Waiting
Login processing...

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

Medicine

Real-time monitoring van neurokritische patiënten met diffuse optische spectroscopieën

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

Hier wordt een protocol gepresenteerd voor het niet-invasief monitoren van cerebrale hemodynamiek van neurokritische patiënten in realtime en aan het bed met behulp van diffuse optica. In het bijzonder maakt het voorgestelde protocol gebruik van een hybride diffuus optisch systeem om real-time informatie over cerebrale oxygenatie, cerebrale bloedstroom en cerebrale metabolisme te detecteren en weer te geven.

Abstract

Neurofysiologische monitoring is een belangrijk doel bij de behandeling van neurokritische patiënten, omdat het secundaire schade kan voorkomen en rechtstreeks van invloed kan zijn op morbiditeit en sterftecijfers. Er is momenteel echter een gebrek aan geschikte niet-invasieve, real-time technologieën voor continue monitoring van de cerebrale fysiologie aan het bed. Diffuse optische technieken zijn voorgesteld als een potentieel hulpmiddel voor bedside metingen van cerebrale bloedstroom en cerebrale oxygenatie in het geval van neurokritische patiënten. Diffuse optische spectroscopieën zijn eerder onderzocht om patiënten te volgen in verschillende klinische scenario's, variërend van neonatale monitoring tot cerebrovasculaire interventies bij volwassenen. De haalbaarheid van de techniek om clinici te helpen door real-time informatie aan het bed te verstrekken, blijft echter grotendeels onbesproken. Hier rapporteren we de vertaling van een diffuus optisch systeem voor continue real-time monitoring van de cerebrale bloedstroom, cerebrale oxygenatie en cerebrale zuurstofmetabolisme tijdens intensieve zorg. De real-time functie van het instrument zou behandelingsstrategieën mogelijk kunnen maken op basis van patiëntspecifieke cerebrale fysiologie in plaats van te vertrouwen op surrogaatstatistieken, zoals arteriële bloeddruk. Door real-time informatie te verstrekken over de cerebrale circulatie op verschillende tijdschalen met relatief goedkope en draagbare instrumentatie, kan deze aanpak vooral nuttig zijn in low-budget ziekenhuizen, in afgelegen gebieden en voor monitoring in open velden (bijv. Defensie en sport).

Introduction

De meeste complicaties die leiden tot slechte resultaten voor ernstig zieke neurologische patiënten zijn gerelateerd aan secundaire verwondingen veroorzaakt door cerebrale hemodynamische stoornissen. Daarom kan het monitoren van de cerebrale fysiologie van deze patiënten rechtstreeks van invloed zijn op morbiditeits- en sterftecijfers 1,2,3,4,5,6,7. Momenteel is er echter geen gevestigde klinische tool voor de continue real-time niet-invasieve monitoring van cerebrale fysiologie bij neurokritische patiënten aan het bed. Onder de potentiële kandidaten zijn onlangs diffuse optische technieken voorgesteld als een veelbelovend hulpmiddel om deze leemteop te vullen 8,9,10,11. Door de langzame veranderingen (d.w.z. in de orde van tientallen tot honderden ms) van het diffuus verstrooide nabij-infrarode licht (~ 650-900 nm) van de hoofdhuid te meten, kan diffuse optische spectroscopie (DOS) concentraties van de belangrijkste chromoforen in de hersenen meten, zoals cerebrale oxy- (HbO) en deoxy-hemoglobine (HbR)12,13. Daarnaast is het mogelijk om de cerebrale bloedstroom (CBF) te meten met diffuse correlatiespectroscopie (DCS)10,14,15,16,17 door de snelle fluctuaties in lichtintensiteit (d.w.z. van enkele μs tot enkele ms) te kwantificeren. In combinatie kunnen DOS en DCS ook een schatting geven van de cerebrale stofwisseling van zuurstof (CMRO2)18,19,20.

De combinatie van DOS en DCS is onderzocht om patiënten in verschillende preklinische en klinische scenario's te monitoren. Er is bijvoorbeeld aangetoond dat diffuse optica relevante klinische informatie biedt voor ernstig zieke pasgeborenen 21,22,23,24, inclusief tijdens hartoperaties om hartafwijkingen te behandelen 23,25,26,27,28 . Daarnaast hebben verschillende auteurs het gebruik van diffuse optica onderzocht om de cerebrale hemodynamiek te beoordelen tijdens verschillende cerebrovasculaire interventies, zoals carotis endarterectomie 29,30,31, trombolytische behandelingen voor beroerte 32, head-of-bed manipulaties 33,34,35, cardiopulmonale reanimatie 36, en anderen37,38, 39. Wanneer continue bloeddrukmonitoring ook beschikbaar is, kan diffuse optica worden gebruikt om cerebrale autoregulatie te controleren, zowel bij gezonde als bij ernstig zieke proefpersonen 11,40,41,42, evenals om de kritische sluitdruk van de cerebrale circulatie te beoordelen 43. Verschillende auteurs hebben CBF-metingen met DCS gevalideerd tegen verschillende gouden standaard CBF-metingen 18, terwijl CMRO2 gemeten met diffuse optica een nuttige parameter is gebleken voor neurokritische monitoring 8,18,23,24,28,43,44,45 . Bovendien hebben eerdere studies de optisch afgeleide cerebrale hemodynamische parameters gevalideerd voor langetermijnmonitoring van neurokritische patiënten 8,9,10,11, inclusief voor de voorspelling van hypoxische 46,47,48 en ischemische gebeurtenissen 8.

