Waiting
Login processing...

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

Medicine

Sanntidsovervåking av nevrokritiske pasienter med diffuse optiske spektroskopi

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

Presentert her er en protokoll for ikke-invasiv overvåking av cerebral hemodynamikk hos nevrokritiske pasienter i sanntid og ved sengen ved hjelp av diffus optikk. Spesielt bruker den foreslåtte protokollen et hybrid diffust optisk system for å oppdage og vise sanntidsinformasjon om cerebral oksygenering, cerebral blodstrøm og cerebral metabolisme.

Abstract

Nevrofysiologisk overvåking er et viktig mål i behandlingen av nevrokritiske pasienter, da det kan forhindre sekundær skade og direkte påvirke sykelighet og dødelighet. Imidlertid mangler det for tiden egnede, ikke-invasive, sanntidsteknologier for kontinuerlig overvåking av cerebral fysiologi ved sengen. Diffuse optiske teknikker har blitt foreslått som et potensielt verktøy for sengemålinger av cerebral blodstrøm og cerebral oksygenering hos nevrokritiske pasienter. Diffuse optiske spektroskopi har tidligere blitt undersøkt for å overvåke pasienter i flere kliniske scenarier som spenner fra neonatal overvåking til cerebrovaskulær intervensjon hos voksne. Imidlertid er muligheten for teknikken for å hjelpe klinikere ved å gi sanntidsinformasjon ved sengen stort sett uadressert. Her rapporterer vi oversettelsen av et diffust optisk system for kontinuerlig sanntidsovervåking av cerebral blodstrøm, cerebral oksygenering og cerebral oksygenmetabolisme under intensivbehandling. Sanntidsfunksjonen til instrumentet kan muliggjøre behandlingsstrategier basert på pasientspesifikk cerebral fysiologi i stedet for å stole på surrogatmålinger, for eksempel arterielt blodtrykk. Ved å gi sanntidsinformasjon om hjernens sirkulasjon på forskjellige tidsskalaer med relativt billig og bærbar instrumentering, kan denne tilnærmingen være spesielt nyttig i lavbudsjettsykehus, i avsidesliggende områder og for overvåking i åpne felt (f.eks. Forsvar og sport).

Introduction

De fleste komplikasjonene som fører til dårlige resultater for kritisk syke nevrologiske pasienter, er relatert til sekundære skader forårsaket av cerebrale hemodynamiske funksjonsnedsettelser. Derfor kan overvåking av cerebral fysiologi hos disse pasientene direkte påvirke sykelighet og dødelighet 1,2,3,4,5,6,7. For tiden er det imidlertid ikke noe etablert klinisk verktøy for kontinuerlig ikke-invasiv sanntidsovervåking av cerebral fysiologi hos nevrokritiske pasienter ved sengen. Blant de potensielle kandidatene har diffuse optiske teknikker nylig blitt foreslått som et lovende verktøy for å fylle ut dette gapet 8,9,10,11. Ved å måle de langsomme endringene (dvs. i størrelsesorden titalls til hundrevis av ms) av det diffusivt spredte nær-infrarøde lyset (~ 650-900 nm) fra hodebunnen, kan diffus optisk spektroskopi (DOS) måle konsentrasjoner av de viktigste kromoforene i hjernen, som cerebral oksy- (HbO) og deoksyhemoglobin (HbR) 12,13. I tillegg er det mulig å måle cerebral blodstrøm (CBF) med diffus korrelasjonsspektroskopi (DCS) 10,14,15,16,17 ved å kvantifisere de raske svingningene i lysintensitet (dvs. fra noen få μs til noen få ms). Når de kombineres, kan DOS og DCS også gi et estimat av den cerebrale metabolske oksygenhastigheten (CMRO2)18,19,20.

Kombinasjonen av DOS og DCS har blitt utforsket for å overvåke pasienter i flere prekliniske og kliniske scenarier. For eksempel har diffus optikk vist seg å gi relevant klinisk informasjon for kritisk syke nyfødte 21,22,23,24, inkludert under hjerteoperasjoner for å behandle hjertefeil 23,25,26,27,28 . I tillegg har flere forfattere undersøkt bruken av diffus optikk for å vurdere cerebral hemodynamikk under forskjellige cerebrovaskulære inngrep, for eksempel endarterektomi 29,30,31, trombolytiske behandlinger for hjerneslag 32, manipulasjoner i sengen 33,34,35, hjerte-lungeredning 36 og andre 37,38, 39. Når kontinuerlig blodtrykksovervåking også er tilgjengelig, kan diffus optikk brukes til å overvåke cerebral autoregulering, både hos friske og kritisk syke personer 11,40,41,42, samt for å vurdere det kritiske lukketrykket i cerebral sirkulasjon 43. Flere forfattere har validert CBF-målinger med DCS mot ulike gullstandard CBF-mål 18, mens CMRO2 målt med diffus optikk har vist seg å være en nyttig parameter for nevrokritisk overvåking 8,18,23,24,28,43,44,45 . I tillegg har tidligere studier validert de optisk avledede cerebrale hemodynamiske parametrene for langsiktig overvåking av nevrokritiske pasienter 8,9,10,11, inkludert for prediksjon av hypoksiske 46,47,48 og iskemiske hendelser 8.

Påliteligheten til de diffuse optiske teknikkene for å gi verdifull sanntidsinformasjon under longitudinelle målinger så vel som under kliniske inngrep forblir stort sett uadressert. Bruken av et frittstående DOS-system ble tidligere sammenlignet med invasive oksygenspenningsmonitorer i hjernevev, og DOS ble vurdert å ikke ha tilstrekkelig sensibilitet til å erstatte de invasive monitorene. Imidlertid, bortsett fra å bruke relativt små populasjoner, kan den direkte sammenligningen av de invasive og ikke-invasive monitorene være misvisende, da hver teknikk undersøker forskjellige volumer som inneholder forskjellige deler av hjernevaskulaturen. Selv om disse studiene til slutt konkluderte med at diffus optikk ikke er en erstatning for de invasive monitorene, oppnådde DOS i begge studiene en moderat til god nøyaktighet, noe som kan være tilstrekkelig for tilfeller og / eller steder der invasive skjermer ikke er tilgjengelige.

I forhold til andre tilnærminger er den viktigste fordelen med diffus optikk dens evne til samtidig å måle blodstrøm og oksygenering av vevsblod ikke-invasivt (og kontinuerlig) ved sengen ved hjelp av bærbar instrumentering. Sammenlignet med transkranial doppler-ultralyd (TCD) har DCS en ekstra fordel: den måler perfusjon på vevsnivå, mens TCD måler cerebral blodstrømningshastighet i store arterier ved hjernebunnen. Dette skillet kan være spesielt viktig ved vurdering av steno-okklusive sykdommer der både proksimal stor arteriestrøm og leptomeningeale kollateraler bidrar til perfusjon. Optiske teknikker har også fordeler sammenlignet med andre tradisjonelle bildebehandlingsmodaliteter, som Positron-Emission Tomography (PET) og Magnetic Resonance Imaging (MRI). I tillegg til samtidig å gi direkte målinger av både CBF- og HbO/HbR-konsentrasjoner, noe som ikke er mulig med MR eller PET alene, gir optisk overvåking også betydelig bedre tidsmessig oppløsning, noe som for eksempel tillater vurdering av dynamisk cerebral autoregulering40,41,42 og vurderingen dynamisk utviklende hemodynamiske endringer. Videre er diffus optisk instrumentering billig og bærbar i forhold til PET og MR, noe som er en kritisk fordel gitt den høye byrden av vaskulær sykdom i lavere og mellominntektsland.

