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Medicine

Monitorización en tiempo real de pacientes neurocríticos con espectroscopias ópticas difusas

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

Aquí se presenta un protocolo para monitorear de forma no invasiva la hemodinámica cerebral de pacientes neurocríticos en tiempo real y al lado de la cama utilizando óptica difusa. Específicamente, el protocolo propuesto utiliza un sistema óptico difuso híbrido para detectar y mostrar información en tiempo real sobre la oxigenación cerebral, el flujo sanguíneo cerebral y el metabolismo cerebral.

Abstract

La monitorización neurofisiológica es un objetivo importante en el tratamiento de pacientes neurocríticos, ya que puede prevenir daños secundarios e impactar directamente en las tasas de morbilidad y mortalidad. Sin embargo, actualmente hay una falta de tecnologías adecuadas no invasivas y en tiempo real para el monitoreo continuo de la fisiología cerebral al lado de la cama. Las técnicas ópticas difusas se han propuesto como una herramienta potencial para las mediciones a pie de cama del flujo sanguíneo cerebral y la oxigenación cerebral en el caso de pacientes neurocríticos. Las espectroscopias ópticas difusas se han explorado previamente para monitorear pacientes en varios escenarios clínicos que van desde el monitoreo neonatal hasta intervenciones cerebrovasculares en adultos. Sin embargo, la viabilidad de la técnica para ayudar a los médicos al proporcionar información en tiempo real al lado de la cama sigue sin abordarse en gran medida. Aquí, informamos la traducción de un sistema óptico difuso para el monitoreo continuo en tiempo real del flujo sanguíneo cerebral, la oxigenación cerebral y el metabolismo del oxígeno cerebral durante los cuidados intensivos. La característica en tiempo real del instrumento podría permitir estrategias de tratamiento basadas en la fisiología cerebral específica del paciente en lugar de depender de métricas sustitutas, como la presión arterial. Al proporcionar información en tiempo real sobre la circulación cerebral en diferentes escalas de tiempo con instrumentación relativamente barata y portátil, este enfoque puede ser especialmente útil en hospitales de bajo presupuesto, en áreas remotas y para el monitoreo en campos abiertos (por ejemplo, defensa y deportes).

Introduction

La mayoría de las complicaciones que conducen a resultados deficientes para los pacientes neurológicos críticamente enfermos están relacionadas con lesiones secundarias causadas por deficiencias hemodinámicas cerebrales. Por lo tanto, el monitoreo de la fisiología cerebral de estos pacientes puede impactar directamente las tasas de morbilidad y mortalidad 1,2,3,4,5,6,7. Actualmente, sin embargo, no existe una herramienta clínica establecida para el monitoreo continuo no invasivo en tiempo real de la fisiología cerebral en pacientes neurocríticos al lado de la cama. Entre los posibles candidatos, las técnicas ópticas difusas han sido propuestas recientemente como una herramienta prometedora para llenar este vacío 8,9,10,11. Al medir los cambios lentos (es decir, del orden de decenas a cientos de ms) de la luz infrarroja cercana dispersa difusivamente (~ 650-900 nm) del cuero cabelludo, la espectroscopia óptica difusa (DOS) puede medir las concentraciones de los principales cromóforos en el cerebro, como la oxi- (HbO) cerebral y la desoxihemoglobina (HbR)12,13. Además, es posible medir el flujo sanguíneo cerebral (CBF) con espectroscopia de correlación difusa (EDC)10,14,15,16,17 cuantificando las fluctuaciones rápidas en la intensidad de la luz (es decir, de unos pocos μs a unos pocos ms). Cuando se combinan, DOS y EDC también pueden proporcionar una estimación de la tasa metabólica cerebral de oxígeno (CMRO2)18,19,20.

La combinación de DOS y EDC se ha explorado para monitorear a los pacientes en varios escenarios preclínicos y clínicos. Por ejemplo, se ha demostrado que la óptica difusa proporciona información clínica relevante para neonatos críticamente enfermos 21,22,23,24, incluso durante cirugías cardíacas para tratar defectos cardíacos 23,25,26,27,28 . Además, varios autores han explorado el uso de óptica difusa para evaluar la hemodinámica cerebral durante diferentes intervenciones cerebrovasculares, como la endarterectomía carotídea 29,30,31, los tratamientos trombolíticos para el accidente cerebrovascular 32, las manipulaciones de cabecera de cama 33,34,35, la reanimación cardiopulmonar 36 y otros37,38, 39. Cuando también se dispone de monitorización continua de la presión arterial, la óptica difusa puede ser utilizada para monitorizar la autorregulación cerebral, tanto en sujetos sanos como en estado crítico 11,40,41,42, así como para evaluar la presión crítica de cierre de la circulación cerebral 43. Varios autores han validado las mediciones de CBF con DCS contra diferentes medidas de CBF estándar de oro 18, mientras que CMRO2 medido con óptica difusa ha demostrado ser un parámetro útil para la monitorización neurocrítica 8,18,23,24,28,43,44,45 . Además, estudios previos han validado los parámetros hemodinámicos cerebrales derivados ópticamente para la monitorización a largo plazo de pacientes neurocríticos 8,9,10,11, incluyendo la predicción de eventos hipóxicos 46,47,48 e isquémicos 8.