De betrouwbaarheid van de diffuse optische technieken om waardevolle real-time informatie te leveren tijdens longitudinale metingen en tijdens klinische interventies blijft grotendeels onbesproken. Het gebruik van een stand-alone DOS-systeem werd eerder vergeleken met invasieve zuurstofspanningsmonitoren van hersenweefsel en DOS werd geacht niet voldoende gevoelig te zijn om de invasieve monitoren te vervangen. Afgezien van het gebruik van relatief kleine populaties, kan de directe vergelijking van de invasieve en niet-invasieve monitoren echter misleidend zijn, omdat elke techniek verschillende volumes onderzoekt die verschillende delen van de cerebrale vasculatuur bevatten. Hoewel deze studies uiteindelijk concludeerden dat diffuse optica geen vervanging is voor de invasieve monitoren, bereikte DOS in beide studies een matige tot goede nauwkeurigheid, die voldoende kan zijn voor gevallen en/of plaatsen waar invasieve monitoren niet beschikbaar zijn.

Ten opzichte van andere benaderingen is het belangrijkste voordeel van diffuse optica het vermogen om tegelijkertijd de bloedstroom en weefselbloedoxygenatie niet-invasief (en continu) aan het bed te meten met behulp van draagbare instrumentatie. In vergelijking met Transcraniële Doppler-echografie (TCD) heeft DCS een bijkomend voordeel: het meet perfusie op weefselniveau, terwijl TCD de cerebrale bloedstroomsnelheid meet in grote slagaders aan de basis van de hersenen. Dit onderscheid kan met name van belang zijn bij de evaluatie van steno-occlusieve ziekten waarbij zowel proximale grote slagaderstroom als leptomeningeale collateralen bijdragen aan perfusie. Optische technieken hebben ook voordelen in vergelijking met andere traditionele beeldvormingsmodaliteiten, zoals positronemissietomografie (PET) en magnetische resonantiebeeldvorming (MRI). Naast gelijktijdige directe metingen van zowel CBF- als HbO/HbR-concentraties, wat niet mogelijk is met MRI of PET alleen, biedt optische monitoring ook een significant betere temporele resolutie, waardoor bijvoorbeeld de beoordeling van dynamische cerebrale autoregulatie40,41,42 en de beoordeling dynamisch evoluerende hemodynamische veranderingen mogelijk zijn. Bovendien is diffuse optische instrumentatie goedkoop en draagbaar in vergelijking met PET en MRI, wat een cruciaal voordeel is gezien de hoge last van vaatziekten in landen met lagere en middeninkomens.

Het hier voorgestelde protocol is een omgeving voor real-time neuromonitoring aan het bed van patiënten op de intensive care (ICU). Het protocol maakt gebruik van een hybride optisch apparaat samen met een klinisch-vriendelijke grafische gebruikersinterface (GUI) en aangepaste optische sensoren om de patiënten te onderzoeken (figuur 1). Het hybride systeem dat wordt gebruikt voor de presentatie van dit protocol combineert twee diffuse optische spectroscopieën van onafhankelijke modules: een commerciële frequentiedomein (FD-) DOS-module en een zelfgemaakte DCS-module (figuur 1A). De FD-DOS module49,50 bestaat uit 4 fotomultiplicatorbuizen (PMT's) en 32 laserdiodes die uitzenden op vier verschillende golflengten (690, 704, 750 en 850 nm). De DCS-module bestaat uit een lange-coherentie laser die uitzendt bij 785 nm, 16 single-photon tellers als detectoren en een correlatorkaart. De bemonsteringsfrequentie voor de FD-DOS-module is 10 Hz en de maximale bemonsteringsfrequentie voor de DCS-module is 3 Hz. Om de FD-DOS- en DCS-modules te integreren, werd in onze besturingssoftware een microcontroller geprogrammeerd om automatisch tussen elke module te schakelen. De microcontroller is verantwoordelijk voor het in- en uitschakelen van de FD-DOS- en DCS-lasers, evenals de FD-DOS-detectoren om interleaved-metingen van elke module mogelijk te maken. In totaal kan het voorgestelde systeem elke 0,5 tot 5s één gecombineerd FD-DOS- en DCS-monster verzamelen, afhankelijk van de signaal-ruisverhouding (SNR) -vereisten (langere verzameltijden leiden tot een betere SNR). Om het licht aan het voorhoofd te koppelen, ontwikkelden we een 3D-geprinte optische sonde die voor elke patiënt kan worden aangepast (figuur 1B), met brondetectorscheidingen variërend tussen 0,8 en 4,0 cm. De standaard bron-detectorscheidingen die in de hier gepresenteerde voorbeelden worden gebruikt, zijn 2,5 cm voor DCS en 1,5, 2,0, 2,5 en 3,0 cm voor FD-DOS.

