Waiting
Login processing...

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

Medicine

Diffüz Optik Spektroskopilerle Nörokritik Hastaların Gerçek Zamanlı İzlenmesi

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

Burada, nörokritik hastaların serebral hemodinamiğini gerçek zamanlı olarak ve yatak başında diffüz optik kullanılarak invaziv olmayan bir şekilde izlemek için bir protokol sunulmuştur. Spesifik olarak, önerilen protokol, serebral oksijenasyon, serebral kan akışı ve serebral metabolizma hakkında gerçek zamanlı bilgileri tespit etmek ve görüntülemek için hibrit bir yaygın optik sistemler kullanır.

Abstract

Nörofizyolojik monitörizasyon, sekonder hasarı önleyebileceği ve morbidite ve mortalite oranlarını doğrudan etkileyebileceği için nörokritik hastaların tedavisinde önemli bir hedeftir. Bununla birlikte, şu anda yatak başında serebral fizyolojinin sürekli izlenmesi için uygun non-invaziv, gerçek zamanlı teknolojilerin eksikliği vardır. Diffüz optik teknikler, nörokritik hastalarda serebral kan akımı ve serebral oksijenasyonun yatak başı ölçümleri için potansiyel bir araç olarak önerilmiştir. Diffüz optik spektroskopiler, yenidoğan monitörizasyonundan yetişkinlerde serebrovasküler müdahalelere kadar çeşitli klinik senaryolarda hastaları izlemek için daha önce araştırılmıştır. Bununla birlikte, tekniğin klinisyenlere yatak başında gerçek zamanlı bilgi sağlayarak yardımcı olma fizibilitesi büyük ölçüde ele alınmamıştır. Burada, yoğun bakım sırasında serebral kan akışının, serebral oksijenasyonun ve serebral oksijen metabolizmasının sürekli gerçek zamanlı izlenmesi için yaygın bir optik sistemin çevirisini sunuyoruz. Cihazın gerçek zamanlı özelliği, arteriyel kan basıncı gibi vekil metriklere güvenmek yerine hastaya özgü serebral fizyolojiye dayalı tedavi stratejilerini mümkün kılabilir. Nispeten ucuz ve taşınabilir enstrümantasyonla farklı zaman ölçeklerinde serebral dolaşım hakkında gerçek zamanlı bilgi sağlayarak, bu yaklaşım özellikle düşük bütçeli hastanelerde, uzak bölgelerde ve açık alanlarda (örneğin, savunma ve spor) izleme için yararlı olabilir.

Introduction

Kritik nörolojik hastalarda kötü sonuçlara yol açan komplikasyonların çoğu serebral hemodinamik bozuklukların neden olduğu sekonder yaralanmalarla ilişkilidir. Bu nedenle bu hastaların serebral fizyolojisinin izlenmesi morbidite ve mortalite oranlarını doğrudan etkileyebilir1,2,3,4,5,6,7. Bununla birlikte, günümüzde, yatak başındaki nörokritik hastalarda serebral fizyolojinin sürekli gerçek zamanlı noninvaziv izlenmesi için kurulmuş bir klinik araç yoktur. Potansiyel adaylar arasında, yaygın optik teknikler son zamanlarda bu boşluğu doldurmak için umut verici bir araç olarak önerilmiştir 8,9,10,11. Kafa derisinden gelen dağınık olarak dağılmış yakın kızılötesi ışığın (~ 650-900 nm) yavaş değişimlerini (yani, onlarca ila yüzlerce ms mertebesinde) ölçerek, dağınık optik spektroskopi (DOS), beyindeki serebral oksi- (HbO) ve deoksi-hemoglobin (HbR) 12,13 gibi ana kromoforların konsantrasyonlarını ölçebilir. Ek olarak, serebral kan akışını (CBF) diffüz korelasyon spektroskopisi (DCS) 10,14,15,16,17 ile ışık yoğunluğundaki hızlı dalgalanmaları (yani birkaç μs'den birkaç ms'ye) ölçerek ölçmek mümkündür. Kombine edildiğinde, DOS ve DCS, oksijenin serebral metabolik hızının (CMRO 2) bir tahminini de sağlayabilir (CMRO2)18,19,20.