La fiabilidad de las técnicas ópticas difusas para proporcionar información valiosa en tiempo real durante las mediciones longitudinales, así como durante las intervenciones clínicas, sigue sin abordarse en gran medida. El uso de un sistema DOS independiente se comparó previamente con los monitores invasivos de tensión de oxígeno del tejido cerebral, y se consideró que DOS no tenía una sensibilidad suficiente para reemplazar los monitores invasivos. Sin embargo, aparte de utilizar poblaciones relativamente pequeñas, la comparación directa de los monitores invasivos y no invasivos puede ser errónea ya que cada técnica sondea diferentes volúmenes que contienen diferentes partes de la vasculatura cerebral. Aunque estos estudios finalmente concluyeron que la óptica difusa no es un reemplazo para los monitores invasivos, en ambos estudios DOS logró una precisión de moderada a buena, que puede ser suficiente para casos y / o lugares en los que los monitores invasivos no están disponibles.

En relación con otros enfoques, la ventaja clave de la óptica difusa es su capacidad para medir simultáneamente el flujo sanguíneo y la oxigenación de la sangre de los tejidos de forma no invasiva (y continua) al lado de la cama utilizando instrumentación portátil. En comparación con la ecografía Doppler transcraneal (TCD), la EDC tiene una ventaja adicional: mide la perfusión a nivel del tejido, mientras que la TCD mide la velocidad del flujo sanguíneo cerebral en las arterias grandes en la base del cerebro. Esta distinción puede ser particularmente importante cuando se evalúan enfermedades esteno-oclusivas en las que tanto el flujo arterial grande proximal como los colaterales leptomeníngeos contribuyen a la perfusión. Las técnicas ópticas también tienen ventajas en comparación con otras modalidades de imagen tradicionales, como la tomografía por emisión de positrones (PET) y la resonancia magnética (MRI). Además de proporcionar simultáneamente medidas directas de las concentraciones de CBF y HbO/HbR, lo que no es posible con la RM o la PET solas, la monitorización óptica también proporciona una resolución temporal significativamente mejor, permitiendo, por ejemplo, la evaluación de la autorregulación cerebral dinámica40,41,42 y la evaluación de cambios hemodinámicos en evolución dinámica. Además, la instrumentación óptica difusa es barata y portátil en comparación con la PET y la RM, lo cual es una ventaja crítica dada la alta carga de enfermedad vascular en los países de ingresos bajos y medios.

El protocolo propuesto aquí es un entorno para la neuromonitorización en tiempo real de los pacientes en la unidad de cuidados intensivos (UCI). El protocolo utiliza un dispositivo óptico híbrido junto con una interfaz gráfica de usuario (GUI) clínicamente amigable y sensores ópticos personalizados para sondear a los pacientes (Figura 1). El sistema híbrido empleado para mostrar este protocolo combina dos espectroscopías ópticas difusas de módulos independientes: un módulo DOS de dominio de frecuencia comercial (FD-) y un módulo DCS casero (Figura 1A). El módulo FD-DOS49,50 consta de 4 tubos fotomultiplicadores (PMT) y 32 diodos láser que emiten a cuatro longitudes de onda diferentes (690, 704, 750 y 850 nm). El módulo DCS consiste en un láser de larga coherencia que emite a 785 nm, 16 contadores de fotón único como detectores y una placa correlacionadora. La frecuencia de muestreo para el módulo FD-DOS es de 10 Hz y la frecuencia máxima de muestreo para el módulo DCS es de 3 Hz. Para integrar los módulos FD-DOS y DCS, se programó un microcontrolador dentro de nuestro software de control para cambiar automáticamente entre cada módulo. El microcontrolador es responsable de encender y apagar los láseres FD-DOS y DCS, así como los detectores FD-DOS para permitir mediciones intercaladas de cada módulo. En total, el sistema propuesto puede recolectar una muestra combinada de FD-DOS y DCS cada 0.5 a 5s, dependiendo de los requisitos de la relación señal-ruido (SNR) (tiempos de recolección más largos conducen a una mejor SNR). Para acoplar la luz a la frente, desarrollamos una sonda óptica impresa en 3D que se puede personalizar para cada paciente (Figura 1B), con separaciones fuente-detector que varían entre 0,8 y 4,0 cm. Las separaciones estándar fuente-detector utilizadas en los ejemplos presentados aquí son 2,5 cm para DCS y 1,5, 2,0, 2,5 y 3,0 cm para FD-DOS.