Het belangrijkste kenmerk van het protocol dat in deze studie wordt gepresenteerd, is de ontwikkeling van een real-time interface die zowel de hardware met een vriendelijke GUI kan besturen als de belangrijkste cerebrale fysiologieparameters in realtime kan weergeven onder verschillende temporele vensters (figuur 1C). De real-time analysepijplijn die binnen de voorgestelde GUI is ontwikkeld, is snel en duurt minder dan 50 ms om de optische parameters te berekenen (zie het aanvullende materiaal voor meer informatie). De GUI is geïnspireerd op de huidige klinische instrumenten die al beschikbaar zijn op de neuro-ICU, en het werd aangepast door uitgebreide feedback van klinische gebruikers tijdens de vertaling van het systeem naar de neuro-ICU. Bijgevolg kan de real-time GUI de adoptie van het optische systeem door regulier ziekenhuispersoneel, zoals neuro-intensivisten en verpleegkundigen, vergemakkelijken. De brede acceptatie van diffuse optica als een klinisch onderzoeksinstrument heeft het potentieel om het vermogen om fysiologisch zinvolle gegevens te monitoren te verbeteren en kan uiteindelijk aantonen dat diffuse optica een goede optie is voor niet-invasieve monitoring van neurokritische patiënten in realtime.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Het protocol werd goedgekeurd door het lokale comité van de Universiteit van Campinas (protocolnummer 56602516.2.0000.5404). Voorafgaand aan de metingen werd schriftelijke geïnformeerde toestemming verkregen van de patiënt of een wettelijke vertegenwoordiger. We volgden patiënten die werden opgenomen in het Clinics Hospital aan de Universiteit van Campinas met een diagnose van ischemische beroerte of een subarachnoïdale bloeding die de voorste circulatie beïnvloedde. Patiënten met ischemische beroertes die de posterieure circulatie beïnvloeden, patiënten met decompressieve craniectomie als gevolg van verhoogde intracraniale druk en patiënten met andere neurodegeneratieve ziekten (dementie, Parkinson of een andere ziekte die kan worden geassocieerd met corticale atrofie) werden uitgesloten van het onderzoeksprotocol.

1. Voorbereidingen voordat het systeem naar de ICU wordt verplaatst

  1. Sluit alle vezels aan op de relevante lasers en detectoren en zorg ervoor dat ze goed zijn bevestigd aan de optische sonde (figuur 1B).
  2. Controleer of de optische sonde is bedekt met een zwarte doek om te voorkomen dat de lasers in de kamer schijnen.
  3. Zet de aan/uit-schakelaar van het systeem in de stand 'AAN'. Nadat u het systeem hebt ingeschakeld, wacht u 30s en draait u vervolgens de DCS-lasersleutelschakelaar in de stand 'AAN'. De FD-DOS-lasers worden automatisch ingeschakeld wanneer het systeem wordt ingeschakeld.
  4. Terwijl het systeem wordt voorbereid, moet u toestemming vragen aan de deelnemer of een wettelijke vertegenwoordiger. Na het verkrijgen van toestemming, breng de kar naar de kamer van de patiënt.
    OPMERKING: Omdat het hybride systeem een ingebouwde batterij heeft die tot 45 minuten meegaat, hoeft deze tijdens het transport niet te worden uitgeschakeld.

2. Kalibratie- en versterkingsinstellingen van het DOS-systeem

  1. Schakel bij aankomst op de IC de DCS-laser uit door de sleutel in de stand 'UIT' te zetten.
  2. Begin met het vaste fantoom met de aanduiding 'Kalibreren' en voer het kalibratieproces uit op de FD-DOS-software (BOXY, ISS) door de onderstaande stappen te volgen.
    1. Laad in het menu 'Bestand' het juiste instellingenbestand voor de gebruikte test door op de optie 'Instellingenbestand laden' te klikken.
    2. Plaats de sonde aan de gebogen kant van het fantoom, zorg voor een goed contact met het oppervlak en optimaliseer vervolgens de PMT-biasspanning door op de knop 'Optimize All Detectors' in de FD-DOS-software te klikken.
    3. Voer de kalibratie voor meerdere bron-detectorscheidingen uit door op de optie 'Calc. Waveform Calib. Waarden voor optische rekwisieten. en Meerdere afstanden' in het menu 'Kalibreren' .
    4. Open de optie 'Door de gebruiker gedefinieerde berekeningen' in het menu 'Text-Mon' om te controleren of de gemeten optische eigenschappen overeenkomen met de vooraf gespecificeerde waarden (geschreven in het vaste fantoom) en of de fitting R2 dicht bij één ligt.
  3. Herhaal de bovenstaande stappen (behalve stap 2.2.3) om de optische eigenschappen van het fantoom te meten dat is gemarkeerd als 'Controleren' om er zeker van te zijn dat de kalibratie adequaat was. De gemeten optische eigenschappen moeten binnen 10% overeenkomen met de waarden die in de fantomen zijn opgegeven.
    LET OP: Zorg ervoor dat u PMT's uitschakelt (door op de knop 'Alle detectoren UIT' te klikken) telkens wanneer de sonde wordt verplaatst om te voorkomen dat PMT's worden beschadigd door directe verlichting van omgevingslicht.
  4. Als de kalibratie niet toereikend is, voert u het kalibratieproces opnieuw uit (stappen 2.2 en 2.3). Het waarborgen van een goede kalibratie van het FD-DOS systeem is essentieel voor de validiteit van de FD-DOS metingen.