Protokollen som foreslås her er et miljø for sanntids nevromonitorering av pasienter ved intensivavdelingen (ICU). Protokollen bruker en hybrid optisk enhet sammen med et klinisk vennlig grafisk brukergrensesnitt (GUI) og tilpassede optiske sensorer for å undersøke pasientene (figur 1). Hybridsystemet som brukes til å vise frem denne protokollen, kombinerer to diffuse optiske spektrokopier fra uavhengige moduler: en kommersiell frekvensdomene (FD-) DOS-modul og en hjemmelaget DCS-modul (figur 1A). FD-DOS-modulen49,50 består av 4 fotomultiplikatorrør (PMT) og 32 laserdioder som sender ut ved fire forskjellige bølgelengder (690, 704, 750 og 850 nm). DCS-modulen består av en langkoherenslaser som emitterer ved 785 nm, 16 enfoton tellere som detektorer og et korrelatorkort. Samplingsfrekvensen for FD-DOS-modulen er 10 Hz, og maksimal samplingsfrekvens for DCS-modulen er 3 Hz. For å integrere FD-DOS- og DCS-modulene ble en mikrokontroller programmert inne i kontrollprogramvaren vår til automatisk å bytte mellom hver modul. Mikrokontrolleren er ansvarlig for å slå FD-DOS- og DCS-laserne av og på, samt FD-DOS-detektorene for å tillate sammenflettede målinger av hver modul. Totalt kan det foreslåtte systemet samle en kombinert FD-DOS- og DCS-prøve hver 0,5 til 5, avhengig av kravene til signal-støy-forhold (SNR) (lengre innsamlingstider fører til bedre SNR). For å koble lyset til pannen utviklet vi en 3D-printet optisk sonde som kan tilpasses hver pasient (figur 1B), med kildedetektorseparasjoner som varierer mellom 0,8 og 4,0 cm. Standard kildedetektorseparasjoner som brukes i eksemplene som presenteres her, er 2,5 cm for DCS og 1,5, 2,0, 2,5 og 3,0 cm for FD-DOS.

Hovedfunksjonen i protokollen som presenteres i denne studien er utviklingen av et sanntidsgrensesnitt som både kan styre maskinvaren med en vennlig GUI og vise de viktigste cerebrale fysiologiparametrene i sanntid under forskjellige temporale vinduer (figur 1C). Rørledningen for sanntidsanalyse som er utviklet i det foreslåtte GUI-et, er rask og tar mindre enn 50 ms å beregne de optiske parametrene (se tilleggsmaterialet for mer informasjon). GUI ble inspirert av dagens kliniske instrumenter som allerede var tilgjengelige på nevro-ICU, og det ble tilpasset gjennom omfattende tilbakemeldinger fra kliniske brukere under oversettelsen av systemet til nevro-ICU. Følgelig kan sanntids GUI lette adopsjonen av det optiske systemet av vanlig sykehuspersonale, for eksempel nevrointensivister og sykepleiere. Den brede adopsjonen av diffus optikk som et klinisk forskningsverktøy har potensial til å forbedre evnen til å overvåke fysiologisk meningsfulle data og kan til slutt demonstrere at diffus optikk er et godt alternativ for ikke-invasiv overvåking av nevrokritiske pasienter i sanntid.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Protokollen ble godkjent av den lokale komiteen ved Universitetet i Campinas (protokollnummer 56602516.2.0000.5404). Det ble innhentet skriftlig informert samtykke fra pasienten eller en juridisk representant i forkant av målingene. Vi overvåket pasienter som ble innlagt på klinikksykehuset ved Universitetet i Campinas med diagnosen enten iskemisk hjerneslag eller subaraknoidalblødning som påvirket den fremre sirkulasjonen. Pasienter med iskemisk hjerneslag som påvirker bakre sirkulasjon, pasienter med dekompresjonskraniektomier på grunn av forhøyet intrakranielt trykk og pasienter med andre nevrodegenerative sykdommer (demens, Parkinsons eller annen sykdom som kan assosieres med kortikal atrofi) ble ekskludert fra studieprotokollen.

1. Forberedelser før systemet flyttes til intensivavdelingen

  1. Koble alle fibrene til de relevante laserne og detektorene, og sørg for at de er riktig festet til den optiske sonden (figur 1B).
  2. Kontroller at den optiske sonden er dekket med en svart klut for å unngå at laserne skinner i rommet.
  3. Vri systemets strømbryter til 'PÅ' posisjon. Etter at du har drevet systemet, vent i 30 sekunder og vri deretter DCS-lasernøkkelbryteren til "PÅ"-posisjon. FD-DOS-laserne slås automatisk på når systemet får strøm.
  4. Mens systemet forberedes, innhent samtykke fra enten deltakeren eller en juridisk representant. Etter å ha innhentet samtykke, ta vognen til pasientens rom.
    MERK: Siden hybridsystemet har et innebygd batteri som varer opptil 45 minutter, trenger det ikke å slås av under transport.

2. Kalibrerings- og forsterkningsinnstillinger for DOS-systemet

  1. Ved ankomst til intensivavdelingen, slå av DCS-laseren ved å sette nøkkelen i "AV"-posisjon.
  2. Start med det solide fantomet merket 'Kalibrer', kjør kalibreringsprosessen på FD-DOS-programvaren (BOXY, ISS) ved å følge trinnene nedenfor.
    1. På 'Fil'-menyen laster du inn den aktuelle innstillingsfilen for sonden som brukes ved å klikke på alternativet 'Last inn innstillingsfil'.
    2. Plasser sonden på den buede siden av fantomet, sikre god kontakt med overflaten og optimaliser deretter PMT-skjevhetsspenningen ved å klikke på "Optimaliser alle detektorer" -knappen i FD-DOS-programvaren.
    3. Kjør kalibreringen for flere kildedetektorseparasjoner ved å klikke på alternativet 'Calc. Waveform Calib. Verdier for optiske rekvisitter. og flere avstander' fra 'Kalibrer' -menyen.
    4. Åpne alternativet 'Brukerdefinerte beregninger' fra 'Text-Mon'-menyen for å kontrollere at de målte optiske egenskapene samsvarer med de forhåndsdefinerte verdiene (skrevet i det heldekkende fantomet), og at tilpasningen R2 er nær én.
  3. Gjenta trinnene ovenfor (unntatt trinn 2.2.3) for å måle de optiske egenskapene til fantomet merket som 'Kontroll' for å sikre at kalibreringen var tilstrekkelig. De målte optiske egenskapene skal innenfor 10 % samsvare med verdiene spesifisert i fantomene.
    FORSIKTIG: Sørg for å slå av PMT (ved å klikke på "Alle detektorer AV" -knappen) hver gang sonden flyttes for å unngå å skade PMT på grunn av direkte belysning fra omgivelseslys.
  4. Hvis kalibreringen ikke er tilstrekkelig, kjører du kalibreringsprosessen på nytt (trinn 2.2 og 2.3). Å sikre en god kalibrering av FD-DOS-systemet er avgjørende for validiteten av FD-DOS-målingene.