La característica principal del protocolo presentado en este estudio es el desarrollo de una interfaz en tiempo real que puede controlar el hardware con una GUI amigable y mostrar los principales parámetros de fisiología cerebral en tiempo real bajo diferentes ventanas temporales (Figura 1C). La canalización de análisis en tiempo real desarrollada dentro de la GUI propuesta es rápida y tarda menos de 50 ms en calcular los parámetros ópticos (consulte el Material suplementario para obtener más detalles). La GUI se inspiró en los instrumentos clínicos actuales ya disponibles en la neuro-UCI, y se adaptó a través de una amplia retroalimentación por parte de los usuarios clínicos durante la traducción del sistema a la neuro-UCI. En consecuencia, la GUI en tiempo real puede facilitar la adopción del sistema óptico por parte del personal regular del hospital, como neurointensivistas y enfermeras. La amplia adopción de la óptica difusa como herramienta de investigación clínica tiene el potencial de mejorar su capacidad para monitorear datos fisiológicamente significativos y, en última instancia, puede demostrar que la óptica difusa es una buena opción para monitorear de forma no invasiva a pacientes neurocríticos en tiempo real.

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Protocol

El protocolo fue aprobado por el comité local de la Universidad de Campinas (número de protocolo 56602516.2.0000.5404). Se obtuvo el consentimiento informado por escrito del paciente o de un representante legal antes de las mediciones. Monitorizamos pacientes que fueron ingresados en el Hospital Clínico de la Universidad de Campinas con un diagnóstico de accidente cerebrovascular isquémico o hemorragia subaracnoidea que afecta la circulación anterior. Los pacientes con accidentes cerebrovasculares isquémicos que afectan la circulación posterior, los pacientes con craneectomías descompresivas debido a la presión intracraneal elevada y los pacientes con otras enfermedades neurodegenerativas (demencia, Parkinson o cualquier otra enfermedad que pueda asociarse con atrofia cortical) fueron excluidos del protocolo del estudio.

1. Preparativos antes de trasladar el sistema a la UCI

  1. Conecte todas las fibras a los láseres y detectores pertinentes, y asegúrese de que estén correctamente conectados a la sonda óptica (Figura 1B).
  2. Compruebe que la sonda óptica esté cubierta con un paño negro para evitar que los láseres brillen en la habitación.
  3. Gire el interruptor de encendido del sistema a la posición 'ON'. Después de encender el sistema, espere 30 segundos y luego gire el interruptor de la llave láser DCS a la posición 'ON'. Los láseres FD-DOS se encienden automáticamente cuando se enciende el sistema.
  4. Mientras se prepara el sistema, obtenga el consentimiento del participante o de un representante legal. Después de obtener el consentimiento, lleve el carrito a la habitación del paciente.
    NOTA: Dado que el sistema híbrido tiene una batería incorporada que dura hasta 45 minutos, no es necesario apagarla durante el transporte.

2. Ajustes de calibración y ganancia del sistema DOS

  1. Al llegar a la UCI, apague el láser DCS cambiando la llave a la posición "OFF".
  2. Comenzando con el fantasma sólido marcado 'Calibrar', ejecute el proceso de calibración en el software FD-DOS (BOXY, ISS) siguiendo los pasos a continuación.
    1. En el menú 'Archivo', cargue el archivo de configuración apropiado para la sonda que se está utilizando haciendo clic en la opción 'Cargar archivo de configuración'.
    2. Coloque la sonda en el lado curvo del fantasma, asegurando un buen contacto con la superficie y luego optimice el voltaje de polarización PMT haciendo clic en el botón 'Optimizar todos los detectores' en el software FD-DOS.
    3. Ejecute la calibración para múltiples separaciones de detector de fuente haciendo clic en la opción 'Calc. Valores para accesorios ópticos. y Distancias múltiples' del menú 'Calibrar' .
    4. Abra la opción 'Cálculos definidos por el usuario' del menú 'Text-Mon' para comprobar que las propiedades ópticas medidas coinciden con los valores preespecificados (escritos en el fantasma sólido) y que el ajuste R2 está cerca de uno.
  3. Repita los pasos anteriores (excepto el paso 2.2.3) para medir las propiedades ópticas del fantasma marcado como "Comprobación" para asegurarse de que la calibración fue adecuada. Las propiedades ópticas medidas deben coincidir, dentro del 10%, con los valores especificados en los fantasmas.
    PRECAUCIÓN: Asegúrese de apagar los PMT (haciendo clic en el botón 'Todos los detectores apagados') cada vez que se mueva la sonda para evitar dañar los PMT debido a la iluminación directa de la luz ambiental.
  4. Si la calibración no es adecuada, vuelva a ejecutar el proceso de calibración (pasos 2.2 y 2.3). Asegurar una buena calibración del sistema FD-DOS es esencial para la validez de las mediciones FD-DOS.

