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Medicine

Monitoraggio in tempo reale di pazienti neurocritici con spettroscopie ottiche diffuse

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

Presentato qui è un protocollo per il monitoraggio non invasivo dell'emodinamica cerebrale di pazienti neurocritici in tempo reale e al letto del paziente utilizzando ottiche diffuse. In particolare, il protocollo proposto utilizza un sistema ottico diffuso ibrido per rilevare e visualizzare informazioni in tempo reale sull'ossigenazione cerebrale, sul flusso sanguigno cerebrale e sul metabolismo cerebrale.

Abstract

Il monitoraggio neurofisiologico è un obiettivo importante nel trattamento dei pazienti neurocritici, in quanto può prevenire danni secondari e avere un impatto diretto sui tassi di morbilità e mortalità. Tuttavia, attualmente mancano tecnologie adeguate non invasive e in tempo reale per il monitoraggio continuo della fisiologia cerebrale al letto del paziente. Le tecniche ottiche diffuse sono state proposte come potenziale strumento per le misurazioni al letto del flusso sanguigno cerebrale e dell'ossigenazione cerebrale in caso di pazienti neurocritici. Le spettroscopie ottiche diffuse sono state precedentemente esplorate per monitorare i pazienti in diversi scenari clinici che vanno dal monitoraggio neonatale agli interventi cerebrovascolari negli adulti. Tuttavia, la fattibilità della tecnica per aiutare i medici fornendo informazioni in tempo reale al letto del paziente rimane in gran parte irrisolta. Qui riportiamo la traduzione di un sistema ottico diffuso per il monitoraggio continuo in tempo reale del flusso sanguigno cerebrale, dell'ossigenazione cerebrale e del metabolismo cerebrale dell'ossigeno durante la terapia intensiva. La funzione in tempo reale dello strumento potrebbe consentire strategie di trattamento basate sulla fisiologia cerebrale specifica del paziente piuttosto che fare affidamento su metriche surrogate, come la pressione arteriosa. Fornendo informazioni in tempo reale sulla circolazione cerebrale a diverse scale temporali con strumentazione relativamente economica e portatile, questo approccio può essere particolarmente utile negli ospedali a basso budget, nelle aree remote e per il monitoraggio in campi aperti (ad esempio, difesa e sport).

Introduction

La maggior parte delle complicanze che portano a scarsi risultati per i pazienti neurologici critici sono correlate a lesioni secondarie causate da menomazioni emodinamiche cerebrali. Pertanto, il monitoraggio della fisiologia cerebrale di questi pazienti può avere un impatto diretto sui tassi di morbilità e mortalità 1,2,3,4,5,6,7. Attualmente, tuttavia, non esiste uno strumento clinico consolidato per il monitoraggio continuo e non invasivo in tempo reale della fisiologia cerebrale nei pazienti neurocritici al letto del paziente. Tra i potenziali candidati, le tecniche di ottica diffusa sono state recentemente proposte come strumento promettente per colmare questa lacuna 8,9,10,11. Misurando i lenti cambiamenti (cioè dell'ordine di decine o centinaia di ms) della luce diffusa nel vicino infrarosso (~650-900 nm) dal cuoio capelluto, la spettroscopia ottica diffusa (DOS) può misurare le concentrazioni dei principali cromofori nel cervello, come l'ossi- (HbO) cerebrale e la deossi-emoglobina (HbR)12,13. Inoltre, è possibile misurare il flusso sanguigno cerebrale (CBF) con la spettroscopia di correlazione diffusa (DCS)10,14,15,16,17 quantificando le rapide fluttuazioni dell'intensità luminosa (cioè da pochi μs a pochi ms). Quando combinati, DOS e MDD possono anche fornire una stima del tasso metabolico cerebrale dell'ossigeno (CMRO2) 18,19,20.

La combinazione di DOS e MDD è stata esplorata per monitorare i pazienti in diversi scenari pre-clinici e clinici. Ad esempio, l'ottica diffusa ha dimostrato di fornire informazioni cliniche rilevanti per i neonati critici 21,22,23,24, anche durante interventi chirurgici cardiaci per il trattamento di difetti cardiaci 23,25,26,27,28 . Inoltre, diversi autori hanno esplorato l'uso dell'ottica diffusa per valutare l'emodinamica cerebrale durante diversi interventi cerebrovascolari, come l'endoarteriectomia carotidea 29,30,31, i trattamenti trombolitici per l'ictus 32, le manipolazioni della testa del letto 33,34,35, la rianimazione cardiopolmonare 36 e altri 37,38, 39. Quando è disponibile anche il monitoraggio continuo della pressione arteriosa, l'ottica diffusa può essere utilizzata per monitorare l'autoregolazione cerebrale, sia in soggetti sani che in soggetti critici 11,40,41,42, nonché per valutare la pressione critica di chiusura della circolazione cerebrale 43. Diversi autori hanno convalidato le misurazioni CBF con DCS rispetto a diverse misure CBF gold standard 18, mentre CMRO2 misurato con ottica diffusa ha dimostrato di essere un parametro utile per il monitoraggio neurocritico 8,18,23,24,28,43,44,45 . Inoltre, studi precedenti hanno convalidato i parametri emodinamici cerebrali derivati otticamente per il monitoraggio a lungo termine di pazienti neurocritici 8,9,10,11, inclusa la previsione di eventi ipossici 46,47,48 e ischemici 8.

