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Medicine

확산 광학 분광법을 이용한 신경중증 환자의 실시간 모니터링

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

여기에 제시된 것은 확산 광학을 사용하여 실시간으로 그리고 침대 옆에서 신경위독한 환자의 뇌 혈역학을 비침습적으로 모니터링하기 위한 프로토콜입니다. 특히, 제안된 프로토콜은 하이브리드 확산 광학 시스템을 사용하여 대뇌 산소화, 대뇌 혈류 및 대뇌 대사에 대한 실시간 정보를 감지하고 표시합니다.

Abstract

신경생리학적 모니터링은 2차 손상을 예방하고 이환율과 사망률에 직접적인 영향을 미칠 수 있기 때문에 신경중증 환자 치료에서 중요한 목표입니다. 그러나 현재 침대 옆에서 뇌 생리학을 지속적으로 모니터링하기 위한 적절한 비침습적 실시간 기술이 부족합니다. 확산 광학 기술은 신경위독한 환자의 경우 뇌 혈류 및 뇌 산소 공급의 병상 측정을 위한 잠재적인 도구로 제안되었습니다. 확산 광학 분광법은 신생아 모니터링에서 성인의 뇌혈관 중재에 이르기까지 여러 임상 시나리오에서 환자를 모니터링하기 위해 이전에 탐구되었습니다. 그러나 침대 옆에서 실시간 정보를 제공하여 임상의를 돕는 기술의 타당성은 대부분 해결되지 않은 채로 남아 있습니다. 여기에서는 집중 치료 중 뇌 혈류, 대뇌 산소 공급 및 대뇌 산소 대사를 지속적으로 실시간으로 모니터링하기 위한 확산 광학 시스템의 번역을 보고합니다. 이 기기의 실시간 기능은 동맥 혈압과 같은 대리 지표에 의존하지 않고 환자별 뇌 생리학을 기반으로 한 치료 전략을 가능하게 할 수 있습니다. 비교적 저렴하고 휴대 가능한 기기를 사용하여 다양한 시간 규모에서 뇌 순환에 대한 실시간 정보를 제공함으로써 이 접근 방식은 저예산 병원, 외딴 지역 및 개방된 필드(예: 국방 및 스포츠)에서의 모니터링에 특히 유용할 수 있습니다.

Introduction

중증 신경계 환자의 나쁜 결과를 초래하는 대부분의 합병증은 뇌 혈역학적 손상으로 인한 2차 손상과 관련이 있습니다. 따라서 이러한 환자의 뇌 생리학을 모니터링하는 것은 이환율과 사망률에 직접적인 영향을 미칠 수 있습니다 1,2,3,4,5,6,7. 그러나 현재 병상에서 신경중환자 환자의 뇌 생리학을 지속적으로 실시간 비침습적으로 모니터링하기 위한 확립된 임상 도구는 없습니다. 잠재적 후보들 중에서, 확산 광학 기술들이 최근 이러한 갭(8,9,10,11)을 메우기 위한 유망한 도구로서 제안되었다. 두피에서 확산 산란된 근적외선(~650-900nm)의 느린 변화(즉, 수십에서 수백 ms 정도)를 측정함으로써 확산 광학 분광법(DOS)은 대뇌 옥시(HbO) 및 데옥시-헤모글로빈(HbR)과 같은 뇌의 주요 발색단의 농도를 측정할 수 있습니다12,13. 또한, 광도의 급격한 변동(즉, 수 μs에서 몇 ms까지)을 정량화함으로써 확산 상관 분광법(DCS)10,14,15,16,17로 대뇌 혈류(CBF)를 측정할 수 있습니다. DOS와 DCS를 결합하면 대뇌 대사율 (CMRO2) 18,19,20의 추정치를 제공 할 수도 있습니다.

DOS와 DCS의 조합은 여러 전임상 및 임상 시나리오에서 환자를 모니터링하기 위해 탐색되었습니다. 예를 들어, 확산 광학은 심장 결함을 치료하기 위한 심장 수술 중을 포함하여 중환자 신생아 21,22,23,24에 대한 관련 임상 정보를 제공하는 것으로 나타났다23,25,26,27,28 . 또한 몇몇 저자들은 경동맥 내막 절제술 29,30,31, 뇌졸중에 대한 혈 전 용해 치료32, 침대 머리 조작 33,34,35, 심폐 소생술 36 및 기타37,38, 39. 지속적인 혈압 모니터링이 또한 이용가능한 경우, 확산 광학은 건강한 피험자 및 중환자 모두(11,40,41,42)에서 대뇌 자가조절을 모니터링하고, 뿐만 아니라 뇌 순환의 임계 폐쇄 압력을 평가하기 위해 사용될 수 있다(43). 여러 저자가 서로 다른 금본위제 CBF 측정치에 대해 DCS를 사용한 CBF 측정을 검증한 반면, 확산 광학으로 측정된 CMRO2는 신경임계 모니터링에 유용한 파라미터인 것으로 나타났다 8,18,23,24,28,43,44,45 . 또한, 이전 연구에서는 저산소 46,47,48 및 허혈성 사건 8의 예측을 포함하여 신경임계 환자8,9,10,11의 장기 모니터링을 위한 광학 유래 대뇌 혈역학 파라미터를 검증하였다.

