Waiting
Login processing...

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

Medicine

ניטור בזמן אמת של חולים נוירוקריטיים באמצעות ספקטרוסקופיה אופטית מפוזרת

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

מוצג כאן פרוטוקול לניטור לא פולשני של המודינמיקה מוחית של חולים נוירוקריטיים בזמן אמת וליד המיטה באמצעות אופטיקה מפוזרת. באופן ספציפי, הפרוטוקול המוצע משתמש במערכות אופטיות היברידיות מפוזרות כדי לזהות ולהציג מידע בזמן אמת על חמצון מוחי, זרימת דם מוחית ומטבוליזם מוחי.

Abstract

ניטור נוירופיזיולוגי הוא מטרה חשובה בטיפול בחולים נוירוקריטיים, שכן הוא עשוי למנוע נזק משני ולהשפיע ישירות על שיעורי התחלואה והתמותה. עם זאת, כיום חסרות טכנולוגיות מתאימות לא פולשניות בזמן אמת לניטור רציף של הפיזיולוגיה המוחית ליד המיטה. טכניקות אופטיות מפוזרות הוצעו ככלי פוטנציאלי למדידות ליד המיטה של זרימת דם מוחית וחמצון מוחי במקרה של חולים נוירוקריטיים. ספקטרוסקופיה אופטית מפוזרת נחקרה בעבר כדי לנטר חולים במספר תרחישים קליניים, החל מניטור יילודים ועד התערבויות מוחיות במבוגרים. עם זאת, ההיתכנות של הטכניקה לסייע לקלינאים על ידי מתן מידע בזמן אמת ליד המיטה נותרה במידה רבה ללא מענה. כאן, אנו מדווחים על תרגום של מערכת אופטית מפוזרת לניטור רציף בזמן אמת של זרימת הדם המוחית, חמצון מוחי ומטבוליזם חמצן מוחי במהלך טיפול נמרץ. התכונה בזמן אמת של המכשיר יכולה לאפשר אסטרטגיות טיפול המבוססות על פיזיולוגיה מוחית ספציפית למטופל במקום להסתמך על מדדים חלופיים, כגון לחץ דם עורקי. על ידי מתן מידע בזמן אמת על מחזור הדם המוחי בסקאלות זמן שונות עם מכשור זול ונייד יחסית, גישה זו עשויה להיות שימושית במיוחד בבתי חולים דלי תקציב, באזורים מרוחקים ולניטור בשטחים פתוחים (למשל, ביטחון וספורט).

Introduction

רוב הסיבוכים המובילים לתוצאות גרועות עבור חולים נוירולוגיים במצב קריטי קשורים לפגיעות משניות הנגרמות על ידי ליקויים המודינמיים מוחיים. לכן, מעקב אחר הפיזיולוגיה המוחית של חולים אלה עשוי להשפיע ישירות על שיעורי התחלואה והתמותה 1,2,3,4,5,6,7. כיום, עם זאת, אין כלי קליני מבוסס לניטור רציף ולא פולשני בזמן אמת של פיזיולוגיה מוחית בחולים נוירוקריטיים ליד המיטה. בין המועמדים הפוטנציאליים, טכניקות אופטיות מפוזרות הוצעו לאחרונה ככלי מבטיח למלא את הפער הזה 8,9,10,11. על ידי מדידת השינויים האיטיים (כלומר, בסדר גודל של עשרות עד מאות מילישניות) של האור התת-אדום הקרוב המפוזר באופן דיפוזי (~650-900 ננומטר) מהקרקפת, ספקטרוסקופיה אופטית מפוזרת (DOS) יכולה למדוד ריכוזים של הכרומופורים העיקריים במוח, כגון אוקסי מוחי (HbO) והמוגלובין דאוקסי (HbR)12,13. בנוסף, ניתן למדוד את זרימת הדם במוח (CBF) באמצעות ספקטרוסקופיית מתאם דיפוזי (DCS)10,14,15,16,17 על ידי כימות התנודות המהירות בעוצמת האור (כלומר, מכמה μs לכמה מילישניות). בשילוב, DOS ו-DCS יכולים גם לספק הערכה של קצב חילוף החומרים המוחי של חמצן (CMRO2)18,19,20.

השילוב של DOS ו-DCS נחקר כדי לעקוב אחר מטופלים במספר תרחישים פרה-קליניים וקליניים. לדוגמה, אופטיקה מפוזרת הוכחה כמספקת מידע קליני רלוונטי ליילודים חולים קריטיים 21,22,23,24, כולל במהלך ניתוחי לב לטיפול במומי לב 23,25,26,27,28 . בנוסף, מספר מחברים בחנו את השימוש באופטיקה מפושטת להערכת המודינמיקה מוחית במהלך התערבויות שונות במוח, כגון כריתת קרוטיד 29,30,31, טיפולים טרומבוליטיים לשבץמוחי 32, מניפולציות ראש המיטה 33,34,35, החייאה לב-ריאה 36, ואחרים37,38, 39. כאשר ניטור לחץ דם רציף זמין גם כן, אופטיקה מפוזרת יכולה לשמש לניטור ויסות עצמי מוחי, הן בנבדקים בריאים והן בחולים קריטיים 11,40,41,42, כמו גם כדי להעריך את לחץ הסגירה הקריטי של מחזור הדם המוחי 43. מספר מחברים אימתו מדידות CBF עם DCS כנגד מדדי CBF שונים בתקן זהב 18, בעוד CMRO2 שנמדד באופטיקה מפוזרת הוכח כפרמטר שימושי לניטור נוירוקריטי 8,18,23,24,28,43,44,45 . בנוסף, מחקרים קודמים אימתו את הפרמטרים המודינמיים המודינמיים המוברליים הנגזרים אופטית לניטור ארוך טווח של חולים נוירוקריטיים 8,9,10,11, כולל עבור ניבוי של היפוקסי 46,47,48 ואירועים איסכמיים 8.