L'affidabilità delle tecniche ottiche diffuse nel fornire preziose informazioni in tempo reale durante le misurazioni longitudinali e durante gli interventi clinici rimane in gran parte irrisolta. L'uso di un sistema DOS autonomo è stato precedentemente confrontato con i monitor di tensione dell'ossigeno del tessuto cerebrale invasivo e il DOS non ha una sensibilità sufficiente per sostituire i monitor invasivi. Tuttavia, oltre a utilizzare popolazioni relativamente piccole, il confronto diretto dei monitor invasivi e non invasivi può essere fuorviante poiché ogni tecnica sonda volumi diversi contenenti diverse parti della vascolarizzazione cerebrale. Anche se questi studi alla fine hanno concluso che l'ottica diffusa non è un sostituto per i monitor invasivi, in entrambi gli studi DOS ha raggiunto una precisione da moderata a buona, che può essere sufficiente per casi e / o luoghi in cui i monitor invasivi non sono disponibili.

Rispetto ad altri approcci, il vantaggio principale dell'ottica diffusa è la sua capacità di misurare simultaneamente il flusso sanguigno e l'ossigenazione del sangue dei tessuti in modo non invasivo (e continuo) al letto del paziente utilizzando strumentazione portatile. Rispetto all'ecografia Doppler transcranica (TCD), la MDD ha un ulteriore vantaggio: misura la perfusione a livello tissutale, mentre la TCD misura la velocità del flusso sanguigno cerebrale nelle grandi arterie alla base del cervello. Questa distinzione può essere particolarmente importante quando si valutano le malattie steno-occlusive in cui sia il flusso prossimale di grandi arterie che i collaterali leptomeningei contribuiscono alla perfusione. Le tecniche ottiche hanno anche vantaggi rispetto ad altre modalità di imaging tradizionali, come la tomografia a emissione di positroni (PET) e la risonanza magnetica (MRI). Oltre a fornire simultaneamente misure dirette delle concentrazioni di CBF e HbO/HbR, cosa che non è possibile con la sola risonanza magnetica o PET, il monitoraggio ottico fornisce anche una risoluzione temporale significativamente migliore, consentendo, ad esempio, la valutazione dell'autoregolazione cerebrale dinamica40,41,42 e la valutazione dei cambiamenti emodinamici che evolvono dinamicamente. Inoltre, la strumentazione ottica diffusa è economica e portatile rispetto alla PET e alla risonanza magnetica, il che rappresenta un vantaggio critico dato l'elevato carico di malattie vascolari nei paesi a basso e medio reddito.

Il protocollo qui proposto è un ambiente per il neuromonitoraggio in tempo reale al letto del paziente presso l'unità di terapia intensiva (ICU). Il protocollo utilizza un dispositivo ottico ibrido insieme a un'interfaccia utente grafica (GUI) clinicamente intuitiva e sensori ottici personalizzati per sondare i pazienti (Figura 1). Il sistema ibrido utilizzato per mostrare questo protocollo combina due spettroscopie ottiche diffuse da moduli indipendenti: un modulo DOS commerciale nel dominio della frequenza (FD-) e un modulo DCS fatto in casa (Figura 1A). Il modulo FD-DOS49,50 è costituito da 4 tubi fotomoltiplicatori (PMT) e 32 diodi laser emessi a quattro diverse lunghezze d'onda (690, 704, 750 e 850 nm). Il modulo DCS è costituito da un laser a lunga coerenza che emette a 785 nm, 16 contatori a singolo fotone come rivelatori e una scheda correlatore. La frequenza di campionamento per il modulo FD-DOS è 10 Hz e la frequenza di campionamento massima per il modulo DCS è 3 Hz. Per integrare i moduli FD-DOS e DCS, un microcontrollore è stato programmato all'interno del nostro software di controllo per passare automaticamente da un modulo all'altro. Il microcontrollore è responsabile dell'accensione e dello spegnimento dei laser FD-DOS e DCS, nonché dei rivelatori FD-DOS per consentire misurazioni interlacciate di ciascun modulo. In totale, il sistema proposto può raccogliere un campione combinato FD-DOS e DCS ogni 0,5-5 secondi, a seconda dei requisiti del rapporto segnale-rumore (SNR) (tempi di raccolta più lunghi portano a un migliore SNR). Per accoppiare la luce alla fronte, abbiamo sviluppato una sonda ottica stampata in 3D che può essere personalizzata per ciascun paziente (Figura 1B), con separazioni sorgente-rivelatore variabili tra 0,8 e 4,0 cm. Le separazioni sorgente-rivelatore standard utilizzate negli esempi qui presentati sono 2,5 cm per DCS e 1,5, 2,0, 2,5 e 3,0 cm per FD-DOS.