3. Forberedelse av deltakeren ved sengen

  1. Bruk desinfiserende våtservietter til å rengjøre både sonden og pasientens panne.
  2. Plasser den dobbeltsidige tapen på sonden (figur 1B), og pass på at båndet ikke er i direkte kontakt med de optiske fiberspissene.
  3. Plasser en laser sikkerhet googles på emnet.
  4. Plasser sondene over interesseområdet (ROI) og vikle de elastiske stroppene rundt motivets hode. Selv om det ikke er strengt nødvendig for FD-DOS og DCS, anbefales det å dekke den optiske sonden med en svart klut eller svart bandasje for å redusere støy på grunn av omgivelseslys.
    MERK: Det er viktig å forsikre seg om at den elastiske stroppen verken er for stram eller for løs. Hvis stroppen er for stram, kan det føre til betydelig ubehag for pasienten, og hvis stroppen er for løs, kan det føre til dårlig datakvalitet da dobbeltsidig tape ikke er sterk nok til å holde sondene på plass.
  5. Etter at sonden er ordentlig festet til pasientens panne, slår du på DCS-laseren ved å sette nøkkelen i "ON"-posisjon.
    FORSIKTIG: DCS-systemet bruker en klasse 3B-laser som er farlig for øyeeksponering. Det er svært viktig å bare slå på laserne når sonden er ordentlig festet til pasientens panne.

4. Vurdering av datakvalitet

  1. Før du begynner å samle inn data med GUI-en, skriv DCS-kildedetektorseparasjonene i kategorien "Innstillinger" i GUI-en.
    MERK: DCS-systemet krever ikke et kalibreringstrinn, men riktig inntasting av kildedetektorseparasjonene er nødvendig for sanntidsanalysen (se Tilleggsmateriale for detaljer).
  2. Start anskaffelsesprogramvaren ved å trykke på Start-knappen i GUI-en og kontroller DOS-signalet i FD-DOS-programvaren:
    1. Klikk på "Optimaliser alle detektorer" -knappen i FD-DOS-programvaren for å optimalisere PMT-skjevhetsspenningen.
    2. Kontroller de optiske egenskapene og R2 for DOS-tilpasningen i alternativet 'Brukerdefinert beregning' fra 'Text-Mon'-menyen. R 2-koeffisienten skal være nær enhet, og som en tommelfingerregel bør absorpsjonskoeffisienten til menneskelige pasienter ligge innenfor 0,05 og 0,2 cm-1, mens spredningskoeffisienten skal ligge innenfor 6 og 13 cm-113.
  3. Sjekk DCS-signalet i fanen «Korrelasjonskurver» i GUI-en.
    1. Slå på DCS-detektorene ved å vri bryterne til "ON"- posisjon.
    2. Sørg for at hver DCS-detektor måler en tilstrekkelig lysintensitet. Som en tommelfingerregel kreves mer enn 10 kHz.
    3. Hvis den målte intensiteten er høyere enn 800 kHz, bruk et filter med nøytral tetthet for å redusere fotonantallet for å unngå å skade detektorene. Dette er vanligvis et problem for kortere (< 1 cm) kildedetektorseparasjoner.
      MERK: I tillegg til å potensielt skade DCS-detektorene, kan fotontall høyere enn 800 kHz også gi feil på grunn av ikke-lineære effekter i detektoren.
    4. Kontroller autokorrelasjonskurvene for å sikre en god hudkobling (se representative resultater og figur 2), og flytt den optiske sonden om nødvendig.
    5. Hvis omplasseringen av sonden var nødvendig i forrige trinn, gjentar du trinn 4.2 og 4.3. Disse trinnene må kanskje gjentas flere ganger.
      MERK: DCS- og FD-DOS-detektorene må slås av hver gang sonden flyttes. For å slå av DCS-detektorene, flytt bryterne manuelt til 'AV'-posisjon. FD-DOS-detektoren slås av ved å klikke på "Alle detektorer AV"-knappen i FD-DOS-programvaren.
  4. Når en god kontakt mellom sonden og huden oppnås, stopper datainnsamlingen ved å klikke på "Stopp" -knappen i GUI-en. Deretter angir du eksperimentet og pasientidentifikatorene i tekstboksen 'Mappe' og skriver avkastningsnavnet i tekstboksen 'Filnavn'.
  5. Start datainnsamlingen ved å trykke på Start-knappen i GUI-en.
  6. Samle inn data i den første avkastningen så lenge protokollen krever det. Flytt om nødvendig sonden til de andre avkastningsfaktorene og gjenta målingen.
    MERK: Overvåkingsperioden kan variere avhengig av studiemålene.

5. Hensyn til eksperimentøren under målingen

  1. Når du har startet målingen, skriver du i fanen "Eksperimentinfo" i GUI-en den relevante pasientinformasjonen (f.eks. type og plassering av skaden, legemidler som administreres, alder, kjønn osv.).
  2. Forsikre deg om at enhver relevant hendelse som oppstod i overvåkingsperioden, merkes ved å klikke på "Merk" -knappen på GUI-en. Etter hvert merke må du skrive hendelsesbeskrivelsen i «Eksperimentinfo»- fanen i GUI-en.

6. Stopp datainnsamlingen

  1. Stopp datainnsamlingen ved å trykke på 'Stopp' -knappen i GUI-en.
  2. Stopp FD-DOS-programvaren ved å trykke på stoppknappen for datainnsamling og -opptak som representeres som to røde firkanter i FD-DOS-programvaren.
  3. Slå av DCS-detektorene ved å vri bryterne til "AV"-posisjon, og slå av DCS-laseren ved å vri nøkkelen til "AV" -posisjon.
  4. Slå av PMT-ene i FD-DOS-modulen ved å klikke på 'Alle detektorer AV'-knappen.
  5. Fjern sonden fra pasientens hode og fjern dobbeltsidig tape fra sonden. Rengjør deretter sonden med desinfiserende kluter.
  6. Gjenta målingen av de optiske egenskapene til hvert solid fantom så snart som mulig for å sikre at kalibreringen forblir tilstrekkelig gjennom hele overvåkingsøkten (se trinn 4.2.2).
    MERK: Ideelt sett bør kalibreringstrinnet utføres rett etter at de optiske sondene er fjernet fra pasientens hode (trinn 6.6). På grunn av tidsproblemer ble dette imidlertid gjort i lageret i eksemplene som ble presentert i neste avsnitt.
  7. Rengjør systemet og tilbehøret med desinfiserende våtservietter.
  8. Trille vognen tilbake til boden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ideelt sett bør de normaliserte autokorrelasjonskurvene oppnådd med DCS-modulen være ca. 1,5 ved nullforsinkelsestidekstrapolering (ved bruk av enkeltmodusfibre14), og kurvene skal forfalle til 1 ved lengre forsinkelsestider. Kurven skal være jevn, og den skal ha et raskere forfall for de lengre kildedetektorseparasjonene. Et eksempel på en god autokorrelasjon er vist i figur 2A. Figur 2B viser et eksempel på en dårlig autokorrelasjonskurve; I dette eksemplet er det ikke mulig å skille kurvene for de ulike kildedetektorseparasjonene. Figur 2C viser et annet eksempel på en dårlig autokorrelasjonskurve, der halen på kurven ikke stemte overens med modellen som ble brukt. Problemet i begge kurvene (figur 2B,C) er enten relatert til en dårlig kobling av sonden på huden eller til lett lekkasje fra kilden direkte inn i de kortere kildedetektorseparasjonene.