3. Voorbereiding van de deelnemer aan het bed

  1. Gebruik ontsmettende doekjes om zowel de sonde als het voorhoofd van de patiënt schoon te maken.
  2. Plaats de dubbelzijdige tape op de sonde (figuur 1B) en zorg ervoor dat de tape niet in direct contact komt met de optische vezelpunten.
  3. Plaats een laser veiligheid googles op het onderwerp.
  4. Plaats de sondes over de regio-van-interesse (ROI) en wikkel de elastische banden rond het hoofd van het onderwerp. Hoewel niet strikt noodzakelijk voor FD-DOS en DCS, is het raadzaam om de optische sonde te bedekken met een zwarte doek of zwart verband om ruis als gevolg van omgevingslicht te verminderen.
    OPMERKING: Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat de elastische band niet te strak of te los zit. Als de riem te strak zit, kan dit aanzienlijk ongemak voor de patiënt veroorzaken en als de riem te los zit, kan dit leiden tot een slechte gegevenskwaliteit omdat de dubbelzijdige tape niet sterk genoeg is om de sondes op hun plaats te houden.
  5. Nadat de sonde goed is bevestigd aan het voorhoofd van de patiënt, schakelt u de DCS-laser in door de sleutel in de positie 'AAN' te zetten.
    LET OP: Het DCS-systeem maakt gebruik van een klasse 3B-laser die gevaarlijk is voor blootstelling aan de ogen. Het is erg belangrijk om de lasers alleen in te schakelen wanneer de sonde goed is bevestigd aan het voorhoofd van de patiënt.

4. Beoordeling van de gegevenskwaliteit

  1. Voordat u begint met het verkrijgen van gegevens met de GUI, schrijft u de DCS-brondetectorscheidingen op het tabblad 'Instellingen' van de GUI.
    OPMERKING: Het DCS-systeem vereist geen kalibratiestap, maar de juiste invoer van de bron-detectorscheidingen is noodzakelijk voor de real-time analyse (zie Aanvullend materiaal voor details).
  2. Start de acquisitiesoftware door op de knop 'Start' in de GUI te drukken en controleer het DOS-signaal in de FD-DOS-software:
    1. Klik op de knop 'Optimize All Detectors' in de FD-DOS software om de PMT bias spanning te optimaliseren.
    2. Controleer de optische eigenschappen en de R2 van de DOS-fitting in de optie 'User Defined Calculation' in het menu 'Text-Mon'. De R 2-coëfficiënt moet dicht bij eenheid liggen en als vuistregel moet de absorptiecoëfficiënt van menselijke patiënten binnen 0,05 en 0,2 cm-1 liggen, terwijl de verstrooiingscoëfficiënt binnen 6 en 13 cm-113 moet liggen.
  3. Controleer het DCS-signaal op het tabblad 'Correlatiecurven' van de GUI.
    1. Schakel de DCS-detectoren in door de schakelaars in de stand ' ON' te zetten.
    2. Zorg ervoor dat elke DCS-detector een voldoende lichtintensiteit meet. Als vuistregel geldt dat meer dan 10 kHz vereist is.
    3. Als de gemeten intensiteit hoger is dan 800 kHz, gebruik dan een filter met neutrale dichtheid om het aantal fotonen te verminderen om schade aan de detectoren te voorkomen. Dit is meestal een probleem voor kortere (< 1 cm) bron-detector scheidingen.
      OPMERKING: Afgezien van het potentieel beschadigen van de DCS-detectoren, kunnen fotonentellingen hoger dan 800 kHz ook fouten veroorzaken als gevolg van niet-lineaire effecten in de detector.
    4. Controleer de autocorrelatiecurven om een goede huidkoppeling te garanderen (zie de representatieve resultaten en figuur 2) en verplaats de optische sonde indien nodig.
    5. Als het verplaatsen van de sonde in de vorige stap noodzakelijk was, herhaalt u stap 4.2 en 4.3. Deze stappen moeten mogelijk meerdere keren worden herhaald.
      OPMERKING: De DCS- en FD-DOS-detectoren moeten worden uitgeschakeld telkens wanneer de sonde wordt verplaatst. Om de DCS-detectoren uit te schakelen, verplaatst u de schakelaars handmatig naar de stand 'UIT'. De FD-DOS detector wordt uitgeschakeld door op de knop 'Alle detectoren UIT' in de FD-DOS software te klikken.
  4. Wanneer een goed contact tussen de sonde en de huid is bereikt, stopt u de gegevensverzameling door op de knop 'Stoppen' in de GUI te klikken. Stel vervolgens de experiment- en patiënt-id's in het tekstvak 'Map' in en schrijf de ROI-naam in het tekstvak 'Bestandsnaam'.
  5. Start de data-acquisitie door op de knop 'Start' in de GUI te drukken.
  6. Verzamel gegevens in de eerste ROI zolang als vereist door het protocol. Verplaats indien nodig de sonde naar de andere ROI's en herhaal de meting.
    OPMERKING: De monitoringperiode kan variëren afhankelijk van de onderzoeksdoelen.

5. Overwegingen voor de experimentator tijdens de meting

  1. Nadat u de meting hebt gestart, schrijft u in het tabblad 'Experimentinformatie' van de GUI de relevante patiëntinformatie (bijv. Type en locatie van het letsel, geneesmiddelen die worden toegediend, leeftijd, geslacht, enz.).
  2. Zorg ervoor dat elke relevante gebeurtenis die zich tijdens de bewakingsperiode heeft voorgedaan, wordt gemarkeerd door op de knop 'Markeren' op de GUI te klikken. Zorg ervoor dat u na elke markering de beschrijving van de gebeurtenis schrijft op het tabblad 'Experimentinformatie' van de GUI.