종적 측정과 임상 개입 중에 귀중한 실시간 정보를 제공하는 확산 광학 기술의 신뢰성은 대부분 해결되지 않은 상태로 남아 있습니다. 독립형 DOS 시스템의 사용은 이전에 침습적 뇌 조직 산소 장력 모니터와 비교되었으며 DOS는 침습적 모니터를 대체하기에 충분한 감도가 없는 것으로 간주되었습니다. 그러나 상대적으로 작은 모집단을 사용하는 것 외에도 침습적 모니터와 비침습적 모니터의 직접적인 비교는 각 기술이 대뇌 혈관 구조의 다른 부분을 포함하는 다른 부피를 조사하기 때문에 잘못 안내될 수 있습니다. 이러한 연구는 궁극적으로 확산 광학이 침습적 모니터를 대체하지 않는다는 결론을 내렸지만 두 연구 모두에서 DOS는 중간에서 양호한 정확도를 달성했으며, 이는 침습적 모니터를 사용할 수 없는 경우 및/또는 장소에 충분할 수 있습니다.

다른 접근법에 비해 확산 광학의 주요 장점은 휴대용 기기를 사용하여 침대 옆에서 비침습적으로(그리고 지속적으로) 혈류와 조직 혈액 산소화를 동시에 측정할 수 있다는 것입니다. 경두개 도플러 초음파(TCD)와 비교할 때 DCS는 조직 수준에서 관류를 측정하는 반면 TCD는 뇌 기저부의 큰 동맥에서 대뇌 혈류 속도를 측정하는 추가 이점이 있습니다. 이러한 구분은 근위 대동맥류와 연수막 측부가 관류에 기여하는 협착 폐쇄성 질환을 평가할 때 특히 중요할 수 있습니다. 광학 기술은 또한 양전자 방출 단층 촬영(PET) 및 자기 공명 영상(MRI)과 같은 다른 전통적인 이미징 방식과 비교할 때 이점이 있습니다. MRI 또는 PET 단독으로는 불가능한 CBF 및 HbO/HbR 농도에 대한 직접적인 측정을 동시에 제공하는 것 외에도 광학 모니터링은 훨씬 더 나은 시간 분해능을 제공하여 예를 들어 동적 대뇌 자동 조절40,41,42 및 동적으로 진화하는 혈역학적 변화에 대한 평가를 허용합니다. 또한, 확산 광학 기기는 PET 및 MRI에 비해 저렴하고 휴대가 간편하며, 이는 저소득 및 중간 소득 국가에서 혈관 질환의 높은 부담을 감안할 때 중요한 이점입니다.

여기에서 제안된 프로토콜은 중환자실(ICU)에 있는 환자의 실시간 병상 신경 모니터링을 위한 환경입니다. 이 프로토콜은 임상 친화적인 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 및 맞춤형 광학 센서와 함께 하이브리드 광학 장치를 사용하여 환자를 조사합니다(그림 1). 이 프로토콜을 선보이기 위해 사용된 하이브리드 시스템은 독립 모듈에서 나온 두 개의 확산 광학 분광기, 즉 상용 주파수 영역(FD) DOS 모듈과 홈메이드 DCS 모듈을 결합합니다(그림 1A). FD-DOS 모듈(49, 50)은 4개의 상이한 파장(690, 704, 750 및 850 nm)에서 방출되는 4개의 광전자 증배관(PMT)과 32개의 레이저 다이오드로 구성된다. DCS 모듈은 785nm에서 방출되는 긴 간섭성 레이저, 검출기로서의 16개의 단일 광자 계수기 및 상관기 보드로 구성됩니다. FD-DOS 모듈의 샘플링 주파수는 10Hz이고 DCS 모듈의 최대 샘플링 주파수는 3Hz입니다. FD-DOS 및 DCS 모듈을 통합하기 위해 제어 소프트웨어 내부에 마이크로 컨트롤러가 프로그래밍되어 각 모듈 간에 자동으로 전환되었습니다. 마이크로 컨트롤러는 FD-DOS 및 DCS 레이저를 켜고 끄는 역할을 할 뿐만 아니라 각 모듈의 인터리브 측정을 허용하는 FD-DOS 검출기를 담당합니다. 전체적으로, 제안된 시스템은 신호 대 잡음비(SNR) 요건에 따라 매 0.5 내지 5초마다 하나의 결합된 FD-DOS 및 DCS 샘플을 수집할 수 있다(더 긴 수집 시간은 더 나은 SNR로 이어짐). 빛을 이마에 연결하기 위해 각 환자에 맞게 맞춤화할 수 있는 3D 프린팅 광학 프로브를 개발했으며(그림 1B), 소스-검출기 분리는 0.8cm에서 4.0cm 사이입니다. 여기에 제시된 예에서 사용된 표준 소스-검출기 분리는 DCS의 경우 2.5cm, FD-DOS의 경우 1.5, 2.0, 2.5 및 3.0cm입니다.