DOS ve DCS kombinasyonu, hastaları çeşitli klinik öncesi ve klinik senaryolarda izlemek için araştırılmıştır. Örneğin, diffüz optiklerin, kalp kusurlarını tedavi etmek için kalp ameliyatları sırasında da dahil olmak üzere, kritik hasta yenidoğanlar için 21,22,23,24 ilgili klinik bilgileri sağladığı gösterilmiştir 23,25,26,27,28 . Ek olarak, birkaç yazar, karotis endarterektomi 29,30,31, inme 32 için trombolitik tedaviler, yatak başı manipülasyonları 33,34,35, kardiyopulmoner resüsitasyon 36 ve diğerleri 37,38 gibi farklı serebrovasküler girişimler sırasında serebral hemodinamiği değerlendirmek için diffüz optiklerin kullanımını araştırmıştır. 39. Sürekli kan basıncı izlemesi de mevcut olduğunda, hem sağlıklı hem de kritik derecede hasta deneklerde 11,40,41,42 ve serebral dolaşımın kritik kapanış basıncını değerlendirmek için serebral otoregülasyonu izlemek için yaygın optikler kullanılabilir 43. Birçok yazar, DCS ile CBF ölçümlerini farklı altın standart CBF ölçümleri 18'e karşı doğrularken, yaygın optiklerle ölçülen CMRO2'nin nörokritik izleme için yararlı bir parametre olduğu gösterilmiştir 8,18,23,24,28,43,44,45 . Ek olarak, önceki çalışmalar, hipoksik46,47,48 ve iskemikolayların tahmini 8 de dahil olmak üzere, nörokritikhastaların 8,9,10,11 uzun süreli izlenmesi için optik olarak türetilmiş serebral hemodinamik parametreleri doğrulamıştır.

Yaygın optik tekniklerin, uzunlamasına ölçümler sırasında ve klinik müdahaleler sırasında değerli gerçek zamanlı bilgiler sağlamak için güvenilirliği büyük ölçüde ele alınmamıştır. Bağımsız bir DOS sisteminin kullanımı daha önce invaziv beyin dokusu oksijen gerilim monitörleriyle karşılaştırıldı ve DOS'un invaziv monitörlerin yerini almak için yeterli duyarlılığa sahip olmadığı düşünüldü. Bununla birlikte, nispeten küçük popülasyonların kullanılmasının yanı sıra, invaziv ve invaziv olmayan monitörlerin doğrudan karşılaştırılması, her teknik serebral vaskülatürün farklı kısımlarını içeren farklı hacimleri araştırdığı için yanlış yönlendirilebilir. Her ne kadar bu çalışmalar sonuçta diffüz optiğin invaziv monitörlerin yerini almadığı sonucuna varmış olsa da, her iki çalışmada da DOS, invaziv monitörlerin bulunmadığı vakalar ve / veya yerler için yeterli olabilecek orta-iyi bir doğruluk elde etmiştir.

Diğer yaklaşımlara göre, diffüz optiğin en önemli avantajı, taşınabilir enstrümantasyon kullanarak yatak başında kan akışını ve doku kan oksijenasyonunu aynı anda invaziv olmayan (ve sürekli) olarak ölçebilmesidir. Transkraniyal Doppler ultrason (TCD) ile karşılaştırıldığında, DCS'nin ek bir avantajı vardır: doku düzeyinde perfüzyonu ölçerken, TCD beynin tabanındaki büyük arterlerde serebral kan akış hızını ölçer. Bu ayrım, hem proksimal büyük arter akımının hem de leptomeningeal kollaterallerin perfüzyona katkıda bulunduğu steno-tıkayıcı hastalıkların değerlendirilmesinde özellikle önemli olabilir. Optik teknikler, Pozitron-Emisyon Tomografisi (PET) ve Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRG) gibi diğer geleneksel görüntüleme yöntemlerine kıyasla da avantajlara sahiptir. Tek başına MRG veya PET ile mümkün olmayan hem CBF hem de HbO / HbR konsantrasyonlarının doğrudan ölçümlerini aynı anda sağlamanın yanı sıra, optik izleme aynı zamanda önemli ölçüde daha iyi zamansal çözünürlük sağlar, örneğin, dinamik serebral otoregülasyon40,41,42'nin değerlendirilmesine ve dinamik olarak gelişen hemodinamik değişikliklerin değerlendirilmesine izin verir. Ayrıca, yaygın optik enstrümantasyon, düşük ve orta gelirli ülkelerde yüksek vasküler hastalık yükü göz önüne alındığında kritik bir avantaj olan PET ve MRG'ye kıyasla ucuz ve portatiftir.