6. Stop het verzamelen van gegevens

  1. Stop de gegevensverzameling door op de knop 'Stoppen' in de GUI te drukken.
  2. Stop de FD-DOS-software door op de knop voor het verzamelen en opnemen van gegevens stoppen, weergegeven als twee rode vierkantjes in de FD-DOS-software, in te drukken.
  3. Schakel de DCS-detectoren uit door de schakelaars in de 'OFF' -positie te zetten en schakel de DCS-laser uit door de sleutel naar de 'OFF'-positie te draaien.
  4. Schakel de PMT's van de FD-DOS module uit door op de knop 'Alle detectoren UIT' te klikken.
  5. Verwijder de sonde van het hoofd van de patiënt en verwijder de dubbelzijdige tape van de sonde. Reinig vervolgens de sonde met ontsmettingsdoekjes.
  6. Herhaal de meting van de optische eigenschappen van elk vast fantoom zo snel mogelijk om ervoor te zorgen dat de kalibratie gedurende de hele bewakingssessie adequaat bleef (zie stap 4.2.2).
    OPMERKING: Idealiter moet de kalibratiestap direct na het verwijderen van de optische sondes uit het hoofd van de patiënt worden uitgevoerd (stap 6.6). Vanwege timingproblemen werd dit in de voorbeelden in de volgende sectie echter gedaan in de opslagfaciliteit.
  7. Reinig het systeem en de accessoires met ontsmettingsdoekjes.
  8. Rijd de kar terug naar de berging.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Idealiter zouden de genormaliseerde autocorrelatiecurven verkregen met de DCS-module ongeveer 1,5 moeten zijn bij de nulvertragingstijdextrapolatie (bij gebruik van single-mode vezels14), en de curven zouden moeten vervallen tot 1 bij langere vertragingstijden. De curve moet glad zijn en een sneller verval hebben voor de langere bron-detectorscheidingen. Een voorbeeld van een goede autocorrelatie is weergegeven in figuur 2A. Figuur 2B toont een voorbeeld van een slechte autocorrelatiecurve; In dit voorbeeld is het niet mogelijk om de curven voor de verschillende bron-detectorscheidingen te onderscheiden. Figuur 2C toont nog een voorbeeld van een slechte autocorrelatiecurve, waarbij de staart van de curve niet overeenkwam met het gebruikte model. Het probleem in beide curven (figuur 2B,C) houdt verband met een slechte koppeling van de sonde op de huid of met lichte lekkage van de bron rechtstreeks in de kortere bron-detectorscheidingen.

Als voorbeeld van het belang van het weergeven van de neurofysiologie op verschillende tijdvensters om veranderingen die in realtime worden waargenomen correct te interpreteren voordat veranderingen in klinisch gedrag worden gerelateerd, toont figuur 3 de tijdreeks van een monitoringsessie van een verdoofde beroertepatiënt, zoals gezien op de GUI door het personeel van de intensive care. Tijdens een deel van de monitoringsessie zuigen de clinici de bronchiale en orale afscheidingen van de patiënt op (weergegeven door het gearceerde gebied in figuur 3). De beweging van de patiënt geïnduceerd door de interventie verstoort duidelijk het optische signaal, wat leidt tot de onfysiologische pieken in de optische parameters; Daarom is het moeilijk om enige fysiologische betekenis toe te kennen aan deze veranderingen. Kort na de interventie keerden de hemodynamische parameters terug naar ongeveer dezelfde waarden vóór de interventie, zoals verwacht voor een stabiele patiënt. Dit voorbeeld illustreert de stabiliteit van het real-time systeem in de neuro-ICU, evenals het belang van het analyseren van de hemodynamiek van een patiënt bij verschillende temporele vensters.

Om de haalbaarheid van het hybride diffuse optische apparaat te illustreren om zinvolle informatie te verstrekken in de neuro-ICU, presenteren we het geval van een 50-jarige vrouw met een voorgeschiedenis van diabetes, hypertensie en congestief hartfalen, die werd opgenomen met linkszijdige hemiparese en een ischemische beroerte bleek te hebben als gevolg van occlusie van de rechter MCA (NIH-beroerteschaal = 11). Figuur 4 toont de gemiddelde optische parameters en de CT-scan op de dertiende dag na ziekenhuisopname, terwijl de patiënt werd geïntubeerd en verdoofd. Tijdens deze monitoringsessie waren CBF en CMRO2 in het ipsilesionale voorhoofd aanzienlijk lager dan hun contralesionale parameters in het symmetrische gebied. Dit resultaat komt overeen met een perfusietekort en daaropvolgende weefselnecrose veroorzaakt door een ischemie van een groot vaat. Met name hoewel CBF lager was in de ipsilesionale hemisfeer, werd een hoge OEF gevonden in beide hemisferen. Dit kan in overeenstemming zijn met het idee van ellendeperfusie, een toestand waarin er een hoog zuurstofverbruik (hoge OEF) is ondanks een lage (maar niet-nul) CBF als het weefsel probeert herstel te bevorderen 8,51,52. Momenteel is ellendeperfusie moeilijk te diagnosticeren op de neuro-IC. Hoewel een grotere studie met patiënten met acute ischemische beroerte nodig is om de gevoeligheid van diffuse optische spectroscopieën te beoordelen om ellendeperfusie te detecteren, toont dit voorbeeld het potentieel van het diffuse optische systeem om klinisch belangrijke informatie in realtime te beoordelen.