La caratteristica principale del protocollo presentato in questo studio è lo sviluppo di un'interfaccia real-time in grado sia di controllare l'hardware con una GUI amichevole sia di visualizzare i principali parametri fisiologici cerebrali in tempo reale sotto diverse finestre temporali (Figura 1C). La pipeline di analisi in tempo reale sviluppata all'interno della GUI proposta è veloce e richiede meno di 50 ms per calcolare i parametri ottici (vedere il materiale supplementare per maggiori dettagli). La GUI è stata ispirata dagli attuali strumenti clinici già disponibili presso la neuro-ICU, ed è stata adattata attraverso un ampio feedback da parte degli utenti clinici durante la traduzione del sistema in neuro-ICU. Di conseguenza, la GUI in tempo reale può facilitare l'adozione del sistema ottico da parte del personale ospedaliero regolare, come neurointensivisti e infermieri. L'ampia adozione dell'ottica diffusa come strumento di ricerca clinica ha il potenziale per migliorare la sua capacità di monitorare dati fisiologicamente significativi e può in definitiva dimostrare che l'ottica diffusa è una buona opzione per monitorare in modo non invasivo i pazienti neurocritici in tempo reale.

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Protocol

Il protocollo è stato approvato dal comitato locale dell'Università di Campinas (numero di protocollo 56602516.2.0000.5404). Il consenso informato scritto è stato ottenuto dal paziente o da un rappresentante legale prima delle misurazioni. Abbiamo monitorato i pazienti che sono stati ricoverati al Clinics Hospital dell'Università di Campinas con una diagnosi di ictus ischemico o emorragia subaracnoidea che colpisce la circolazione anteriore. Sono stati esclusi dal protocollo di studio i pazienti con ictus ischemico che interessano la circolazione posteriore, i pazienti con craniectomie decompressive dovute all'elevata pressione intracranica e i pazienti con altre malattie neurodegenerative (demenza, morbo di Parkinson o qualsiasi altra malattia che possa essere associata ad atrofia corticale).

1. Preparativi prima di trasferire il sistema in terapia intensiva

  1. Collegare tutte le fibre ai laser e ai rilevatori pertinenti e assicurarsi che siano correttamente collegati alla sonda ottica (Figura 1B).
  2. Controllare che la sonda ottica sia coperta con un panno nero per evitare che i laser brillino nella stanza.
  3. Ruotare l'interruttore di alimentazione del sistema in posizione "ON". Dopo aver alimentato il sistema, attendere 30 secondi e quindi ruotare l'interruttore a chiave laser DCS in posizione "ON". I laser FD-DOS si accendono automaticamente quando il sistema è alimentato.
  4. Durante la preparazione del sistema, ottenere il consenso del partecipante o di un rappresentante legale. Dopo aver ottenuto il consenso, portare il carrello nella stanza del paziente.
    NOTA: Poiché il sistema ibrido ha una batteria integrata che dura fino a 45 minuti, non è necessario spegnerlo durante il trasporto.

2. Impostazioni di calibrazione e guadagno del sistema DOS

  1. All'arrivo in terapia intensiva, spegnere il laser DCS spostando la chiave in posizione "OFF".
  2. A partire dal fantoccio solido contrassegnato con 'Calibrate', eseguire il processo di calibrazione sul software FD-DOS (BOXY, ISS) seguendo i passaggi seguenti.
    1. Nel menu 'File', caricare il file di impostazioni appropriato per la sonda utilizzata facendo clic sull'opzione 'Carica file delle impostazioni'.
    2. Posizionare la sonda sul lato curvo del fantasma, assicurando un buon contatto con la superficie e quindi ottimizzare la tensione di polarizzazione PMT facendo clic sul pulsante 'Ottimizza tutti i rivelatori' nel software FD-DOS.
    3. Eseguire la calibrazione per separazioni multiple sorgente-rivelatore facendo clic sull'opzione 'Calc. Valori per puntelli ottici. e Distanze multiple' dal menu 'Calibra'.
    4. Aprire l'opzione 'Calcoli definiti dall'utente' dal menu 'Text-Mon' per verificare che le proprietà ottiche misurate corrispondano ai valori prespecificati (scritti nel fantoccio solido) e che il raccordo R2 sia vicino a uno.
  3. Ripetere i passaggi precedenti (ad eccezione del passaggio 2.2.3) per misurare le proprietà ottiche del phantom contrassegnato come "Check" per assicurarsi che la calibrazione fosse adeguata. Le proprietà ottiche misurate devono corrispondere, entro il 10%, ai valori specificati nei fantocci.
    ATTENZIONE: assicurarsi di disattivare i PMT (facendo clic sul pulsante "Tutti i rilevatori OFF") ogni volta che la sonda viene spostata per evitare di danneggiare i PMT a causa dell'illuminazione diretta dalla luce ambientale.
  4. Se la calibrazione non è adeguata, eseguire nuovamente il processo di calibrazione (passaggi 2.2 e 2.3). Garantire una buona calibrazione del sistema FD-DOS è essenziale per la validità delle misure FD-DOS.