Burada önerilen protokol, yoğun bakım ünitesindeki (YBÜ) hastaların gerçek zamanlı yatak başı nöromonitörizasyonu için bir ortamdır. Protokol, hastaları araştırmak için klinik dostu bir grafik kullanıcı arayüzü (GUI) ve özelleştirilmiş optik sensörler ile birlikte hibrit bir optik cihaz kullanır (Şekil 1). Bu protokolü sergilemek için kullanılan hibrit sistem, bağımsız modüllerden iki dağınık optik spektroskopiyi birleştirir: ticari frekans etki alanı (FD-) DOS modülü ve ev yapımı DCS modülü (Şekil 1A). FD-DOS modülü49,50, 4 fotoçarpan tüpü (PMT) ve dört farklı dalga boyunda (690, 704, 750 ve 850 nm) yayılan 32 lazer diyottan oluşur. DCS modülü, 785 nm'de yayılan uzun tutarlılıklı bir lazer, dedektör olarak 16 tek foton sayacı ve bir korelatör kartından oluşur. FD-DOS modülü için örnekleme frekansı 10 Hz'dir ve DCS modülü için maksimum örnekleme frekansı 3 Hz'dir. FD-DOS ve DCS modüllerini entegre etmek için, kontrol yazılımımızın içinde her modül arasında otomatik olarak geçiş yapacak bir mikrodenetleyici programlanmıştır. Mikrodenetleyici, FD-DOS ve DCS lazerlerini açıp kapatmanın yanı sıra her modülün ara yapraklı ölçümlerine izin vermek için FD-DOS dedektörlerini açmaktan sorumludur. Toplamda, önerilen sistem, sinyal-gürültü oranı (SNR) gereksinimlerine bağlı olarak her 0,5 ila 5 saniyede bir kombine FD-DOS ve DCS örneği toplayabilir (daha uzun toplama süreleri daha iyi SNR'ye yol açar). Işığı alnına bağlamak için, her hasta için özelleştirilebilen 3D baskılı bir optik prob geliştirdik (Şekil 1B), kaynak-dedektör ayrımları 0,8 ila 4,0 cm arasında değişiyor. Burada sunulan örneklerde kullanılan standart kaynak-dedektör ayrımları DCS için 2,5 cm ve FD-DOS için 1,5, 2,0, 2,5 ve 3,0 cm'dir.

Bu çalışmada sunulan protokolün temel özelliği, hem donanımı dostça bir GUI ile kontrol edebilen hem de ana serebral fizyoloji parametrelerini farklı zamansal pencereler altında gerçek zamanlı olarak görüntüleyebilen gerçek zamanlı bir arayüzün geliştirilmesidir (Şekil 1C). Önerilen GUI içinde geliştirilen gerçek zamanlı analiz boru hattı hızlıdır ve optik parametreleri hesaplamak için 50 ms'den az sürer (daha fazla ayrıntı için Ek Materyale bakın). GUI, nöro-YBÜ'de halihazırda mevcut olan mevcut klinik araçlardan ilham aldı ve sistemin nöro-YBÜ'ye çevirisi sırasında klinik kullanıcılar tarafından kapsamlı geri bildirimlerle uyarlandı. Sonuç olarak, gerçek zamanlı GUI, optik sistemin nörointensivistler ve hemşireler gibi düzenli hastane personeli tarafından benimsenmesini kolaylaştırabilir. Diffüz optiğin klinik bir araştırma aracı olarak geniş çapta benimsenmesi, fizyolojik olarak anlamlı verileri izleme yeteneğini geliştirme potansiyeline sahiptir ve sonuçta diffüz optiklerin nörokritik hastaları gerçek zamanlı olarak invaziv olmayan bir şekilde izlemek için iyi bir seçenek olduğunu gösterebilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Protokol, Campinas Üniversitesi yerel komitesi tarafından onaylanmıştır (protokol numarası 56602516.2.0000.5404). Ölçümlerden önce hastadan veya yasal temsilcisinden yazılı bilgilendirilmiş onam alındı. Campinas Üniversitesi Klinik Hastanesi'ne iskemik inme veya ön dolaşımı etkileyen subaraknoid kanama tanısı ile başvuran hastaları izledik. Posterior dolaşımı etkileyen iskemik inme geçiren hastalar, artmış kafa içi basıncına bağlı dekompresif kraniektomisi olan hastalar ve diğer nörodejeneratif hastalıkları olan hastalar (demans, Parkinson veya kortikal atrofi ile ilişkili olabilecek başka herhangi bir hastalık) çalışma protokolünün dışında bırakıldı.