Ten slotte presenteren we de longitudinale resultaten verkregen van een 62-jarige vrouw die werd opgenomen op de neuro-ICU vanwege een ernstige rechter middelste hersenslagader (MCA) aneurysmale subarachnoïdale bloeding, met graad V op de Hunt & Hess-schaal (d.w.z. het voorspellen van een slechte uitkomst en een lage overlevingskans)53 en graad III op de Schaal van Fisher (d.w.z. laag tot hoog risico op vasospasme)54. Deze patiënt werd gedurende de hele ziekenhuisopname gevolgd en alle cerebrale hemodynamische parameters waren consistent met de klinische evolutie van de toestand van de patiënt. Wij verwijzen de geïnteresseerde lezer naar een recent verschenen casusrapport met de volledige beschrijving van deze casus9. Om de haalbaarheid van het uitvoeren van metingen op verschillende dagen te illustreren, toont figuur 5 een offline analyse van gegevens die met het systeem zijn verzameld tijdens verschillende sessies tijdens ziekenhuisopname van het hierboven beschreven geval en in detail worden gepresenteerd in ref.9. Hier werd de lateraliteitsindex (LI) voor elke fysiologische parameter berekend als:

Equation 1

waarbij X de gemeten variabele vertegenwoordigt (d.w.z. CBF, OEF, CMRO2) en het subscript de hersenhelft aanduidt. Met de LI is het mogelijk om de verschillen over elk halfrond over de gehele ziekenhuisopname direct te vergelijken. De lateraliteitsindex is zeer nuttig gebleken voor verschillende klinische scenario's52,55,56,57, en kan gemakkelijk worden beoordeeld met het hier gepresenteerde protocol door sequentieel symmetrische gebieden in beide hemisferen te meten. De gemiddelde arteriële druk (MAP) werd verzameld met een onafhankelijk instrument dat beschikbaar is in de neuro-ICU, en wordt ook weergegeven in figuur 5 ter referentie.

Zorgvuldige analyse van figuur 5 onthult twee significante perioden van hemisferische stoornissen. De eerste periode vond plaats tussen de eerste en de derde dag na ziekenhuisopname, waarin alle neurofysiologische parameters in de ipsilesionale ROI meer toenamen dan in de symmetrische contralesionale ROI. Deze toename van LI op de derde dag na ziekenhuisopname kan een indicatie zijn van een mogelijke homeostatische poging om de metabole balans van het aangetaste weefsel te herstellen. Tijdens de tweede periode, beginnend na de derde dag van ziekenhuisopname, nam de LI voortdurend af, wat consistent was met de verslechterende toestand van de patiënt. In dit geval stierf de patiënt na 9 dagen ziekenhuisopname.