3. Preparazione del partecipante al capezzale

  1. Utilizzare salviette igienizzanti per pulire sia la sonda che la fronte del paziente.
  2. Posizionare il nastro biadesivo sulla sonda (Figura 1B), assicurandosi che il nastro non sia a diretto contatto con le punte delle fibre ottiche.
  3. Posiziona un google di sicurezza laser sull'argomento.
  4. Posizionare le sonde sulla regione di interesse (ROI) e avvolgere le cinghie elastiche intorno alla testa del soggetto. Sebbene non strettamente necessario per FD-DOS e DCS, è consigliabile coprire la sonda ottica con un panno nero o una benda nera per ridurre il rumore dovuto alla luce ambientale.
    NOTA: è importante assicurarsi che la cinghia elastica non sia né troppo stretta né troppo larga. Se la cinghia è troppo stretta, può causare un disagio significativo al paziente e se la cinghia è troppo allentata può portare a una scarsa qualità dei dati poiché il nastro biadesivo non è abbastanza forte da mantenere le sonde in posizione.
  5. Dopo che la sonda è stata fissata correttamente alla fronte del paziente, accendere il laser DCS spostando la chiave in posizione "ON".
    ATTENZIONE: Il sistema DCS utilizza un laser di classe 3B che è pericoloso per l'esposizione degli occhi. È molto importante accendere i laser solo quando la sonda è correttamente attaccata alla fronte del paziente.

4. Valutazione della qualità dei dati

  1. Prima di iniziare ad acquisire dati con la GUI, scrivere le separazioni source-detector DCS nella scheda 'Impostazioni' della GUI.
    NOTA: Il sistema DCS non richiede una fase di calibrazione, ma l'inserimento corretto delle separazioni sorgente-rivelatore è necessario per l'analisi in tempo reale (vedere Materiale supplementare per i dettagli).
  2. Avviare il software di acquisizione premendo il pulsante 'Start' nella GUI e controllare il segnale DOS nel software FD-DOS:
    1. Fare clic sul pulsante 'Ottimizza tutti i rivelatori' nel software FD-DOS per ottimizzare la tensione di polarizzazione PMT.
    2. Controllare le proprietà ottiche e l'R2 del raccordo DOS nell'opzione 'User Defined Calculation' dal menu 'Text-Mon'. Il coefficiente R 2 dovrebbe essere vicino all'unità e, come regola generale, il coefficiente di assorbimento dei pazienti umani dovrebbe essere compreso tra 0,05 e 0,2 cm-1, mentre il coefficiente di diffusione dovrebbe essere compreso tra 6 e 13 cm-113.
  3. Controlla il segnale DCS nella scheda "Curve di correlazione" della GUI.
    1. Accendere i rilevatori DCS ruotando gli interruttori in posizione " ON".
    2. Assicurarsi che ogni rilevatore DCS misuri un'intensità luminosa adeguata. Come regola generale, è richiesto più di 10 kHz.
    3. Se l'intensità misurata è superiore a 800 kHz, utilizzare un filtro a densità neutra per ridurre il conteggio dei fotoni per evitare di danneggiare i rivelatori. Questo è tipicamente un problema per separazioni sorgente-rivelatore più corte (< 1 cm).
      NOTA: Oltre a danneggiare potenzialmente i rivelatori DCS, conteggi di fotoni superiori a 800 kHz possono anche causare errori dovuti a effetti non lineari nel rilevatore.
    4. Controllare le curve di autocorrelazione per garantire un buon accoppiamento cutaneo (vedere i risultati rappresentativi e la figura 2) e riposizionare la sonda ottica se necessario.
    5. Se il riposizionamento della sonda è stato necessario nel passaggio precedente, ripetere i passaggi 4.2 e 4.3. Potrebbe essere necessario ripetere questi passaggi più volte.
      NOTA: i rilevatori DCS e FD-DOS devono essere spenti ogni volta che la sonda viene spostata. Per spegnere i rilevatori DCS, spostare manualmente gli interruttori in posizione "OFF". Il rilevatore FD-DOS viene disattivato facendo clic sul pulsante 'Tutti i rilevatori OFF' nel software FD-DOS.
  4. Quando si ottiene un buon contatto tra la sonda e la pelle, interrompere la raccolta dei dati facendo clic sul pulsante "Stop" nella GUI. Quindi, imposta l'esperimento e gli identificatori del paziente nella casella di testo "Cartella" e scrivi il nome ROI nella casella di testo "Nome file".
  5. Avviare l'acquisizione dei dati premendo il pulsante 'Start' nella GUI.
  6. Raccogli i dati nel primo ROI per tutto il tempo richiesto dal protocollo. Se necessario, spostare la sonda sugli altri ROI e ripetere la misurazione.
    NOTA: Il periodo di monitoraggio può variare a seconda degli obiettivi dello studio.

5. Considerazioni per lo sperimentatore durante la misurazione

  1. Dopo aver iniziato la misurazione, scrivere nella scheda "Informazioni sull'esperimento" della GUI le informazioni rilevanti sul paziente (ad esempio, tipo e posizione della lesione, farmaci somministrati, età, sesso, ecc.).
  2. Assicurarsi che qualsiasi evento rilevante che si è verificato durante il periodo di monitoraggio sia contrassegnato facendo clic sul pulsante "Contrassegna" sulla GUI. Dopo ogni segno, assicurati di scrivere la descrizione dell'evento nella scheda "Informazioni sull'esperimento" della GUI.

