Waiting
Login processing...

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

Medicine

Realtidsovervågning af neurokritiske patienter med diffuse optiske spektroskopier

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

Præsenteret her er en protokol til ikke-invasivt overvågning af cerebral hæmodynamik hos neurokritiske patienter i realtid og ved sengen ved hjælp af diffus optik. Specifikt anvender den foreslåede protokol en hybrid diffuse optiske systemer til at detektere og vise realtidsinformation om cerebral iltning, cerebral blodgennemstrømning og cerebral metabolisme.

Abstract

Neurofysiologisk overvågning er et vigtigt mål i behandlingen af neurokritiske patienter, da det kan forhindre sekundære skader og direkte påvirke sygelighed og dødelighed. Imidlertid er der i øjeblikket mangel på egnede ikke-invasive, realtidsteknologier til kontinuerlig overvågning af cerebral fysiologi ved sengen. Diffuse optiske teknikker er blevet foreslået som et potentielt værktøj til sengemålinger af cerebral blodgennemstrømning og cerebral iltning i tilfælde af neurokritiske patienter. Diffuse optiske spektroskopier er tidligere blevet undersøgt for at overvåge patienter i flere kliniske scenarier lige fra neonatal overvågning til cerebrovaskulære indgreb hos voksne. Imidlertid forbliver gennemførligheden af teknikken til at hjælpe klinikere ved at give realtidsinformation ved sengen stort set ubehandlet. Her rapporterer vi oversættelsen af et diffust optisk system til kontinuerlig realtidsovervågning af cerebral blodgennemstrømning, cerebral iltning og cerebral iltmetabolisme under intensiv pleje. Instrumentets realtidsfunktion kan muliggøre behandlingsstrategier baseret på patientspecifik cerebral fysiologi snarere end at stole på surrogatmålinger, såsom arterielt blodtryk. Ved at give realtidsinformation om cerebral cirkulation på forskellige tidsskalaer med relativt billig og bærbar instrumentering kan denne tilgang være særlig nyttig på lavbudgethospitaler, i fjerntliggende områder og til overvågning i åbne felter (f.eks. Forsvar og sport).

Introduction

De fleste af de komplikationer, der fører til dårlige resultater for kritisk syge neurologiske patienter, er relateret til sekundære skader forårsaget af cerebrale hæmodynamiske svækkelser. Derfor kan monitorering af cerebral fysiologi hos disse patienter direkte påvirke sygelighed og dødelighed 1,2,3,4,5,6,7. I øjeblikket er der imidlertid ikke noget etableret klinisk værktøj til kontinuerlig realtids ikke-invasiv overvågning af cerebral fysiologi hos neurokritiske patienter ved sengen. Blandt de potentielle kandidater er diffuse optiske teknikker for nylig blevet foreslået som et lovende værktøj til at udfylde dette hul 8,9,10,11. Ved at måle de langsomme ændringer (dvs. i størrelsesordenen titusinder til hundreder af ms) af det diffust spredte nær-infrarøde lys (~ 650-900 nm) fra hovedbunden kan diffus optisk spektroskopi (DOS) måle koncentrationer af de vigtigste kromoforer i hjernen, såsom cerebral oxy- (HbO) og deoxy-hæmoglobin (HbR)12,13. Derudover er det muligt at måle cerebral blodgennemstrømning (CBF) med diffus korrelationsspektroskopi (DCS)10,14,15,16,17 ved at kvantificere de hurtige udsving i lysintensiteten (dvs. fra nogle få μs til nogle få ms). Når de kombineres, kan DOS og DCS også give et skøn over den cerebrale metaboliske hastighed af ilt (CMRO2)18,19,20.

Kombinationen af DOS og DCS er blevet undersøgt for at overvåge patienter i flere prækliniske og kliniske scenarier. For eksempel har diffus optik vist sig at give relevant klinisk information til kritisk syge nyfødte 21,22,23,24, herunder under hjerteoperationer til behandling af hjertefejl 23,25,26,27,28 . Derudover har flere forfattere undersøgt brugen af diffus optik til vurdering af cerebral hæmodynamik under forskellige cerebrovaskulære indgreb, såsom carotis endarterektomi 29,30,31, trombolytiske behandlinger for slagtilfælde 32, manipulationer af sengehoved 33,34,35, hjerte-lungeredning 36 og andre 37,38, 39. Når kontinuerlig blodtryksovervågning også er tilgængelig, kan diffus optik bruges til at overvåge cerebral autoregulering, både hos raske og kritisk syge forsøgspersoner 11,40,41,42, samt til at vurdere det kritiske lukketryk i cerebral kredsløb 43. Flere forfattere har valideret CBF-målinger med DCS mod forskellige guldstandard CBF-mål 18, mens CMRO2 målt med diffus optik har vist sig at være en nyttig parameter til neurokritisk overvågning 8,18,23,24,28,43,44,45 . Derudover har tidligere undersøgelser valideret de optisk afledte cerebrale hæmodynamiske parametre til langtidsmonitorering af neurokritiske patienter 8,9,10,11, herunder til forudsigelse af hypoxiske 46,47,48 og iskæmiske hændelser8.