Som et eksempel på viktigheten av å vise nevrofysiologien ved forskjellige tidsvinduer for å korrekt tolke endringer sett i sanntid før endringer i klinisk atferd relateres, viser figur 3 tidsserien for en overvåkingsøkt fra en sedert slagpasient, sett på GUI av kritisk omsorgspersonell. Under deler av overvåkingssesjonen sugde klinikerne pasientens bronkial- og orale sekret (representert ved det skyggelagte området i figur 3). Pasientbevegelsen indusert av intervensjonen forstyrrer tydelig det optiske signalet, noe som fører til de ufysiologiske piggene i de optiske parametrene; Derfor er det vanskelig å tildele noen fysiologisk betydning til disse endringene. Kort tid etter intervensjonen gikk de hemodynamiske parametrene tilbake til omtrent de samme verdiene før intervensjonen, som forventet for en stabil pasient. Dette eksemplet illustrerer stabiliteten til sanntidssystemet i nevro-ICU, samt viktigheten av å analysere pasientens hemodynamikk ved forskjellige temporale vinduer.

For å illustrere muligheten for hybrid diffus optisk enhet for å gi meningsfull informasjon i nevro-ICU, presenterer vi saken om en 50 år gammel kvinne med en historie med diabetes, hypertensjon og kongestiv hjertesvikt, som ble innlagt med venstre sidet hemiparese og ble funnet å ha et iskemisk slag på grunn av okklusjon av høyre MCA (NIH slagskala = 11). Figur 4 viser gjennomsnittlige optisk deriverte parametere og CT-undersøkelse trettende dag etter innleggelse, mens pasienten var intubert og sedert. I løpet av denne overvåkingsøkten var CBF og CMRO2 i ipsilesional panne betydelig lavere enn deres kontralesjonsparametere i det symmetriske området. Dette resultatet er forenlig med et perfusjonsunderskudd og påfølgende vevnekrose forårsaket av en stor kariskemi. Spesielt, selv om CBF var lavere på den ipsilesionale halvkule, ble det funnet en høy OEF i begge halvkule. Dette kan være i samsvar med ideen om elendighetsperfusjon, en tilstand der det er høyt oksygenforbruk (høyt OEF) til tross for lav (men ikke-null) CBF ettersom vevet forsøker å fremme utvinning 8,51,52. For tiden er elendighetsperfusjon vanskelig å diagnostisere i nevro-ICU. Selv om en større studie med pasienter med akutt iskemisk hjerneslag er nødvendig for å vurdere følsomheten til diffuse optiske spektroskopi for å oppdage elendighetsperfusjon, demonstrerer dette eksemplet potensialet til det diffuse optiske systemet for å vurdere klinisk viktig informasjon i sanntid.

Til slutt presenterer vi de langsgående resultatene oppnådd fra en 62 år gammel kvinne som ble innlagt på nevro-ICU på grunn av en alvorlig høyre midtre hjernearterie (MCA) aneurysmal subaraknoidalblødning, med grad V på Hunt & Hess-skalaen (dvs. forutsi et dårlig utfall og lav sannsynlighet for overlevelse)53 og grad III på Fisher-skalaen (dvs. lav til høy risiko for vasospasme)54. Denne pasienten ble overvåket gjennom hele sykehusoppholdet, og alle de cerebrale hemodynamiske parametrene var forenlige med den kliniske utviklingen av pasientens tilstand. Vi viser den interesserte leser til en nylig publisert kasuistikk som inneholder den fullstendige beskrivelsen av denne saken9. For å illustrere muligheten for å utføre målinger på forskjellige dager, viser figur 5 en offline analyse av data samlet inn med systemet ved flere økter under sykehusinnleggelse av saken beskrevet ovenfor og presentert i detaljer i ref.9. Her ble lateralitetsindeksen (LI) beregnet for hver fysiologiske parameter som:

Equation 1

hvor X representerer variabelen målt (dvs. CBF, OEF, CMRO2), og senket skrift angir hjernehalvdelen. Med LI er det mulig å direkte sammenligne forskjellene på tvers av hver halvkule over hele sykehusinnleggelsen. Lateralitetsindeksen har vist seg å være svært nyttig for forskjellige kliniske scenarier52,55,56,57, og den kan lett vurderes med protokollen presentert her ved sekvensielt å måle symmetriske regioner i begge halvkuler. Gjennomsnittlig arterielt trykk (MAP) ble samlet med et uavhengig instrument tilgjengelig på nevrointensivavdelingen, og det er også vist i figur 5 som referanse.

Nøye analyse av figur 5 viser to signifikante perioder med hemisfærisk svekkelse. Den første perioden skjedde mellom den første og den tredje dagen etter sykehusinnleggelse, hvor alle de nevrofysiologiske parametrene i ipsilesional ROI økte mer enn i den symmetriske kontralesjonelle avkastningen. Denne økningen i LI på den tredje dagen etter sykehusinnleggelse kan være en indikasjon på et mulig homeostatisk forsøk på å gjenopprette metabolsk balanse i det berørte vevet. I den andre perioden, som startet etter den tredje dagen av sykehusinnleggelsen, ble LI kontinuerlig redusert, noe som var forenlig med pasientens forverrede tilstand. I dette tilfellet døde pasienten etter 9 dager med sykehusinnleggelse.

