم الدماغية أثناء التدخلات الوعائية الدماغية المختلفة ، مثل استئصال باطنة الشريان السباتي29،30،31 ، علاجات التخثر للسكتة الدماغية 32 ، التلاعب برأس السرير33،34،35 ، الإنعاش القلبي الرئوي 36 ، وغيرها37،38 ، 39. عندما تتوفر أيضا مراقبة مستمرة لضغط الدم ، يمكن استخدام البصريات المنتشرة لمراقبة التنظيم الذاتي الدماغي ، سواء في الأشخاص الأصحاء أو المصابين بأمراض خطيرة 11،40،41،42 ، وكذلك لتقييم ضغط الإغلاق الحرج للدورة الدموية الدماغية 43. قام العديد من المؤلفين بالتحقق من صحة قياسات CBF باستخدام DCS مقابل مقاييس CBF القياسية الذهبية المختلفة 18 ، بينما ثبت أن CMRO2 المقاس باستخدام البصريات المنتشرة هو معلمة مفيدة للمراقبة العصبيةالحرجة 8،18،23،24،28،43،44،45 . بالإضافة إلى ذلك ، أثبتت الدراسات السابقة صحة المعلمات الديناميكية الدموية الدماغية المشتقة بصريا للمراقبة طويلة المدى للمرضى الحرجين العصبيين 8،9،10،11 ، بما في ذلك التنبؤ بنقص الأكسجين46،47،48 والأحداث الإقفارية8.

لا تزال موثوقية التقنيات البصرية المنتشرة لتوفير معلومات قيمة في الوقت الفعلي أثناء القياسات الطولية وكذلك أثناء التدخلات السريرية دون معالجة إلى حد كبير. تمت مقارنة استخدام نظام DOS المستقل سابقا بأجهزة مراقبة توتر الأكسجين في أنسجة المخ الغازية ، واعتبر DOS ليس لديه حساسية كافية لاستبدال أجهزة المراقبة الغازية. ومع ذلك ، بصرف النظر عن استخدام مجموعات صغيرة نسبيا ، قد تكون المقارنة المباشرة بين أجهزة المراقبة الغازية وغير الغازية مضللة لأن كل تقنية تسبر أحجام مختلفة تحتوي على أجزاء مختلفة من الأوعية الدموية الدماغية. على الرغم من أن هذه الدراسات خلصت في النهاية إلى أن البصريات المنتشرة ليست بديلا عن الشاشات الغازية ، فقد حققت DOS في كلتا الدراستين دقة معتدلة إلى جيدة ، والتي قد تكون كافية للحالات و / أو الأماكن التي لا تتوفر فيها أجهزة المراقبة الغازية.

بالنسبة إلى الأساليب الأخرى ، فإن الميزة الرئيسية للبصريات المنتشرة هي قدرتها على قياس تدفق الدم وأكسجة الدم في الأنسجة في وقت واحد بشكل غير جراحي (ومستمر) بجانب السرير باستخدام أجهزة محمولة. بالمقارنة مع الموجات فوق الصوتية دوبلر عبر الجمجمة (TCD) ، يتمتع DCS بميزة إضافية: فهو يقيس التروية على مستوى الأنسجة ، بينما يقيس TCD سرعة تدفق الدم الدماغي في الشرايين الكبيرة في قاعدة الدماغ. قد يكون هذا التمييز مهما بشكل خاص عند تقييم أمراض انسداد الضيق التي يساهم فيها كل من تدفق الشريان الكبير القريب والضمانات الجانبية في التروية. تتمتع التقنيات البصرية أيضا بمزايا عند مقارنتها بطرق التصوير التقليدية الأخرى ، مثل التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). بالإضافة إلى توفير مقاييس مباشرة في وقت واحد لكل من تركيزات CBF و HbO / HbR ، وهو أمر غير ممكن مع التصوير بالرنين المغناطيسي أو التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني وحده ، توفر المراقبة البصرية أيضا دقة زمنية أفضل بكثير ، مما يسمح ، على سبيل المثال ، بتقييم التنظيم الذاتي الدماغي الديناميكي40،41،42 وتقييم التغيرات الديناميكية الدموية المتطورة ديناميكيا. وعلاوة على ذلك، فإن الأجهزة البصرية المنتشرة غير مكلفة ومحمولة مقارنة بالتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني والتصوير بالرنين المغناطيسي، وهي ميزة حاسمة بالنظر إلى العبء الكبير لأمراض الأوعية الدموية في البلدان المنخفضة والمتوسطة الدخل.

البروتوكول المقترح هنا هو بيئة للمراقبة العصبية بجانب السرير في الوقت الفعلي للمرضى في وحدة العناية المركزة (ICU). يستخدم البروتوكول جهازا بصريا هجينا مع واجهة مستخدم رسومية صديقة للأطباء (GUI) وأجهزة استشعار بصرية مخصصة لفحص المرضى (الشكل 1). يجمع النظام الهجين المستخدم لعرض هذا البروتوكول بين اثنين من مطيافية بصرية منتشرة من وحدات مستقلة: وحدة DOS لمجال التردد التجاري (FD-) ووحدة DCS محلية الصنع (الشكل 1A). تتكون وحدة FD-DOS 49,50 من 4 أنابيب مضاعفة ضوئية (PMTs) و 32 صمام ثنائي ليزر ينبعث منها أربعة أطوال موجية مختلفة (690 و 704 و 750 و 850 نانومتر). تتكون وحدة DCS من ليزر طويل التماسك ينبعث عند 785 نانومتر ، و 16 عداد فوتون واحد ككاشفات ولوحة ارتباط. تردد أخذ العينات لوحدة FD-DOS هو 10 هرتز ، والحد الأقصى لتردد أخذ العينات لوحدة DCS هو 3 هرتز. لدمج وحدات FD-DOS و DCS ، تمت برمجة متحكم دقيق داخل برنامج التحكم الخاص بنا للتبديل تلقائيا بين كل وحدة. المتحكم الدقيق مسؤول عن تشغيل وإيقاف ليزر FD-DOS و DCS ، بالإضافة إلى كاشفات FD-DOS للسماح بالقياسات المتداخلة لكل وحدة. وإجمالا، يمكن للنظام المقترح أن يجمع عينة واحدة مجمعة من FD-DOS وDCS كل 0.5 إلى 5 ثوان، اعتمادا على متطلبات نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) (تؤدي أوقات التجميع الأطول إلى نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) بشكل أفضل). لإقران الضوء بالجبهة ، قمنا بتطوير مسبار بصري مطبوع ثلاثي الأبعاد يمكن تخصيصه لكل مريض (الشكل 1 ب) ، مع فصل كاشف المصدر يتراوح بين 0.8 و 4.0 سم. عمليات الفصل القياسية للكشف عن المصدر المستخدمة في الأمثلة المعروضة هنا هي 2.5 سم ل DCS و 1.5 و 2.0 و 2.5 و 3.0 سم ل FD-DOS.