3. Preparación del participante al lado de la cama

  1. Use toallitas desinfectantes para limpiar tanto la sonda como la frente del paciente.
  2. Coloque la cinta de doble cara en la sonda (Figura 1B), asegurándose de que la cinta no esté en contacto directo con las puntas de fibra óptica.
  3. Coloque un láser de seguridad googles sobre el sujeto.
  4. Coloque las sondas sobre la región de interés (ROI) y envuelva las correas elásticas alrededor de la cabeza del sujeto. Aunque no es estrictamente necesario para FD-DOS y DCS, es aconsejable cubrir la sonda óptica con un paño negro o vendaje negro para reducir el ruido debido a la luz ambiental.
    NOTA: Es importante asegurarse de que la correa elástica no esté ni demasiado apretada ni demasiado floja. Si la correa está demasiado apretada, puede causar molestias significativas al paciente, y si la correa está demasiado floja, puede provocar una mala calidad de los datos, ya que la cinta de doble cara no es lo suficientemente fuerte como para mantener las sondas en su lugar.
  5. Después de que la sonda esté correctamente asegurada a la frente del paciente, encienda el láser DCS cambiando la llave a la posición 'ON'.
    PRECAUCIÓN: El sistema DCS utiliza un láser de clase 3B que es peligroso para la exposición ocular. Es muy importante encender los láseres solo cuando la sonda esté correctamente conectada a la frente del paciente.

4. Evaluación de la calidad de los datos

  1. Antes de comenzar a adquirir datos con la GUI, escriba las separaciones del detector de fuentes DCS en la pestaña 'Configuración' de la GUI.
    NOTA: El sistema DCS no requiere un paso de calibración, pero la entrada adecuada de las separaciones fuente-detector es necesaria para el análisis en tiempo real (consulte Material suplementario para obtener más detalles).
  2. Inicie el software de adquisición presionando el botón 'Inicio' en la GUI y verifique la señal de DOS en el software FD-DOS:
    1. Haga clic en el botón 'Optimizar todos los detectores' en el software FD-DOS para optimizar el voltaje de polarización PMT.
    2. Compruebe las propiedades ópticas y la R2 de la conexión DOS en la opción 'Cálculo definido por el usuario' del menú 'Text-Mon'. El coeficiente R 2 debe estar cerca de la unidad y, como regla general, el coeficiente de absorción de los pacientes humanos debe estar dentro de 0,05 y 0,2 cm-1, mientras que el coeficiente de dispersión debe estar dentro de 6 y 13 cm-113.
  3. Compruebe la señal DCS en la pestaña 'Curvas de correlación' de la GUI.
    1. Encienda los detectores DCS girando los interruptores a la posición 'ON' .
    2. Asegúrese de que cada detector DCS está midiendo una intensidad de luz adecuada. Como regla general, se requieren más de 10 kHz.
    3. Si la intensidad medida es superior a 800 kHz, utilice un filtro de densidad neutra para reducir el recuento de fotones y evitar dañar los detectores. Esto suele ser un problema para separaciones de detector de fuente más cortas (< 1 cm).
      NOTA: Además de dañar potencialmente los detectores DCS, los recuentos de fotones superiores a 800 kHz también pueden provocar errores debido a efectos no lineales en el detector.
    4. Compruebe las curvas de autocorrelación para garantizar un buen acoplamiento de la piel (consulte los resultados representativos y la figura 2) y vuelva a colocar la sonda óptica si es necesario.
    5. Si fue necesario reposicionar la sonda en el paso anterior, repita los pasos 4.2 y 4.3. Es posible que estos pasos deban repetirse varias veces.
      NOTA: Los detectores DCS y FD-DOS deben apagarse cada vez que se mueve la sonda. Para apagar los detectores DCS, mueva manualmente los interruptores a la posición 'OFF'. El detector FD-DOS se apaga haciendo clic en el botón 'All Detectors OFF' en el software FD-DOS.
  4. Cuando se logre un buen contacto entre la sonda y la piel, detenga la recopilación de datos haciendo clic en el botón 'Detener' en la GUI. Luego, establezca el experimento y los identificadores de pacientes en el cuadro de texto 'Carpeta' y escriba el nombre del ROI en el cuadro de texto 'Nombre de archivo'.
  5. Inicie la adquisición de datos presionando el botón 'Inicio' en la GUI.
  6. Recopile datos en el primer ROI durante el tiempo que requiera el protocolo. Si es necesario, mueva la sonda a los otros ROI y repita la medición.
    NOTA: El período de monitoreo puede variar dependiendo de los objetivos del estudio.

5. Consideraciones para el experimentador durante la medición

  1. Después de comenzar la medición, escriba en la pestaña 'Información del experimento' de la GUI la información relevante del paciente (por ejemplo, tipo y ubicación de la lesión, medicamentos administrados, edad, sexo, etc.).
  2. Asegúrese de que cualquier evento relevante que haya ocurrido durante el período de monitoreo esté marcado haciendo clic en el botón 'Marcar' en la GUI. Después de cada marca, asegúrese de escribir la descripción del evento en la pestaña 'Información del experimento' de la GUI.