האמינות של הטכניקות האופטיות המפוזרות לספק מידע רב ערך בזמן אמת במהלך מדידות אורך, כמו גם במהלך התערבויות קליניות, נותרה במידה רבה ללא התייחסות. השימוש במערכת DOS עצמאית הושווה בעבר לניטור מתח חמצן פולשני ברקמת המוח, ונקבע כי ל-DOS אין רגישות מספקת להחליף את המוניטורים הפולשניים. עם זאת, מלבד שימוש באוכלוסיות קטנות יחסית, ההשוואה הישירה בין המוניטורים הפולשניים והלא פולשניים עלולה להיות מוטעית מכיוון שכל טכניקה בודקת נפחים שונים המכילים חלקים שונים של כלי הדם במוח. למרות שמחקרים אלה הגיעו בסופו של דבר למסקנה כי אופטיקה מפוזרת אינה תחליף למוניטורים הפולשניים, בשני המחקרים DOS השיג דיוק בינוני עד טוב, אשר עשוי להספיק למקרים ו / או מקומות שבהם מוניטורים פולשניים אינם זמינים.

יחסית לגישות אחרות, היתרון המרכזי של אופטיקה מפוזרת הוא יכולתה למדוד בו זמנית את זרימת הדם ואת חמצון הדם של רקמות באופן לא פולשני (ורציף) ליד המיטה באמצעות מכשור נייד. בהשוואה לאולטרסאונד דופלר טרנס-גולגולתי (TCD), ל-DCS יש יתרון נוסף: הוא מודד זילוח ברמת הרקמה, ואילו TCD מודד את מהירות זרימת הדם במוח בעורקים גדולים בבסיס המוח. הבחנה זו עשויה להיות חשובה במיוחד בעת הערכת מחלות סטנו-חסימתיות שבהן הן זרימת עורק גדול פרוקסימלי והן בטחונות לפטומנינגיאליים תורמים לזילוח. לטכניקות אופטיות יש גם יתרונות בהשוואה לשיטות הדמיה מסורתיות אחרות, כגון טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים (PET) והדמיית תהודה מגנטית (MRI). בנוסף למתן מדדים ישירים בו זמנית של ריכוזי CBF ו- HbO/HbR, דבר שאינו אפשרי עם MRI או PET בלבד, ניטור אופטי מספק גם רזולוציה טמפורלית טובה יותר באופן משמעותי, ומאפשר, למשל, הערכה של ויסות עצמי מוחי דינמי40,41,42 והערכה של שינויים המודינמיים המתפתחים באופן דינמי. יתר על כן, מכשור אופטי מפוזר הוא זול ונייד בהשוואה ל- PET ו- MRI, המהווה יתרון קריטי בהתחשב בנטל הגבוה של מחלות כלי דם במדינות בעלות הכנסה נמוכה ובינונית.

הפרוטוקול המוצע כאן הוא סביבה לניטור עצבי בזמן אמת ליד המיטה של חולים ביחידה לטיפול נמרץ (ICU). הפרוטוקול משתמש במכשיר אופטי היברידי יחד עם ממשק משתמש גרפי ידידותי קלינית (GUI) וחיישנים אופטיים מותאמים אישית כדי לחקור את החולים (איור 1). המערכת ההיברידית המשמשת להצגת פרוטוקול זה משלבת שתי ספקטרוסקופיות אופטיות מפוזרות ממודולים עצמאיים: מודול DOS מסחרי בתחום התדרים (FD-) ומודול DCS תוצרת בית (איור 1A). מודול FD-DOS49,50 מורכב מ-4 שפופרות מכפיל אור (PMTs) ו-32 דיודות לייזר הפולטות בארבעה אורכי גל שונים (690, 704, 750 ו-850 ננומטר). מודול DCS מורכב מלייזר בעל קוהרנטיות ארוכה הנפלט במהירות של 785 ננומטר, 16 מוני פוטון יחיד כגלאים ולוח קורלטור. תדר הדגימה של מודול FD-DOS הוא 10 הרץ, ותדר הדגימה המרבי של מודול DCS הוא 3 הרץ. כדי לשלב את מודולי FD-DOS ו-DCS, מיקרו-בקר תוכנת בתוך תוכנת הבקרה שלנו לעבור אוטומטית בין כל מודול. המיקרו-בקר אחראי על הפעלה וכיבוי של לייזרים מסוג FD-DOS ו-DCS, כמו גם על גלאי FD-DOS כדי לאפשר מדידות משולבות של כל מודול. בסך הכל, המערכת המוצעת יכולה לאסוף דגימת FD-DOS ו-DCS משולבת אחת כל 0.5 עד 5 שניות, בהתאם לדרישות יחס אות לרעש (SNR) (זמני איסוף ארוכים יותר מובילים ל-SNR טוב יותר). כדי להתאים את האור למצח, פיתחנו בדיקה אופטית מודפסת בתלת-ממד שניתן להתאים אישית לכל מטופל (איור 1B), עם הפרדות בין גלאי מקור הנעות בין 0.8 ל-4.0 ס"מ. הפרדות גלאי המקור הסטנדרטיות המשמשות בדוגמאות המוצגות כאן הן 2.5 ס"מ עבור DCS ו- 1.5, 2.0, 2.5 ו- 3.0 ס"מ עבור FD-DOS.