الميزة الرئيسية للبروتوكول المقدم في هذه الدراسة هي تطوير واجهة في الوقت الفعلي يمكنها التحكم في الأجهزة باستخدام واجهة مستخدم رسومية سهلة الاستخدام وعرض معلمات فسيولوجيا الدماغ الرئيسية في الوقت الفعلي تحت نوافذ زمنية مختلفة (الشكل 1C). خط أنابيب التحليل في الوقت الفعلي الذي تم تطويره داخل واجهة المستخدم الرسومية المقترحة سريع ويستغرق أقل من 50 مللي ثانية لحساب المعلمات البصرية (انظر المواد التكميلية لمزيد من التفاصيل). تم استلهام واجهة المستخدم الرسومية من الأدوات السريرية الحالية المتوفرة بالفعل في وحدة العناية المركزة العصبية ، وتم تكييفها من خلال ردود فعل مكثفة من قبل المستخدمين السريريين أثناء ترجمة النظام إلى وحدة العناية المركزة العصبية. وبالتالي ، يمكن لواجهة المستخدم الرسومية في الوقت الفعلي تسهيل اعتماد النظام البصري من قبل موظفي المستشفى العاديين ، مثل أخصائيي العناية المركزة العصبية والممرضات. إن الاعتماد الواسع للبصريات المنتشرة كأداة بحث سريري لديه القدرة على تعزيز قدرتها على مراقبة البيانات ذات المغزى الفسيولوجي ويمكن أن يثبت في النهاية أن البصريات المنتشرة هي خيار جيد لمراقبة المرضى العصبيين غير الجراحيين في الوقت الفعلي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

تمت الموافقة على البروتوكول من قبل اللجنة المحلية لجامعة كامبيناس (رقم البروتوكول 56602516.2.0000.5404). تم الحصول على موافقة خطية مستنيرة من المريض أو ممثل قانوني قبل القياسات. راقبنا المرضى الذين تم إدخالهم إلى مستشفى العيادات في جامعة كامبيناس مع تشخيص السكتة الدماغية أو نزيف تحت العنكبوتية يؤثر على الدورة الدموية الأمامية. تم استبعاد المرضى الذين يعانون من السكتات الدماغية الإقفارية التي تؤثر على الدورة الدموية الخلفية ، والمرضى الذين يعانون من استئصال القحف المضغوط بسبب ارتفاع الضغط داخل الجمجمة والمرضى الذين يعانون من أمراض تنكسية عصبية أخرى (الخرف ، باركنسون أو أي مرض آخر يمكن أن يرتبط بضمور القشرة) من بروتوكول الدراسة.

1. الاستعدادات قبل نقل النظام إلى وحدة العناية المركزة

  1. قم بتوصيل جميع الألياف بأشعة الليزر وأجهزة الكشف ذات الصلة ، وتأكد من توصيلها بشكل صحيح بالمسبار البصري (الشكل 1 ب).
  2. تأكد من أن المسبار البصري مغطى بقطعة قماش سوداء لتجنب سطوع أشعة الليزر في الغرفة.
  3. أدر مفتاح طاقة النظام إلى وضع "التشغيل". بعد تشغيل النظام ، انتظر 30 ثانية ثم أدر مفتاح مفتاح ليزر DCS إلى وضع "التشغيل". يتم تشغيل ليزر FD-DOS تلقائيا عند تشغيل النظام.
  4. أثناء إعداد النظام ، احصل على موافقة المشارك أو الممثل القانوني. بعد الحصول على الموافقة ، أحضر العربة إلى غرفة المريض.
    ملاحظة: نظرا لأن النظام الهجين يحتوي على بطارية مدمجة تدوم حتى 45 دقيقة ، فلا يلزم إيقاف تشغيلها أثناء النقل.

2. إعدادات المعايرة والكسب لنظام DOS

  1. عند الوصول إلى وحدة العناية المركزة، قم بإيقاف تشغيل ليزر DCS عن طريق تبديل المفتاح إلى وضع "إيقاف التشغيل".
  2. بدءا من الشبح الصلب الذي يحمل علامة "معايرة" ، قم بتشغيل عملية المعايرة على برنامج FD-DOS (BOXY ، ISS) باتباع الخطوات أدناه.
    1. في قائمة "ملف" ، قم بتحميل ملف الإعدادات المناسب للمسبار المستخدم بالنقر فوق خيار "تحميل ملف الإعدادات".
    2. ضع المسبار على الجانب المنحني من الشبح ، مما يضمن اتصالا جيدا بالسطح ثم قم بتحسين جهد التحيز PMT بالنقر فوق الزر "تحسين جميع أجهزة الكشف" في برنامج FD-DOS.
    3. قم بتشغيل المعايرة لفصل كاشف المصدر المتعدد بالنقر فوق الخيار "Calc. Waveform Calib. قيم الدعائم البصرية. ومسافات متعددة" من قائمة "المعايرة".
    4. افتح خيار "الحسابات المعرفة من قبل المستخدم" من قائمة "Text-Mon" للتحقق من أن الخصائص البصرية المقاسة تتطابق مع القيم المحددة مسبقا (المكتوبة في الشبح الصلب) ، وأن R2 المناسب قريب من واحد.
  3. كرر الخطوات المذكورة أعلاه (باستثناء الخطوة 2.2.3) لقياس الخصائص البصرية للشبح الذي تم وضع علامة "فحص" عليه للتأكد من أن المعايرة كانت كافية. يجب أن تتطابق الخصائص البصرية المقاسة ، في حدود 10٪ ، مع القيم المحددة في الأشباح.
    تنبيه: تأكد من إيقاف تشغيل PMTs (بالنقر فوق الزر "إيقاف تشغيل جميع أجهزة الكشف") في كل مرة يتم فيها تحريك المسبار لتجنب إتلاف PMTs بسبب الإضاءة المباشرة من الإضاءة المحيطة.
  4. إذا كانت المعايرة غير كافية، فأعد تشغيل عملية المعايرة (الخطوتان 2.2 و2.3). يعد ضمان المعايرة الجيدة لنظام FD-DOS أمرا ضروريا لصحة قياسات FD-DOS.

3. إعداد المشارك بجانب السرير

  1. استخدم مناديل التعقيم لتنظيف كل من المسبار وجبين المريض.
  2. ضع الشريط على الوجهين على المسبار (الشكل 1 ب) ، مع التأكد من أن الشريط ليس على اتصال مباشر بأطراف الألياف الضوئية.
  3. ضع جوجل سلامة الليزر على هذا الموضوع.
  4. ضع المجسات فوق منطقة الاهتمام (ROI) ولف الأشرطة المرنة حول رأس الهدف. على الرغم من أنه ليس ضروريا تماما ل FD-DOS و DCS ، فمن المستحسن تغطية المسبار البصري بقطعة قماش سوداء أو ضمادة سوداء لتقليل الضوضاء بسبب الإضاءة المحيطة.
    ملاحظة: من المهم التأكد من أن الشريط المطاطي ليس ضيقا جدا ولا فضفاضا جدا. إذا كان الحزام ضيقا جدا ، فقد يتسبب ذلك في إزعاج كبير للمريض ، وإذا كان الحزام فضفاضا جدا ، فقد يؤدي ذلك إلى رداءة جودة البيانات لأن الشريط على الوجهين ليس قويا بما يكفي للحفاظ على المجسات في مكانها.
  5. بعد تثبيت المسبار بشكل صحيح على جبين المريض ، قم بتشغيل ليزر DCS عن طريق تبديل المفتاح إلى وضع "التشغيل".
    تنبيه: يستخدم نظام DCS ليزر من الفئة 3B وهو أمر خطير على تعرض العين. من المهم جدا تشغيل الليزر فقط عندما يتم توصيل المسبار بشكل صحيح بجبين المريض.