6. Detener la recopilación de datos

  1. Detenga la recopilación de datos presionando el botón 'Detener' en la GUI.
  2. Detenga el software FD-DOS presionando el botón de detención de adquisición y grabación de datos representado como dos cuadrados rojos en el software FD-DOS.
  3. Apague los detectores DCS girando los interruptores a la posición 'OFF' y apague el láser DCS girando la llave a la posición 'OFF' .
  4. Apague los PMT del módulo FD-DOS haciendo clic en el botón 'All Detectors OFF'.
  5. Retire la sonda de la cabeza del paciente y retire la cinta de doble cara de la sonda. Luego, limpie la sonda con toallitas desinfectantes.
  6. Repita la medición de las propiedades ópticas de cada fantasma sólido tan pronto como sea posible para asegurarse de que la calibración sigue siendo adecuada durante toda la sesión de monitorización (véase el paso 4.2.2).
    NOTA: Idealmente, el paso de calibración debe realizarse inmediatamente después de retirar las sondas ópticas de la cabeza del paciente (paso 6.6). Sin embargo, debido a problemas de tiempo, en los ejemplos presentados en la siguiente sección esto se hizo en la instalación de almacenamiento.
  7. Limpie el sistema y sus accesorios con toallitas desinfectantes.
  8. Lleve el carro de vuelta al almacén.

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Representative Results

Idealmente, las curvas de autocorrelación normalizadas obtenidas con el módulo DCS deberían ser aproximadamente 1.5 en la extrapolación de tiempo de retardo cero (cuando se usan fibras monomodo14), y las curvas deberían decaer a 1 en tiempos de retardo más largos. La curva debe ser suave y debe tener un decaimiento más rápido para las separaciones más largas fuente-detector. Un ejemplo de una buena autocorrelación se muestra en la Figura 2A. La figura 2B muestra un ejemplo de una curva de autocorrelación incorrecta; En este ejemplo no es posible distinguir las curvas para las diferentes separaciones fuente-detector. La Figura 2C muestra otro ejemplo de una curva de autocorrelación incorrecta, en la que la cola de la curva no coincidía con el modelo utilizado. El problema en ambas curvas (Figura 2B, C) está relacionado con un mal acoplamiento de la sonda sobre la piel o con una fuga de luz de la fuente directamente en las separaciones más cortas fuente-detector.

Como ejemplo de la importancia de mostrar la neurofisiología en diferentes ventanas de tiempo para interpretar correctamente los cambios observados en tiempo real antes de relacionar los cambios con el comportamiento clínico, la Figura 3 muestra la serie temporal de una sesión de monitorización de un paciente sedado con accidente cerebrovascular, como se ve en la GUI por el personal de cuidados críticos. Durante parte de la sesión de monitorización, los médicos succionaron las secreciones bronquiales y orales del paciente (representadas por el área sombreada en la Figura 3). El movimiento del paciente inducido por la intervención perturba claramente la señal óptica, lo que conduce a los picos no fisiológicos en los parámetros ópticos; Por lo tanto, es difícil atribuir algún significado fisiológico a estos cambios. Poco después de la intervención, los parámetros hemodinámicos volvieron a aproximadamente los mismos valores antes de la intervención, como se esperaba para un paciente estable. Este ejemplo ilustra la estabilidad del sistema en tiempo real en la neuro-UCI, así como la importancia de analizar la hemodinámica de un paciente en diferentes ventanas temporales.

Para ilustrar la viabilidad del dispositivo óptico difuso híbrido para proporcionar información significativa en la neuro-UCI, presentamos el caso de una mujer de 50 años con antecedentes de diabetes, hipertensión e insuficiencia cardíaca congestiva, que ingresó con hemiparesia izquierda y se encontró que tenía un accidente cerebrovascular isquémico debido a la oclusión del MCA derecho (escala de accidente cerebrovascular NIH = 11). La Figura 4 muestra los parámetros medios derivados de la óptica y la TC al decimotercer día después de la hospitalización, mientras el paciente estaba intubado y sedado. Durante esta sesión de monitorización, CBF y CMRO2 en la frente ipsilesional fueron considerablemente más bajos que sus parámetros contralesionales en la región simétrica. Este resultado es consistente con un déficit de perfusión y necrosis tisular posterior causada por una isquemia de vasos grandes. En particular, aunque el CBF fue menor en el hemisferio ipsilesional, se encontró un OEF alto en ambos hemisferios. Esto puede ser consistente con la idea de perfusión de miseria, un estado en el que hay un alto consumo de oxígeno (OEF alto) a pesar de CBF bajo (pero no nulo) ya que el tejido intenta promover la recuperación 8,51,52. Actualmente, la perfusión de miseria es difícil de diagnosticar en la neuro-UCI. Aunque se necesita un estudio más amplio con pacientes con accidente cerebrovascular isquémico agudo para evaluar la sensibilidad de las espectroscopias ópticas difusas para detectar la perfusión de miseria, este ejemplo demuestra el potencial del sistema óptico difuso para evaluar información clínicamente importante en tiempo real.