המאפיין העיקרי של הפרוטוקול שהוצג במחקר זה הוא פיתוח ממשק בזמן אמת שיכול גם לשלוט בחומרה באמצעות ממשק משתמש גרפי ידידותי וגם להציג את הפרמטרים העיקריים של פיזיולוגיה מוחית בזמן אמת תחת חלונות זמן שונים (איור 1C). צינור הניתוח בזמן אמת שפותח במסגרת ממשק המשתמש הגרפי המוצע הוא מהיר ולוקח פחות מ- 50ms לחשב את הפרמטרים האופטיים (עיין בחומר המשלים לפרטים נוספים). ממשק המשתמש הגרפי קיבל השראה מהמכשירים הקליניים הנוכחיים שכבר זמינים ביחידה לטיפול נמרץ נוירולוגי, והוא הותאם באמצעות משוב נרחב על ידי משתמשים קליניים במהלך תרגום המערכת לנוירו-טיפול נמרץ. כתוצאה מכך, ממשק המשתמש הגרפי בזמן אמת יכול להקל על אימוץ המערכת האופטית על ידי צוות בית החולים הרגיל, כגון נוירואינטנציביסטים ואחיות. לאימוץ הרחב של אופטיקה מפוזרת ככלי מחקר קליני יש פוטנציאל לשפר את יכולתה לנטר נתונים בעלי משמעות פיזיולוגית ובסופו של דבר יכול להוכיח כי אופטיקה מפוזרת היא אפשרות טובה לניטור לא פולשני של חולים נוירוקריטיים בזמן אמת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

הפרוטוקול אושר על ידי הוועדה המקומית של אוניברסיטת קמפינאס (פרוטוקול מספר 56602516.2.0000.5404). הסכמה מדעת בכתב התקבלה מהמטופל או מנציג משפטי לפני המדידות. עקבנו אחר חולים שאושפזו בבית החולים למרפאות באוניברסיטת קמפינאס עם אבחנה של שבץ איסכמי או דימום תת-עכבישי המשפיע על מחזור הדם הקדמי. חולים עם שבץ איסכמי המשפיע על מחזור הדם האחורי, חולים עם כריתת גולגולת דקומפרסיבית עקב לחץ תוך גולגולתי מוגבר וחולים עם מחלות נוירודגנרטיביות אחרות (דמנציה, פרקינסון או כל מחלה אחרת שיכולה להיות קשורה לאטרופיה קליפת המוח) לא נכללו בפרוטוקול המחקר.

1. היערכות לפני העברת המערכת לטיפול נמרץ

  1. חברו את כל הסיבים ללייזרים ולגלאים הרלוונטיים, וודאו שהם מחוברים כראוי לבדיקה האופטית (איור 1B).
  2. בדקו שהגשושית האופטית מכוסה בבד שחור כדי למנוע את הלייזרים הזוהרים בחדר.
  3. סובב את מתג ההפעלה של המערכת למצב 'מופעל'. לאחר הפעלת המערכת, המתן 30 שניות ולאחר מכן סובב את מתג מקש הלייזר DCS למצב 'מופעל'. מדפסות הלייזר FD-DOS מופעלות באופן אוטומטי כאשר המערכת מופעלת.
  4. בזמן הכנת המערכת, קבל הסכמה מהמשתתף או מנציג משפטי. לאחר קבלת ההסכמה, הביאו את העגלה לחדרו של המטופל.
    הערה: מכיוון שלמערכת ההיברידית יש סוללה מובנית שמחזיקה מעמד עד 45 דקות, אין צורך לכבות אותה במהלך ההובלה.

2. הגדרות כיול ורווח של מערכת ה-DOS

  1. עם ההגעה לטיפול נמרץ, כבה את לייזר DCS על ידי החלפת המפתח למצב 'כבוי'.
  2. החל מהפנטום המוצק המסומן 'כיול', הפעל את תהליך הכיול בתוכנת FD-DOS (BOXY, ISS) על ידי ביצוע השלבים הבאים.
    1. בתפריט 'קובץ', טען את קובץ ההגדרות המתאים עבור הבדיקה הנמצאת בשימוש על ידי לחיצה על האפשרות 'טען קובץ הגדרות'.
    2. מקם את הגשושית בצד המעוגל של הפאנטום, מבטיח מגע טוב עם פני השטח ולאחר מכן מטב את מתח ההטיה PMT על ידי לחיצה על כפתור 'מטב את כל הגלאים' בתוכנת FD-DOS.
    3. הפעל את הכיול עבור הפרדות גלאי מקור מרובות על ידי לחיצה על האפשרות 'Calc. Waveform Calib. ערכים עבור אביזרים אופטיים. ו'מרחקים מרובים' מתפריט 'כיול' .
    4. פתח את האפשרות 'חישובים המוגדרים על-ידי המשתמש' מתפריט 'Text-Mon' כדי לבדוק שהתכונות האופטיות הנמדדות תואמות לערכים שצוינו מראש (כתובים בפנטום המוצק), ושהתאמת R2 קרובה לאחת.
  3. חזור על השלבים לעיל (למעט שלב 2.2.3) כדי למדוד את התכונות האופטיות של הפנטום המסומן כ'בדוק' כדי לוודא שהכיול היה הולם. התכונות האופטיות הנמדדות צריכות להתאים, בטווח של 10%, לערכים שצוינו בפאנטומים.
    זהירות: הקפד לכבות PMT (על ידי לחיצה על כפתור 'כל הגלאים כבויים') בכל פעם שהגשושית מזיזה כדי למנוע נזק ל- PMT עקב תאורה ישירה מאור הסביבה.
  4. אם הכיול אינו מספק, הפעל מחדש את תהליך הכיול (שלבים 2.2 ו- 2.3). הבטחת כיול טוב של מערכת FD-DOS חיונית לתוקף מדידות FD-DOS.