4. تقييم جودة البيانات

  1. قبل البدء في الحصول على البيانات باستخدام واجهة المستخدم الرسومية ، اكتب فصل كاشف مصدر DCS في علامة التبويب "الإعدادات" في واجهة المستخدم الرسومية.
    ملاحظة: لا يتطلب نظام DCS خطوة معايرة ، ولكن الإدخال المناسب لفصل المصدر عن كاشف المصدر ضروري للتحليل في الوقت الفعلي (انظر المواد التكميلية للحصول على التفاصيل).
  2. ابدأ تشغيل برنامج الاستحواذ بالضغط على زر "ابدأ" في واجهة المستخدم الرسومية وتحقق من إشارة DOS في برنامج FD-DOS:
    1. انقر فوق الزر "تحسين جميع أجهزة الكشف" في برنامج FD-DOS لتحسين جهد التحيز PMT.
    2. تحقق من الخصائص البصرية و R2 من تركيب DOS في خيار "الحساب المحدد من قبل المستخدم" من قائمة "Text-Mon". يجب أن يكون معامل R 2 قريبا من الوحدة ، وكقاعدة عامة ، يجب أن يكون معامل امتصاص المرضى من البشر في حدود 0.05 و 0.2 سم -1 ، بينما يجب أن يكون معامل التشتت في حدود 6 و 13 سم -113.
  3. تحقق من إشارة DCS في علامة التبويب "منحنيات الارتباط" في واجهة المستخدم الرسومية.
    1. قم بتشغيل كاشفات DCS عن طريق تحويل المفاتيح إلى وضع " ON".
    2. تأكد من أن كل كاشف DCS يقيس شدة ضوء كافية. كقاعدة عامة ، مطلوب أكثر من 10 كيلو هرتز.
    3. إذا كانت الكثافة المقاسة أعلى من 800 كيلو هرتز ، فاستخدم مرشح كثافة محايد لتقليل عدد الفوتونات لتجنب إتلاف أجهزة الكشف. عادة ما تكون هذه مشكلة لفصل المصدر عن كاشف المصدر الأقصر (< 1 سم).
      ملاحظة: بصرف النظر عن احتمال إتلاف كاشفات DCS ، فإن عدد الفوتونات الأعلى من 800 كيلو هرتز قد يؤدي أيضا إلى حدوث أخطاء بسبب التأثيرات غير الخطية في الكاشف.
    4. تحقق من منحنيات الارتباط الذاتي لضمان اقتران جيد للجلد (انظر النتائج التمثيلية والشكل 2) وأعد وضع المسبار البصري إذا لزم الأمر.
    5. إذا كان تغيير موضع المسبار ضروريا في الخطوة السابقة ، كرر الخطوتين 4.2 و 4.3. قد يلزم تكرار هذه الخطوات عدة مرات.
      ملاحظة: يجب إيقاف تشغيل كاشفات DCS و FD-DOS في كل مرة يتم فيها تحريك المسبار. لإيقاف تشغيل كاشفات DCS ، انقل المفاتيح يدويا إلى وضع "إيقاف التشغيل". يتم إيقاف تشغيل كاشف FD-DOS بالنقر فوق الزر "إيقاف تشغيل كافة الكاشفات" في برنامج FD-DOS.
  4. عندما يتم تحقيق اتصال جيد بين المسبار والجلد ، أوقف جمع البيانات بالنقر فوق الزر "إيقاف" في واجهة المستخدم الرسومية. بعد ذلك ، قم بتعيين معرفات التجربة والمريض في مربع النص "المجلد" واكتب اسم عائد الاستثمار في مربع النص "اسم الملف".
  5. ابدأ الحصول على البيانات بالضغط على زر "ابدأ" في واجهة المستخدم الرسومية.
  6. اجمع البيانات في عائد الاستثمار الأول طالما كان ذلك مطلوبا بموجب البروتوكول. إذا لزم الأمر ، انقل المسبار إلى عائد الاستثمار الآخر وكرر القياس.
    ملاحظة: قد تختلف فترة المراقبة حسب أهداف الدراسة.

5. اعتبارات للمجرب أثناء القياس

  1. بعد بدء القياس ، اكتب في علامة التبويب "معلومات التجربة" في واجهة المستخدم الرسومية معلومات المريض ذات الصلة (على سبيل المثال ، نوع وموقع الإصابة ، والأدوية التي يتم تناولها ، والعمر ، والجنس ، وما إلى ذلك).
  2. تأكد من وضع علامة على أي حدث ذي صلة حدث أثناء فترة المراقبة بالنقر فوق الزر "علامة" في واجهة المستخدم الرسومية. بعد كل علامة ، تأكد من كتابة وصف الحدث في علامة التبويب "معلومات التجربة" في واجهة المستخدم الرسومية.

6. وقف جمع البيانات

  1. أوقف جمع البيانات بالضغط على زر "إيقاف" في واجهة المستخدم الرسومية.
  2. إيقاف برنامج FD-DOS عن طريق الضغط على الزر إيقاف الحصول على البيانات وتسجيلها الممثلة كمربعين أحمرين في برنامج FD-DOS.
  3. قم بإيقاف تشغيل كاشفات DCS عن طريق قلب المفاتيح إلى وضع "OFF" وإيقاف تشغيل ليزر DCS عن طريق تحويل المفتاح إلى وضع "OFF".
  4. قم بإيقاف تشغيل PMTs من الوحدة النمطية FD-DOS بالنقر فوق الزر "إيقاف تشغيل كافة أجهزة الكشف".
  5. أخرج المسبار من رأس المريض وأزل الشريط على الوجهين من المسبار. ثم نظف المسبار بمناديل معقمة.
  6. كرر قياس الخصائص البصرية لكل شبح صلب في أسرع وقت ممكن لضمان بقاء المعايرة كافية طوال جلسة المراقبة (انظر الخطوة 4.2.2).
    ملاحظة: من الناحية المثالية ، يجب أن تتم خطوة المعايرة مباشرة بعد إزالة المجسات الضوئية من رأس المريض (الخطوة 6.6). ومع ذلك ، نظرا لمشاكل التوقيت ، في الأمثلة المعروضة في القسم التالي ، تم ذلك في مرفق التخزين.
  7. نظف النظام وملحقاته بمناديل معقمة.
  8. أعد العربة إلى غرفة التخزين.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

من الناحية المثالية ، يجب أن تكون منحنيات الارتباط الذاتي التي تم الحصول عليها باستخدام وحدة DCS حوالي 1.5 عند استقراء وقت التأخير الصفري (عند استخدام الألياف أحادية الوضع14) ، ويجب أن تتحلل المنحنيات إلى 1 في أوقات تأخير أطول. يجب أن يكون المنحنى سلسا ، ويجب أن يكون له اضمحلال أسرع لفصل المصدر عن كاشف المصدر الأطول. يظهر مثال على الارتباط الذاتي الجيد في الشكل 2 أ. يوضح الشكل 2B مثالا على منحنى الارتباط التلقائي السيئ ؛ في هذا المثال ، لا يمكن التمييز بين منحنيات الفصل المختلفة بين المصدر والكاشف. يوضح الشكل 2C مثالا آخر على منحنى الارتباط التلقائي السيئ ، حيث لا يتطابق ذيل المنحنى مع النموذج المستخدم. ترتبط المشكلة في كلا المنحنيين (الشكل 2ب ، ج) إما باقتران سيئ للمسبار على الجلد أو بتسرب الضوء من المصدر مباشرة إلى فواصل كاشف المصدر الأقصر.

كمثال على أهمية عرض الفيزيولوجيا العصبية في نوافذ زمنية مختلفة لتفسير التغييرات التي تظهر في الوقت الفعلي بشكل صحيح قبل ربط التغييرات بالسلوك السريري ، يوضح الشكل 3 السلسلة الزمنية لجلسة مراقبة من مريض سكتة دماغية مخدر ، كما يظهر في واجهة المستخدم الرسومية من قبل موظفي الرعاية الحرجة. خلال جزء من جلسة المراقبة ، كان الأطباء يشفط إفرازات الشعب الهوائية والفم للمريض (ممثلة بالمنطقة المظللة في الشكل 3). من الواضح أن حركة المريض الناتجة عن التدخل تزعج الإشارة الضوئية ، مما يؤدي إلى طفرات غير فسيولوجية في المعلمات البصرية ؛ لذلك ، من الصعب أن نعزو أي معنى فسيولوجي لهذه التغييرات. بعد فترة وجيزة من التدخل ، عادت المعلمات الدورة الدموية إلى نفس القيم تقريبا قبل التدخل ، كما هو متوقع لمريض مستقر. يوضح هذا المثال استقرار نظام الوقت الفعلي في وحدة العناية المركزة العصبية ، فضلا عن أهمية تحليل ديناميكا الدم للمريض في النوافذ الزمنية المختلفة.