Pålideligheden af de diffuse optiske teknikker til at levere værdifuld realtidsinformation under langsgående målinger såvel som under kliniske indgreb forbliver stort set uadresseret. Brugen af et selvstændigt DOS-system blev tidligere sammenlignet med invasive iltspændingsmonitorer i hjernevæv, og DOS blev vurderet til ikke at have en tilstrækkelig følsomhed til at erstatte de invasive skærme. Bortset fra at bruge relativt små populationer kan den direkte sammenligning af de invasive og ikke-invasive monitorer imidlertid være vildledt, da hver teknik undersøger forskellige volumener, der indeholder forskellige dele af den cerebrale vaskulatur. Selvom disse undersøgelser i sidste ende konkluderede, at diffus optik ikke er en erstatning for de invasive skærme, opnåede DOS i begge undersøgelser en moderat til god nøjagtighed, hvilket kan være tilstrækkeligt i tilfælde og / eller steder, hvor invasive skærme ikke er tilgængelige.

I forhold til andre tilgange er den vigtigste fordel ved diffus optik dens evne til samtidig at måle blodgennemstrømning og iltning af vævsblod ikke-invasivt (og kontinuerligt) ved sengen ved hjælp af bærbar instrumentering. Sammenlignet med Transcranial Doppler ultralyd (TCD) har DCS en yderligere fordel: det måler perfusion på vævsniveau, mens TCD måler cerebral blodgennemstrømningshastighed i store arterier i bunden af hjernen. Denne sondring kan være særlig vigtig ved evaluering af steno-okklusive sygdomme, hvor både proksimal stor arteriestrøm og leptomeningeal collaterals bidrager til perfusion. Optiske teknikker har også fordele sammenlignet med andre traditionelle billeddannelsesmetoder, såsom positronemissionstomografi (PET) og magnetisk resonansbilleddannelse (MR). Ud over samtidig at tilvejebringe direkte målinger af både CBF- og HbO/HbR-koncentrationer, hvilket ikke er muligt med MR eller PET alene, giver optisk overvågning også signifikant bedre tidsmæssig opløsning, hvilket for eksempel muliggør vurdering af dynamisk cerebral autoregulering40,41,42 og vurdering dynamisk udviklende hæmodynamiske ændringer. Desuden er diffus optisk instrumentering billig og bærbar sammenlignet med PET og MR, hvilket er en kritisk fordel i betragtning af den høje byrde af vaskulær sygdom i lav- og mellemindkomstlande.

Den protokol, der foreslås her, er et miljø til neuroovervågning af patienter på intensivafdelingen (ICU) i realtid. Protokollen bruger en hybrid optisk enhed sammen med en klinisk venlig grafisk brugergrænseflade (GUI) og tilpassede optiske sensorer til at undersøge patienterne (figur 1). Det hybridsystem, der anvendes til fremvisning af denne protokol, kombinerer to diffuse optiske spektroskopier fra uafhængige moduler: et kommercielt frekvensdomæne (FD-) DOS-modul og et hjemmelavet DCS-modul (figur 1A). FD-DOS-modulet49,50 består af 4 fotomultiplikatorrør (PMT'er) og 32 laserdioder, der udsender ved fire forskellige bølgelængder (690, 704, 750 og 850 nm). DCS-modulet består af en laser med lang kohærens, der udsender ved 785 nm, 16 enkeltfotontællere som detektorer og et korrelatorkort. Samplingfrekvensen for FD-DOS-modulet er 10 Hz, og den maksimale samplingfrekvens for DCS-modulet er 3 Hz. For at integrere FD-DOS- og DCS-modulerne blev der programmeret en mikrocontroller inde i vores styringssoftware til automatisk at skifte mellem hvert modul. Mikrocontrolleren er ansvarlig for at tænde og slukke for FD-DOS- og DCS-laserne samt FD-DOS-detektorerne for at muliggøre sammenflettede målinger af hvert modul. I alt kan det foreslåede system indsamle en kombineret FD-DOS- og DCS-prøve hver 0,5 til 5 sek., afhængigt af kravene til signal-støj-forhold (SNR) (længere indsamlingstider fører til bedre SNR). For at koble lyset til panden udviklede vi en 3D-printet optisk sonde, der kan tilpasses til hver patient (figur 1B) med kildedetektorseparationer, der varierer mellem 0,8 og 4,0 cm. Standardkildedetektorseparationerne, der anvendes i eksemplerne her, er 2,5 cm for DCS og 1,5, 2,0, 2,5 og 3,0 cm for FD-DOS.