이 연구에서 제시된 프로토콜의 주요 특징은 친숙한 GUI로 하드웨어를 제어하고 다양한 시간 창에서 실시간으로 주요 대뇌 생리학 매개변수를 표시할 수 있는 실시간 인터페이스의 개발입니다(그림 1C). 제안된 GUI 내에서 개발된 실시간 분석 파이프라인은 빠르며 광학 매개변수를 계산하는 데 50ms 미만이 걸립니다(자세한 내용은 보충 자료 참조). GUI는 신경 ICU에서 이미 사용 가능한 현재 임상 장비에서 영감을 얻었으며 시스템을 신경 ICU로 변환하는 동안 임상 사용자의 광범위한 피드백을 통해 조정되었습니다. 결과적으로, 실시간 GUI는 신경 집중 전문의 및 간호사와 같은 일반 병원 직원에 의한 광학 시스템의 채택을 용이하게 할 수 있다. 임상 연구 도구로 확산 광학을 광범위하게 채택하면 생리학적으로 의미 있는 데이터를 모니터링하는 능력을 향상시킬 수 있는 잠재력이 있으며 궁극적으로 확산 광학이 신경에 중요한 환자를 실시간으로 비침습적으로 모니터링하는 데 좋은 옵션임을 입증할 수 있습니다.

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Protocol

이 프로토콜은 캄피나스 대학교 지역 위원회(프로토콜 번호 56602516.2.0000.5404)의 승인을 받았습니다. 측정 전에 환자 또는 법적 대리인으로부터 서면 동의서를 얻었습니다. 우리는 전방 순환에 영향을 미치는 허혈성 뇌졸중 또는 지주막하 출혈 진단을 받은 캄피나스 대학의 클리닉 병원에 입원한 환자를 모니터링했습니다. 후방 순환에 영향을 미치는 허혈성 뇌졸중 환자, 두개내압 상승으로 인한 감압 두개골 절제술 환자 및 기타 신경퇴행성 질환(치매, 파킨슨병 또는 피질 위축과 관련될 수 있는 기타 질병)이 있는 환자는 연구 프로토콜에서 제외되었습니다.

1. 시스템을 ICU로 옮기기 전 준비 사항

  1. 모든 광섬유를 관련 레이저 및 검출기에 연결하고 광학 프로브에 제대로 부착되었는지 확인합니다(그림 1B).
  2. 광학 프로브가 실내에서 레이저가 비치지 않도록 검은색 천으로 덮여 있는지 확인하십시오.
  3. 시스템 전원 스위치를 'ON' 위치로 돌립니다. 시스템 전원을 켠 후 30초 동안 기다린 다음 DCS 레이저 키 스위치를 'ON' 위치로 돌립니다. FD-DOS 레이저는 시스템에 전원이 공급되면 자동으로 켜집니다.
  4. 시스템이 준비되는 동안 참가자 또는 법정 대리인의 동의를 얻습니다. 동의를 얻은 후 카트를 환자의 병실로 가져옵니다.
    알림: 하이브리드 시스템에는 최대 45분 동안 지속되는 배터리가 내장되어 있으므로 운송 중에 끌 필요가 없습니다.

2. DOS 시스템의 보정 및 게인 설정

  1. ICU에 도착하면 키를 'OFF' 위치로 전환하여 DCS 레이저를 끕니다.
  2. 'Calibrate'라고 표시된 솔리드 팬텀부터 시작하여 아래 단계에 따라 FD-DOS 소프트웨어(BOXY, ISS)에서 보정 프로세스를 실행합니다.
    1. 'File' 메뉴에서 'Load settings file' 옵션을 클릭하여 사용 중인 프로브에 적합한 설정 파일을 로드합니다.
    2. 팬텀의 곡면에 프로브를 놓고 표면과 잘 접촉되도록 한 다음 FD-DOS 소프트웨어에서 '모든 감지기 최적화' 버튼을 클릭하여 PMT 바이어스 전압을 최적화합니다.
    3. 'Calc. Waveform Calib' 옵션을 클릭하여 여러 소스-검출기 분리에 대한 보정을 실행합니다. 광학 소품에 대한 값. 및 Multiple Distances'를 'Calibrate' 메뉴에서.
    4. 'Text-Mon' 메뉴에서 '사용자 정의 계산' 옵션을 열어 측정된 광학 특성이 미리 지정된 값(솔리드 팬텀으로 작성됨)과 일치하는지, 피팅 R2가 1에 가까운지 확인합니다.
  3. 위의 단계(2.2.3단계 제외)를 반복하여 '확인' 으로 표시된 팬텀의 광학적 특성을 측정하여 보정이 적절한지 확인합니다. 측정된 광학 특성은 팬텀에 지정된 값과 10% 이내로 일치해야 합니다.
    주의 : 주변광의 직접적인 조명으로 인한 PMT 손상을 방지하기 위해 프로브를 이동할 때마다 PMT를 꺼야 합니다('모든 감지기 끄기' 버튼 클릭).
  4. 보정이 적절하지 않으면 보정 프로세스를 다시 실행하십시오(2.2 및 2.3단계). FD-DOS 시스템의 올바른 교정을 보장하는 것은 FD-DOS 측정의 유효성에 필수적입니다.