3. הכנת המשתתף ליד המיטה

  1. השתמש במגבוני חיטוי כדי לנקות הן את הבדיקה והן את מצח המטופל.
  2. הניחו את הסרט הדו-צדדי על הגשושית (איור 1B), כדי לוודא שהקלטת אינה באה במגע ישיר עם קצות הסיב האופטי.
  3. שימו גוגל בטיחות לייזר בנושא.
  4. הניחו את הגשושיות מעל אזור העניין (ROI) וכרכו את הרצועות האלסטיות סביב ראשו של הנבדק. למרות שזה לא הכרחי לחלוטין עבור FD-DOS ו- DCS, מומלץ לכסות את הבדיקה האופטית עם בד שחור או תחבושת שחורה כדי להפחית את הרעש עקב אור הסביבה.
    הערה: חשוב לוודא שהרצועה האלסטית אינה הדוקה מדי או רופפת מדי. אם הרצועה הדוקה מדי זה עלול לגרום אי נוחות משמעותית למטופל, ואם הרצועה רופפת מדי זה עלול להוביל לאיכות נתונים ירודה מכיוון שהסרט הדו-צדדי אינו חזק מספיק כדי לשמור על הגשושיות במקומן.
  5. לאחר שהבדיקה מאובטחת כראוי למצחו של המטופל, הפעל את לייזר DCS על ידי החלפת המפתח למצב 'מופעל'.
    התראה: מערכת DCS משתמשת בלייזר Class 3B המסוכן לחשיפה לעיניים. חשוב מאוד להפעיל את הלייזרים רק כאשר הבדיקה מחוברת כראוי למצחו של המטופל.

4. הערכת איכות נתונים

  1. לפני שתתחיל לרכוש נתונים עם ממשק המשתמש הגרפי, כתוב את הפרדות גלאי המקור DCS בכרטיסייה 'הגדרות' של ממשק המשתמש הגרפי.
    הערה: מערכת DCS אינה דורשת שלב כיול, אך הקלט הנכון של הפרדות גלאי המקור נחוץ לניתוח בזמן אמת (ראה חומר משלים לפרטים).
  2. הפעל את תוכנת הרכישה על ידי לחיצה על כפתור 'התחל' בממשק המשתמש הגרפי ובדוק את אות ה- DOS בתוכנת FD-DOS:
    1. לחצו על כפתור 'Optimize All Detectors' בתוכנת FD-DOS כדי למטב את מתח ההטיה של PMT.
    2. בדוק את התכונות האופטיות ואת התאמת R2 של ה- DOS באפשרות 'חישוב מוגדר על-ידי המשתמש' מתפריט 'Text-Mon'. מקדם R 2 צריך להיות קרוב לאחדות, וככלל אצבע, מקדם הספיגה של חולים אנושיים צריך להיות בטווח של 0.05 ו 0.2 cm-1, בעוד מקדם הפיזור צריך להיות בתוך 6 ו 13 cm-113.
  3. בדוק את אות DCS בכרטיסייה 'עקומות מתאם' של ממשק המשתמש הגרפי.
    1. הפעל את גלאי DCS על ידי סיבוב המתגים למצב 'מופעל' .
    2. ודא שכל גלאי DCS מודד עוצמת אור נאותה. ככלל אצבע, נדרש יותר מ -10 קילוהרץ.
    3. אם העוצמה הנמדדת גבוהה מ-800 קילוהרץ, השתמש במסנן צפיפות נייטרלית כדי להפחית את ספירת הפוטונים כדי למנוע נזק לגלאים. זו בדרך כלל בעיה עבור הפרדות גלאי מקור קצרות יותר (< 1 ס"מ).
      הערה: מלבד נזק פוטנציאלי לגלאי DCS, ספירת פוטונים גבוהה מ- 800 קילוהרץ עלולה גם להביא לשגיאות עקב השפעות לא ליניאריות בגלאי.
    4. בדוק את עקומות המתאם האוטומטי כדי להבטיח צימוד טוב של העור (ראה תוצאות מייצגות ואיור 2) ומקם מחדש את הגשושית האופטית במידת הצורך.
    5. אם המיקום מחדש של הבדיקה היה נחוץ בשלב הקודם, חזור על שלבים 4.2 ו- 4.3. ייתכן שיהיה צורך לחזור על שלבים אלה מספר פעמים.
      הערה: יש לכבות את גלאי DCS ו-FD-DOS בכל פעם שמזיזים את הבדיקה. כדי לכבות את גלאי DCS, העבר ידנית את המתגים למצב 'כבוי'. גלאי FD-DOS נכבה על ידי לחיצה על כפתור 'All Detectors OFF' בתוכנת FD-DOS.
  4. כאשר מושג מגע טוב בין הגשושית לעור, עצור את איסוף הנתונים על ידי לחיצה על כפתור 'עצור' בממשק המשתמש הגרפי. לאחר מכן, הגדר את מזהי הניסוי והמטופל בתיבת הטקסט 'תיקיה' וכתוב את שם החזר ההשקעה בתיבת הטקסט 'שם קובץ'.
  5. התחל את איסוף הנתונים על ידי לחיצה על כפתור 'התחל' בממשק המשתמש הגרפי.
  6. אסוף נתונים בהחזר ההשקעה הראשון כל עוד נדרש על ידי הפרוטוקול. במידת הצורך, העבר את הבדיקה ל- ROI האחרים וחזור על המדידה.
    הערה: תקופת הניטור עשויה להשתנות בהתאם למטרות המחקר.

5. שיקולים לנסיין במהלך המדידה

  1. לאחר תחילת המדידה, כתוב בכרטיסייה 'פרטי ניסוי' בממשק המשתמש הגרפי את פרטי המטופל הרלוונטיים (למשל, סוג ומיקום הפציעה, התרופות הניתנות, גיל, מין וכו').
  2. ודא שכל אירוע רלוונטי שהתרחש במהלך תקופת הניטור מסומן על ידי לחיצה על כפתור 'סמן' בממשק המשתמש הגרפי. לאחר כל סימון, הקפד לכתוב את תיאור האירוע בכרטיסייה 'פרטי ניסוי' בממשק המשתמש הגרפי.