6. Interrompi la raccolta dei dati

  1. Interrompere la raccolta dei dati premendo il pulsante "Stop" nella GUI.
  2. Arrestare il software FD-DOS premendo il pulsante di arresto dell'acquisizione e della registrazione dei dati rappresentato da due quadrati rossi nel software FD-DOS.
  3. Spegnere i rilevatori DCS ruotando gli interruttori in posizione "OFF" e spegnere il laser DCS ruotando la chiave in posizione " OFF".
  4. Disattivare i PMT del modulo FD-DOS facendo clic sul pulsante 'Tutti i rilevatori OFF'.
  5. Rimuovere la sonda dalla testa del paziente e rimuovere il nastro biadesivo dalla sonda. Quindi, pulire la sonda con salviette igienizzanti.
  6. Ripetere la misurazione delle proprietà ottiche di ciascun fantoccio solido il più presto possibile per garantire che la calibrazione rimanga adeguata per tutta la sessione di monitoraggio (vedere punto 4.2.2).
    NOTA: Idealmente, la fase di calibrazione dovrebbe essere eseguita subito dopo aver rimosso le sonde ottiche dalla testa del paziente (fase 6.6). Tuttavia, a causa di problemi di tempistica, negli esempi presentati nella sezione successiva questo è stato fatto nella struttura di stoccaggio.
  7. Pulisci il sistema e i suoi accessori con salviette igienizzanti.
  8. Riportare il carrello al ripostiglio.

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Representative Results

Idealmente, le curve di autocorrelazione normalizzate ottenute con il modulo DCS dovrebbero essere circa 1,5 all'estrapolazione del tempo di ritardo zero (quando si utilizzano fibre monomodali14), e le curve dovrebbero decadere a 1 a tempi di ritardo più lunghi. La curva dovrebbe essere liscia e dovrebbe avere un decadimento più veloce per le separazioni sorgente-rivelatore più lunghe. Un esempio di buona autocorrelazione è mostrato nella Figura 2A. La figura 2B mostra un esempio di curva di autocorrelazione errata; In questo esempio non è possibile distinguere le curve per le diverse separazioni sorgente-rivelatore. La Figura 2C mostra un altro esempio di curva di autocorrelazione errata, in cui la coda della curva non corrisponde al modello utilizzato. Il problema in entrambe le curve (Figura 2B,C) è legato o ad un cattivo accoppiamento della sonda sulla pelle o alla leggera fuoriuscita dalla sorgente direttamente nelle separazioni sorgente-rivelatore più corte.

Come esempio dell'importanza di visualizzare la neurofisiologia in diverse finestre temporali per interpretare correttamente i cambiamenti osservati in tempo reale prima di correlare i cambiamenti al comportamento clinico, la Figura 3 mostra la serie temporale di una sessione di monitoraggio da un paziente con ictus sedato, come visto sulla GUI dal personale di terapia intensiva. Durante una parte della sessione di monitoraggio, i medici hanno aspirato le secrezioni bronchiali e orali del paziente (rappresentate dall'area ombreggiata nella Figura 3). Il movimento del paziente indotto dall'intervento disturba chiaramente il segnale ottico, che porta ai picchi non fisiologici nei parametri ottici; Pertanto, è difficile attribuire un significato fisiologico a questi cambiamenti. Subito dopo l'intervento, i parametri emodinamici sono tornati approssimativamente agli stessi valori prima dell'intervento, come previsto per un paziente stabile. Questo esempio illustra la stabilità del sistema in tempo reale nella neuro-ICU, nonché l'importanza di analizzare l'emodinamica di un paziente in diverse finestre temporali.

Al fine di illustrare la fattibilità del dispositivo ottico diffuso ibrido per fornire informazioni significative nella neuro-ICU, presentiamo il caso di una donna di 50 anni con una storia di diabete, ipertensione e insufficienza cardiaca congestizia, che è stata ricoverata con emiparesi del lato sinistro ed è stata trovata con un ictus ischemico a causa dell'occlusione dell'MCA destro (NIH stroke scale = 11). La figura 4 mostra i parametri medi di derivazione ottica e la TAC al tredicesimo giorno dopo il ricovero, mentre il paziente è stato intubato e sedato. Durante questa sessione di monitoraggio, CBF e CMRO2 nella fronte ipsilesionale erano considerevolmente inferiori ai loro parametri controlesionali nella regione simmetrica. Questo risultato è coerente con un deficit di perfusione e successiva necrosi tissutale causata da un'ischemia dei grandi vasi. In particolare, sebbene il CBF fosse inferiore nell'emisfero ipsilesionale, un alto OEF è stato trovato in entrambi gli emisferi. Questo può essere coerente con l'idea di perfusione della miseria, uno stato in cui vi è un elevato consumo di ossigeno (alto OEF) nonostante il basso (ma non nullo) CBF mentre il tessuto tenta di promuovere il recupero 8,51,52. Attualmente, la perfusione della miseria è difficile da diagnosticare nella neuro-terapia intensiva. Sebbene sia necessario uno studio più ampio con pazienti con ictus ischemico acuto per valutare la sensibilità delle spettroscopie ottiche diffuse per rilevare la perfusione della miseria, questo esempio dimostra il potenziale del sistema ottico diffuso per valutare informazioni clinicamente importanti in tempo reale.