3. 침대 옆에서 참가자 준비

  1. 소독용 물티슈를 사용하여 프로브와 환자 이마를 모두 청소하십시오.
  2. 프로브에 양면 테이프를 놓고(그림 1B) 테이프가 광섬유 팁에 직접 닿지 않도록 합니다.
  3. 피사체에 레이저 안전 구글을 배치하십시오.
  4. 관심 영역(ROI) 위에 프로브를 놓고 피사체의 머리에 탄성 스트랩을 감쌉니다. FD-DOS 및 DCS에 반드시 필요한 것은 아니지만 주변광으로 인한 노이즈를 줄이기 위해 광학 프로브를 검은색 천이나 검은색 붕대로 덮는 것이 좋습니다.
    알림: 탄성 스트랩이 너무 빡빡하거나 너무 느슨하지 않은지 확인하는 것이 중요합니다. 스트랩이 너무 꽉 조이면 환자에게 심각한 불편을 줄 수 있으며, 스트랩이 너무 느슨하면 양면 테이프가 프로브를 제자리에 고정할 만큼 충분히 강하지 않기 때문에 데이터 품질이 저하될 수 있습니다.
  5. 프로브가 환자의 이마에 제대로 고정된 후 키를 'ON' 위치로 전환하여 DCS 레이저를 켭니다.
    주의 : DCS 시스템은 눈 노출에 위험한 클래스 3B 레이저를 사용합니다. 프로브가 환자의 이마에 제대로 부착된 경우에만 레이저를 켜는 것이 매우 중요합니다.

4. 데이터 품질 평가

  1. GUI를 사용하여 데이터 수집을 시작하기 전에 GUI의 '설정' 탭에 DCS 소스-검출기 분리를 작성합니다.
    알림: DCS 시스템에는 보정 단계가 필요하지 않지만 실시간 분석을 위해서는 소스-검출기 분리의 적절한 입력이 필요합니다(자세한 내용은 보충 자료 참조).
  2. GUI에서 '시작' 버튼을 눌러 수집 소프트웨어를 시작하고 FD-DOS 소프트웨어에서 DOS 신호를 확인합니다.
    1. FD-DOS 소프트웨어에서 '모든 감지기 최적화' 버튼을 클릭하여 PMT 바이어스 전압을 최적화합니다.
    2. 'Text-Mon' 메뉴의 'User Defined Calculation' 옵션에서 DOS의 광학적 특성과 R2 피팅을 확인합니다. R 2 계수는 단일성에 가까워야하며, 일반적으로 인간 환자의 흡수 계수는 0.05 및 0.2 cm-1 이내 여야하며, 산란 계수는 6 및 13 cm-1 이내 여야합니다 13.
  3. GUI의 'Correlation curves' 탭에서 DCS 신호를 확인합니다.
    1. 스위치를 'ON' 위치로 돌려 DCS 감지기를 켭니다.
    2. 각 DCS 감지기가 적절한 광도를 측정하고 있는지 확인하십시오. 일반적으로 10kHz 이상이 필요합니다.
    3. 측정된 강도가 800kHz보다 높으면 중성 밀도 필터를 사용하여 광자 수를 줄여 감지기 손상을 방지하십시오. 이는 일반적으로 더 짧은(< 1cm) 소스-검출기 분리의 경우 문제가 됩니다.
      알림: DCS 검출기를 잠재적으로 손상시킬 수 있는 것 외에도 800kHz보다 높은 광자 수는 검출기의 비선형 효과로 인해 오류를 일으킬 수 있습니다.
    4. 자기 상관 곡선을 확인하여 피부 결합이 양호한지 확인하고( 대표 결과 및 그림 2 참조) 필요한 경우 광학 프로브의 위치를 변경합니다.
    5. 이전 단계에서 프로브의 위치를 변경해야 하는 경우 4.2단계와 4.3단계를 반복합니다. 이러한 단계를 여러 번 반복해야 할 수 있습니다.
      참고: DCS 및 FD-DOS 감지기는 프로브를 이동할 때마다 꺼야 합니다. DCS 감지기를 끄려면 수동으로 스위치를 'OFF' 위치로 이동하십시오. FD-DOS 소프트웨어에서 '모든 감지기 끄기' 버튼을 클릭하면 FD-DOS 감지기가 꺼집니다.
  4. 프로브와 피부가 잘 접촉되면 GUI에서 '중지' 버튼을 클릭하여 데이터 수집을 중지합니다. 그런 다음 '폴더' 텍스트 상자에 실험 및 환자 식별자를 설정하고 '파일 이름' 텍스트 상자에 ROI 이름을 씁니다.
  5. GUI에서 '시작' 버튼을 눌러 데이터 수집을 시작합니다.
  6. 프로토콜에서 요구하는 기간 동안 첫 번째 ROI에서 데이터를 수집합니다. 필요한 경우 프로브를 다른 ROI로 이동하고 측정을 반복합니다.
    참고: 모니터링 기간은 연구 목표에 따라 다를 수 있습니다.

5. 측정 중 실험자에 대한 고려 사항

  1. 측정을 시작한 후 GUI의 '실험 정보' 탭에 관련 환자 정보(예: 부상의 유형 및 위치, 투여되는 약물, 연령, 성별 등)를 기록합니다.
  2. 모니터링 기간 동안 발생한 관련 이벤트가 GUI에서 'Mark' 버튼을 클릭하여 표시되었는지 확인합니다. 각 표시 뒤에 GUI의 '실험 정보' 탭에 이벤트 설명을 작성해야 합니다.