Hovedtræk ved protokollen, der præsenteres i denne undersøgelse, er udviklingen af en realtidsgrænseflade, der både kan styre hardwaren med en venlig GUI og vise de vigtigste cerebrale fysiologiske parametre i realtid under forskellige tidsmæssige vinduer (figur 1C). Realtidsanalysepipelinen, der er udviklet inden for den foreslåede GUI, er hurtig og tager mindre end 50 ms at beregne de optiske parametre (se supplerende materiale for flere detaljer). GUI'en blev inspireret af nuværende kliniske instrumenter, der allerede var tilgængelige på neuro-ICU, og den blev tilpasset gennem omfattende feedback fra kliniske brugere under oversættelsen af systemet til neuro-ICU. Derfor kan realtids-GUI lette vedtagelsen af det optiske system for almindeligt hospitalspersonale, såsom neurointensivister og sygeplejersker. Den brede anvendelse af diffus optik som et klinisk forskningsværktøj har potentialet til at forbedre dets evne til at overvåge fysiologisk meningsfulde data og kan i sidste ende demonstrere, at diffus optik er en god mulighed for ikke-invasivt at overvåge neurokritiske patienter i realtid.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Protokollen blev godkendt af det lokale udvalg ved University of Campinas (protokolnummer 56602516.2.0000.5404). Der blev indhentet skriftligt informeret samtykke fra patienten eller en juridisk repræsentant forud for målingerne. Vi overvågede patienter, der blev indlagt på klinikhospitalet ved University of Campinas med en diagnose af enten iskæmisk slagtilfælde eller en subaraknoid blødning, der påvirker det forreste kredsløb. Patienter med iskæmisk slagtilfælde, der påvirker det bageste kredsløb, patienter med dekomprimerende kraniektomier på grund af forhøjet intrakranielt tryk og patienter med andre neurodegenerative sygdomme (demens, Parkinsons eller enhver anden sygdom, der kan være forbundet med kortikal atrofi) blev ekskluderet fra undersøgelsesprotokollen.

1. Forberedelser, inden systemet flyttes til ICU

  1. Tilslut alle fibrene til de relevante lasere og detektorer, og sørg for, at de er korrekt fastgjort til den optiske sonde (figur 1B).
  2. Kontroller, at den optiske sonde er dækket af en sort klud for at undgå, at laserne skinner i rummet.
  3. Drej systemets afbryder til positionen 'ON'. Når du har tændt systemet, skal du vente 30 sekunder og derefter dreje DCS-lasernøglekontakten til positionen 'ON'. FD-DOS-laserne tændes automatisk, når systemet får strøm.
  4. Mens systemet udarbejdes, skal du indhente samtykke fra enten deltageren eller en juridisk repræsentant. Efter at have fået samtykke, skal du bringe vognen til patientens værelse.
    BEMÆRK: Da hybridsystemet har et indbygget batteri, der holder op til 45 min, behøver det ikke at være slukket under transport.

2. Kalibrering og forstærkningsindstillinger for DOS-systemet

  1. Ved ankomsten til intensivafdelingen skal du slukke for DCS-laseren ved at dreje nøglen til positionen 'OFF'.
  2. Start med det solide fantom, der er mærket 'Kalibrer', og kør kalibreringsprocessen på FD-DOS-softwaren (BOXY, ISS) ved at følge nedenstående trin.
    1. I menuen 'Fil' skal du indlæse den relevante indstillingsfil for den sonde, der bruges, ved at klikke på indstillingen 'Indlæs indstillingsfil'.
    2. Placer sonden på den buede side af fantomet, og sørg for en god kontakt med overfladen, og optimer derefter PMT-biasspændingen ved at klikke på knappen 'Optimer alle detektorer' i FD-DOS-softwaren.
    3. Kør kalibreringen for flere kildedetektorseparationer ved at klikke på indstillingen 'Calc. Waveform Calib. Værdier for optiske rekvisitter. og Flere afstande' fra menuen 'Kalibrer' .
    4. Åbn indstillingen 'Brugerdefinerede beregninger' fra menuen 'Tekst-mon' for at kontrollere, at de målte optiske egenskaber matcher de forudspecificerede værdier (skrevet i det faste fantom), og at tilpasningen R2 er tæt på en.
  3. Gentag ovenstående trin (undtagen trin 2.2.3) for at måle de optiske egenskaber for fantomet markeret som 'Check' for at sikre, at kalibreringen var tilstrækkelig. De målte optiske egenskaber skal inden for 10% svare til de værdier, der er angivet i fantomerne.
    FORSIGTIG: Sørg for at slukke for PMT'er (ved at klikke på knappen 'Alle detektorer FRA'), hver gang sonden flyttes for at undgå at beskadige PMT'er på grund af direkte belysning fra omgivende lys.
  4. Hvis kalibreringen ikke er tilstrækkelig, køres kalibreringsprocessen igen (trin 2.2 og 2.3). Sikring af en god kalibrering af FD-DOS-systemet er afgørende for gyldigheden af FD-DOS-målingerne.