Figure 1
Figur 1 Det optiske miljøet utviklet for å overvåke pasienter inne på en intensivavdeling. (A) Det hybride diffuse optiske systemet kombinerer en frekvensdomene diffus optisk spektroskopi (DOS) modul og en diffus korrelasjonsspektroskopi (DCS) modul. (B) Den tilpassbare sonden foreslått i denne studien har som standard 4 kildedetektorseparasjoner (0,7, 1,5, 2,5 og 3,0 cm) for DCS og 4 kildedetektorseparasjoner for DOS (1,5, 2,0, 2,5 og 3,0 cm). For enkelhets skyld brukte eksemplene som presenteres her bare 2,5 cm kildedetektorseparasjon for DCS. (C) Det grafiske brukergrensesnittet i sanntid (GUI) styrer det diffuse optiske systemet, og viser den målte cerebrale blodstrømmen (CBF), oksygenekstraksjonsfraksjonen (OEF) og den cerebrale metabolske oksygenhastigheten (CMRO 2) i sanntid, både innenfor et 5 minutters tidsvindu (venstre paneler), og innen et2 timers tidsvindu (høyre paneler). På bunnen av GUI kan forskeren trykke på knapper for å starte og stoppe datainnsamlingen, for å skaffe en basisperiode for sammenligning og for å markere eventuelle relevante tiltak (er). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Representative autokorrelasjonskurver for DCS-modulen. (A) Et eksempel på en god autokorrelasjon, som var ca. 1,5 ved nullforsinkelsestidsekstrapolasjonen og henfalt til 1 ved lengre forsinkelsestider. Som forventet forfalt autokorrelasjonskurvene raskere for de lengre kildedetektorseparasjonene. (B) Et eksempel på en dårlig autokorrelasjonskurve, der det ikke er mulig å skille kurvene for de forskjellige kildedetektorseparasjonene. (C) Et annet eksempel på en dårlig autokorrelasjonskurve, der halen på kurven ikke samsvarte med modellen som ble brukt. Problemene i (B) og (C) er relatert til enten dårlig kobling av sonden på huden eller til lett lekkasje fra kilden direkte inn i de kortere kildedetektorseparasjonene. Forskeren kan se på kurvene på fanen 'Korrelasjonskurver' på GUI-en. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3 Cerebral fysiologi av en overvåkingsøkt fra en sedert slagpasient, slik det kritiske omsorgspersonalet ville se på GUI. GUI-en viser den cerebrale blodstrømmen (CBF, i rødt), oksygenekstraksjonsfraksjonen (OEF, i blått) og den cerebrale metabolske oksygenhastigheten (CMRO 2, i grønt) i sanntid for både (A) korte (dvs. 5 minutter) og (B) lange (dvs.2 timer) tidsvinduer samt en (C) gjennomsnittsverdi i løpet av de siste 5 minuttene. Under en del av denne overvåkingsøkten sugde klinikere pasientens bronkiale og orale sekreter (representert ved det skyggelagte området i B). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4 Nevrofysiologiske opplysninger om en pasient diagnostisert med alvorlig hjerneinfarkt i høyre a. cerebri media trettende dag etter innleggelse. (A) Cerebral blodstrøm (CBF), oksygenekstraksjonsfraksjon (OEF), cerebral metabolsk oksygenhastighet (CMRO2) og total hemoglobinkonsentrasjon (HbT) målt med det diffuse optiske systemet i kontralesjonale og ipsilesjonale hemisfærer. (B) Computertomografi (CT) skanning fra enkeltdagsmåling av pasienten. De røde områdene i CT-bildene representerer det antatte optiske følsomhetsområdet og den lilla ellipsen viser omtrentlig skadested. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Temporal utvikling av lateralitetsindeksen for de optisk avledede fysiologiske parametrene hos en 62 år gammel kvinnelig pasient etter en høygradig aneurysmal subaraknoidalblødning (aSAH). Endringene i det ipsilesjonale interesseområdet (ROI) sammenlignet med endringene i den kontralesjonelle avkastningen er vist i venstre akse for cerebral blodstrøm (CBF, røde sirkler), oksygenekstraksjonsfraksjon (OEF, blå diamant) og cerebral metabolsk oksygenhastighet (CMRO2, grønne trekanter). Utviklingen av gjennomsnittlig arterielt trykk (MAP, grå kvadrater) ble samlet uavhengig av hverandre, og er vist i høyre akse for sammenligning. Feilfeltene for hvert punkt representerer standardavviket for hver parameter gjennom overvåkingsøkten. I noen dager var standardavviket for lite til å bli vist. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Supplerende materialer. Klikk her for å laste ned denne filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denne artikkelen presenterte et hybrid optisk system som kan gi sanntidsinformasjon om cerebral blodstrøm, cerebral oksygenering og cerebral oksygenmetabolisme hos nevrokritiske pasienter ved siden av. Bruk av diffuse optiske teknikker hadde tidligere blitt adressert som en potensiell markør for ikke-invasiv overvåking ved sengen i kliniske scenarier. En tidligere studie fokuserte på de kliniske aspektene og gjennomførbarheten av optisk overvåking under sykehusinnleggelse på nevrointensivavdelingen gjennom en kasuistikk9. Fokus for dette arbeidet er å detaljere relevante og innovative aspekter knyttet til sanntidsovervåking med diffus optikk. Spesielt foreslo dette papiret et sanntids GUI som gir klar og nyttig informasjon for klinikere. Det grafiske brukergrensesnittet gjør det enkelt å sammenligne ulike tidsperioder, noe som er viktig for å tolke klinisk relevante data. Implementeringen av GUI som presenteres her, kan enkelt oversettes for DCS-systemet basert på en programvarekorrelator med forbehold om at visningsfrekvensen i sanntid må begrenses til ~ 20 Hz. Sanntids gjennomsnitt av autokorrelasjonskurvene kan brukes til å redusere prøven raskere oppkjøpshastigheter. I fremtiden kan sanntidsinformasjon fra den foreslåtte protokollen brukes til å veilede terapi, potensielt forbedre det kliniske resultatet av nevrokritiske pasienter.

Dette arbeidet foreslår også bruk av en tilpassbar optisk sonde som kan adressere forskjellige innstillinger og derfor passer til forskjellige formål og behov for klinikere. Riktig valg av kildedetektorseparasjon er et kritisk skritt for å maksimere den cerebrale følsomheten til diffus optikk. I de fleste tilfeller bør en optimal sonde for DCS-målinger hos voksne ha minst en kort (< 1 cm) og en lang (> 2,5 cm) kildedetektorseparasjon. Den lange kildedetektorseparasjonen ble vist å gi det beste kompromisset mellom signal-støy-forhold (SNR) og cerebral følsomhet 12,14,16, mens den korte separasjonen for det meste er følsom for det ekstracerebrale vevet og er nyttig for å skille de ekstracerebrale forandringene fra cerebrale forandringer12,16 . For FD-DOS inneholder en enkel sonde som gir et rimelig kompromiss mellom SNR og cerebral følsomhet hos voksne 4 kildedetektorseparasjoner (1,5, 2,0, 2,5 og 3,0 cm)58. Det mest kritiske trinnet for en FD-DOS-måling er kalibreringsprosedyren som er nødvendig for å sammenligne AC- og faseendringer fra forskjellige fibre (avsnitt 2 i protokollen). En dårlig kalibrering av et FD-DOS-system kan føre til store feil i de hentede verdiene av vevets optiske egenskaper, noe som vil påvirke nøyaktigheten av både cerebral oksygenering og cerebrale blodstrømningsverdier. Av betydning fokuserer protokollen foreslått i denne studien i en optisk sonde for FD-DOS som inneholder en enkelt PMT og flere lyskilder. Kalibreringsprosedyren beskrevet her må modifiseres for eksperimenter som bruker flere detektorer. For studier som bruker flere detektorer, bør ikke skjevspenningen til PMT endres under kalibreringsprosedyren, og det er derfor nødvendig med et nøye utvalg av de optiske egenskapene til kalibreringsfantomene.

I tillegg til målingene av cerebral oksygenering, forbedrer DOS-modulen også beregningen av CBF, da DCS-modellen også avhenger av vevets optiske egenskaper. Denne studien benyttet et kommersielt FD-DOS-system med en enkelt modulasjonsfrekvens for å gjenopprette de optiske egenskapene og den cerebrale oksygeneringen. Det finnes imidlertid andre alternativer som kan gi mer nøyaktig informasjon, for eksempel tidsdomene DOS eller flerfrekvente FD-DOS-systemer 59,60,61,62,63,64. Disse systemene kan redusere den eksperimentelle kompleksiteten da de krever en enkelt kildedetektorseparasjon for å gjenopprette hjernefysiologien, mens den tradisjonelle FD-DOS som brukes her krever flere kildedetektorseparasjoner og dermed flere fibre festet til hodet. I tillegg, siden hovedinteressen for denne protokollen var de langsiktige trendene i hjernefysiologien, valgte denne studien å gjennomføre sammenflettede DOS- og DCS-målinger. I fremtiden, for å unngå krysskontaminering og for å øke samplingsfrekvensen, er det mulig å skaffe samtidige DOS- og DCS-målinger ved å inkludere hakkfiltre på DOS- og DCS-detektorene.