من أجل توضيح جدوى الجهاز البصري الهجين المنتشر لتوفير معلومات ذات مغزى في وحدة العناية المركزة العصبية ، نقدم حالة امرأة تبلغ من العمر 50 عاما لديها تاريخ من مرض السكري وارتفاع ضغط الدم وفشل القلب الاحتقاني ، والتي تم إدخالها مع شلل نصفي في الجانب الأيسر ووجد أنها مصابة بسكتة دماغية بسبب انسداد MCA الأيمن (مقياس السكتة الدماغية NIH = 11). يوضح الشكل 4 متوسط المعلمات المشتقة من البصريات والأشعة المقطعية في اليوم الثالث عشر بعد دخول المستشفى ، بينما تم تنبيب المريض وتخديره. وخلال جلسة الرصد هذه، كان إطار بناء القدرات واتفاقية CMRO2 في الجبهة المتماثلة أقل بكثير من بارامتراتهما المتناقضة في المنطقة المتماثلة. تتوافق هذه النتيجة مع نقص التروية ونخر الأنسجة اللاحق الناجم عن نقص تروية الأوعية الدموية الكبيرة. والجدير بالذكر أنه على الرغم من أن CBF كان أقل في نصف الكرة الأرضية المماثل ، فقد تم العثور على OEF مرتفع في نصفي الكرة الأرضية. قد يكون هذا متسقا مع فكرة نضح البؤس ، وهي حالة يكون فيها استهلاك الأكسجين مرتفعا (OEF مرتفعا) على الرغم من انخفاض (ولكن غير صفري) CBF حيث تحاول الأنسجة تعزيز الانتعاش8،51،52. حاليا ، يصعب تشخيص نضح البؤس في وحدة العناية المركزة العصبية. على الرغم من الحاجة إلى إجراء دراسة أكبر مع مرضى السكتة الدماغية الحادة لتقييم حساسية التحليل الطيفي البصري المنتشر للكشف عن نضح البؤس ، يوضح هذا المثال إمكانات النظام البصري المنتشر لتقييم المعلومات المهمة سريريا في الوقت الفعلي.

أخيرا ، نقدم النتائج الطولية التي تم الحصول عليها من أنثى تبلغ من العمر 62 عاما تم إدخالها إلى وحدة العناية المركزة العصبية بسبب نزيف تمدد الأوعية الدموية تحت العنكبوتية في الشريان الدماغي الأوسط الأيمن (MCA) ، مع الدرجة الخامسة على مقياس Hunt and Hess (أي التنبؤ بنتيجة سيئة واحتمال منخفض للبقاء على قيد الحياة) 53 والدرجة الثالثة على مقياس فيشر (أي ، منخفضة إلى عالية خطر التشنج الوعائي)54. تمت مراقبة هذا المريض طوال فترة الاستشفاء ، وكانت جميع معلمات الدورة الدموية الدماغية متسقة مع التطور السريري لحالة المريض. نحيل القارئ المهتم إلى تقرير حالة نشر مؤخرا يحتوي على وصف كامل لهذه الحالة9. لتوضيح جدوى إجراء القياسات في أيام مختلفة ، يوضح الشكل 5 تحليلا غير متصل بالإنترنت للبيانات التي تم جمعها مع النظام في عدة جلسات أثناء دخول المستشفى للحالة الموصوفة أعلاه وعرضها بالتفصيل في المرجع 9. هنا ، تم حساب مؤشر الجانب (LI) لكل معلمة فسيولوجية على النحو التالي:

Equation 1

حيث يمثل X المتغير المقاس (أي CBF ، OEF ، CMRO2) ، ويشير الحرف السفلي إلى نصف الكرة المخية. مع LI ، من الممكن مقارنة الاختلافات مباشرة عبر كل نصف كرة على مدار الاستشفاء بأكمله. لقد ثبت أن مؤشر الجانبي مفيد جدا للسيناريوهات السريرية المختلفة52،55،56،57 ، ويمكن تقييمه بسهولة باستخدام البروتوكول المقدم هنا عن طريق القياس المتسلسل للمناطق المتماثلة في نصفي الكرة الأرضية بالتتابع. تم جمع متوسط الضغط الشرياني (MAP) باستخدام أداة مستقلة متوفرة في وحدة العناية المركزة العصبية ، كما هو موضح في الشكل 5 كمرجع.

يكشف التحليل الدقيق للشكل 5 عن فترتين مهمتين من ضعف نصف الكرة الغربي. حدثت الفترة الأولى بين اليومين الأول والثالث بعد دخول المستشفى ، حيث زادت جميع المعلمات الفسيولوجية العصبية في عائد الاستثمار ipsilesional أكثر من عائد الاستثمار المعاكس المتماثل. هذه الزيادة في LI في اليوم الثالث بعد دخول المستشفى يمكن أن تكون مؤشرا على محاولة استتباب محتملة لاستعادة التوازن الأيضي للأنسجة المصابة. خلال الفترة الثانية ، بدءا من اليوم الثالث من دخول المستشفى ، انخفض LI باستمرار ، وهو ما كان متسقا مع تدهور حالة المريض. في هذه الحالة ، توفي المريض بعد 9 أيام من دخول المستشفى.

Figure 1
الشكل 1: البيئة البصرية التي تم تطويرها لمراقبة المرضى داخل وحدة العناية المركزة. (ألف) يجمع النظام البصري المنتشر الهجين بين وحدة التحليل الطيفي البصري المنتشر في مجال التردد (DOS) ووحدة التحليل الطيفي للارتباط المنتشر (DCS). (ب) يحتوي المسبار القابل للتخصيص المقترح في هذه الدراسة على 4 فواصل افتراضية للكشف عن المصدر (0.7 و 1.5 و 2.5 و 3.0 سم) ل DCS و 4 فواصل للكشف عن المصدر ل DOS (1.5 و 2.0 و 2.5 و 3.0 سم). من أجل التبسيط ، استخدمت الأمثلة المقدمة هنا فقط فصل كاشف المصدر 2.5 سم ل DCS. (ج) تتحكم واجهة المستخدم الرسومية (GUI) في الوقت الفعلي في النظام البصري المنتشر ، وتعرض تدفق الدم الدماغي المقاس (CBF) ، وجزء استخراج الأكسجين (OEF) ومعدل الأيض الدماغي للأكسجين (CMRO2) في الوقت الفعلي ، سواء في غضون 5 دقائق (اللوحات اليسرى) ، وضمن نافذة زمنية مدتها ساعتان (اللوحات اليمنى). في الجزء السفلي من واجهة المستخدم الرسومية ، يمكن للباحث الضغط على الأزرار لبدء وإيقاف جمع البيانات ، للحصول على فترة أساسية للمقارنة ووضع علامة على أي تدخل (تدخلات) ذات صلة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: منحنيات الارتباط الذاتي التمثيلية لوحدة DCS. (أ) مثال على ارتباط ذاتي جيد، كان حوالي 1.5 عند استقراء وقت التأخير الصفري واضمحلال إلى 1 عند أوقات تأخير أطول. كما هو متوقع ، اضمحلت منحنيات الارتباط الذاتي بشكل أسرع لفصل المصدر عن كاشف المصدر الأطول. (ب) مثال على منحنى الارتباط الذاتي السيئ ، حيث لا يمكن تمييز منحنيات الفصل بين المصدر وكاشف المصدر. (ج) مثال آخر على منحنى الارتباط الذاتي السيئ، حيث لا يتطابق ذيل المنحنى مع النموذج المستخدم. ترتبط المشكلات في (B) و (C) إما بالاقتران السيئ للمسبار على الجلد أو بتسرب الضوء من المصدر مباشرة إلى فواصل المصدر الأقصر بين كاشف المصدر. يمكن للباحث إلقاء نظرة على المنحنيات في علامة التبويب "منحنيات الارتباط" في واجهة المستخدم الرسومية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: فسيولوجيا الدماغ لجلسة مراقبة من مريض سكتة دماغية مخدر ، كما سيظهر في واجهة المستخدم الرسومية من قبل موظفي الرعاية الحرجة. تعرض واجهة المستخدم الرسومية تدفق الدم الدماغي (CBF ، باللون الأحمر) ، وجزء استخراج الأكسجين (OEF ، باللون الأزرق) ومعدل الأيض الدماغي للأكسجين (CMRO 2 ، باللون الأخضر) في الوقت الفعلي لكل من (A) قصيرة (أي 5 دقائق) و (B) طويلة (أي2 ساعة) بالإضافة إلى متوسط قيمة (C) خلال آخر 5 دقائق. خلال جزء من جلسة المراقبة هذه ، كان الأطباء يشفط إفرازات الشعب الهوائية والفم للمريض (ممثلة بالمنطقة المظللة في B). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: معلومات فسيولوجية عصبية لمريض تم تشخيص إصابته بسكتة إقفارية شديدة في الشريان الدماغي الأوسط الأيمن في اليوم الثالث عشر بعد دخول المستشفى. (أ) تدفق الدم الدماغي (CBF) ، وجزء استخراج الأكسجين (OEF) ، ومعدل الأيض الدماغي للأكسجين (CMRO2) وتركيز الهيموجلوبين الكلي (HbT) المقاس باستخدام النظام البصري المنتشر في نصفي الكرة المخية المعاكس والمخي. (ب) التصوير المقطعي المحوسب (CT) من قياس المريض ليوم واحد. تمثل المناطق الحمراء في صور التصوير المقطعي المحوسب منطقة الحساسية البصرية المفترضة ويظهر القطع الناقص الأرجواني موقع الإصابة التقريبي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: التطور الزمني لمؤشر الوحشية للمعلمات الفسيولوجية المشتقة بصريا في مريضة تبلغ من العمر 62 عاما بعد نزيف تمدد الأوعية الدموية تحت العنكبوتية عالي الدرجة (aSAH). تظهر التغييرات في منطقة الاهتمام التبادلية (ROI) مقارنة بالتغيرات في عائد الاستثمار المعاكس في المحور الأيسر لتدفق الدم الدماغي (CBF ، الدوائر الحمراء) ، جزء استخراج الأكسجين (OEF ، الماس الأزرق) ومعدل الأيض الدماغي للأكسجين (CMRO2 ، المثلثات الخضراء). تم جمع تطور متوسط الضغط الشرياني (MAP ، المربعات الرمادية) بشكل مستقل ، ويظهر في المحور الأيمن للمقارنة. تمثل أشرطة الخطأ لكل نقطة الانحراف المعياري لكل معلمة عبر جلسة المراقبة. في بعض الأيام ، كان الانحراف المعياري صغيرا جدا بحيث لا يمكن إظهاره. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