3. Forberedelse af deltageren ved sengen

  1. Brug desinficeringsservietter til at rengøre både sonden og patientens pande.
  2. Placer den dobbeltklæbende tape på sonden (figur 1B), og sørg for, at tapen ikke er i direkte kontakt med de optiske fiberspidser.
  3. Placer en laser sikkerhed googles på emnet.
  4. Placer sonderne over interesseområdet (ROI), og vikl de elastiske stropper rundt om motivets hoved. Selvom det ikke er strengt nødvendigt for FD-DOS og DCS, anbefales det at dække den optiske sonde med en sort klud eller sort bandage for at reducere støj på grund af omgivende lys.
    OBS: Det er vigtigt at sikre, at elastikstroppen hverken er for stram eller for løs. Hvis stroppen er for stram, kan det medføre betydeligt ubehag for patienten, og hvis stroppen er for løs, kan det føre til dårlig datakvalitet, da den dobbeltklæbende tape ikke er stærk nok til at holde sonderne på plads.
  5. Når sonden er korrekt fastgjort til patientens pande, tændes DCS-laseren ved at dreje nøglen til positionen 'ON'.
    FORSIGTIG: DCS-systemet bruger en klasse 3B-laser, som er farlig for øjeneksponering. Det er meget vigtigt kun at tænde laserne, når sonden er korrekt fastgjort til patientens pande.

4. Vurdering af datakvalitet

  1. Før du begynder at hente data med GUI'en, skal du skrive DCS-kildedetektorseparationerne under fanen "Indstillinger" i GUI'en.
    BEMÆRK: DCS-systemet kræver ikke et kalibreringstrin, men korrekt indtastning af kildedetektorseparationerne er nødvendig for realtidsanalysen (se Supplerende materiale for detaljer).
  2. Start anskaffelsessoftwaren ved at trykke på knappen 'Start' i GUI'en, og kontroller DOS-signalet i FD-DOS-softwaren:
    1. Klik på knappen 'Optimer alle detektorer' i FD-DOS-softwaren for at optimere PMT-biasspændingen.
    2. Kontroller de optiske egenskaber og R2 for DOS-tilpasningen i indstillingen 'Brugerdefineret beregning' fra menuen 'Tekst-mon'. R2-koefficienten skal være tæt på enhed, og som tommelfingerregel skal absorptionskoefficienten for humane patienter være inden for 0, 05 og 0, 2 cm-1, mens spredningskoefficienten skal være inden for 6 og 13 cm-113.
  3. Kontroller DCS-signalet under fanen "Korrelationskurver" i den grafiske brugergrænseflade.
    1. Tænd DCS-detektorerne ved at dreje kontakterne til positionen 'ON' .
    2. Sørg for, at hver DCS-detektor måler en tilstrækkelig lysintensitet. Som tommelfingerregel kræves der mere end 10 kHz.
    3. Hvis den målte intensitet er højere end 800 kHz, skal du bruge et neutralt densitetsfilter til at reducere fotontællingerne for at undgå at beskadige detektorerne. Dette er typisk et problem for kortere (< 1 cm) kildedetektorseparationer.
      BEMÆRK: Ud over potentielt at beskadige DCS-detektorerne kan fotontal højere end 800 kHz også medføre fejl på grund af ikke-lineære effekter i detektoren.
    4. Kontroller autokorrelationskurverne for at sikre en god hudkobling (se de repræsentative resultater og figur 2), og flyt om nødvendigt den optiske sonde.
    5. Hvis det var nødvendigt at flytte sonden i det foregående trin, gentages trin 4.2 og 4.3. Disse trin skal muligvis gentages flere gange.
      BEMÆRK: DCS- og FD-DOS-detektorerne skal slukkes, hver gang sonden flyttes. For at slukke DCS-detektorerne skal du manuelt flytte kontakterne til positionen 'OFF'. FD-DOS-detektoren slås fra ved at klikke på knappen 'Alle detektorer FRA' i FD-DOS-softwaren.
  4. Når der opnås en god kontakt mellem sonden og huden, skal du stoppe dataindsamlingen ved at klikke på knappen 'Stop' i GUI'en. Indstil derefter eksperimentet og patientidentifikatorerne i tekstboksen 'Mappe', og skriv ROI-navnet i tekstboksen 'Filnavn'.
  5. Start dataindsamlingen ved at trykke på knappen 'Start' i GUI'en.
  6. Indsaml data i det første investeringsafkast, så længe det kræves af protokollen. Flyt om nødvendigt sonden til de andre ROI'er, og gentag målingen.
    BEMÆRK: Overvågningsperioden kan variere afhængigt af undersøgelsens mål.

5. Overvejelser for eksperimentatoren under målingen

  1. Når målingen er startet, skal du skrive de relevante patientoplysninger på fanen 'Eksperimentinfo' i GUI'en (f.eks. Skadens type og placering, lægemidler, der administreres, alder, køn osv.).
  2. Sørg for, at enhver relevant hændelse, der fandt sted i overvågningsperioden, markeres ved at klikke på knappen 'Markér' på GUI'en. Efter hvert mærke skal du sørge for at skrive hændelsesbeskrivelsen på fanen "Eksperimentoplysninger" i GUI'en.