En begrensning ved gjeldende protokoll er begrensningen av sondens plassering i pannen. Per nå er det vanskelig å skaffe DCS-målinger gjennom hår. Dette er ikke et problem for fornærmelser som dekker en større del av hjernen, som det ofte er tilfelle i nevro-ICU. Imidlertid kan målinger på pannen ikke være følsomme for små MCA- eller PCA-slag, for eksempel. Med ytterligere forbedringer av de optiske probene kan det være mulig å måle gjennom håret, og ved å kombinere systemet med en nevronavigasjonsenhet vil det være mulig å gjøre målinger over en liten lokal avkastning. Ved å samle detaljert romlig informasjon på den optiske informasjonen, forventer vi en markert forbedring i sensitiviteten til diffus optikk til hemodynamiske svekkelser på grunn av fokale cerebrovaskulære lidelser.

Til slutt er det viktig å nevne noen begrensninger ved de diffuse optiske teknikkene. For det første er diffus optikk iboende følsom for det ekstracerebrale vevet, og bedre modellering av dataene kan være nødvendig for å redegjøre for forskjellen i ekstra-cerebral og cerebral fysiologi 65,66,67,68,69,70. I tillegg er DCS-målingen av CBF følsom for det ytre trykket fra den optiske sonden mot vevet. For eksempel, ved å øke probetrykket reduserer vi blodstrømmen i det ytre vevet, noe som også vil redusere CBF målt ved DCS71,72,73. Vær imidlertid oppmerksom på at selv om CBF reduseres på grunn av økende sondetrykk, er hjertefrekvenspulsatiliteten til CBF uendret72. Interessant nok er det mulig å bruke disse endringene i CBF på grunn av det eksterne sondetrykket for å skille de ekstra-cerebrale og cerebrale fysiologiene73. Til slutt har den optiske avledede CBF fysiske enheter (dvs. cm2 / s) i stedet for de mer vanlige kliniske enhetene (dvs. ml / 100g vev / min). Noen forfattere har foreslått bruk av indocyanin-grønn (ICG) for å gjenopprette absolutt CBF fra DOS og å kalibrere CBF-indeksen fra DCS til absolutte kliniske enheter 74,75,76,77,78. Imidlertid kan nøyaktigheten av kalibreringsfaktoren fra ICG ikke oversettes direkte til forskjellige situasjoner på grunn av abnormiteter i makro- og mikrosirkulasjonen etter hjerne traumer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatteren (e) erklærte følgende potensielle interessekonflikter med hensyn til forskning, forfatterskap og / eller publisering av denne artikkelen: RC Mesquita har en ventende patentsøknad og to andre patenter som er relevante for dette arbeidet (USAs patenter 10,342,488 og 10,064,554). Ingen forfattere mottar for tiden royalties eller betalinger fra disse patentene.

   

Acknowledgments

Vi anerkjenner støtten fra São Paulo Research Foundation (FAPESP) gjennom Proc. 2012/02500-8 (RM), 2014/25486-6 (RF) og 2013/07559-3. Finansiørene hadde ingen rolle i studiedesign, datainnsamling og analyse, beslutning om publisering eller utarbeiding av manuskriptet.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3D Printer Sethi3D S2 3D-printer used to print the customizable probes
Arduino UNO Arduino UNO REV3 Microcontroller responsible to interleave the DCS and FD-DOS measurements
DCS Correlator Correlator.com Flex11-16ch Component of the DCS module
DCS Dectectors IO Boards Excelitas Technology SPCM-AQ4C-IO Component of the DCS module
DCS Detectors Excelitas Technology SPCM-AQ4C Component of the DCS module
DCS Laser CrystaLaser DL785-120-SO Component of the DCS module
DCS Power supply Artesyn UMP10T-S2A-S2A-S2A-S2A-IES-00-A Component of the DCS module (power supply for the DCS detecto; 2, 5 and 30V)
FD-DOS fibers ISS Imagent supplies The fibers used for FD-DOS detection and illumination are provived by ISS
Flexible 3D printer material Sethi3D NinjaFlex Material used to print the flexible customizable probes
Imagent ISS Imagent FD-DOS module
Laser safety googles Thorlabs LG9
Multi-mode fiber Thorlabs FT400EMT Multi-mode fiber used for DCS illumination
Neutral density filter 1.0 OD Edmund Optics 53-705 Neutral density filter for the short source detector separations
Single-mode optical fiber Thorlabs 780HP Single-mode optical fiber used for the DCS detectors
System battery SMS NET4 System battery used for transportation