المواد التكميلية. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

قدمت هذه الورقة نظاما بصريا هجينا يمكنه توفير معلومات في الوقت الفعلي حول تدفق الدم الدماغي والأوكسجين الدماغي واستقلاب الأكسجين الدماغي للمرضى العصبيين في الجانب الآخر. تم تناول استخدام التقنيات البصرية المنتشرة سابقا كعلامة محتملة للمراقبة غير الغازية بجانب السرير في السيناريوهات السريرية. ركزت دراسة سابقة على الجوانب السريرية وجدوى المراقبة البصرية أثناء الاستشفاء في وحدة العناية المركزة العصبية من خلال تقرير حالة9. ينصب تركيز هذا العمل على تفصيل الجوانب ذات الصلة والمبتكرة المتعلقة بالمراقبة في الوقت الفعلي باستخدام البصريات المنتشرة. على وجه التحديد ، اقترحت هذه الورقة واجهة مستخدم رسومية في الوقت الفعلي توفر معلومات واضحة ومفيدة للأطباء. تسمح واجهة المستخدم الرسومية بمقارنة سهلة بين الفترات الزمنية المختلفة ، وهو أمر مهم لتفسير البيانات ذات الصلة سريريا. يمكن ترجمة تنفيذ واجهة المستخدم الرسومية المعروضة هنا بسهولة لنظام DCS استنادا إلى ارتباط برمجي مع التحذير من أن تردد العرض في الوقت الفعلي يجب أن يقتصر على ~ 20 هرتز. يمكن استخدام المتوسط في الوقت الفعلي لمنحنيات الارتباط الذاتي لخفض معدلات اكتساب العينة بشكل أسرع. في المستقبل ، يمكن استخدام المعلومات في الوقت الفعلي التي يوفرها البروتوكول المقترح لتوجيه العلاج ، مما قد يحسن النتائج السريرية للمرضى العصبيين الحرجين.

يقترح هذا العمل أيضا استخدام مسبار بصري قابل للتخصيص يمكنه معالجة إعدادات مختلفة وبالتالي يناسب الأغراض والاحتياجات المختلفة للأطباء. يعد الاختيار الصحيح لفصل المصدر عن الكاشف خطوة حاسمة لزيادة الحساسية الدماغية للبصريات المنتشرة. في معظم الحالات ، يجب أن يكون للمسبار الأمثل لقياسات DCS لدى البالغين فصل قصير (< 1 سم) وطويل (> 2.5 سم) للكشف عن المصدر. تبين أن الفصل الطويل بين كاشف المصدر يوفر أفضل حل وسط بين نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) والحساسية الدماغية 12،14،16 ، في حين أن الفصل القصير حساس في الغالب للأنسجة خارج الدماغ وهو مفيد للتمييز بين التغيرات خارج الدماغوالتغيرات الدماغية 12,16 . بالنسبة ل FD-DOS ، يحتوي المسبار البسيط الذي يوفر حلا وسطا معقولا بين SNR والحساسية الدماغية لدى البالغين على 4 فواصل للكشف عن المصدر (1.5 و 2.0 و 2.5 و 3.0 سم)58. الخطوة الأكثر أهمية لقياس FD-DOS هي إجراء المعايرة الضروري لمقارنة تغيرات التيار المتردد والطور من ألياف مختلفة (القسم 2 من البروتوكول). يمكن أن تؤدي المعايرة السيئة لنظام FD-DOS إلى أخطاء كبيرة في القيم المستردة للخصائص البصرية للأنسجة ، مما سيؤثر على دقة كل من قيم الأوكسجين الدماغي وتدفق الدم الدماغي. من الأهمية بمكان أن يركز البروتوكول المقترح في هذه الدراسة على مسبار بصري ل FD-DOS يحتوي على PMT واحد ومصادر ضوء متعددة. يجب تعديل إجراء المعايرة الموصوف هنا للتجارب التي تستخدم كاشفات متعددة. بالنسبة للدراسات التي تستخدم كاشفات متعددة ، لا ينبغي تغيير جهد التحيز ل PMT أثناء إجراء المعايرة ، وبالتالي من الضروري الاختيار الدقيق للخصائص البصرية لأشباح المعايرة.

بالإضافة إلى قياسات الأوكسجين الدماغي ، تعمل وحدة DOS أيضا على تحسين حساب CBF ، حيث يعتمد نموذج DCS أيضا على الخصائص البصرية للأنسجة. استخدمت هذه الدراسة نظام FD-DOS تجاري بتردد تشكيل واحد لاستعادة الخصائص البصرية والأوكسجين الدماغي. ومع ذلك ، هناك بدائل أخرى يمكن أن توفر معلومات أكثر دقة ، مثل المجال الزمني DOS أو أنظمة FD-DOS متعددة الترددات59،60،61،62،63،64. قد تقلل هذه الأنظمة من التعقيد التجريبي لأنها تتطلب فصلا واحدا بين المصدر والكاشف لاستعادة فسيولوجيا الدماغ ، في حين أن FD-DOS التقليدي المستخدم هنا يتطلب فصلا متعدد لكاشف المصدر وبالتالي ألياف متعددة متصلة بالرأس. بالإضافة إلى ذلك ، نظرا لأن الاهتمام الرئيسي لهذا البروتوكول كان الاتجاهات طويلة المدى في علم وظائف الأعضاء الدماغية ، فقد اختارت هذه الدراسة إجراء قياسات DOS و DCS متشابكة. في المستقبل ، لتجنب التلوث المتبادل وزيادة تواتر أخذ العينات ، من الممكن الحصول على قياسات DOS و DCS في وقت واحد عن طريق تضمين مرشحات الشق على كاشفات DOS و DCS.