6. 데이터 수집 중지

  1. GUI에서 '중지' 버튼을 눌러 데이터 수집을 중지합니다.
  2. FD-DOS 소프트웨어에서 두 개의 빨간색 사각형으로 표시된 데이터 수집 및 기록 중지 단추를 눌러 FD-DOS 소프트웨어를 중지합니다.
  3. 스위치를 'OFF' 위치로 돌려 DCS 감지기를 끄고 키를 'OFF' 위치로 돌려 DCS 레이저를 끕니다.
  4. '모든 감지기 끄기' 버튼을 클릭하여 FD-DOS 모듈의 PMT를 끕니다.
  5. 환자의 머리에서 프로브를 제거하고 프로브에서 양면 테이프를 제거합니다. 그런 다음 살균용 물티슈로 프로브를 청소합니다.
  6. 모니터링 세션 내내 보정이 적절하게 유지되도록 가능한 한 빨리 각 솔리드 팬텀의 광학적 특성 측정을 반복합니다(4.2.2단계 참조).
    알림: 이상적으로 보정 단계는 환자의 머리에서 광학 프로브를 제거한 직후에 수행해야 합니다(6.6단계). 그러나 타이밍 문제로 인해 다음 섹션에 제시된 예에서는 저장 시설에서 수행되었습니다.
  7. 살균 물티슈로 시스템과 액세서리를 청소하십시오.
  8. 카트를 다시 보관실로 돌립니다.

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Representative Results

이상적으로는, DCS 모듈로 얻어진 정규화된 자기상관 곡선은 제로 지연 시간 외삽(단일 모드 광섬유(14)을 사용할 때)에서 대략 1.5여야 하고, 곡선은 더 긴 지연 시간에서 1로 감쇠해야 한다. 곡선은 매끄러워야 하며 더 긴 소스-검출기 분리를 위해 더 빠른 감쇠를 가져야 합니다. 양호한 자기상관의 예가 그림 2A에 나와 있습니다. 그림 2B 는 잘못된 자기 상관 곡선의 예를 보여줍니다. 이 예에서는 서로 다른 소스-검출기 분리에 대한 곡선을 구별할 수 없습니다. 그림 2C 는 곡선의 꼬리가 사용된 모델과 일치하지 않는 잘못된 자기 상관 곡선의 또 다른 예를 보여줍니다. 두 곡선의 문제(그림 2B, C)는 프로브가 피부에 잘못 결합되거나 광원에서 더 짧은 소스-검출기 분리로 직접 빛이 누출되는 것과 관련이 있습니다.

임상 행동의 변화를 관련시키기 전에 실시간으로 나타난 변화를 정확하게 해석하기 위해 서로 다른 시간대에 신경생리학을 표시하는 것의 중요성을 보여주는 예로서, 그림 3 은 중환자실이 GUI에서 볼 수 있듯이 진정된 뇌졸중 환자의 모니터링 세션의 시계열을 보여줍니다. 모니터링 세션의 일부 동안 임상의는 환자의 기관지 및 구강 분비물( 그림 3의 음영 영역으로 표시됨)을 흡입했습니다. 개입에 의해 유도된 환자 움직임은 광 신호를 분명히 방해하여 광학 매개변수의 비생리학적 스파이크를 유발합니다. 따라서 이러한 변화에 생리적 의미를 부여하기는 어렵습니다. 개입 직후, 혈역학적 매개변수는 안정적인 환자에 대해 예상한 대로 개입 전에 거의 동일한 값으로 돌아왔습니다. 이 예는 신경 ICU에서 실시간 시스템의 안정성과 다양한 시간적 창에서 환자의 혈역학을 분석하는 것의 중요성을 보여줍니다.

신경중환자실에서 의미 있는 정보를 제공할 수 있는 하이브리드 확산광장치의 타당성을 설명하기 위해 당뇨병, 고혈압, 울혈성 심부전의 병력이 있는 50세 여성의 사례를 제시하며, 좌측 편마비로 입원하여 우측 MCA의 폐색으로 인한 허혈성 뇌졸중이 있는 것으로 밝혀졌습니다(NIH 뇌졸중 척도 = 11). 도 4는 환자가 삽관되고 진정되는 동안 입원 후 13일째에 평균 광학적 유래 파라미터 및 CT 스캔을 보여준다. 이 모니터링 세션 동안 ipsilesional 이마의 CBF 및 CMRO2는 대칭 영역의 반대쪽 매개변수보다 상당히 낮았습니다. 이러한 결과는 대혈관 허혈에 의해 유발된 관류 결핍 및 후속적인 조직 괴사와 일치한다. 특히, CBF는 ipsilesional 반구에서 더 낮았지만 높은 OEF는 양쪽 반구에서 발견되었습니다. 이것은 조직이 회복을 촉진하려고 시도함에 따라 낮은 (그러나 0이 아닌) CBF에도 불구하고 높은 산소 소비 (높은 OEF)가있는 상태인 불행 관류의 개념과 일치 할 수 있습니다 8,51,52. 현재 신경 ICU에서 불행 관류를 진단하기 어렵습니다. 급성 허혈성 뇌졸중 환자를 대상으로 한 대규모 연구가 불행 관류를 감지하기 위한 확산 광학 분광법의 민감도를 평가하기 위해 필요하지만, 이 예는 임상적으로 중요한 정보를 실시간으로 평가할 수 있는 확산 광학 시스템의 잠재력을 보여줍니다.