Infine, presentiamo i risultati longitudinali ottenuti da una donna di 62 anni che è stata ricoverata in terapia intensiva neurologica a causa di una grave emorragia subaracnoidea aneurismatica dell'arteria cerebrale media destra (MCA), con Grado V sulla scala Hunt & Hess (cioè, che prevede un esito negativo e una bassa probabilità di sopravvivenza)53 e Grado III sulla scala Fisher (cioè, rischio da basso ad alto di vasospasmo)54. Questo paziente è stato monitorato durante tutto il ricovero e tutti i parametri emodinamici cerebrali erano coerenti con l'evoluzione clinica delle condizioni del paziente. Rimandiamo il lettore interessato ad un caso-report recentemente pubblicato che contiene la descrizione completa di questo caso9. Per illustrare la fattibilità di eseguire misurazioni in giorni diversi, la Figura 5 mostra un'analisi offline dei dati raccolti con il sistema in diverse sessioni durante il ricovero del caso sopra descritto e presentato in dettaglio in ref.9. Qui, l'indice di lateralità (LI) è stato calcolato per ciascun parametro fisiologico come:

Equation 1

dove X rappresenta la variabile misurata (cioè CBF, OEF, CMRO2) e il pedice indica l'emisfero cerebrale. Con il LI è possibile confrontare direttamente le differenze tra ogni emisfero durante l'intero ricovero. L'indice di lateralità si è dimostrato molto utile per diversi scenari clinici52,55,56,57, e può essere facilmente valutato con il protocollo qui presentato misurando sequenzialmente regioni simmetriche in entrambi gli emisferi. La pressione arteriosa media (MAP) è stata raccolta con uno strumento indipendente disponibile nella neuro-terapia intensiva, ed è anche mostrata nella Figura 5 come riferimento.

Un'attenta analisi della Figura 5 rivela due periodi significativi di compromissione emisferica. Il primo periodo si è verificato tra il primo e il terzo giorno dopo il ricovero, in cui tutti i parametri neurofisiologici nel ROI ipsilesionale sono aumentati più che nel ROI controlesionale simmetrico. Questo aumento di LI il terzo giorno dopo il ricovero potrebbe essere indicativo di un possibile tentativo omeostatico di ripristinare l'equilibrio metabolico del tessuto interessato. Durante il secondo periodo, a partire dal terzo giorno di ricovero, il LI diminuiva continuamente, il che era coerente con il peggioramento delle condizioni del paziente. In questo caso, il paziente è morto dopo 9 giorni di ricovero in ospedale.

Figure 1
Figura 1: L'ambiente ottico sviluppato per monitorare i pazienti all'interno di un'unità di terapia intensiva. (A) Il sistema ottico diffuso ibrido combina un modulo di spettroscopia ottica diffusa (DOS) nel dominio della frequenza e un modulo di spettroscopia di correlazione diffusa (DCS). (B) La sonda personalizzabile proposta in questo studio ha come default 4 separazioni sorgente-rivelatore (0,7, 1,5, 2,5 e 3,0 cm) per DCS e 4 separazioni sorgente-rivelatore per DOS (1,5, 2,0, 2,5 e 3,0 cm). Per semplicità, gli esempi qui presentati utilizzavano solo la separazione sorgente-rivelatore di 2,5 cm per DCS. (C) L'interfaccia utente grafica (GUI) in tempo reale controlla il sistema ottico diffuso e visualizza il flusso sanguigno cerebrale misurato (CBF), la frazione di estrazione dell'ossigeno (OEF) e il tasso metabolico cerebrale dell'ossigeno (CMRO 2) in tempo reale, sia all'interno di una finestra temporale di 5 minuti (pannelli di sinistra) che entro una finestra temporale di2 ore (pannelli di destra). Nella parte inferiore della GUI, il ricercatore può premere i pulsanti per avviare e interrompere la raccolta dei dati, per acquisire un periodo di riferimento per il confronto e per contrassegnare qualsiasi intervento pertinente. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Curve di autocorrelazione rappresentative per il modulo DCS. (A) Un esempio di buona autocorrelazione, che era approssimativamente 1,5 all'estrapolazione del tempo di ritardo zero e decadeva a 1 a tempi di ritardo più lunghi. Come previsto, le curve di autocorrelazione sono decadute più velocemente per le separazioni sorgente-rivelatore più lunghe. (B) Un esempio di curva di autocorrelazione errata, in cui non è possibile distinguere le curve per le diverse separazioni sorgente-rivelatore. (C) Un altro esempio di curva di autocorrelazione errata, in cui la coda della curva non corrispondeva al modello utilizzato. I problemi di cui ai punti (B) e (C) sono legati a un cattivo accoppiamento della sonda sulla pelle o a una leggera perdita dalla sorgente direttamente nelle separazioni sorgente-rivelatore più corte. Il ricercatore può guardare le curve sulla scheda "Curve di correlazione" sulla GUI. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Fisiologia cerebrale di una sessione di monitoraggio da un paziente con ictus sedato, come si vedrebbe sulla GUI dal personale di terapia intensiva. La GUI visualizza il flusso sanguigno cerebrale (CBF, in rosso), la frazione di estrazione dell'ossigeno (OEF, in blu) e il tasso metabolico cerebrale dell'ossigeno (CMRO 2, in verde) in tempo reale per entrambe le finestre temporali (A) brevi (cioè 5 minuti) e (B) lunghe (cioè2 ore), nonché un valore medio (C) negli ultimi 5 minuti. Durante una parte di questa sessione di monitoraggio, i medici hanno aspirato le secrezioni bronchiali e orali del paziente (rappresentate dall'area ombreggiata in B). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Informazioni neurofisiologiche di un paziente con diagnosi di ictus ischemico grave nell'arteria cerebrale media destra il tredicesimo giorno dopo il ricovero. (A) Flusso sanguigno cerebrale (CBF), frazione di estrazione dell'ossigeno (OEF), tasso metabolico cerebrale dell'ossigeno (CMRO2) e concentrazione totale di emoglobina (HbT) misurati con il sistema ottico diffuso negli emisferi controlesionale e ipsilesionale. (B) Tomografia computerizzata (TC) scansione dalla misurazione di un singolo giorno del paziente. Le aree rosse nelle immagini TC rappresentano la presunta regione di sensibilità ottica e l'ellisse viola mostra la posizione approssimativa della lesione. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Evoluzione temporale dell'indice di lateralità per i parametri fisiologici otticamente derivati in una paziente di 62 anni a seguito di un'emorragia subaracnoidea aneurismatica di alto grado (aSAH). Le variazioni della regione omolesionale di interesse (ROI) rispetto alle variazioni del ROI controlesionale sono mostrate nell'asse sinistro per il flusso sanguigno cerebrale (CBF, cerchi rossi), la frazione di estrazione dell'ossigeno (OEF, diamante blu) e il tasso metabolico cerebrale dell'ossigeno (CMRO2, triangoli verdi). L'evoluzione della pressione arteriosa media (MAP, quadrati grigi) è stata raccolta in modo indipendente ed è mostrata sull'asse destro per il confronto. Le barre di errore di ciascun punto rappresentano la deviazione standard di ciascun parametro nella sessione di monitoraggio. Per alcuni giorni, la deviazione standard era troppo piccola per essere mostrata. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Materiali supplementari. Clicca qui per scaricare questo file.