أحد قيود البروتوكول الحالي هو تقييد وضع المسبار على الجبهة. اعتبارا من الآن ، من الصعب الحصول على قياسات DCS من خلال الشعر. هذه ليست مشكلة للإهانات التي تغطي جزءا أكبر من الدماغ ، كما هو الحال في الغالب في وحدة العناية المركزة العصبية. ومع ذلك ، قد لا تكون القياسات على الجبهة حساسة لضربات MCA أو PCA الصغيرة ، على سبيل المثال. مع مزيد من التحسينات على المجسات البصرية ، قد يكون من الممكن القياس من خلال الشعر ، ومن خلال الجمع بين النظام وجهاز الملاحة العصبية ، سيكون من الممكن إجراء قياسات على عائد استثمار محلي صغير. من خلال جمع المعلومات المكانية التفصيلية على المعلومات البصرية ، نتوقع تحسنا ملحوظا في حساسية البصريات المنتشرة لضعف الدورة الدموية بسبب الاضطرابات الدماغية الوعائية البؤرية.

أخيرا ، من المهم ذكر بعض القيود على التقنيات البصرية المنتشرة. أولا ، البصريات المنتشرة حساسة بطبيعتها للأنسجة خارج الدماغ ، وقد يكون من الضروري وضع نمذجة أفضل للبيانات لحساب الفرق في فسيولوجيا خارج الدماغ والدماغ بشكل صحيح 65،66،67،68،69،70. بالإضافة إلى ذلك ، فإن قياس DCS ل CBF حساس للضغط الخارجي للمسبار البصري ضد الأنسجة. على سبيل المثال ، من خلال زيادة ضغط المسبار ، فإننا نقلل من تدفق الدم في الأنسجة الخارجية ، مما يقلل أيضا من CBF الذي يقاس بواسطة DCS71،72،73. لاحظ ، مع ذلك ، أنه على الرغم من انخفاض CBF بسبب زيادة ضغط المسبار ، فإن نبض معدل ضربات القلب ل CBF لم يتغير72. ومن المثير للاهتمام ، أنه من الممكن استخدام هذه التغييرات في CBF بسبب ضغط المسبار الخارجي لفصل الفسيولوجيا خارج الدماغ والدماغ73. أخيرا ، يحتوي CBF المشتق بصريا على وحدات فيزيائية (أي سم2 / ثانية) بدلا من الوحدات السريرية المعتادة (أي مل / 100 جرام من الأنسجة / دقيقة). اقترح بعض المؤلفين استخدام الإندوسيانين الأخضر (ICG) لاستعادة CBF المطلق من DOS ومعايرة مؤشر CBF من DCS إلى الوحدات السريرية المطلقة74،75،76،77،78. ومع ذلك ، قد لا تترجم دقة عامل المعايرة من ICG مباشرة إلى مواقف مختلفة بسبب تشوهات في الماكرو ودوران الأوعية الدقيقة بعد صدمة الدماغ.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

أعلن المؤلف (المؤلفون) عن تضارب المصالح المحتمل التالي فيما يتعلق بالبحث والتأليف و / أو نشر هذه المقالة: لدى RC Mesquita طلب براءة اختراع معلق وبراءتي اختراع أخريين ذات صلة بهذا العمل (براءات الاختراع الأمريكية 10,342,488 و 10,064,554). لا يتلقى أي مؤلف حاليا إتاوات أو مدفوعات من براءات الاختراع هذه.

   

Acknowledgments

نحن نقدر الدعم المقدم من مؤسسة أبحاث ساو باولو (FAPESP) من خلال Proc. 2012/02500-8 (RM) و 2014/25486-6 (RF) و 2013/07559-3. لم يكن للممولين أي دور في تصميم الدراسة أو جمع البيانات وتحليلها أو قرار النشر أو إعداد المخطوطة.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3D Printer Sethi3D S2 3D-printer used to print the customizable probes
Arduino UNO Arduino UNO REV3 Microcontroller responsible to interleave the DCS and FD-DOS measurements
DCS Correlator Correlator.com Flex11-16ch Component of the DCS module
DCS Dectectors IO Boards Excelitas Technology SPCM-AQ4C-IO Component of the DCS module
DCS Detectors Excelitas Technology SPCM-AQ4C Component of the DCS module
DCS Laser CrystaLaser DL785-120-SO Component of the DCS module
DCS Power supply Artesyn UMP10T-S2A-S2A-S2A-S2A-IES-00-A Component of the DCS module (power supply for the DCS detecto; 2, 5 and 30V)
FD-DOS fibers ISS Imagent supplies The fibers used for FD-DOS detection and illumination are provived by ISS
Flexible 3D printer material Sethi3D NinjaFlex Material used to print the flexible customizable probes
Imagent ISS Imagent FD-DOS module
Laser safety googles Thorlabs LG9
Multi-mode fiber Thorlabs FT400EMT Multi-mode fiber used for DCS illumination
Neutral density filter 1.0 OD Edmund Optics 53-705 Neutral density filter for the short source detector separations
Single-mode optical fiber Thorlabs 780HP Single-mode optical fiber used for the DCS detectors
System battery SMS NET4 System battery used for transportation