6. Stop dataindsamling

  1. Stop dataindsamlingen ved at trykke på knappen 'Stop' i GUI'en.
  2. Stop FD-DOS-softwaren ved at trykke på knappen Stop dataindsamling og optagelse, der er repræsenteret som to røde firkanter i FD-DOS-softwaren.
  3. Sluk DCS-detektorerne ved at dreje kontakterne til positionen 'OFF', og sluk DCS-laseren ved at dreje nøglen til positionen 'OFF'.
  4. Sluk for FD-DOS-modulets PMT'er ved at klikke på knappen 'Alle detektorer OFF'.
  5. Fjern sonden fra patientens hoved, og fjern det dobbeltsidede tape fra sonden. Rengør derefter sonden med desinfektionsservietter.
  6. Målingen af de optiske egenskaber for hvert fast fantom, gentages så hurtigt som muligt for at sikre, at kalibreringen forblev tilstrækkelig under hele overvågningssessionen (se trin 4.2.2).
    BEMÆRK: Ideelt set bør kalibreringstrinnet udføres lige efter fjernelse af de optiske sonder fra patientens hoved (trin 6.6). På grund af tidsmæssige problemer blev dette imidlertid i eksemplerne præsenteret i næste afsnit gjort i lagerfaciliteten.
  7. Rengør systemet og dets tilbehør med desinfektionsservietter.
  8. Hjul vognen tilbage til opbevaringsrummet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ideelt set bør de normaliserede autokorrelationskurver opnået med DCS-modulet være ca. 1,5 ved ekstrapolering af nulforsinkelsestid (ved brug af single-mode fibre14), og kurverne skal henfalde til 1 ved længere forsinkelsestider. Kurven skal være jævn, og den skal have et hurtigere henfald for de længere kildedetektorseparationer. Et eksempel på en god autokorrelation er vist i figur 2A. Figur 2B viser et eksempel på en dårlig autokorrelationskurve; I dette eksempel er det ikke muligt at skelne kurverne for de forskellige kildedetektorseparationer. Figur 2C viser et andet eksempel på en dårlig autokorrelationskurve, hvor kurvens hale ikke stemte overens med den anvendte model. Problemet i begge kurver (figur 2B,C) er enten relateret til en dårlig kobling af sonden på huden eller til lyslækage fra kilden direkte ind i de kortere kildedetektorseparationer.

Som et eksempel på vigtigheden af at vise neurofysiologien i forskellige tidsvinduer for korrekt at fortolke ændringer, der ses i realtid, før de vedrører ændringer i klinisk adfærd, viser figur 3 tidsserien for en overvågningssession fra en bedøvet slagtilfældepatient, som det ses på GUI af intensivpersonalet. Under en del af monitoreringssessionen sugede klinikerne patientens bronchiale og orale sekret (repræsenteret ved det skraverede område i figur 3). Patientbevægelsen induceret af interventionen forstyrrer tydeligt det optiske signal, hvilket fører til de ufysiologiske pigge i de optiske parametre; Derfor er det svært at tildele nogen fysiologisk betydning til disse ændringer. Kort efter interventionen vendte de hæmodynamiske parametre tilbage til omtrent de samme værdier før interventionen, som forventet for en stabil patient. Dette eksempel illustrerer stabiliteten af realtidssystemet i neuro-ICU samt vigtigheden af at analysere en patients hæmodynamik ved forskellige tidsmæssige vinduer.

For at illustrere gennemførligheden af den hybride diffuse optiske enhed til at give meningsfuld information i neuro-ICU præsenterer vi sagen om en 50-årig kvinde med en historie med diabetes, hypertension og kongestiv hjertesvigt, der blev indlagt med venstre sidig hemiparese og viste sig at have et iskæmisk slagtilfælde på grund af okklusion af højre MCA (NIH slagskala = 11). Figur 4 viser de gennemsnitlige optisk afledte parametre og CT-scanningen på trettende dag efter indlæggelse, mens patienten blev intuberet og bedøvet. Under denne overvågningssession var CBF og CMRO2 i den ipsilesionale pande betydeligt lavere end deres kontralesionelle parametre i det symmetriske område. Dette resultat er i overensstemmelse med et perfusionsunderskud og efterfølgende vævsnekrose forårsaget af en stor kariskæmi. Især selvom CBF var lavere på den ipsilesionale halvkugle, blev der fundet en høj OEF i begge halvkugler. Dette kan være i overensstemmelse med ideen om elendighedsperfusion, en tilstand, hvor der er højt iltforbrug (høj OEF) på trods af lav (men ikke-nul) CBF, da vævet forsøger at fremme genopretning 8,51,52. I øjeblikket er elendighedsperfusion svært at diagnosticere i neuro-ICU. Selvom en større undersøgelse med patienter med akut iskæmisk slagtilfælde er nødvendig for at vurdere følsomheden af diffuse optiske spektroskopier til at detektere elendighedsperfusion, viser dette eksempel potentialet i det diffuse optiske system til at vurdere klinisk vigtig information i realtid.