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Discussion

Questo documento ha presentato un sistema ottico ibrido in grado di fornire informazioni in tempo reale sul flusso sanguigno cerebrale, sull'ossigenazione cerebrale e sul metabolismo dell'ossigeno cerebrale dei pazienti neurocritici al suo fianco. L'uso di tecniche ottiche diffuse era stato precedentemente affrontato come potenziale marcatore per il monitoraggio non invasivo al posto letto in scenari clinici. Uno studio precedente si è concentrato sugli aspetti clinici e sulla fattibilità del monitoraggio ottico durante il ricovero in terapia intensiva attraverso un caso clinico9. Il focus di questo lavoro è quello di dettagliare gli aspetti rilevanti e innovativi relativi al monitoraggio in tempo reale con ottica diffusa. In particolare, questo documento ha proposto una GUI in tempo reale che fornisce informazioni chiare e utili per i medici. La GUI consente un facile confronto di diversi periodi di tempo, che è importante per interpretare i dati clinicamente rilevanti. L'implementazione della GUI qui presentata può essere facilmente tradotta per il sistema DCS basato su un correlatore software con l'avvertenza che la frequenza di visualizzazione in tempo reale deve essere limitata a ~ 20 Hz. La media in tempo reale delle curve di autocorrelazione può essere utilizzata per ridurre i tassi di acquisizione più rapidi del campione. In futuro, le informazioni in tempo reale fornite dal protocollo proposto potranno essere utilizzate per guidare la terapia, migliorando potenzialmente l'esito clinico dei pazienti neurocritici.

Questo lavoro propone anche l'uso di una sonda ottica personalizzabile che può indirizzare diverse impostazioni e quindi soddisfare diversi scopi ed esigenze per i medici. La corretta selezione della separazione sorgente-rivelatore è un passo fondamentale per massimizzare la sensibilità cerebrale dell'ottica diffusa. Nella maggior parte dei casi, una sonda ottimale per le misurazioni di DCS negli adulti dovrebbe avere almeno una separazione sorgente-rivelatore corta (< 1 cm) e lunga (> 2,5 cm). La lunga separazione sorgente-rivelatore ha dimostrato di fornire il miglior compromesso tra rapporto segnale-rumore (SNR) e sensibilità cerebrale 12,14,16, mentre la separazione breve è per lo più sensibile ai tessuti extra-cerebrali ed è utile per differenziare i cambiamenti extra-cerebrali dai cambiamenti cerebrali12,16 . Per FD-DOS, una semplice sonda che fornisce un ragionevole compromesso tra SNR e sensibilità cerebrale negli adulti contiene 4 separazioni sorgente-rivelatore (1,5, 2,0, 2,5 e 3,0 cm)58. Il passo più critico per una misura FD-DOS è la procedura di calibrazione necessaria per confrontare l'AC e le variazioni di fase da diverse fibre (Sezione 2 del protocollo). Una scarsa calibrazione di un sistema FD-DOS può portare a grandi errori nei valori recuperati delle proprietà ottiche del tessuto, che influenzeranno l'accuratezza sia dell'ossigenazione cerebrale che dei valori del flusso sanguigno cerebrale. Di importanza, il protocollo proposto in questo studio si concentra su una sonda ottica per FD-DOS che contiene un singolo PMT e più sorgenti luminose. La procedura di calibrazione qui descritta deve essere modificata per gli esperimenti che utilizzano più rivelatori. Per gli studi che utilizzano più rivelatori, la tensione di polarizzazione del PMT non deve essere modificata durante la procedura di calibrazione e quindi è necessaria un'attenta selezione delle proprietà ottiche dei fantocci di calibrazione.