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Papanikolaou, J., et al. Cardiac and central vascular functional alterations in the acute phase of aneurysmal subarachnoid hemorrhage. Critical Care Medicine. 40 (1), 223-232 (2012).
  2. Sarrafzadeh, A. S., Vajkoczy, P., Bijlenga, P., Schaller, K. Monitoring in neurointensive care - The challenge to detect delayed cerebral ischemia in high grade aneurysmal SAH. Frontiers in Neurology. 5 (134), (2014).
  3. Messerer, M., Daniel, R. T., Oddo, M. Neuromonitoring after major neurosurgical procedures. Minerva Anestesiologica. 78 (7), 810-822 (2012).
  4. Le Roux, P., et al. Consensus summary statement of the International Multidisciplinary Consensus Conference on Multimodality Monitoring in Neurocritical Care: A statement for healthcare professionals from the Neurocritical Care Society and the European Society of Intensive Care Medicine. Intensive Care Medicine. 40 (9), 1189-1209 (2014).
  5. Roh, D., Park, S. Brain Multimodality Monitoring: Updated Perspectives. Current Neurology and Neuroscience Reports. 16 (6), 1-10 (2016).
  6. Oddo, M., Villa, F., Citerio, G. Brain multimodality monitoring: An update. Current Opinion in Critical Care. 18 (2), 111-118 (2012).
  7. Sandsmark, D. K., Kumar, M. A., Park, S., Levine, J. M. Multimodal Monitoring in Subarachnoid Hemorrhage. Stroke. 43 (5), 1440-1445 (2012).
  8. Baker, W. B., et al. Continuous non-invasive optical monitoring of cerebral blood flow and oxidative metabolism after acute brain injury. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 39 (8), 1469-1485 (2019).
  9. Menezes Forti, R., et al. Real-time non-invasive assessment of cerebral hemodynamics with diffuse optical spectroscopies in a neuro intensive care unit: an observational study. Frontiers in Medicine. 7 (147), (2020).
  10. Kim, M. N., et al. Noninvasive measurement of cerebral blood flow and blood oxygenation using near-infrared and diffuse correlation spectroscopies in critically brain-injured adults. Neurocritical Care. 12 (2), 173-180 (2010).
  11. Selb, J., et al. Prolonged monitoring of cerebral blood flow and autoregulation with diffuse correlation spectroscopy in neurocritical care patients. Neurophotonics. 5 (04), 1 (2018).
  12. Durduran, T., Choe, R., Baker, W. B., Yodh, A. G. Diffuse optics for tissue monitoring and tomography. Reports on Progress in Physics. 73 (7), 76701 (2010).
  13. Jacques, S. L. Optical properties of biological tissues: a review. Physics in Medicine and Biology. 58 (11), 37-61 (2013).
  14. Durduran, T., Yodh, A. G. Diffuse correlation spectroscopy for non-invasive, micro-vascular cerebral blood flow measurement. NeuroImage. 85, 5163 (2014).
  15. Durduran, T., et al. Diffuse optical measurement of blood flow, blood oxygenation, and metabolism in a human brain during sensorimotor cortex activation. Optics Letters. 29 (15), 1766 (2004).
  16. Selb, J., et al. Sensitivity of near-infrared spectroscopy and diffuse correlation spectroscopy to brain hemodynamics: simulations and experimental findings during hypercapnia. Neurophotonics. 1 (1), 15005 (2014).
  17. Shang, Y., Li, T., Yu, G. Clinical applications of near-infrared diffuse correlation spectroscopy and tomography for tissue blood flow monitoring and imaging. Physiological Measurement. 38 (4), 1-26 (2017).
  18. Mesquita, R. C., et al. Direct measurement of tissue blood flow and metabolism with diffuse optics. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 369 (1955), 4390-4406 (2011).
  19. Culver, J. P., et al. Diffuse optical tomography of cerebral blood flow, oxygenation, and metabolism in rat during focal ischemia. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 23 (8), 911-924 (2003).
  20. Valabrègue, R., Aubert, A., Burger, J., Bittoun, J., Costalat, R. Relation between Cerebral Blood Flow and Metabolism Explained by a Model of Oxygen Exchange. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 23 (5), 536-545 (2003).
  21. Farzam, P., et al. Shedding light on the neonatal brain: probing cerebral hemodynamics by diffuse optical spectroscopic methods. Scientific Reports. 7 (1), 15786 (2017).
  22. Wong, F. Cerebral blood flow measurements in the neonatal brain. Prenatal and Postnatal Determinants of Development. 109, 69-87 (2016).
  23. Busch, D. R., et al. Noninvasive optical measurement of microvascular cerebral hemodynamics and autoregulation in the neonatal ECMO patient. Pediatric Research. , 1-9 (2020).
  24. Dehaes, M., et al. Cerebral oxygen metabolism in neonatal hypoxic ischemic encephalopathy during and after therapeutic hypothermia. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 34 (1), 87-94 (2014).
  25. Ferradal, S. L., et al. Non-invasive assessment of cerebral blood flow and oxygen metabolism in neonates during hypothermic cardiopulmonary bypass: Feasibility and clinical implications. Scientific Reports. 7 (1), 44117 (2017).
  26. Busch, D. R., et al. Continuous cerebral hemodynamic measurement during deep hypothermic circulatory arrest. Biomedical Optics Express. 7 (9), 3461 (2016).
  27. Wang, D., et al. Fast blood flow monitoring in deep tissues with real-time software correlators. Biomedical Optics Express. 7 (3), 776 (2016).
  28. Ko, T. S., et al. Non-invasive optical neuromonitoring of the temperature-dependence of cerebral oxygen metabolism during deep hypothermic cardiopulmonary bypass in neonatal swine. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 40 (1), 187-203 (2018).
  29. Pennekamp, C. W. A. A., et al. Near-infrared spectroscopy can predict the onset of cerebral hyperperfusion syndrome after carotid endarterectomy. Cerebrovascular Diseases. 34 (4), 314-321 (2012).
  30. Pennekamp, C. W. A. A., Bots, M. L., Kappelle, L. J., Moll, F. L., de Borst, G. J. The Value of Near-Infrared Spectroscopy Measured Cerebral Oximetry During Carotid Endarterectomy in Perioperative Stroke Prevention. A Review. European Journal of Vascular and Endovascular Surgery. 38 (5), 539-545 (2009).
  31. Shang, Y., et al. Cerebral monitoring during carotid endarterectomy using near-infrared diffuse optical spectroscopies and electroencephalogram. Physics in Medicine and Biology. 56 (10), 3015-3032 (2011).
  32. Delgado-Mederos, R., et al. Transcranial diffuse optical assessment of the microvascular reperfusion after thrombolysis for acute ischemic stroke. Biomedical Optics Express. 9 (3), 1262 (2018).
  33. Favilla, C. G., et al. Optical Bedside Monitoring of Cerebral Blood Flow in Acute Ischemic Stroke Patients During Head-of-Bed Manipulation. Stroke. 45 (5), 1269-1274 (2014).
  34. Gregori-Pla, C., et al. Early microvascular cerebral blood flow response to head-of-bed elevation is related to outcome in acute ischemic stroke. Journal of Neurology. 266 (4), 990-997 (2019).
  35. Kim, M. N., et al. Continuous optical monitoring of cerebral hemodynamics during head-of-bed manipulation in brain-injured adults. Neurocritical Care. 20 (3), 443-453 (2014).
  36. Ko, T., et al. Prediction of Return of Spontaneous Circulation During Cardiopulmonary Resuscitation using Frequency-Domain Diffuse Optical Spectroscopy in a Pediatric Swine Model of Asphyxial Cardiac Arrest. Biophotonics Congress: Biomedical Optics Congress 2018 (Microscopy/Translational/Brain/OTS). , (2018).
  37. Favilla, C. G., et al. Non-invasive respiratory impedance enhances cerebral perfusion in healthy adults. Frontiers in Neurology. 8, (2017).
  38. Favilla, C. G., et al. Perfusion Enhancement with Respiratory Impedance After Stroke (PERI-Stroke). Neurotherapeutics. 16 (4), 1296-1303 (2019).
  39. Ritzenthaler, T., et al. Cerebral near-infrared spectroscopy a potential approach for thrombectomy monitoring. Stroke. 48 (12), 3390-3392 (2017).
  40. Fantini, S., Sassaroli, A., Tgavalekos, K. T., Kornbluth, J. Cerebral blood flow and autoregulation: current measurement techniques and prospects for noninvasive optical methods. Neurophotonics. 3 (3), 31411 (2016).
  41. Parthasarathy, A. B., et al. Dynamic autoregulation of cerebral blood flow measured non-invasively with fast diffuse correlation spectroscopy. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 38 (2), 230-240 (2018).
  42. Kainerstorfer, J. M., Sassaroli, A., Tgavalekos, K. T., Fantini, S. Cerebral autoregulation in the microvasculature measured with near-infrared spectroscopy. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 35 (6), 959-966 (2015).
  43. Baker, W. B., et al. Noninvasive optical monitoring of critical closing pressure and arteriole compliance in human subjects. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 37 (8), 2691-2705 (2017).
  44. Lin, P. Y., et al. Non-invasive optical measurement of cerebral metabolism and hemodynamics in infants. Journal of Visualized Experiments. (73), e4379 (2013).
  45. Wintermark, P., Hansen, A., Warfield, S. K., Dukhovny, D., Soul, J. S. Near-infrared spectroscopy versus magnetic resonance imaging to study brain perfusion in newborns with hypoxic-ischemic encephalopathy treated with hypothermia. NeuroImage. 85, 287-293 (2014).
  46. Busch, D. R., et al. Detection of brain hypoxia based on noninvasive optical monitoring of cerebral blood flow with diffuse correlation spectroscopy. Neurocritical Care. 30 (1), 72-80 (2019).
  47. Davies, D. J., et al. Cerebral oxygenation in traumatic brain injury: Can a non-invasive frequency domain near-infrared spectroscopy device detect changes in brain tissue oxygen tension as well as the established invasive monitor. Journal of Neurotrauma. 36 (7), 1175-1183 (2019).
  48. Leal-Noval, S. R., et al. Invasive and noninvasive assessment of cerebral oxygenation in patients with severe traumatic brain injury. Intensive Care Medicine. 36 (8), 1309-1317 (2010).
  49. Fantini, S., Franceschini, M. A., Fishkin, J. B., Barbieri, B., Gratton, E. Quantitative determination of the absorption spectra of chromophores in strongly scattering media: a light-emitting-diode based technique. Applied Optics. 33 (22), 5204 (1994).
  50. Fantini, S., et al. Frequency-domain multichannel optical detector for noninvasive tissue spectroscopy and oximetry. Optical Engineering. 34 (1), 32 (1995).
  51. Carpenter, D. A., Grubb, R. L., Tempel, L. W., Powers, W. J. Cerebral oxygen metabolism after aneurysmal subarachnoid hemorrhage. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 11 (5), 837-844 (1991).
  52. Johansen-Berg, H., et al. The role of ipsilateral premotor cortex in hand movement after stroke. Proceedings of the National Academy of Sciences, U.S.A. 99 (22), 14518-14523 (2002).
  53. Hunt, W. E., Hess, R. M. Surgical risk as related to time of intervention in the repair of intracranial aneurysms. Journal of Neurosurgery. 28 (1), 14-20 (1968).
  54. Fisher, C. M., Kistler, J. P., Davis, J. M. Relation of Cerebral Vasospasm to Subarachnoid Hemorrhage Visualized by Computerized Tomographic Scanning. Neurosurgery. 6 (1), 1-9 (1980).
  55. Carey, J. R., et al. Analysis of fMRI and finger tracking training in subjects with chronic stroke. Brain. 125 (4), 773-788 (2002).
  56. Lindenberg, R., Renga, V., Zhu, L. L., Nair, D., Schlaug, G. Bihemispheric brain stimulation facilitates motor recovery in chronic stroke patients. Neurology. 75 (24), 2176-2184 (2010).
  57. Schaechter, J. D., et al. Motor recovery and cortical reorganization after constraint-induced movement therapy in stroke patients: A preliminary study. Neurorehabilitation and Neural Repair. 16 (4), 326-338 (2002).
  58. 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. Biomedical Optics Express. 2 (3), 552 (2011).
  59. Fantini, S., Sassaroli, A. Frequency-domain techniques for cerebral and functional near-infrared spectroscopy. Front Neurosci. 14, 1-18 (2020).
  60. Blaney, G., Sassaroli, A., Pham, T., Fernandez, C., Fantini, S. Phase dual-slopes in frequency-domain near-infrared spectroscopy for enhanced sensitivity to brain tissue: First applications to human subjects. Journal of Biophotonics. 13 (1), 201960018 (2020).
  61. Abdalsalam, O., O'Sullivan, T. D., Howard, S., Zhang, Y. Self-calibrated frequency domain diffuse optical spectroscopy with a phased source array. Optical Tomography and Spectroscopy of Tissue XIII Conference. 1087403, 2 (2019).
  62. Applegate, M. B., Istfan, R. E., Spink, S., Tank, A., Roblyer, D. Recent advances in high speed diffuse optical imaging in biomedicine Recent advances in high speed diffuse optical imaging in biomedicine. APL Photonics. 5, 040802 (2020).
  63. Torricelli, A., et al. Time domain functional NIRS imaging for human brain mapping. NeuroImage. 85, 28-50 (2014).
  64. Pifferi, A., et al. New frontiers in time-domain diffuse optics , a review. Journal of Biomedical Optics. 21 (9), 091310 (2016).
  65. Gagnon, L., Desjardins, M., Jehanne-Lacasse, J., Bherer, L., Lesage, F. Investigation of diffuse correlation spectroscopy in multi-layered media including the human head. Optics Express. 16 (20), 15514 (2008).
  66. Verdecchia, K., et al. Assessment of a multi-layered diffuse correlation spectroscopy method for monitoring cerebral blood flow in adults. Biomedical Optics Express. 7 (9), 3659 (2016).
  67. Liemert, A., Kienle, A. Light diffusion in a turbid cylinder II Layered case. Optics Express. 18 (9), 9266 (2010).
  68. Hallacoglu, B., Sassaroli, A., Fantini, S. Optical characterization of two-layered turbid media for non-invasive, absolute oximetry in cerebral and extracerebral tissue. PLoS One. 8 (5), 64095 (2013).
  69. Alexandrakis, G., Busch, D. R., Faris, G. W., Patterson, M. S. Determination of the optical properties of two-layer turbid media by use of a frequency-domain hybrid Monte Carlo diffusion model. Applied Optics. 40 (22), 3810 (2001).
  70. Martelli, F., Sassaroli, A., Del Bianco, S., Yamada, Y., Zaccanti, G. Solution of the time-dependent diffusion equation for layered diffusive media by the eigenfunction method. Physical Review E - Statistical Physics, Plasmas, Fluids, and Related Interdisciplinary Topics. 67 (5), 14 (2003).
  71. Mesquita, R. C., et al. Influence of probe pressure on the diffuse correlation spectroscopy blood flow signal: extra-cerebral contributions. Biomedical Optics Express. 4 (7), 978 (2013).
  72. Wang, D., et al. Influence of probe pressure on the pulsatile diffuse correlation spectroscopy blood flow signal on the forearm and forehead regions. Neurophotonics. 6 (03), 1 (2019).
  73. Baker, W. B., et al. Pressure modulation algorithm to separate cerebral hemodynamic signals from extracerebral artifacts. Neurophotonics. 2 (3), 35004 (2015).
  74. He, L., et al. Noninvasive continuous optical monitoring of absolute cerebral blood flow in critically ill adults. Neurophotonics. 5 (04), 1 (2018).
  75. Milej, D., et al. Quantification of cerebral blood flow in adults by contrast-enhanced near-infrared spectroscopy: Validation against MRI. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. , (2019).
  76. Diop, M., Verdecchia, K., Lee, T. Y., St Lawrence, K. Calibration of diffuse correlation spectroscopy with a time-resolved near-infrared technique to yield absolute cerebral blood flow measurements. Biomedical Optics Express. 2 (7), 2068 (2011).
  77. Khalid, M., et al. Development of a stand-alone DCS system for monitoring absolute cerebral blood flow. Biomedical Optics Express. 10 (9), 4607 (2019).
  78. Kohl-Bareis, M., et al. Noninvasive monitoring of cerebral blood flow by a dye bolus method: Separation of brain from skin and skull signals. Journal of Biomedical Optics. 7 (3), 464 (2002).