Endelig præsenterer vi de langsgående resultater opnået fra en 62-årig kvinde, der blev optaget på neuro-ICU på grund af en alvorlig højre midterste cerebral arterie (MCA) aneurysmal subaraknoid blødning, med grad V på Hunt &; Hess-skalaen (dvs. forudsiger et dårligt resultat og en lav sandsynlighed for overlevelse)53 og grad III på Fisher-skalaen (dvs. lav til høj risiko for vasospasme)54. Denne patient blev overvåget under hele indlæggelsen, og alle cerebrale hæmodynamiske parametre var i overensstemmelse med den kliniske udvikling af patientens tilstand. Vi henviser den interesserede læser til en nyligt offentliggjort case-rapport, der indeholder den fuldstændige beskrivelse af denne sag9. For at illustrere muligheden for at udføre målinger på forskellige dage viser figur 5 en offline analyse af data indsamlet med systemet ved flere sessioner under indlæggelse af det ovenfor beskrevne tilfælde og præsenteret detaljeret i ref.9. Her blev lateralitetsindekset (LI) beregnet for hver fysiologisk parameter som:

Equation 1

hvor X repræsenterer den målte variabel (dvs. CBF, OEF, CMRO2), og abonnementet betegner hjernehalvdelen. Med LI er det muligt direkte at sammenligne forskellene på tværs af hver halvkugle over hele indlæggelsen. Lateralitetsindekset har vist sig at være meget nyttigt for forskellige kliniske scenarier52,55,56,57, og det kan let vurderes med protokollen præsenteret her ved sekventielt måling af symmetriske regioner i begge halvkugler. Det gennemsnitlige arterielle tryk (MAP) blev indsamlet med et uafhængigt instrument, der var tilgængeligt i neuro-ICU, og det er også vist i figur 5 som reference.

Omhyggelig analyse af figur 5 afslører to signifikante perioder med halvkuglesvigt. Den første periode opstod mellem den første og den tredje dag efter indlæggelse, hvor alle de neurofysiologiske parametre i den ipsilesionale ROI steg mere end i den symmetriske contralesional ROI. Denne stigning i LI på den tredje dag efter indlæggelse kan være et tegn på et muligt homeostatisk forsøg på at genoprette den metaboliske balance i det berørte væv. I løbet af den anden periode, der startede efter den tredje dag af indlæggelse, faldt LI kontinuerligt, hvilket var i overensstemmelse med patientens forværrede tilstand. I dette tilfælde døde patienten efter 9 dages indlæggelse.

Figure 1
Figur 1: Det optiske miljø udviklet til at overvåge patienter inde på en intensivafdeling. (A) Det hybride diffuse optiske system kombinerer et frekvensdomæne diffust optisk spektroskopimodul (DOS) og et diffust korrelationsspektroskopimodul (DCS). (B) Den sonde, der kan tilpasses, og som foreslået i denne undersøgelse har som standard 4 kildedetektorseparationer (0,7, 1,5, 2,5 og 3,0 cm) for DCS og 4 kildedetektorseparationer for DOS (1,5, 2,0, 2,5 og 3,0 cm). For nemheds skyld brugte eksemplerne her kun 2,5 cm kildedetektoradskillelse til DCS. (C) Den grafiske brugergrænseflade i realtid (GUI) styrer det diffuse optiske system og viser den målte cerebrale blodgennemstrømning (CBF), iltekstraktionsfraktionen (OEF) og den cerebrale metaboliske ilthastighed (CMRO 2) i realtid, både inden for et 5 minutters tidsvindue (venstre paneler) og inden for et2 timers tidsvindue (højre paneler). I bunden af GUI'en kan forskeren trykke på knapper for at starte og stoppe dataindsamlingen, for at få en basisperiode til sammenligning og for at markere enhver relevant intervention(er). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Repræsentative autokorrelationskurver for DCS-modulet. (A) Et eksempel på en god autokorrelation, som var ca. 1,5 ved nul forsinkelsestidsekstrapolering og henfaldt til 1 ved længere forsinkelsestider. Som forventet henfaldt autokorrelationskurverne hurtigere for de længere kildedetektorseparationer. (B) Et eksempel på en dårlig autokorrelationskurve, hvor det ikke er muligt at skelne kurverne for de forskellige kildedetektorseparationer. (C) Et andet eksempel på en dårlig autokorrelationskurve, hvor kurvens hale ikke stemte overens med den anvendte model. Problemerne i (B) og (C) er relateret til enten dårlig kobling af sonden på huden eller til lyslækage fra kilden direkte ind i de kortere kildedetektorseparationer. Forskeren kan se kurverne på fanen 'Korrelationskurver' på GUI'en. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Cerebral fysiologi af en overvågningssession fra en bedøvet slagtilfældepatient, som det ville blive set på GUI af intensivpersonalet. GUI'en viser cerebral blodgennemstrømning (CBF, i rødt), iltekstraktionsfraktionen (OEF, i blåt) og den cerebrale metaboliske ilthastighed (CMRO 2, i grønt) i realtid for både (A) korte (dvs. 5 min) og (B) lange (dvs.2 timer) tidsvinduer samt en (C) gennemsnitsværdi i løbet af de sidste 5 minutter. Under en del af denne overvågningssession sugede klinikere patientens bronchiale og orale sekreter (repræsenteret af det skraverede område i B). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Neurofysiologiske oplysninger om en patient diagnosticeret med alvorlig iskæmisk slagtilfælde i højre midterste cerebrale arterie på den trettende dag efter indlæggelse. (A) Cerebral blodgennemstrømning (CBF), oxygenekstraktionsfraktion (OEF), cerebral metabolisk ilthastighed (CMRO2) og total hæmoglobinkoncentration (HbT) målt med det diffuse optiske system i kontralesionale og ipsilesionale halvkugler. (B) Computertomografi (CT) scanning fra en enkelt dags måling af patienten. De røde områder i CT-billederne repræsenterer det formodede optiske følsomhedsområde, og den lilla ellipse viser den omtrentlige skadeplacering. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: Tidsmæssig udvikling af lateralitetsindekset for de optisk afledte fysiologiske parametre hos en 62-årig kvindelig patient efter en højgradig aneurysmal subaraknoid blødning (aSAH). Ændringerne i det ipsilesionale interesseområde (ROI) sammenlignet med ændringerne i det kontralesionale ROI vises i venstre akse for cerebral blodgennemstrømning (CBF, røde cirkler), iltekstraktionsfraktion (OEF, blå diamant) og cerebral metabolisk ilthastighed (CMRO2, grønne trekanter). Udviklingen af det gennemsnitlige arterielle tryk (MAP, grå firkanter) blev indsamlet uafhængigt og vises i højre akse til sammenligning. Fejlbjælkerne for hvert punkt repræsenterer standardafvigelsen for hver parameter på tværs af overvågningssessionen. I nogle dage var standardafvigelsen for lille til at blive vist. Klik her for at se en større version af denne figur.