Figure 1
Figuur 1: De optische omgeving die is ontwikkeld om patiënten op een intensive care-afdeling te monitoren. (A) Het hybride diffuse optische systeem combineert een frequentiedomein diffuse optische spectroscopie (DOS) module en een diffuse correlatie spectroscopie (DCS) module. (B) De aanpasbare sonde die in deze studie wordt voorgesteld, heeft standaard 4 brondetectorscheidingen (0,7, 1,5, 2,5 en 3,0 cm) voor DCS en 4 brondetectorscheidingen voor DOS (1,5, 2,0, 2,5 en 3,0 cm). Voor de eenvoud gebruikten de hier gepresenteerde voorbeelden alleen de 2,5 cm bron-detectorscheiding voor DCS. (C) De real-time grafische gebruikersinterface (GUI) bestuurt het diffuse optische systeem en geeft de gemeten cerebrale bloedstroom (CBF), de zuurstofextractiefractie (OEF) en de cerebrale stofwisseling van zuurstof (CMRO 2) in realtime weer, zowel binnen een tijdvenster van 5 minuten (linkerpanelen) als binnen een tijdvenster van2 uur (rechterpanelen). Aan de onderkant van de GUI kan de onderzoeker op knoppen drukken om de gegevensverzameling te starten en te stoppen, om een basislijnperiode voor vergelijking te verkrijgen en om relevante interventie(s) te markeren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Representatieve autocorrelatiecurven voor de DCS-module. (A) Een voorbeeld van een goede autocorrelatie, die ongeveer 1,5 was bij de nul vertragingstijd extrapolatie en verviel tot 1 bij langere vertragingstijden. Zoals verwacht vervielen de autocorrelatiecurves sneller voor de langere bron-detectorscheidingen. (B) Een voorbeeld van een slechte autocorrelatiecurve, waarbij het niet mogelijk is om de curven voor de verschillende bron-detectorscheidingen te onderscheiden. (C) Een ander voorbeeld van een slechte autocorrelatiecurve, waarbij de staart van de curve niet overeenkwam met het gebruikte model. De problemen in (B) en (C) houden verband met een slechte koppeling van de sonde op de huid of met lichte lekkage van de bron rechtstreeks in de kortere bron-detectorscheidingen. De onderzoeker kan de curven bekijken op het tabblad 'Correlation Curves' op de GUI. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Cerebrale fysiologie van een monitoringsessie van een verdoofde beroertepatiënt, zoals te zien zou zijn op de GUI door het personeel van de intensive care. De GUI toont de cerebrale bloedstroom (CBF, in rood), de zuurstofextractiefractie (OEF, in blauw) en de cerebrale stofwisseling van zuurstof (CMRO 2, in groen) in real-time voor zowel (A) korte (d.w.z. 5 min) als (B) lange (d.w.z.2 uur) tijdvensters en een (C) gemiddelde waarde over de laatste 5 minuten. Tijdens een deel van deze controlesessie zuigen clinici de bronchiale en orale secreties van de patiënt op (vertegenwoordigd door het gearceerde gebied in B). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Neurofysiologische informatie van een patiënt gediagnosticeerd met ernstige ischemische beroerte in de rechter midden-hersenslagader op de dertiende dag na ziekenhuisopname. (A) Cerebrale bloedstroom (CBF), zuurstofextractiefractie (OEF), cerebrale stofwisseling van zuurstof (CMRO2) en totale hemoglobineconcentratie (HbT) gemeten met het diffuse optische systeem in de contralesionale en ipsilesionale hemisferen. (B) Computertomografie (CT) scan van de eendaagse meting van de patiënt. De rode gebieden in de CT-beelden vertegenwoordigen het veronderstelde optische gevoeligheidsgebied en de paarse ellips toont de geschatte letsellocatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: Temporele evolutie van de lateraliteitsindex voor de optisch afgeleide fysiologische parameters bij een 62-jarige vrouwelijke patiënt na een hooggradige aneurysmale subarachnoïdale bloeding (aSAH). De veranderingen in het ipsilesionele interessegebied (ROI) in vergelijking met de veranderingen in de contralesionele ROI worden weergegeven in de linkeras voor de cerebrale bloedstroom (CBF, rode cirkels), zuurstofextractiefractie (OEF, blauwe diamant) en cerebrale stofwisseling van zuurstof (CMRO2, groene driehoeken). De evolutie van de gemiddelde arteriële druk (MAP, grijze vierkanten) werd onafhankelijk verzameld en wordt ter vergelijking weergegeven in de rechteras. De foutbalken van elk punt vertegenwoordigen de standaardafwijking van elke parameter in de bewakingssessie. Voor sommige dagen was de standaarddeviatie te klein om te worden weergegeven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Aanvullende materialen. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dit artikel presenteerde een hybride optisch systeem dat real-time informatie kan bieden over de cerebrale bloedstroom, cerebrale oxygenatie en cerebrale zuurstofmetabolisme van neurokritische patiënten aan de zijkant. Het gebruik van diffuse optische technieken was eerder behandeld als een potentiële marker voor niet-invasieve monitoring aan het bed in klinische scenario's. Een eerdere studie richtte zich op de klinische aspecten en de haalbaarheid van optische monitoring tijdens ziekenhuisopname op de neuro-ICU door middel van een case report9. De focus van dit werk ligt op het detailleren van relevante en innovatieve aspecten met betrekking tot real-time monitoring met diffuse optica. In het bijzonder stelde dit artikel een real-time GUI voor die duidelijke en nuttige informatie biedt voor clinici. De GUI maakt het mogelijk om verschillende tijdsperioden eenvoudig te vergelijken, wat belangrijk is voor het interpreteren van klinisch relevante gegevens. De implementatie van de hier gepresenteerde GUI kan eenvoudig worden vertaald voor DCS-systeem op basis van een software-correlator met de kanttekening dat de real-time weergavefrequentie moet worden beperkt tot ~ 20 Hz. Real-time middeling van de autocorrelatiecurven kan worden gebruikt om snellere acquisitiesnelheden te verlagen. In de toekomst kan real-time informatie die door het voorgestelde protocol wordt verstrekt, worden gebruikt om de therapie te begeleiden, waardoor de klinische uitkomst van neurokritische patiënten mogelijk wordt verbeterd.

Dit werk stelt ook het gebruik voor van een aanpasbare optische sonde die verschillende instellingen kan aanpakken en daarom geschikt is voor verschillende doeleinden en behoeften voor clinici. De juiste selectie van de bron-detectorscheiding is een cruciale stap voor het maximaliseren van de cerebrale gevoeligheid van diffuse optica. In de meeste gevallen moet een optimale sonde voor DCS-metingen bij volwassenen ten minste een korte (< 1 cm) en een lange (> 2,5 cm) bron-detectorscheiding hebben. De lange bron-detectorscheiding bleek het beste compromis te bieden tussen signaal-ruisverhouding (SNR) en cerebrale gevoeligheid 12,14,16, terwijl de korte scheiding meestal gevoelig is voor de extra-cerebrale weefsels en nuttig is om de extra-cerebrale veranderingen te onderscheiden van cerebrale veranderingen12,16 . Voor FD-DOS bevat een eenvoudige sonde die een redelijk compromis biedt tussen SNR en cerebrale gevoeligheid bij volwassenen 4 brondetectorscheidingen (1,5, 2,0, 2,5 en 3,0 cm)58. De meest kritische stap voor een FD-DOS-meting is de kalibratieprocedure die nodig is om de AC- en faseveranderingen van verschillende vezels te vergelijken (sectie 2 van het protocol). Een slechte kalibratie van een FD-DOS-systeem kan leiden tot grote fouten in de opgehaalde waarden van de optische eigenschappen van het weefsel, wat de nauwkeurigheid van zowel de cerebrale oxygenatie als de cerebrale bloedstroomwaarden zal beïnvloeden. Van belang is dat het protocol dat in deze studie wordt voorgesteld, zich richt op een optische sonde voor FD-DOS die een enkele PMT en meerdere lichtbronnen bevat. De hier beschreven kalibratieprocedure moet worden aangepast voor experimenten met meerdere detectoren. Voor studies waarbij meerdere detectoren worden gebruikt, mag de biasspanning van de PMT niet worden gewijzigd tijdens de kalibratieprocedure, zodat een zorgvuldige selectie van de optische eigenschappen van de kalibratiefantomen noodzakelijk is.