Por último, presentamos los resultados longitudinales obtenidos de una mujer de 62 años que ingresó en la neuro-UCI por una hemorragia subaracnoidea grave por aneurisma en la arteria cerebral media derecha (ACM), con Grado V en la escala de Hunt & Hess (es decir, prediciendo un mal resultado y una baja probabilidad de supervivencia)53 y Grado III en la Escala de Fisher (es decir, riesgo bajo a alto de vasoespasmo)54. Este paciente fue monitorizado durante toda la hospitalización, y todos los parámetros hemodinámicos cerebrales fueron consistentes con la evolución clínica de la condición del paciente. Remitimos al lector interesado a un caso-informe recientemente publicado que contiene la descripción completa de este caso9. Para ilustrar la viabilidad de realizar mediciones en diferentes días, la Figura 5 muestra un análisis fuera de línea de los datos recopilados con el sistema en varias sesiones durante la hospitalización del caso descrito anteriormente y presentado en detalle en ref.9. Aquí, el índice de lateralidad (LI) se calculó para cada parámetro fisiológico como:

Equation 1

donde X representa la variable medida (es decir, CBF, OEF, CMRO2), y el subíndice denota el hemisferio cerebral. Con el LI es posible comparar directamente las diferencias entre cada hemisferio durante toda la hospitalización. El índice de lateralidad ha demostrado ser muy útil para diferentes escenarios clínicos52,55,56,57, y puede ser fácilmente evaluado con el protocolo aquí presentado midiendo secuencialmente regiones simétricas en ambos hemisferios. La presión arterial media (PAM) se recogió con un instrumento independiente disponible en la neuro-UCI, y también se muestra en la Figura 5 como referencia.

Un análisis cuidadoso de la Figura 5 revela dos períodos significativos de deterioro hemisférico. El primer período ocurrió entre el primer y el tercer día después de la hospitalización, en el que todos los parámetros neurofisiológicos en el ROI ipsilesional aumentaron más que en el ROI contralesional simétrico. Este aumento de LI en el tercer día después de la hospitalización podría ser un indicativo de un posible intento homeostático de restaurar el equilibrio metabólico del tejido afectado. Durante el segundo período, a partir del tercer día de hospitalización, el LI disminuyó continuamente, lo que fue consistente con el empeoramiento de la condición del paciente. En este caso, el paciente murió después de 9 días de hospitalización.

Figure 1
Figura 1: El entorno óptico desarrollado para monitorear a los pacientes dentro de una unidad de cuidados intensivos. (A) El sistema óptico difuso híbrido combina un módulo de espectroscopía óptica difusa (DOS) en el dominio de frecuencia y un módulo de espectroscopia de correlación difusa (DCS). (B) La sonda personalizable propuesta en este estudio tiene por defecto 4 separaciones fuente-detector (0,7, 1,5, 2,5 y 3,0 cm) para DCS y 4 separaciones fuente-detector para DOS (1,5, 2,0, 2,5 y 3,0 cm). Para simplificar, los ejemplos presentados aquí solo utilizaron la separación fuente-detector de 2,5 cm para DCS. (C) La interfaz gráfica de usuario (GUI) en tiempo real controla el sistema óptico difuso y muestra el flujo sanguíneo cerebral medido (CBF), la fracción de extracción de oxígeno (OEF) y la tasa metabólica cerebral de oxígeno (CMRO 2) en tiempo real, tanto dentro de una ventana de tiempo de 5 minutos (paneles izquierdos) como dentro de una ventana de tiempo de2 h (paneles derechos). En la parte inferior de la GUI, el investigador puede presionar botones para iniciar y detener la recopilación de datos, para adquirir un período de referencia para la comparación y para marcar cualquier intervención relevante. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Curvas de autocorrelación representativas para el módulo DCS. (A) Un ejemplo de una buena autocorrelación, que fue aproximadamente 1.5 en la extrapolación de tiempo de retardo cero y decayó a 1 en tiempos de retardo más largos. Como era de esperar, las curvas de autocorrelación decayeron más rápido para las separaciones más largas fuente-detector. (B) Un ejemplo de una mala curva de autocorrelación, donde no es posible distinguir las curvas para las diferentes separaciones fuente-detector. (C) Otro ejemplo de una mala curva de autocorrelación, en la que la cola de la curva no coincidía con el modelo utilizado. Los problemas en (B) y (C) están relacionados con un mal acoplamiento de la sonda sobre la piel o con una fuga de luz de la fuente directamente en las separaciones más cortas fuente-detector. El investigador puede ver las curvas en la pestaña 'Curvas de correlación' en la GUI. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Fisiología cerebral de una sesión de monitoreo de un paciente sedado con accidente cerebrovascular, como se vería en la GUI por el personal de cuidados críticos. La GUI muestra el flujo sanguíneo cerebral (CBF, en rojo), la fracción de extracción de oxígeno (OEF, en azul) y la tasa metabólica cerebral de oxígeno (CMRO 2, en verde) en tiempo real para ventanas de tiempo cortas (es decir, 5 min) y (B) largas (es decir,2 h), así como un valor promedio (C) en los últimos 5 min. Durante parte de esta sesión de monitoreo, los médicos succionaron las secreciones bronquiales y orales del paciente (representadas por el área sombreada en B). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Información neurofisiológica de un paciente diagnosticado de ictus isquémico grave en la arteria cerebral media derecha al decimotercer día después de la hospitalización. (A) Flujo sanguíneo cerebral (CBF), fracción de extracción de oxígeno (OEF), tasa metabólica cerebral de oxígeno (CMRO2) y concentración total de hemoglobina (HbT) medida con el sistema óptico difuso en los hemisferios contralesional e ipsilesional. (B) Tomografía computarizada (TC) a partir de la medición de un solo día del paciente. Las áreas rojas en las imágenes de TC representan la presunta región de sensibilidad óptica y la elipse púrpura muestra la ubicación aproximada de la lesión. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Evolución temporal del índice de lateralidad para los parámetros fisiológicos derivados ópticamente en una paciente femenina de 62 años tras hemorragia subaracnoidea aneurismática (HASA) de alto grado. Los cambios en la región de interés ipsilesional (ROI) en comparación con los cambios en el ROI contralesional se muestran en el eje izquierdo para el flujo sanguíneo cerebral (CBF, círculos rojos), la fracción de extracción de oxígeno (OEF, diamante azul) y la tasa metabólica cerebral de oxígeno (CMRO2, triángulos verdes). La evolución de la presión arterial media (PAM, cuadrados grises) se recogió de forma independiente, y se muestra en el eje derecho para la comparación. Las barras de error de cada punto representan la desviación estándar de cada parámetro a lo largo de la sesión de supervisión. Durante algunos días, la desviación estándar era demasiado pequeña para ser mostrada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Materiales complementarios. Haga clic aquí para descargar este archivo.