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Papanikolaou, J., et al. Cardiac and central vascular functional alterations in the acute phase of aneurysmal subarachnoid hemorrhage. Critical Care Medicine. 40 (1), 223-232 (2012).
  2. Sarrafzadeh, A. S., Vajkoczy, P., Bijlenga, P., Schaller, K. Monitoring in neurointensive care - The challenge to detect delayed cerebral ischemia in high grade aneurysmal SAH. Frontiers in Neurology. 5 (134), (2014).
  3. Messerer, M., Daniel, R. T., Oddo, M. Neuromonitoring after major neurosurgical procedures. Minerva Anestesiologica. 78 (7), 810-822 (2012).
  4. Le Roux, P., et al. Consensus summary statement of the International Multidisciplinary Consensus Conference on Multimodality Monitoring in Neurocritical Care: A statement for healthcare professionals from the Neurocritical Care Society and the European Society of Intensive Care Medicine. Intensive Care Medicine. 40 (9), 1189-1209 (2014).
  5. Roh, D., Park, S. Brain Multimodality Monitoring: Updated Perspectives. Current Neurology and Neuroscience Reports. 16 (6), 1-10 (2016).
  6. Oddo, M., Villa, F., Citerio, G. Brain multimodality monitoring: An update. Current Opinion in Critical Care. 18 (2), 111-118 (2012).
  7. Sandsmark, D. K., Kumar, M. A., Park, S., Levine, J. M. Multimodal Monitoring in Subarachnoid Hemorrhage. Stroke. 43 (5), 1440-1445 (2012).
  8. Baker, W. B., et al. Continuous non-invasive optical monitoring of cerebral blood flow and oxidative metabolism after acute brain injury. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 39 (8), 1469-1485 (2019).
  9. Menezes Forti, R., et al. Real-time non-invasive assessment of cerebral hemodynamics with diffuse optical spectroscopies in a neuro intensive care unit: an observational study. Frontiers in Medicine. 7 (147), (2020).
  10. Kim, M. N., et al. Noninvasive measurement of cerebral blood flow and blood oxygenation using near-infrared and diffuse correlation spectroscopies in critically brain-injured adults. Neurocritical Care. 12 (2), 173-180 (2010).
  11. Selb, J., et al. Prolonged monitoring of cerebral blood flow and autoregulation with diffuse correlation spectroscopy in neurocritical care patients. Neurophotonics. 5 (04), 1 (2018).
  12. Durduran, T., Choe, R., Baker, W. B., Yodh, A. G. Diffuse optics for tissue monitoring and tomography. Reports on Progress in Physics. 73 (7), 76701 (2010).
  13. Jacques, S. L. Optical properties of biological tissues: a review. Physics in Medicine and Biology. 58 (11), 37-61 (2013).
  14. Durduran, T., Yodh, A. G. Diffuse correlation spectroscopy for non-invasive, micro-vascular cerebral blood flow measurement. NeuroImage. 85, 5163 (2014).
  15. Durduran, T., et al. Diffuse optical measurement of blood flow, blood oxygenation, and metabolism in a human brain during sensorimotor cortex activation. Optics Letters. 29 (15), 1766 (2004).
  16. Selb, J., et al. Sensitivity of near-infrared spectroscopy and diffuse correlation spectroscopy to brain hemodynamics: simulations and experimental findings during hypercapnia. Neurophotonics. 1 (1), 15005 (2014).
  17. Shang, Y., Li, T., Yu, G. Clinical applications of near-infrared diffuse correlation spectroscopy and tomography for tissue blood flow monitoring and imaging. Physiological Measurement. 38 (4), 1-26 (2017).
  18. Mesquita, R. C., et al. Direct measurement of tissue blood flow and metabolism with diffuse optics. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 369 (1955), 4390-4406 (2011).
  19. Culver, J. P., et al. Diffuse optical tomography of cerebral blood flow, oxygenation, and metabolism in rat during focal ischemia. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 23 (8), 911-924 (2003).
  20. Valabrègue, R., Aubert, A., Burger, J., Bittoun, J., Costalat, R. Relation between Cerebral Blood Flow and Metabolism Explained by a Model of Oxygen Exchange. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 23 (5), 536-545 (2003).
  21. Farzam, P., et al. Shedding light on the neonatal brain: probing cerebral hemodynamics by diffuse optical spectroscopic methods. Scientific Reports. 7 (1), 15786 (2017).
  22. Wong, F. Cerebral blood flow measurements in the neonatal brain. Prenatal and Postnatal Determinants of Development. 109, 69-87 (2016).
  23. Busch, D. R., et al. Noninvasive optical measurement of microvascular cerebral hemodynamics and autoregulation in the neonatal ECMO patient. Pediatric Research. , 1-9 (2020).
  24. Dehaes, M., et al. Cerebral oxygen metabolism in neonatal hypoxic ischemic encephalopathy during and after therapeutic hypothermia. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 34 (1), 87-94 (2014).
  25. Ferradal, S. L., et al. Non-invasive assessment of cerebral blood flow and oxygen metabolism in neonates during hypothermic cardiopulmonary bypass: Feasibility and clinical implications. Scientific Reports. 7 (1), 44117 (2017).
  26. Busch, D. R., et al. Continuous cerebral hemodynamic measurement during deep hypothermic circulatory arrest. Biomedical Optics Express. 7 (9), 3461 (2016).
  27. Wang, D., et al. Fast blood flow monitoring in deep tissues with real-time software correlators. Biomedical Optics Express. 7 (3), 776 (2016).
  28. Ko, T. S., et al. Non-invasive optical neuromonitoring of the temperature-dependence of cerebral oxygen metabolism during deep hypothermic cardiopulmonary bypass in neonatal swine. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 40 (1), 187-203 (2018).
  29. Pennekamp, C. W. A. A., et al. Near-infrared spectroscopy can predict the onset of cerebral hyperperfusion syndrome after carotid endarterectomy. Cerebrovascular Diseases. 34 (4), 314-321 (2012).
  30. Pennekamp, C. W. A. A., Bots, M. L., Kappelle, L. J., Moll, F. L., de Borst, G. J. The Value of Near-Infrared Spectroscopy Measured Cerebral Oximetry During Carotid Endarterectomy in Perioperative Stroke Prevention. A Review. European Journal of Vascular and Endovascular Surgery. 38 (5), 539-545 (2009).
  31. Shang, Y., et al. Cerebral monitoring during carotid endarterectomy using near-infrared diffuse optical spectroscopies and electroencephalogram. Physics in Medicine and Biology. 56 (10), 3015-3032 (2011).
  32. Delgado-Mederos, R., et al. Transcranial diffuse optical assessment of the microvascular reperfusion after thrombolysis for acute ischemic stroke. Biomedical Optics Express. 9 (3), 1262 (2018).
  33. Favilla, C. G., et al. Optical Bedside Monitoring of Cerebral Blood Flow in Acute Ischemic Stroke Patients During Head-of-Bed Manipulation. Stroke. 45 (5), 1269-1274 (2014).
  34. Gregori-Pla, C., et al. Early microvascular cerebral blood flow response to head-of-bed elevation is related to outcome in acute ischemic stroke. Journal of Neurology. 266 (4), 990-997 (2019).
  35. Kim, M. N., et al. Continuous optical monitoring of cerebral hemodynamics during head-of-bed manipulation in brain-injured adults. Neurocritical Care. 20 (3), 443-453 (2014).
  36. Ko, T., et al. Prediction of Return of Spontaneous Circulation During Cardiopulmonary Resuscitation using Frequency-Domain Diffuse Optical Spectroscopy in a Pediatric Swine Model of Asphyxial Cardiac Arrest. Biophotonics Congress: Biomedical Optics Congress 2018 (Microscopy/Translational/Brain/OTS). , (2018).
  37. Favilla, C. G., et al. Non-invasive respiratory impedance enhances cerebral perfusion in healthy adults. Frontiers in Neurology. 8, (2017).
  38. Favilla, C. G., et al. Perfusion Enhancement with Respiratory Impedance After Stroke (PERI-Stroke). Neurotherapeutics. 16 (4), 1296-1303 (2019).
  39. Ritzenthaler, T., et al. Cerebral near-infrared spectroscopy a potential approach for thrombectomy monitoring. Stroke. 48 (12), 3390-3392 (2017).
  40. Fantini, S., Sassaroli, A., Tgavalekos, K. T., Kornbluth, J. Cerebral blood flow and autoregulation: current measurement techniques and prospects for noninvasive optical methods. Neurophotonics. 3 (3), 31411 (2016).