Supplerende materialer. Klik her for at downloade denne fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dette papir præsenterede et hybrid optisk system, der kan give realtidsinformation om cerebral blodgennemstrømning, cerebral iltning og cerebral iltmetabolisme hos neurokritiske patienter ved siden af. Brugen af diffuse optiske teknikker var tidligere blevet behandlet som en potentiel markør for ikke-invasiv overvågning ved sengen i kliniske scenarier. En tidligere undersøgelse fokuserede på de kliniske aspekter og gennemførligheden af optisk overvågning under indlæggelse i neuro-ICU gennem en caserapport9. Fokus for dette arbejde er at detaljere relevante og innovative aspekter relateret til realtidsovervågning med diffus optik. Specifikt foreslog dette papir en realtids GUI, der giver klar og nyttig information til klinikere. GUI'en giver mulighed for nem sammenligning af forskellige tidsperioder, hvilket er vigtigt for fortolkning af klinisk relevante data. Implementeringen af den GUI, der præsenteres her, kan let oversættes til DCS-system baseret på en softwarekorrelator med det forbehold, at visningsfrekvensen i realtid skal begrænses til ~ 20 Hz. Real-time gennemsnit af autokorrelationskurverne kan bruges til at nedprøve hurtigere erhvervelseshastigheder. I fremtiden kan realtidsoplysninger fra den foreslåede protokol anvendes til at vejlede terapi, hvilket potentielt forbedrer det kliniske resultat hos neurokritiske patienter.

Dette arbejde foreslår også brugen af en tilpasselig optisk sonde, der kan adressere forskellige indstillinger og derfor passer til forskellige formål og behov for klinikere. Det korrekte valg af kildedetektoradskillelsen er et kritisk skridt for at maksimere den cerebrale følsomhed af diffus optik. I de fleste tilfælde bør en optimal sonde til DCS-målinger hos voksne have mindst en kort (< 1 cm) og en lang (> 2,5 cm) kildedetektorseparation. Den lange kildedetektoradskillelse viste sig at give det bedste kompromis mellem signal-støj-forhold (SNR) og cerebral følsomhed 12,14,16, mens den korte adskillelse er mest følsom over for det ekstra-cerebrale væv og er nyttig til at skelne de ekstra-cerebrale ændringer fra cerebrale ændringer 12,16 . For FD-DOS indeholder en simpel sonde, der giver et rimeligt kompromis mellem SNR og cerebral følsomhed hos voksne, 4 kildedetektorseparationer (1,5, 2,0, 2,5 og 3,0 cm)58. Det mest kritiske trin for en FD-DOS-måling er kalibreringsproceduren, der er nødvendig for at sammenligne AC- og faseændringer fra forskellige fibre (afsnit 2 i protokollen). En dårlig kalibrering af et FD-DOS-system kan føre til store fejl i de hentede værdier af vævets optiske egenskaber, hvilket vil påvirke nøjagtigheden af både cerebral iltning og cerebral blodgennemstrømningsværdier. Af betydning fokuserer protokollen, der foreslås i denne undersøgelse, i en optisk sonde til FD-DOS, der indeholder en enkelt PMT og flere lyskilder. Den her beskrevne kalibreringsprocedure skal ændres for eksperimenter, hvor der anvendes flere detektorer. For undersøgelser, der anvender flere detektorer, bør PMT's biasspænding ikke ændres under kalibreringsproceduren, og det er derfor nødvendigt omhyggeligt at vælge kalibreringsfantomernes optiske egenskaber.