Oltre alle misure di ossigenazione cerebrale, il modulo DOS migliora anche il calcolo del CBF, poiché il modello DCS dipende anche dalle proprietà ottiche del tessuto. Questo studio ha impiegato un sistema commerciale FD-DOS con una singola frequenza di modulazione per recuperare le proprietà ottiche e l'ossigenazione cerebrale. Tuttavia, ci sono altre alternative che potrebbero fornire informazioni più accurate, come il DOS nel dominio del tempo o i sistemi FD-DOS multifrequenza 59,60,61,62,63,64. Questi sistemi possono ridurre la complessità sperimentale in quanto richiedono una singola separazione sorgente-rivelatore per recuperare la fisiologia cerebrale, mentre il tradizionale FD-DOS impiegato qui richiede separazioni multiple sorgente-rivelatore e quindi più fibre attaccate alla testa. Inoltre, poiché l'interesse principale di questo protocollo erano le tendenze a lungo termine nella fisiologia cerebrale, questo studio ha optato per condurre misurazioni DOS e DCS interlacciate. In futuro, per evitare la contaminazione incrociata e aumentare la frequenza di campionamento, è possibile acquisire misure DOS e DCS simultanee includendo filtri notch sui rivelatori DOS e DCS.

Una limitazione dell'attuale protocollo è la restrizione del posizionamento della sonda alla fronte. A partire da ora, è difficile acquisire misurazioni DCS attraverso i capelli. Questo non è un problema per gli insulti che coprono una porzione più ampia del cervello, come è per lo più spesso il caso nella neuro-ICU. Tuttavia, le misurazioni sulla fronte potrebbero non essere sensibili a piccoli colpi MCA o PCA, ad esempio. Con ulteriori miglioramenti delle sonde ottiche, potrebbe essere possibile misurare attraverso i capelli e, combinando il sistema con un dispositivo di neuro navigazione, sarebbe possibile effettuare misurazioni su un piccolo ROI locale. Raccogliendo informazioni spaziali dettagliate sulle informazioni ottiche, ci aspettiamo un netto miglioramento della sensibilità dell'ottica diffusa alle menomazioni emodinamiche dovute a disturbi cerebrovascolari focali.

Infine, è importante menzionare alcuni limiti delle tecniche ottiche diffuse. In primo luogo, l'ottica diffusa è intrinsecamente sensibile al tessuto extra-cerebrale e potrebbe essere necessaria una migliore modellazione dei dati per tenere adeguatamente conto della differenza nelle fisiologie extra-cerebralie cerebrali 65,66,67,68,69,70. Inoltre, la misurazione DCS del CBF è sensibile alla pressione esterna della sonda ottica contro il tessuto. Ad esempio, aumentando la pressione della sonda riduciamo il flusso sanguigno nei tessuti esterni, che ridurrà anche il CBF misurato da DCS71,72,73. Si noti, tuttavia, che sebbene il CBF sia ridotto a causa dell'aumento della pressione della sonda, la pulsatilità della frequenza cardiaca del CBF è invariata72. È interessante notare che è possibile utilizzare questi cambiamenti nel CBF a causa della pressione esterna della sonda per separare le fisiologie extra-cerebrali e cerebrali73. Infine, il CBF derivato ottico ha unità fisiche (cioè cm2 / s) piuttosto che le unità cliniche più usuali (cioè ml / 100g di tessuto / min). Alcuni autori hanno proposto l'uso di verde di indocianina (ICG) per recuperare CBF assoluto da DOS e per calibrare l'indice CBF da MDD a unità cliniche assolute 74,75,76,77,78. Tuttavia, l'accuratezza del fattore di calibrazione dell'ICG potrebbe non essere direttamente tradotta in situazioni diverse a causa di anomalie nella macro e microcircolazione a seguito di traumi cerebrali.

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Disclosures

L'autore (i) ha dichiarato i seguenti potenziali conflitti di interesse in relazione alla ricerca, alla paternità e/o alla pubblicazione di questo articolo: RC Mesquita ha una domanda di brevetto pendente e altri due brevetti rilevanti per questo lavoro (brevetti statunitensi 10.342.488 e 10.064.554). Nessun autore attualmente riceve royalties o pagamenti da questi brevetti.

   

Acknowledgments

Riconosciamo il sostegno della Fondazione di ricerca di San Paolo (FAPESP) attraverso Proc. 2012/02500-8 (RM), 2014/25486-6 (RF) e 2013/07559-3. I finanziatori non hanno avuto alcun ruolo nella progettazione dello studio, nella raccolta e analisi dei dati, nella decisione di pubblicare o nella preparazione del manoscritto.

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

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Tags

Medicina Numero 165 spettroscopia ottica diffusa spettroscopia di correlazione diffusa flusso sanguigno cerebrale disturbi cerebrovascolari monitoraggio neurocritico ictus unità di terapia intensiva

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

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