마지막으로, 중증 우중대뇌동맥(MCA) 동맥류 지주막하 출혈로 신경중환자실에 입원한 62세 여성으로부터 얻은 종단적 결과를 Hunt & Hess 척도에서 V등급(즉, 결과가 좋지 않고 생존 가능성이 낮음을 예측함)53, Fisher 척도에서 3등급(즉, 혈관 경련의 위험이 낮거나 높음)54. 이 환자는 입원 기간 동안 모니터링되었으며 모든 대뇌 혈역학적 매개변수는 환자 상태의 임상적 진화와 일치했습니다. 관심 있는 독자에게 이 사례9에 대한 완전한 설명이 포함된 최근 발표된 사례 보고서를 참조하도록 합니다. 다른 날에 측정을 수행하는 타당성을 설명하기 위해, 그림 5는 위에서 설명한 사례의 입원 중 여러 세션에서 시스템으로 수집된 데이터의 오프라인 분석을 보여주고 ref.9에 자세히 제시합니다. 여기서, 편측성 지수(LI)는 각 생리학적 매개변수에 대해 다음과 같이 계산되었습니다.

Equation 1

여기서 X는 측정된 변수(즉, CBF, OEF, CMRO2)를 나타내고, 아래 첨자는 뇌 반구를 나타낸다. LI를 사용하면 전체 입원 기간 동안 각 반구의 차이를 직접 비교할 수 있습니다. 편측성 지수는 다양한 임상 시나리오52,55,56,57에 매우 유용한 것으로 나타났으며, 양쪽 반구의 대칭 영역을 순차적으로 측정하여 여기에 제시된 프로토콜로 쉽게 평가할 수 있습니다. 평균 동맥압(MAP)은 신경 ICU에서 사용할 수 있는 독립적인 기기로 수집되었으며 참조를 위해 그림 5에도 나와 있습니다.

그림 5를 주의 깊게 분석하면 두 가지 중요한 반구 손상 기간을 알 수 있습니다. 첫 번째 기간은 입원 후 1일과 3일 사이에 발생했으며, 이 기간 동안 ipsilesional ROI의 모든 신경생리학적 매개변수가 대칭 반대쪽 병변 ROI보다 더 많이 증가했습니다. 입원 후 3일째에 LI가 증가하는 것은 영향을 받은 조직의 대사 균형을 회복하려는 항상성 시도 가능성을 나타낼 수 있습니다. 입원 3일째 이후부터 시작되는 2차 기간에는 LI가 지속적으로 감소하여 환자의 상태가 악화되는 것과 일치했습니다. 이 경우 환자는 입원 9 일 후에 사망했습니다.

Figure 1
그림 1: 중환자실 내부의 환자를 모니터링하기 위해 개발된 광학 환경. (A) 하이브리드 확산 광학 시스템은 주파수 영역 확산 광학 분광법(DOS) 모듈과 확산 상관 분광법(DCS) 모듈을 결합합니다. (B) 이 연구에서 제안된 맞춤형 프로브는 기본적으로 DCS에 대해 4개의 소스-검출기 분리(0.7, 1.5, 2.5 및 3.0cm)와 DOS에 대해 4개의 소스-검출기 분리(1.5, 2.0, 2.5 및 3.0cm)를 가지고 있습니다. 단순화를 위해 여기에 제시된 예에서는 DCS에 대해 2.5cm 소스-검출기 분리만 사용했습니다. (C) 실시간 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)는 확산 광학 시스템을 제어하고 측정된 대뇌 혈류(CBF), 산소 추출 분율(OEF) 및 대뇌 대사율(CMRO 2)을 5분 시간 창(왼쪽 패널) 및2시간 시간 창(오른쪽 패널) 내에서 실시간으로 표시합니다. GUI 하단에서 연구원은 버튼을 눌러 데이터 수집을 시작 및 중지하고, 비교를 위한 기준 기간을 획득하고, 관련 개입을 표시할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
그림 2: DCS 모듈의 대표적인 자기상관 곡선. (A) 제로 지연 시간 외삽법에서 약 1.5이고 더 긴 지연 시간에서 1로 감소하는 양호한 자기 상관의 예. 예상대로, 자기상관 곡선은 더 긴 소스-검출기 분리에 대해 더 빠르게 감쇠했습니다. (B) 서로 다른 소스-검출기 분리에 대한 곡선을 구별할 수 없는 잘못된 자기 상관 곡선의 예. (C) 곡선의 꼬리가 사용된 모델과 일치하지 않는 잘못된 자기 상관 곡선의 또 다른 예입니다. (B)와 (C)의 문제는 프로브가 피부에 잘못 결합되거나 광원에서 더 짧은 소스-검출기 분리로 직접 빛이 누출되는 것과 관련이 있습니다. 연구원은 GUI의 '상관 관계 곡선' 탭에서 곡선을 볼 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 3
그림 3: 중환자실이 GUI에서 볼 수 있는 진정 뇌졸중 환자의 모니터링 세션의 뇌 생리학. GUI는 (A) 짧은(즉, 5분) 및 (B) 긴(즉, 2시간) 시간 창과 (C) 지난 5분 동안의 평균값 모두에 대해 대뇌 혈류(CBF, 빨간색), 산소 추출 분율(OEF, 파란색) 및 대뇌 대사율(CMRO2, 녹색)을 실시간으로 표시합니다. 이 모니터링 세션의 일부 동안 임상의는 환자의 기관지 및 구강 분비물(B의 음영 영역으로 표시됨)을 흡입했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
그림 4: 입원 후 13일째 되는 날 우측 중대뇌동맥에서 중증 허혈성 뇌졸중으로 진단된 환자의 신경생리학적 정보. (A) 대뇌 혈류(CBF), 산소 추출 분획(OEF), 산소의 대뇌 대사율(CMRO2) 및 총 헤모글로빈 농도(HbT)는 병변 반대쪽 및 입실형 반구에서 미만 광학 시스템으로 측정됩니다. (B) 환자의 1일 측정에서 컴퓨터 단층 촬영(CT) 스캔. CT 영상의 빨간색 영역은 추정된 광학 감도 영역을 나타내고 보라색 타원은 대략적인 손상 위치를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 5
그림 5: 고급 동맥류 지주막하 출혈(aSAH) 후 62세 여성 환자에서 광학적으로 파생된 생리학적 매개변수에 대한 편측성 지수의 시간적 진화. 대뇌 혈류(CBF, 빨간색 원), 산소 추출 분율(OEF, 파란색 다이아몬드) 및 대뇌 대사율(CMRO2, 녹색 삼각형)에 대한 왼쪽 축에 반대쪽 ROI의 변화와 비교하여 관심 영역(ROI)의 변화가 표시됩니다. 평균 동맥압의 전개(MAP, 회색 사각형)는 독립적으로 수집되었으며 비교를 위해 오른쪽 축에 표시됩니다. 각 지점의 오차 막대는 모니터링 세션에서 각 매개변수의 표준 편차를 나타냅니다. 며칠 동안 표준 편차가 너무 작아서 표시할 수 없었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