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Discussion

Este documento presentó un sistema óptico híbrido que puede proporcionar información en tiempo real sobre el flujo sanguíneo cerebral, la oxigenación cerebral y el metabolismo del oxígeno cerebral de pacientes neurocríticos al lado. El uso de técnicas ópticas difusas se había abordado previamente como un marcador potencial para la monitorización no invasiva a pie de cama en escenarios clínicos. Un estudio previo se centró en los aspectos clínicos y la viabilidad de la monitorización óptica durante la hospitalización en la neuro-UCI a través de un informe de caso9. El enfoque de este trabajo es detallar aspectos relevantes e innovadores relacionados con el monitoreo en tiempo real con óptica difusa. Específicamente, este documento propuso una GUI en tiempo real que proporciona información clara y útil para los médicos. La GUI permite una fácil comparación de diferentes períodos de tiempo, lo cual es importante para interpretar datos clínicamente relevantes. La implementación de la GUI presentada aquí se puede traducir fácilmente para el sistema DCS basado en un correlacionador de software con la advertencia de que la frecuencia de visualización en tiempo real debe limitarse a ~ 20 Hz. El promedio en tiempo real de las curvas de autocorrelación se puede utilizar para reducir las tasas de adquisición más rápidas de la muestra. En el futuro, la información en tiempo real proporcionada por el protocolo propuesto puede usarse para guiar la terapia, mejorando potencialmente el resultado clínico de los pacientes neurocríticos.

Este trabajo también propone el uso de una sonda óptica personalizable que puede abordar diferentes configuraciones y, por lo tanto, adaptarse a diferentes propósitos y necesidades para los médicos. La selección adecuada de la separación fuente-detector es un paso crítico para maximizar la sensibilidad cerebral de la óptica difusa. En la mayoría de los casos, una sonda óptima para mediciones de EDC en adultos debe tener al menos una separación de detector de fuente corta (< 1 cm) y larga (> 2,5 cm). Se demostró que la separación fuente-detector largo proporciona el mejor compromiso entre la relación señal-ruido (SNR) y la sensibilidad cerebral 12,14,16, mientras que la separación corta es principalmente sensible a los tejidos extracerebrales y es útil para diferenciar los cambios extracerebrales de los cambios cerebrales12,16 . Para FD-DOS, una sonda simple que proporciona un compromiso razonable entre SNR y sensibilidad cerebral en adultos contiene 4 separaciones fuente-detector (1.5, 2.0, 2.5 y 3.0 cm)58. El paso más crítico para una medición FD-DOS es el procedimiento de calibración que es necesario para comparar los cambios de CA y fase de diferentes fibras (Sección 2 del protocolo). Una calibración deficiente de un sistema FD-DOS puede conducir a grandes errores en los valores recuperados de las propiedades ópticas del tejido, lo que afectará la precisión tanto de la oxigenación cerebral como de los valores de flujo sanguíneo cerebral. De importancia, el protocolo propuesto en este estudio se centra en una sonda óptica para FD-DOS que contiene un solo PMT y múltiples fuentes de luz. El procedimiento de calibración descrito aquí debe modificarse para experimentos que utilicen múltiples detectores. Para estudios que utilizan múltiples detectores, el voltaje de polarización del PMT no debe cambiarse durante el procedimiento de calibración, por lo que es necesaria una selección cuidadosa de las propiedades ópticas de los fantasmas de calibración.