6. עצור את איסוף הנתונים

  1. עצור את איסוף הנתונים על ידי לחיצה על כפתור 'עצור' בממשק המשתמש הגרפי.
  2. עצור את תוכנת FD-DOS על ידי לחיצה על כפתור איסוף נתוני העצירה וההקלטה המיוצגים כשני ריבועים אדומים בתוכנת FD-DOS.
  3. כבה את גלאי DCS על ידי הפיכת המתגים למצב 'כבוי' וכבה את לייזר DCS על ידי סיבוב המקש למצב 'כבוי' .
  4. כבו את ה-PMT של מודול FD-DOS על ידי לחיצה על הלחצן 'כל הגלאים כבויים' .
  5. הסר את הבדיקה מראשו של המטופל והסר את הסרט הדו-צדדי מהבדיקה. לאחר מכן, נקו את הבדיקה עם מגבוני חיטוי.
  6. חזור על מדידת התכונות האופטיות של כל פנטום מוצק בהקדם האפשרי כדי להבטיח שהכיול יישאר מספיק לאורך כל סשן הניטור (ראה שלב 4.2.2).
    הערה: באופן אידיאלי, שלב הכיול צריך להיעשות מיד לאחר הסרת הבדיקות האופטיות מראשו של המטופל (שלב 6.6). עם זאת, בשל בעיות תזמון, בדוגמאות שיוצגו בסעיף הבא הדבר נעשה במתקן האחסון.
  7. נקו את המערכת ואביזריה במגבוני חיטוי.
  8. גלגלו את העגלה חזרה למחסן.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

באופן אידיאלי, עקומות המתאם האוטומטי המנורמלות המתקבלות עם מודול DCS צריכות להיות בערך 1.5 באקסטרפולציה של זמן השהיה אפס (בעת שימוש בסיבים במצב יחיד14), והעקומות צריכות לדעוך ל- 1 בזמני השהיה ארוכים יותר. העקומה צריכה להיות חלקה, והיא צריכה להיות בעלת דעיכה מהירה יותר עבור הפרדות גלאי המקור הארוכות יותר. דוגמה למתאם אוטומטי טוב מוצגת באיור 2A. איור 2B מציג דוגמה לעקומת מתאם אוטומטי גרועה; בדוגמה זו לא ניתן להבחין בין העקומות של הפרדות גלאי המקור השונות. איור 2C מראה דוגמה נוספת לעקומת מתאם אוטומטי גרועה, שבה זנב העקומה לא תאם את המודל שבו נעשה שימוש. הבעיה בשתי העקומות (איור 2, B,C) קשורה או לצימוד גרוע של הגשושית על העור, או לדליפה קלה מהמקור ישירות לתוך הפרדות גלאי המקור הקצרות יותר.

כדוגמה לחשיבות של הצגת הנוירופיזיולוגיה בחלונות זמן שונים כדי לפרש נכון שינויים שנצפו בזמן אמת לפני שהם מתייחסים לשינויים בהתנהגות הקלינית, איור 3 מראה את סדרת הזמן של מפגש ניטור מחולה שבץ מורדם, כפי שנראה בממשק המשתמש הגרפי על-ידי צוותי הטיפול הנמרץ. במהלך חלק מפגישת הניטור, הרופאים שאבו את הפרשות הסימפונות והפה של המטופל (המיוצגות על-ידי האזור המוצל באיור 3). תנועת המטופל המושרה על ידי ההתערבות מפריעה בבירור את האות האופטי, מה שמוביל לעליות הלא פיזיולוגיות בפרמטרים האופטיים; לכן, קשה לייחס משמעות פיזיולוגית כלשהי לשינויים אלה. זמן קצר לאחר ההתערבות, הפרמטרים ההמודינמיים חזרו בערך לאותם ערכים לפני ההתערבות, כצפוי עבור מטופל יציב. דוגמה זו ממחישה את יציבות המערכת בזמן אמת ביחידה לטיפול נמרץ עצבי, כמו גם את החשיבות של ניתוח המודינמיקה של המטופל בחלונות זמן שונים.

על מנת להמחיש את ההיתכנות של המכשיר האופטי ההיברידי המפוזר לספק מידע משמעותי ביחידה לטיפול נמרץ עצבי, נציג מקרה של אישה בת 50 עם היסטוריה של סוכרת, יתר לחץ דם ואי ספיקת לב, שאושפזה עם המיפרזיס בצד שמאל ונמצאה לה שבץ איסכמי עקב חסימה של MCA הימני (סולם שבץ NIH = 11). איור 4 מציג את ממוצע הפרמטרים האופטיים ואת בדיקת ה-CT ביום ה-13 לאחר האשפוז, בזמן שהמטופל היה מונשם ומורדם. במהלך מפגש ניטור זה, CBF ו- CMRO2 במצח האיפסילסיונלי היו נמוכים במידה ניכרת מהפרמטרים הקונטרלסיונליים שלהם באזור הסימטרי. תוצאה זו עולה בקנה אחד עם גירעון זילוח ונמק רקמות לאחר מכן שנגרם על ידי איסכמיה של כלי דם גדול. יש לציין כי למרות ש-CBF היה נמוך יותר בחצי הכדור האיפסילזיונלי, נמצא OEF גבוה בשתי ההמיספרות. זה עשוי לעלות בקנה אחד עם הרעיון של זילוח אומללות, מצב שבו יש צריכת חמצן גבוהה (OEF גבוהה) למרות CBF נמוך (אבל לא אפס) כמו הרקמה מנסה לקדם התאוששות 8,51,52. נכון לעכשיו, קשה לאבחן זילוח אומללות ביחידה לטיפול נמרץ נוירולוגי. למרות שיש צורך במחקר גדול יותר עם חולי שבץ איסכמי חריף כדי להעריך את הרגישות של ספקטרוסקופיות אופטיות מפוזרות כדי לזהות זילוח אומלל, דוגמה זו מדגימה את הפוטנציאל של המערכת האופטית המפוזרת להעריך מידע חשוב מבחינה קלינית בזמן אמת.