본 논문은 신경 중증 환자의 뇌 혈류, 뇌 산소 공급 및 대뇌 산소 대사에 대한 실시간 정보를 제공할 수 있는 하이브리드 광학 시스템을 제시하였다. 확산 광학 기술의 사용은 이전에 임상 시나리오에서 비침습적 병상 모니터링을 위한 잠재적 마커로 다루어졌습니다. 이전 연구에서는 사례 보고서를 통해 신경 ICU에 입원 하는 동안 임상적 측면과 광학 모니터링의 타당성에 초점을 맞췄습니다9. 이 작업의 초점은 확산 광학을 사용한 실시간 모니터링과 관련된 관련성 있고 혁신적인 측면을 자세히 설명하는 것입니다. 구체적으로 본 논문에서는 임상의에게 명확하고 유용한 정보를 제공하는 실시간 GUI를 제안하였다. GUI를 사용하면 서로 다른 기간을 쉽게 비교할 수 있으며, 이는 임상적으로 관련된 데이터를 해석하는 데 중요합니다. 여기에 제시된 GUI의 구현은 실시간 디스플레이 주파수가 ~20Hz로 제한되어야 한다는 경고와 함께 소프트웨어 상관기를 기반으로 하는 DCS 시스템에 대해 쉽게 변환될 수 있습니다. 자기 상관 곡선의 실시간 평균화를 사용하여 더 빠른 획득 속도를 샘플링할 수 있습니다. 미래에는 제안된 프로토콜에서 제공하는 실시간 정보를 사용하여 치료를 안내하여 잠재적으로 신경중환자 환자의 임상 결과를 개선할 수 있습니다.

이 작업은 또한 다양한 설정을 처리할 수 있으므로 임상의의 다양한 목적과 요구에 맞는 맞춤형 광학 프로브의 사용을 제안합니다. 소스-검출기 분리의 적절한 선택은 확산 광학의 대뇌 감도를 최대화하기 위한 중요한 단계입니다. 대부분의 경우 성인의 DCS 측정을 위한 최적의 프로브는 최소 짧은(< 1cm) 및 긴(> 2.5cm) 소스-검출기 분리가 있어야 합니다. 긴 소스-검출기 분리는 신호 대 잡음비(SNR)와 대뇌 민감도 12,14,16 사이에서 최상의 절충안을 제공하는 것으로 나타났으며, 짧은 분리는 대부분 대뇌 조직에 민감하며 대뇌 변화와 대뇌 변화를 구별하는 데 유용하다12,16 . FD-DOS의 경우, 성인의 SNR과 대뇌 민감도 사이의 합리적인 절충안을 제공하는 간단한 프로브에는 4개의 소스-검출기 분리(1.5, 2.0, 2.5 및 3.0cm)가 포함됩니다58. FD-DOS 측정에서 가장 중요한 단계는 서로 다른 광섬유의 AC 및 위상 변화를 비교하는 데 필요한 교정 절차입니다(프로토콜의 섹션 2). FD-DOS 시스템의 잘못된 보정은 조직의 광학 특성의 검색된 값에 큰 오류를 초래할 수 있으며, 이는 대뇌 산소 공급 및 대뇌 혈류 값의 정확도에 영향을 미칩니다. 중요한 것은 이 연구에서 제안된 프로토콜이 단일 PMT와 여러 광원을 포함하는 FD-DOS용 광학 프로브에 초점을 맞추고 있다는 것입니다. 여기에 설명된 교정 절차는 여러 검출기를 사용하는 실험을 위해 수정해야 합니다. 다중 검출기를 사용하는 연구의 경우 교정 절차 중에 PMT의 바이어스 전압을 변경해서는 안 되므로 교정 팬텀의 광학적 특성을 신중하게 선택해야 합니다.