Además de las mediciones de oxigenación cerebral, el módulo DOS también mejora el cálculo de CBF, ya que el modelo DCS también depende de las propiedades ópticas del tejido. Este estudio empleó un sistema FD-DOS comercial con una sola frecuencia de modulación para recuperar las propiedades ópticas y la oxigenación cerebral. Sin embargo, existen otras alternativas que podrían proporcionar información más precisa, como el DOS de dominio del tiempo o los sistemas FD-DOS multifrecuencia 59,60,61,62,63,64. Estos sistemas pueden reducir la complejidad experimental, ya que requieren una única separación fuente-detector para recuperar la fisiología cerebral, mientras que el FD-DOS tradicional empleado aquí requiere múltiples separaciones fuente-detector y, por lo tanto, múltiples fibras unidas a la cabeza. Además, dado que el principal interés de este protocolo eran las tendencias a largo plazo en la fisiología cerebral, este estudio optó por realizar mediciones intercaladas de DOS y DCS. En el futuro, para evitar la contaminación cruzada y aumentar la frecuencia de muestreo, es posible adquirir mediciones simultáneas de DOS y DCS mediante la inclusión de filtros de muesca en los detectores DOS y DCS.

Una limitación del protocolo actual es la restricción de la colocación de la sonda en la frente. A partir de ahora, es difícil adquirir mediciones de DCS a través del cabello. Esto no es un problema para los insultos que cubren una porción más grande del cerebro, como suele ser el caso en la neuro-UCI. Sin embargo, las mediciones en la frente pueden no ser sensibles a pequeños accidentes cerebrovasculares MCA o PCA, por ejemplo. Con mejoras adicionales de las sondas ópticas, puede ser posible medir a través del cabello, y al combinar el sistema con un dispositivo de neuronavegación sería posible realizar mediciones sobre un pequeño ROI local. Al recopilar información espacial detallada sobre la información óptica, esperamos una mejora notable en la sensibilidad de la óptica difusa a las deficiencias hemodinámicas debidas a trastornos cerebrovasculares focales.

Finalmente, es importante mencionar algunas limitaciones de las técnicas ópticas difusas. En primer lugar, la óptica difusa es inherentemente sensible al tejido extracerebral, y puede ser necesario un mejor modelado de los datos para explicar adecuadamente la diferencia en las fisiologías extracerebral y cerebral 65,66,67,68,69,70. Además, la medición DCS de CBF es sensible a la presión externa de la sonda óptica contra el tejido. Por ejemplo, al aumentar la presión de la sonda reducimos el flujo sanguíneo en los tejidos externos, lo que también reducirá el CBF medido por DCS71,72,73. Tenga en cuenta, sin embargo, que aunque el CBF se reduce debido al aumento de la presión de la sonda, la pulsatilidad de la frecuencia cardíaca de CBF no cambia72. Curiosamente, es posible utilizar estos cambios en CBF debido a la presión de la sonda externa para separar las fisiologías extracerebral y cerebral73. Por último, el CBF derivado óptico tiene unidades físicas (es decir, cm2/s) en lugar de las unidades clínicas más habituales (es decir, ml/100g de tejido/min). Algunos autores han propuesto el uso de verde de indocianina (ICG) para recuperar el CBF absoluto de DOS y calibrar el índice CBF de EDC a unidades clínicas absolutas 74,75,76,77,78. Sin embargo, la precisión del factor de calibración de ICG puede no traducirse directamente a diferentes situaciones debido a anomalías en la macro y microcirculación después de un trauma cerebral.

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Disclosures

El(los) autor(es) declararon(n) los siguientes conflictos de intereses potenciales con respecto a la investigación, autoría y/o publicación de este artículo: RC Mesquita tiene una solicitud de patente pendiente y otras dos patentes relevantes para este trabajo (patentes de Estados Unidos 10,342,488 y 10,064,554). Ningún autor recibe actualmente regalías o pagos de estas patentes.

   

Acknowledgments

Reconocemos el apoyo de la Fundación de Investigación de São Paulo (FAPESP) a través de Proc. 2012/02500-8 (RM), 2014/25486-6 (RF) y 2013/07559-3. Los financiadores no tuvieron ningún papel en el diseño del estudio, la recopilación y el análisis de datos, la decisión de publicar o la preparación del manuscrito.

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 Número 165 espectroscopia óptica difusa espectroscopia de correlación difusa flujo sanguíneo cerebral trastornos cerebrovasculares monitorización neurocrítica accidente cerebrovascular unidad de cuidados intensivos

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

Monitorización en tiempo real de pacientes neurocríticos con espectroscopias ópticas difusas
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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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