Naast de cerebrale oxygenatiemetingen verbetert de DOS-module ook de berekening van CBF, omdat het DCS-model ook afhankelijk is van de optische eigenschappen van het weefsel. Deze studie gebruikte een commercieel FD-DOS-systeem met een enkele modulatiefrequentie om de optische eigenschappen en de cerebrale oxygenatie te herstellen. Er zijn echter andere alternatieven die nauwkeurigere informatie kunnen bieden, zoals tijddomein DOS of multi-frequentie FD-DOS-systemen 59,60,61,62,63,64. Deze systemen kunnen de experimentele complexiteit verminderen omdat ze een enkele bron-detectorscheiding nodig hebben om de cerebrale fysiologie te herstellen, terwijl de traditionele FD-DOS die hier wordt gebruikt meerdere brondetectorscheidingen vereist en dus meerdere vezels die aan het hoofd zijn bevestigd. Bovendien, omdat het belangrijkste belang van dit protocol de langetermijntrends in de cerebrale fysiologie was, koos deze studie ervoor om interleaved DOS- en DCS-metingen uit te voeren. Om kruisbesmetting te voorkomen en de bemonsteringsfrequentie te verhogen, is het in de toekomst mogelijk om gelijktijdige DOS- en DCS-metingen uit te voeren door inkepingsfilters op de DOS- en DCS-detectoren op te nemen.

Een beperking van het huidige protocol is de beperking van de plaatsing van de sonde tot het voorhoofd. Vanaf nu is het moeilijk om DCS-metingen via haar te verkrijgen. Dit is geen probleem voor beledigingen die een groter deel van de hersenen bedekken, zoals meestal het geval is op de neuro-ICU. Metingen op het voorhoofd zijn echter mogelijk niet gevoelig voor bijvoorbeeld kleine MCA- of PCA-slagen. Met verdere verbeteringen van de optische sondes is het mogelijk om door het haar te meten, en door het systeem te combineren met een neuronavigatiesysteem zou het mogelijk zijn om metingen te doen over een kleine lokale ROI. Door gedetailleerde ruimtelijke informatie op de optische informatie te verzamelen, verwachten we een duidelijke verbetering van de gevoeligheid van diffuse optica voor de hemodynamische stoornissen als gevolg van focale cerebrovasculaire aandoeningen.

Tot slot is het belangrijk om enkele beperkingen van de diffuse optische technieken te noemen. Ten eerste is diffuse optica inherent gevoelig voor het extra-cerebrale weefsel, en een betere modellering van de gegevens kan nodig zijn om het verschil in de extra-cerebrale en cerebrale fysiologie goed te verklaren 65,66,67,68,69,70. Bovendien is de DCS-meting van CBF gevoelig voor de externe druk van de optische sonde tegen het weefsel. Door bijvoorbeeld de sondedruk te verhogen, verminderen we de bloedstroom in de externe weefsels, wat ook de CBF gemeten met DCS71,72,73 zal verminderen. Merk echter op dat hoewel de CBF is verlaagd als gevolg van toenemende sondedruk, de hartslagpulsatiliteit van CBF onveranderd is72. Interessant is dat het mogelijk is om deze veranderingen in CBF te gebruiken als gevolg van de externe sondedruk om de extra-cerebrale en cerebrale fysiologie te scheiden73. Ten slotte heeft de optisch afgeleide CBF fysieke eenheden (d.w.z. cm2 / s) in plaats van de meer gebruikelijke klinische eenheden (d.w.z. ml / 100 g weefsel / min). Sommige auteurs hebben het gebruik van indocyanine-groen (ICG) voorgesteld om absolute CBF uit DOS te herstellen en om de CBF-index van DCS te kalibreren naar absolute klinische eenheden 74,75,76,77,78. De nauwkeurigheid van de kalibratiefactor van ICG kan echter niet direct worden vertaald naar verschillende situaties als gevolg van afwijkingen in de macro- en microcirculatie na hersentrauma.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteur(s) verklaarden de volgende potentiële belangenconflicten met betrekking tot het onderzoek, het auteurschap en/of de publicatie van dit artikel: RC Mesquita heeft één lopende octrooiaanvraag en twee andere octrooien die relevant zijn voor dit werk (Amerikaanse patenten 10.342.488 en 10.064.554). Geen enkele auteur ontvangt momenteel royalty's of betalingen van deze patenten.

   

Acknowledgments

We erkennen de steun van de São Paulo Research Foundation (FAPESP) via Proc. 2012/02500-8 (RM), 2014/25486-6 (RF) en 2013/07559-3. De financiers hadden geen rol in het ontwerp van de studie, het verzamelen en analyseren van gegevens, de beslissing om te publiceren of de voorbereiding van het manuscript.

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

Geneeskunde diffuse optische spectroscopie diffuse correlatiespectroscopie cerebrale bloedstroom cerebrovasculaire aandoeningen neurokritische monitoring beroerte intensive care unit

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

Real-time monitoring van neurokritische patiënten met diffuse optische spectroscopieën
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