לבסוף, אנו מציגים את התוצאות האורכיות שהתקבלו מאישה בת 62 שאושפזה בטיפול נמרץ עצבי עקב דימום תת-עכבישי חמור בעורק המוח האמצעי הימני (MCA), עם דרגה V בסולם Hunt &; Hess (כלומר, ניבוי תוצאה גרועה וסיכוי נמוך להישרדות)53 ודרגה III בסולם פישר (כלומר, סיכון נמוך עד גבוה של vasospasm)54. מטופל זה היה במעקב לאורך כל האשפוז, וכל הפרמטרים המודינמיים במוח תאמו את ההתפתחות הקלינית של מצבו של החולה. אנו מפנים את הקורא המעוניין לדו"ח מקרה שפורסם לאחרונה המכיל את התיאור המלא של מקרה זה9. כדי להמחיש את הכדאיות של ביצוע מדידות בימים שונים, איור 5 מציג ניתוח לא מקוון של נתונים שנאספו עם המערכת במספר מפגשים במהלך אשפוז המקרה שתואר לעיל והוצגו בפירוט בהערה 9. כאן, מדד הרוחב (LI) חושב עבור כל פרמטר פיזיולוגי כ:

Equation 1

כאשר X מייצג את המשתנה הנמדד (כלומר, CBF, OEF, CMRO2), והכתב התחתי מציין את חצי כדור המוח. עם LI ניתן להשוות ישירות את ההבדלים על פני כל חצי כדור על פני כל האשפוז. מדד הרוחביות הוכח כשימושי מאוד עבור תרחישים קליניים שונים52,55,56,57, וניתן להעריך אותו בקלות באמצעות הפרוטוקול המוצג כאן על ידי מדידה רציפה של אזורים סימטריים בשתי ההמיספרות. הלחץ העורקי הממוצע (MAP) נאסף באמצעות מכשיר עצמאי הזמין ביחידה לטיפול נמרץ עצבי, והוא מוצג גם באיור 5 לצורך התייחסות.

ניתוח מדוקדק של איור 5 מגלה שתי תקופות משמעותיות של פגיעה בחצי הגמר. התקופה הראשונה התרחשה בין היום הראשון ליום השלישי לאחר האשפוז, שבו כל הפרמטרים הנוירופיזיולוגיים בהחזר ההשקעה האיפסילסיונלי גדלו יותר מאשר בהחזר ההשקעה הקונטרלסיונלי הסימטרי. עלייה זו ב- LI ביום השלישי לאחר האשפוז יכולה להצביע על ניסיון הומיאוסטטי אפשרי להחזיר את האיזון המטבולי של הרקמה הפגועה. במהלך התקופה השנייה, החל מהיום השלישי לאשפוז, חלה ירידה מתמשכת במצבו של המטופל, דבר שתאם את החמרת מצבו של החולה. במקרה זה, החולה נפטר לאחר 9 ימי אשפוז.

Figure 1
איור 1: הסביבה האופטית שפותחה כדי לנטר מטופלים בתוך יחידה לטיפול נמרץ. (A) המערכת האופטית הדיפוזית ההיברידית משלבת מודול ספקטרוסקופיה אופטית מפוזרת תחום תדר (DOS) ומודול ספקטרוסקופיית מתאם דיפוזי (DCS). (B) הבדיקה הניתנת להתאמה אישית המוצעת במחקר זה כוללת כברירת מחדל 4 הפרדות גלאי מקור (0.7, 1.5, 2.5 ו-3.0 ס"מ) עבור DCS ו-4 הפרדות גלאי מקור עבור DOS (1.5, 2.0, 2.5 ו-3.0 ס"מ). לשם הפשטות, הדוגמאות המובאות כאן השתמשו רק בהפרדת גלאי מקור של 2.5 ס"מ עבור DCS. (C) ממשק המשתמש הגרפי בזמן אמת (GUI) שולט במערכת האופטית המפוזרת, ומציג את זרימת הדם המוחית הנמדדת (CBF), את מקטע מיצוי החמצן (OEF) ואת קצב חילוף החומרים המוחי של חמצן (CMRO2) בזמן אמת, הן בחלון זמן של 5 דקות (פאנלים שמאליים), והן בחלון זמן של שעתיים (פאנלים ימניים). בתחתית ממשק המשתמש הגרפי, החוקר יכול ללחוץ על כפתורים כדי להתחיל ולהפסיק את איסוף הנתונים, לרכוש תקופת בסיס להשוואה ולסמן כל התערבות רלוונטית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: עקומות מתאם אוטומטי מייצגות עבור מודול DCS. (A) דוגמה למתאם אוטומטי טוב, שהיה בערך 1.5 באקסטרפולציה של זמן השהיה אפס ודעך ל-1 בזמני עיכוב ארוכים יותר. כצפוי, עקומות הקורלציה האוטומטית דעכו מהר יותר עבור הפרדות גלאי המקור הארוכות יותר. (B) דוגמה לעקומת מתאם אוטומטי גרועה, שבה לא ניתן להבחין בין העקומות עבור הפרדות גלאי המקור השונות. (C) דוגמה נוספת לעקומת מתאם אוטומטי גרועה, שבה זנב העקומה לא תאם את המודל שבו נעשה שימוש. הבעיות ב-(B) ו-(C) קשורות לצימוד גרוע של הגשושית על העור או לדליפה קלה מהמקור ישירות לתוך הפרדות גלאי המקור הקצרות יותר. החוקר יכול להסתכל על העקומות בכרטיסייה 'עקומות מתאם' בממשק המשתמש הגרפי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: פיזיולוגיה מוחית של פגישת ניטור מחולה שבץ מורדם, כפי שניתן לראות בממשק המשתמש הגרפי על-ידי צוותי הטיפול הנמרץ. ממשק המשתמש הגרפי מציג את זרימת הדם במוח (CBF, באדום), את מקטע מיצוי החמצן (OEF, בכחול) ואת קצב חילוף החומרים המוחי של חמצן (CMRO2, בירוק) בזמן אמת עבור חלונות זמן קצרים (A) קצרים (כלומר, 5 דקות) ו-(B) ארוכים (כלומר, שעתיים) וכן ערך ממוצע (C) במהלך 5 הדקות האחרונות. במהלך חלק מפגישת ניטור זו, הרופאים שאבו את הפרשות הסימפונות והפה של המטופל (המיוצגות על ידי האזור המוצל ב-B). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: מידע נוירופיזיולוגי של מטופל שאובחן עם שבץ איסכמי חמור בעורק המוח האמצעי הימני ביום השלושה עשר לאחר האשפוז. (A) זרימת דם מוחית (CBF), מקטע מיצוי חמצן (OEF), קצב חילוף החומרים המוחי של חמצן (CMRO2) וריכוז המוגלובין כולל (HbT) שנמדדו עם המערכת האופטית המפוזרת בהמיספרה הקונטרלסיונלית והאיפסיליונלית. (B) סריקת טומוגרפיה ממוחשבת (CT) ממדידה חד-יומית של המטופל. האזורים האדומים בתמונות ה-CT מייצגים את אזור הרגישות האופטית המשוער והאליפסה הסגולה מראה את מיקום הפציעה המשוער. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: התפתחות טמפורלית של מדד הלטרליות עבור פרמטרים פיזיולוגיים הנגזרים אופטית במטופלת בת 62 לאחר דימום תת-עכבישי תת-עכבישי בדרגה גבוהה (aSAH). השינויים באזור העניין האיפסילסיונלי (ROI) בהשוואה לשינויים בהחזר ההשקעה הקונטרלסיונלי מוצגים בציר השמאלי עבור זרימת דם מוחית (CBF, עיגולים אדומים), מקטע מיצוי חמצן (OEF, יהלום כחול) וקצב חילוף החומרים המוחי של חמצן (CMRO2, משולשים ירוקים). האבולוציה של לחץ העורקים הממוצע (MAP, ריבועים אפורים) נאספה באופן עצמאי, והיא מוצגת בציר הימני לצורך השוואה. קווי השגיאה של כל נקודה מייצגים את סטיית התקן של כל פרמטר לאורך הפעלת הניטור. במשך כמה ימים, סטיית התקן הייתה קטנה מכדי להיות מוצגת. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