  41. Parthasarathy, A. B., et al. Dynamic autoregulation of cerebral blood flow measured non-invasively with fast diffuse correlation spectroscopy. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 38 (2), 230-240 (2018).
  42. Kainerstorfer, J. M., Sassaroli, A., Tgavalekos, K. T., Fantini, S. Cerebral autoregulation in the microvasculature measured with near-infrared spectroscopy. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 35 (6), 959-966 (2015).
  43. Baker, W. B., et al. Noninvasive optical monitoring of critical closing pressure and arteriole compliance in human subjects. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 37 (8), 2691-2705 (2017).
  44. Lin, P. Y., et al. Non-invasive optical measurement of cerebral metabolism and hemodynamics in infants. Journal of Visualized Experiments. (73), e4379 (2013).
  45. Wintermark, P., Hansen, A., Warfield, S. K., Dukhovny, D., Soul, J. S. Near-infrared spectroscopy versus magnetic resonance imaging to study brain perfusion in newborns with hypoxic-ischemic encephalopathy treated with hypothermia. NeuroImage. 85, 287-293 (2014).
  46. Busch, D. R., et al. Detection of brain hypoxia based on noninvasive optical monitoring of cerebral blood flow with diffuse correlation spectroscopy. Neurocritical Care. 30 (1), 72-80 (2019).
  47. Davies, D. J., et al. Cerebral oxygenation in traumatic brain injury: Can a non-invasive frequency domain near-infrared spectroscopy device detect changes in brain tissue oxygen tension as well as the established invasive monitor. Journal of Neurotrauma. 36 (7), 1175-1183 (2019).
  48. Leal-Noval, S. R., et al. Invasive and noninvasive assessment of cerebral oxygenation in patients with severe traumatic brain injury. Intensive Care Medicine. 36 (8), 1309-1317 (2010).
  49. Fantini, S., Franceschini, M. A., Fishkin, J. B., Barbieri, B., Gratton, E. Quantitative determination of the absorption spectra of chromophores in strongly scattering media: a light-emitting-diode based technique. Applied Optics. 33 (22), 5204 (1994).
  50. Fantini, S., et al. Frequency-domain multichannel optical detector for noninvasive tissue spectroscopy and oximetry. Optical Engineering. 34 (1), 32 (1995).
  51. Carpenter, D. A., Grubb, R. L., Tempel, L. W., Powers, W. J. Cerebral oxygen metabolism after aneurysmal subarachnoid hemorrhage. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 11 (5), 837-844 (1991).
  52. Johansen-Berg, H., et al. The role of ipsilateral premotor cortex in hand movement after stroke. Proceedings of the National Academy of Sciences, U.S.A. 99 (22), 14518-14523 (2002).
  53. Hunt, W. E., Hess, R. M. Surgical risk as related to time of intervention in the repair of intracranial aneurysms. Journal of Neurosurgery. 28 (1), 14-20 (1968).
  54. Fisher, C. M., Kistler, J. P., Davis, J. M. Relation of Cerebral Vasospasm to Subarachnoid Hemorrhage Visualized by Computerized Tomographic Scanning. Neurosurgery. 6 (1), 1-9 (1980).
  55. Carey, J. R., et al. Analysis of fMRI and finger tracking training in subjects with chronic stroke. Brain. 125 (4), 773-788 (2002).
  56. Lindenberg, R., Renga, V., Zhu, L. L., Nair, D., Schlaug, G. Bihemispheric brain stimulation facilitates motor recovery in chronic stroke patients. Neurology. 75 (24), 2176-2184 (2010).
  57. Schaechter, J. D., et al. Motor recovery and cortical reorganization after constraint-induced movement therapy in stroke patients: A preliminary study. Neurorehabilitation and Neural Repair. 16 (4), 326-338 (2002).
  58. Dehaes, M., et al. Assessment of the frequency-domain multi-distance method to evaluate the brain optical properties: Monte Carlo simulations from neonate to adult. Biomedical Optics Express. 2 (3), 552 (2011).
  59. Fantini, S., Sassaroli, A. Frequency-domain techniques for cerebral and functional near-infrared spectroscopy. Front Neurosci. 14, 1-18 (2020).
  60. Blaney, G., Sassaroli, A., Pham, T., Fernandez, C., Fantini, S. Phase dual-slopes in frequency-domain near-infrared spectroscopy for enhanced sensitivity to brain tissue: First applications to human subjects. Journal of Biophotonics. 13 (1), 201960018 (2020).
  61. Abdalsalam, O., O'Sullivan, T. D., Howard, S., Zhang, Y. Self-calibrated frequency domain diffuse optical spectroscopy with a phased source array. Optical Tomography and Spectroscopy of Tissue XIII Conference. 1087403, 2 (2019).
  62. Applegate, M. B., Istfan, R. E., Spink, S., Tank, A., Roblyer, D. Recent advances in high speed diffuse optical imaging in biomedicine Recent advances in high speed diffuse optical imaging in biomedicine. APL Photonics. 5, 040802 (2020).
  63. Torricelli, A., et al. Time domain functional NIRS imaging for human brain mapping. NeuroImage. 85, 28-50 (2014).
  64. Pifferi, A., et al. New frontiers in time-domain diffuse optics , a review. Journal of Biomedical Optics. 21 (9), 091310 (2016).
  65. Gagnon, L., Desjardins, M., Jehanne-Lacasse, J., Bherer, L., Lesage, F. Investigation of diffuse correlation spectroscopy in multi-layered media including the human head. Optics Express. 16 (20), 15514 (2008).
  66. Verdecchia, K., et al. Assessment of a multi-layered diffuse correlation spectroscopy method for monitoring cerebral blood flow in adults. Biomedical Optics Express. 7 (9), 3659 (2016).
  67. Liemert, A., Kienle, A. Light diffusion in a turbid cylinder II Layered case. Optics Express. 18 (9), 9266 (2010).
  68. Hallacoglu, B., Sassaroli, A., Fantini, S. Optical characterization of two-layered turbid media for non-invasive, absolute oximetry in cerebral and extracerebral tissue. PLoS One. 8 (5), 64095 (2013).
  69. Alexandrakis, G., Busch, D. R., Faris, G. W., Patterson, M. S. Determination of the optical properties of two-layer turbid media by use of a frequency-domain hybrid Monte Carlo diffusion model. Applied Optics. 40 (22), 3810 (2001).
  70. Martelli, F., Sassaroli, A., Del Bianco, S., Yamada, Y., Zaccanti, G. Solution of the time-dependent diffusion equation for layered diffusive media by the eigenfunction method. Physical Review E - Statistical Physics, Plasmas, Fluids, and Related Interdisciplinary Topics. 67 (5), 14 (2003).
  71. Mesquita, R. C., et al. Influence of probe pressure on the diffuse correlation spectroscopy blood flow signal: extra-cerebral contributions. Biomedical Optics Express. 4 (7), 978 (2013).
  72. Wang, D., et al. Influence of probe pressure on the pulsatile diffuse correlation spectroscopy blood flow signal on the forearm and forehead regions. Neurophotonics. 6 (03), 1 (2019).
  73. Baker, W. B., et al. Pressure modulation algorithm to separate cerebral hemodynamic signals from extracerebral artifacts. Neurophotonics. 2 (3), 35004 (2015).
  74. He, L., et al. Noninvasive continuous optical monitoring of absolute cerebral blood flow in critically ill adults. Neurophotonics. 5 (04), 1 (2018).
  75. Milej, D., et al. Quantification of cerebral blood flow in adults by contrast-enhanced near-infrared spectroscopy: Validation against MRI. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. , (2019).
  76. Diop, M., Verdecchia, K., Lee, T. Y., St Lawrence, K. Calibration of diffuse correlation spectroscopy with a time-resolved near-infrared technique to yield absolute cerebral blood flow measurements. Biomedical Optics Express. 2 (7), 2068 (2011).
  77. Khalid, M., et al. Development of a stand-alone DCS system for monitoring absolute cerebral blood flow. Biomedical Optics Express. 10 (9), 4607 (2019).
  78. Kohl-Bareis, M., et al. Noninvasive monitoring of cerebral blood flow by a dye bolus method: Separation of brain from skin and skull signals. Journal of Biomedical Optics. 7 (3), 464 (2002).

Tags

Medisin utgave 165 diffus optisk spektroskopi diffus korrelasjonsspektroskopi cerebral blodstrøm cerebrovaskulære sykdommer nevrokritisk monitorering hjerneslag intensivavdeling

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

Sanntidsovervåking av nevrokritiske pasienter med diffuse optiske spektroskopi
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