Tags

الطب ، العدد 165 ، التحليل الطيفي البصري المنتشر ، التحليل الطيفي للارتباط المنتشر ، تدفق الدم الدماغي ، الاضطرابات الدماغية الوعائية ، المراقبة العصبية الحرجة ، السكتة الدماغية ، وحدة العناية المركزة

Erratum

Formal Correction: Erratum: Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies
Posted by JoVE Editors on 12/07/2022. Citeable Link.

An erratum was issued for: Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies. The Authors section was updated from:

Rodrigo Menezes Forti1,2
Marilise Katsurayama2,3
Lenise Valler2,3
Andrés Quiroga1,2
Luiz Simioni1
Julien Menko4
Antonio L. E. Falcão3
Li Min Li2,5
Rickson C. Mesquita1,2
1Institute of Physics, University of Campinas
2Brazilian Institute of Neuroscience and Neurotechnology
3Clinical Hospital, University of Campinas
4Department of Emergency Medicine, Albert Einstein College of Medicine
5School of Medical Sciences, University of Campinas

to:

Rodrigo Menezes Forti1,2
Marilise Katsurayama2,3
Giovani Grisotti Martins1
Lenise Valler2,3
Andrés Quiroga1,2
Luiz Simioni1
Julien Menko4
Antonio L. E. Falcão3
Li Min Li2,5
Rickson C. Mesquita1,2
1Institute of Physics, University of Campinas
2Brazilian Institute of Neuroscience and Neurotechnology
3Clinical Hospital, University of Campinas
4Department of Emergency Medicine, Albert Einstein College of Medicine
5School of Medical Sciences, University of Campinas

المراقبة في الوقت الحقيقي للمرضى العصبيين الحرجين باستخدام التحليل الطيفي البصري المنتشر
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Menezes Forti, R., Katsurayama, M.,… More

Menezes Forti, R., Katsurayama, M., Grisotti Martins, G., Valler, L., Quiroga, A., Simioni, L., Menko, J., Falcão, A. L. E., Li, L. M., Mesquita, R. C. Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies. J. Vis. Exp. (165), e61608, doi:10.3791/61608 (2020).

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