חומרים משלימים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

מאמר זה הציג מערכת אופטית היברידית שיכולה לספק מידע בזמן אמת על זרימת דם מוחית, חמצון מוחי ומטבוליזם חמצן מוחי של חולים נוירוקריטיים בצד זה. השימוש בטכניקות אופטיות מפוזרות נדון בעבר כסמן פוטנציאלי לניטור לא פולשני ליד המיטה בתרחישים קליניים. מחקר קודם התמקד בהיבטים הקליניים ובהיתכנות של ניטור אופטי במהלך אשפוז ביחידה לטיפול נמרץ נוירולוגי באמצעות דו"ח מקרה9. המוקד של עבודה זו הוא לפרט היבטים רלוונטיים וחדשניים הקשורים ניטור בזמן אמת עם אופטיקה מפוזרת. באופן ספציפי, מאמר זה הציע ממשק משתמש גרפי בזמן אמת המספק מידע ברור ושימושי לקלינאים. ממשק המשתמש הגרפי מאפשר השוואה קלה של תקופות זמן שונות, דבר חשוב לפענוח נתונים רלוונטיים מבחינה קלינית. היישום של ממשק המשתמש הגרפי המוצג כאן יכול להיות מתורגם בקלות עבור מערכת DCS המבוססת על מתאם תוכנה עם האזהרה כי תדר התצוגה בזמן אמת חייב להיות מוגבל ל~ 20 הרץ. ניתן להשתמש בממוצע בזמן אמת של עקומות המתאם האוטומטי כדי להוריד את שיעורי הרכישה המהירים יותר של הדגימה. בעתיד, מידע בזמן אמת המסופק על ידי הפרוטוקול המוצע עשוי לשמש כדי להנחות את הטיפול, מה שעשוי לשפר את התוצאה הקלינית של חולים נוירוקריטיים.

עבודה זו מציעה גם שימוש בגשושית אופטית הניתנת להתאמה אישית שיכולה לתת מענה להגדרות שונות ולכן להתאים למטרות וצרכים שונים עבור קלינאים. בחירה נכונה של הפרדת גלאי המקור היא שלב קריטי למקסום הרגישות המוחית של אופטיקה מפוזרת. ברוב המקרים, בדיקה אופטימלית למדידות DCS במבוגרים צריכה להיות בעלת הפרדה קצרה (< 1 ס"מ) וארוכה (> 2.5 ס"מ). ההפרדה הארוכה בין גלאי המקור הוכחה כמספקת את הפשרה הטובה ביותר בין יחס אות לרעש (SNR) לבין רגישות מוחית 12,14,16, בעוד שההפרדה הקצרה רגישה בעיקר לרקמות החוץ מוחיות ושימושית להבדיל בין השינויים החוץ-מוחיים לשינויים מוחיים12,16 . עבור FD-DOS, בדיקה פשוטה המספקת פשרה סבירה בין SNR לבין רגישות מוחית במבוגרים מכילה 4 הפרדות גלאי מקור (1.5, 2.0, 2.5 ו -3.0 ס"מ)58. השלב הקריטי ביותר למדידת FD-DOS הוא הליך הכיול הדרוש להשוואת שינויי AC ופאזה מסיבים שונים (סעיף 2 לפרוטוקול). כיול לקוי של מערכת FD-DOS עלול להוביל לטעויות גדולות בערכים המאוחזרים של התכונות האופטיות של הרקמה, אשר ישפיעו על הדיוק הן של חמצון המוח והן של ערכי זרימת הדם במוח. חשוב לציין כי הפרוטוקול המוצע במחקר זה מתמקד בגשושית אופטית עבור FD-DOS המכילה PMT יחיד ומקורות אור מרובים. יש לשנות את הליך הכיול המתואר כאן עבור ניסויים המשתמשים בגלאים מרובים. במחקרים המשתמשים במספר גלאים אין לשנות את מתח ההטיה של ה-PMT במהלך הליך הכיול, ולכן יש צורך בבחירה זהירה של התכונות האופטיות של פנטום הכיול.