대뇌 산소화 측정 외에도 DOS 모듈은 DCS 모델이 조직의 광학적 특성에 따라 달라지기 때문에 CBF 계산을 향상시킵니다. 이 연구는 광학적 특성과 대뇌 산소화를 복구하기 위해 단일 변조 주파수를 가진 상용 FD-DOS 시스템을 사용했습니다. 그러나, 시간 영역 DOS 또는 다중 주파수 FD-DOS 시스템(59,60,61,62,63,64)과 같은 보다 정확한 정보를 제공할 수 있는 다른 대안이 있다. 이러한 시스템은 대뇌 생리학을 회복하기 위해 단일 소스-검출기 분리가 필요하기 때문에 실험 복잡성을 줄일 수 있는 반면, 여기에 사용된 전통적인 FD-DOS는 다중 소스-검출기 분리가 필요하므로 머리에 부착된 다중 섬유가 필요합니다. 또한 이 프로토콜의 주요 관심사는 뇌 생리학의 장기적인 추세였기 때문에 이 연구는 인터리브 DOS 및 DCS 측정을 수행하기로 결정했습니다. 향후에는 교차 오염을 방지하고 샘플링 빈도를 높이기 위해 DOS 및 DCS 검출기에 노치 필터를 포함하여 DOS 및 DCS 측정을 동시에 수집할 수 있습니다.

현재 프로토콜의 한 가지 제한은 이마에 대한 프로브 배치의 제한입니다. 현재로서는 머리카락을 통해 DCS 측정값을 얻기가 어렵습니다. 이것은 신경 ICU에서 흔히 볼 수 있는 것처럼 뇌의 더 많은 부분을 덮는 모욕에 대해서는 문제가 되지 않습니다. 그러나 이마의 측정은 예를 들어 작은 MCA 또는 PCA 스트로크에 민감하지 않을 수 있습니다. 광학 프로브의 추가 개선으로 모발을 통해 측정하는 것이 가능할 수 있으며 시스템을 신경 항법 장치와 결합하여 작은 국소 ROI를 통해 측정할 수 있습니다. 광학 정보에 대한 상세한 공간 정보를 수집함으로써 국소 뇌혈관 장애로 인한 혈역학적 손상에 대한 확산 광학의 민감도가 현저히 향상될 것으로 기대합니다.

마지막으로 확산 광학 기술의 몇 가지 한계를 언급하는 것이 중요합니다. 첫째, 확산 광학은 본질적으로 대뇌 외 조직에 민감하며, 대뇌 및 대뇌 생리학의 차이를 적절하게 설명하기 위해 데이터의 더 나은 모델링이 필요할 수 있습니다 65,66,67,68,69,70. 추가적으로, CBF의 DCS 측정은 조직에 대한 광학 프로브의 외부 압력에 민감하다. 예를 들어, 프로브 압력을 증가시킴으로써 외부 조직의 혈류를 감소시키고, 이는 또한 DCS71,72,73에 의해 측정된 CBF를 감소시킬 것이다. 그러나, 비록 CBF가 프로브 압력의 증가로 인해 감소하더라도, CBF의 심박수 박동성은 변하지 않는다는 것을 주목하라(72). 흥미롭게도, 외부 프로브 압력으로 인한 CBF의 이러한 변화를 이용하여 대뇌 외 및 대뇌 생리학을 분리할 수 있다(73). 마지막으로, 광학 유래 CBF는 보다 일반적인 임상 단위(즉, ml/100g 조직/분)가 아닌 물리적 단위(즉,cm2/s)를 갖습니다. 일부 저자는 DOS에서 절대 CBF를 회수하고 DCS에서 절대 임상 단위 74,75,76,77,78로 CBF 지수를 보정하기 위해 인도시아닌-그린(ICG)의 사용을 제안했습니다. 그러나 ICG의 보정 계수의 정확도는 뇌 외상 후 거시 및 미세 순환의 이상으로 인해 다른 상황으로 직접 변환되지 않을 수 있습니다.

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Disclosures

저자(들)는 이 논문의 연구, 저자 및/또는 출판과 관련하여 다음과 같은 잠재적인 이해 상충을 선언했습니다: RC Mesquita는 이 작업과 관련하여 1개의 특허 출원 및 2개의 다른 특허를 출원 중입니다(미국 특허 10,342,488 및 10,064,554). 현재 어떤 저작자도 이러한 특허로부터 로열티나 지불을 받지 않습니다.

   

Acknowledgments

우리는 Proc. 2012/02500-8 (RM), 2014/25486-6 (RF) 및 2013/07559-3을 통해 상파울루 연구 재단 (FAPESP)의 지원을 인정합니다. 자금 제공자는 연구 설계, 데이터 수집 및 분석, 출판 결정 또는 원고 준비에 아무런 역할도 하지 않았습니다.

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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의학 제 165 호 확산 광학 분광법 확산 상관 분광법 뇌 혈류 뇌 혈관 장애 신경 중환자 모니터링 뇌졸중 집중 치료실

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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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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).

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