Ud over de cerebrale iltningsmålinger forbedrer DOS-modulet også beregningen af CBF, da DCS-modellen også afhænger af vævets optiske egenskaber. Denne undersøgelse anvendte et kommercielt FD-DOS-system med en enkelt modulationsfrekvens for at genvinde de optiske egenskaber og cerebral iltning. Der er dog andre alternativer, der kan give mere nøjagtige oplysninger, såsom tidsdomæne DOS eller multifrekvente FD-DOS-systemer 59,60,61,62,63,64. Disse systemer kan reducere den eksperimentelle kompleksitet, da de kræver en enkelt kildedetektorseparation for at genvinde cerebral fysiologi, mens den traditionelle FD-DOS, der anvendes her, kræver flere kildedetektorseparationer og dermed flere fibre fastgjort til hovedet. Da hovedinteressen for denne protokol desuden var de langsigtede tendenser i cerebral fysiologi, valgte denne undersøgelse at udføre sammenflettede DOS- og DCS-målinger. For at undgå krydskontaminering og øge prøveudtagningsfrekvensen er det i fremtiden muligt at opnå samtidige DOS- og DCS-målinger ved at inkludere hakfiltre på DOS- og DCS-detektorerne.

En begrænsning af den nuværende protokol er begrænsningen af sondens placering i panden. Lige nu er det svært at opnå DCS-målinger gennem hår. Dette er ikke et problem for fornærmelser, der dækker en større del af hjernen, som det oftest ofte er tilfældet i neuro-ICU. Imidlertid er målinger på panden muligvis ikke følsomme over for små MCA- eller PCA-slagtilfælde, for eksempel. Med yderligere forbedringer af de optiske sonder kan det være muligt at måle gennem håret, og ved at kombinere systemet med en neuronavigationsenhed ville det være muligt at foretage målinger over en lille lokal ROI. Ved at indsamle detaljerede rumlige oplysninger om den optiske information forventer vi en markant forbedring af følsomheden af diffus optik over for hæmodynamiske svækkelser på grund af fokale cerebrovaskulære lidelser.

Endelig er det vigtigt at nævne et par begrænsninger ved de diffuse optiske teknikker. For det første er diffus optik i sagens natur følsom over for det ekstra-cerebrale væv, og bedre modellering af dataene kan være nødvendig for korrekt at redegøre for forskellen i de ekstra-cerebrale og cerebrale fysiologier 65,66,67,68,69,70. Derudover er DCS-målingen af CBF følsom over for det eksterne tryk fra den optiske sonde mod vævet. For eksempel reducerer vi blodgennemstrømningen i det ydre væv ved at øge sondetrykket, hvilket også reducerer CBF målt ved DCS71,72,73. Bemærk dog, at selvom CBF reduceres på grund af stigende sondetryk, er CBF's pulspuls uændret72. Interessant nok er det muligt at bruge disse ændringer i CBF på grund af det eksterne sondetryk til at adskille de ekstra-cerebrale og cerebrale fysiologier73. Endelig har den optisk afledte CBF fysiske enheder (dvs. cm2 / s) snarere end de mere sædvanlige kliniske enheder (dvs. ml / 100 g væv / min). Nogle forfattere har foreslået brugen af indocyaningrøn (ICG) til at genvinde absolut CBF fra DOS og kalibrere CBF-indekset fra DCS til absolutte kliniske enheder 74,75,76,77,78. Nøjagtigheden af kalibreringsfaktoren fra ICG kan dog ikke oversættes direkte til forskellige situationer på grund af abnormiteter i makro- og mikrocirkulationen efter hjernetraumer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatteren (e) erklærede følgende potentielle interessekonflikter med hensyn til forskning, forfatterskab og / eller offentliggørelse af denne artikel: RC Mesquita har en verserende patentansøgning og to andre patenter, der er relevante for dette arbejde (amerikanske patenter 10.342.488 og 10.064.554). Ingen forfatter modtager i øjeblikket royalties eller betalinger fra disse patenter.

   

Acknowledgments

Vi anerkender støtten fra São Paulo Research Foundation (FAPESP) gennem Proc. 2012/02500-8 (RM), 2014/25486-6 (RF) og 2013/07559-3. Bidragyderne havde ingen rolle i studiedesign, dataindsamling og analyse, beslutning om udgivelse eller udarbejdelse af manuskriptet.

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

Medicin udgave 165 diffus optisk spektroskopi diffus korrelationsspektroskopi cerebral blodgennemstrømning cerebrovaskulære lidelser neurokritisk overvågning slagtilfælde intensivafdeling

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

Realtidsovervågning af neurokritiske patienter med diffuse optiske spektroskopier
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