בנוסף למדידות חמצון מוחי, מודול DOS משפר גם את חישוב CBF, שכן מודל DCS תלוי גם בתכונות האופטיות של הרקמה. מחקר זה השתמש במערכת FD-DOS מסחרית עם תדר אפנון יחיד כדי לשחזר את התכונות האופטיות ואת חמצון המוח. עם זאת, ישנן חלופות אחרות שיכולות לספק מידע מדויק יותר, כגון DOS בתחום הזמן או מערכות FD-DOS מרובות תדרים 59,60,61,62,63,64. מערכות אלה עשויות להפחית את מורכבות הניסוי מכיוון שהן דורשות הפרדת גלאי מקור יחיד כדי לשחזר את הפיזיולוגיה המוחית, בעוד שה- FD-DOS המסורתי המשמש כאן דורש הפרדות מרובות של גלאי מקור ולכן סיבים מרובים המחוברים לראש. בנוסף, מכיוון שהעניין העיקרי של פרוטוקול זה היה המגמות ארוכות הטווח בפיזיולוגיה המוחית, מחקר זה בחר לבצע מדידות משולבות של DOS ו- DCS. בעתיד, כדי למנוע זיהום צולב ולהגדיל את תדירות הדגימה, ניתן לבצע מדידות DOS ו-DCS בו זמנית על ידי הכללת מסנני חריצים בגלאי DOS ו-DCS.

מגבלה אחת של הפרוטוקול הנוכחי היא הגבלת מיקום הבדיקה למצח. נכון לעכשיו, קשה להשיג מדידות DCS דרך השיער. זה לא עניין לעלבונות המכסים חלק גדול יותר של המוח, כפי שקורה לרוב ביחידה לטיפול נמרץ עצבי. עם זאת, מדידות על המצח לא יכול להיות רגיש MCA קטן או PCA שבץ, למשל. עם שיפורים נוספים של הגשושיות האופטיות, ייתכן שניתן יהיה למדוד דרך השיער, ועל ידי שילוב המערכת עם מכשיר ניווט עצבי ניתן יהיה לבצע מדידות על החזר השקעה מקומי קטן. על ידי איסוף מידע מרחבי מפורט על המידע האופטי, אנו מצפים לשיפור ניכר ברגישות של אופטיקה מפוזרת לליקויים המודינמיים עקב הפרעות מוקדיות במוח.

לבסוף, חשוב להזכיר כמה מגבלות של טכניקות אופטיות מפוזרות. ראשית, אופטיקה דיפוזית רגישה מטבעה לרקמה החוץ-מוחית, וייתכן שיהיה צורך במידול טוב יותר של הנתונים כדי להסביר כראוי את ההבדל בפיזיולוגיות החוץ-מוחיות והמוחיות 65,66,67,68,69,70. בנוסף, מדידת DCS של CBF רגישה ללחץ החיצוני של הגשושית האופטית כנגד הרקמה. לדוגמה, על ידי הגדלת לחץ הבדיקה אנו מפחיתים את זרימת הדם ברקמות החיצוניות, אשר גם להפחית את CBF נמדד על ידי DCS71,72,73. שים לב, עם זאת, כי למרות CBF מופחת עקב לחץ בדיקה גובר, קצב הלב פולסטיליות של CBF הוא ללא שינוי72. מעניין, ניתן להשתמש בשינויים אלה ב- CBF עקב לחץ הבדיקה החיצוני להפריד בין הפיזיולוגיה החוץ מוחית והמוחית73. לבסוף, ל- CBF הנגזר אופטי יש יחידות פיזיות (כלומר, ס"מ2 / s) ולא היחידות הקליניות הרגילות יותר (כלומר, ml / 100g של רקמה / דקה). כמה מחברים הציעו את השימוש באינדוציאנין-ירוק (ICG) כדי לשחזר CBF מוחלט מ- DOS ולכייל את מדד CBF מ- DCS ליחידות קליניות מוחלטות 74,75,76,77,78. עם זאת, הדיוק של גורם הכיול מ-ICG עשוי שלא להיות מתורגם ישירות למצבים שונים עקב חריגות במאקרו ובמיקרו-סירקולציה בעקבות טראומה מוחית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים הצהירו על ניגודי האינטרסים הפוטנציאליים הבאים ביחס למחקר, למחבר ו/או לפרסום של מאמר זה: ל-RC Mesquita יש בקשת פטנט תלויה ועומדת אחת ושני פטנטים אחרים הרלוונטיים לעבודה זו (פטנטים בארה"ב 10,342,488 ו-10,064,554). אף מחבר אינו מקבל כיום תמלוגים או תשלומים מפטנטים אלה.

   

Acknowledgments

אנו מכירים בתמיכת קרן המחקר של סאו פאולו (FAPESP) באמצעות Proc. 2012/02500-8 (RM), 2014/25486-6 (RF) ו- 2013/07559-3. למממנים לא היה כל תפקיד בעיצוב המחקר, באיסוף הנתונים ובניתוחם, בהחלטה על פרסומם או בהכנת כתב היד.

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

רפואה גיליון 165 ספקטרוסקופיה אופטית מפוזרת ספקטרוסקופיית מתאם מפוזר זרימת דם מוחית הפרעות מוחיות ניטור נוירוקריטי שבץ יחידה לטיפול נמרץ

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

ניטור בזמן אמת של חולים נוירוקריטיים באמצעות ספקטרוסקופיה אופטית מפוזרת
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