1. Sistemi yoğun bakım ünitesine taşımadan önceki hazırlıklar

  1. Tüm fiberleri ilgili lazerlere ve dedektörlere bağlayın ve optik proba düzgün bir şekilde takıldıklarından emin olun (Şekil 1B).
  2. Lazerlerin odada parlamasını önlemek için optik probun siyah bir bezle kaplandığını kontrol edin.
  3. Sistem güç düğmesini 'AÇIK' konumuna getirin. Sistemi çalıştırdıktan sonra, 30 saniye bekleyin ve ardından DCS lazer tuş anahtarını 'AÇIK' konumuna getirin. FD-DOS lazerleri, sisteme güç verildiğinde otomatik olarak açılır.
  4. Sistem hazırlanırken katılımcıdan veya yasal temsilciden onay alın. Onay aldıktan sonra, arabayı hastanın odasına getirin.
    NOT: Hibrit sistemde 45 dakikaya kadar dayanan dahili bir batarya bulunduğundan, taşıma sırasında kapatılmasına gerek yoktur.

2. DOS sisteminin kalibrasyon ve kazanç ayarları

  1. YBÜ'ye vardığınızda, anahtarı 'KAPALI' konumuna getirerek DCS lazeri kapatın.
  2. 'Kalibre Et' işaretli katı fantomdan başlayarak, aşağıdaki adımları izleyerek kalibrasyon işlemini FD-DOS yazılımında (BOXY, ISS) çalıştırın.
    1. 'Dosya' menüsünde, 'Ayarlar dosyasını yükle' seçeneğine tıklayarak kullanılan prob için uygun ayarlar dosyasını yükleyin.
    2. Probu hayaletin kavisli tarafına yerleştirin, yüzeyle iyi bir temas sağlayın ve ardından FD-DOS yazılımındaki 'Tüm Dedektörleri Optimize Et' düğmesine tıklayarak PMT sapma voltajını optimize edin.
    3. Çoklu kaynak dedektörü ayrımları için kalibrasyonu 'Calc. Waveform Calib. Optik Aksesuarlar için Değerler. ve 'Kalibre Et' menüsünden Çoklu Mesafeler'.
    4. Ölçülen optik özelliklerin önceden belirlenmiş değerlerle (katı hayalette yazılmış) eşleşip eşleşmediğini ve R2'nin bire yakın olup olmadığını kontrol etmek için 'Text-Mon' menüsünden 'Kullanıcı Tanımlı Hesaplamalar' seçeneğini açın.
  3. Kalibrasyonun yeterli olduğundan emin olmak için 'Kontrol' olarak işaretlenmiş fantomun optik özelliklerini ölçmek için yukarıdaki adımları (adım 2.2.3 hariç) tekrarlayın. Ölçülen optik özellikler, %10 içinde, hayaletlerde belirtilen değerlerle eşleşmelidir.
    DİKKAT: Ortam ışığından doğrudan aydınlatma nedeniyle PMT'lerin zarar görmesini önlemek için prob her hareket ettirildiğinde PMT'leri kapattığınızdan emin olun ('Tüm Dedektörler KAPALI' düğmesine tıklayarak).
  4. Kalibrasyon yeterli değilse, kalibrasyon işlemini yeniden çalıştırın (adım 2.2 ve 2.3). FD-DOS sisteminin iyi bir kalibrasyonunun sağlanması, FD-DOS ölçümlerinin geçerliliği için esastır.

3. Katılımcının başucunda hazırlanması

  1. Hem probu hem de hastanın alnını temizlemek için dezenfektan mendiller kullanın.
  2. Çift taraflı bandı probun üzerine yerleştirin (Şekil 1B), bandın optik fiber uçlarla doğrudan temas etmemesini sağlayın.
  3. Konuyla ilgili bir lazer güvenlik google'ı yerleştirin.
  4. Probları ilgi alanının (ROI) üzerine yerleştirin ve elastik kayışları nesnenin başının etrafına sarın. FD-DOS ve DCS için kesinlikle gerekli olmasa da, ortam ışığından kaynaklanan gürültüyü azaltmak için optik probun siyah bir bez veya siyah bandajla örtülmesi önerilir.
    NOT: Elastik kayışın ne çok sıkı ne de çok gevşek olmadığından emin olmak önemlidir. Kayış çok sıkıysa, hastada önemli bir rahatsızlığa neden olabilir ve kayış çok gevşekse, çift taraflı bant probları yerinde tutacak kadar güçlü olmadığından düşük veri kalitesine neden olabilir.
  5. Prob hastanın alnına düzgün bir şekilde sabitlendikten sonra, anahtarı 'AÇIK' konumuna getirerek DCS lazerini açın.
    DİKKAT: DCS sistemi, göze maruz kalma için tehlikeli olan Sınıf 3B lazer kullanır. Lazerleri sadece prob hastanın alnına düzgün bir şekilde tutturulduğunda açmak çok önemlidir.

4. Veri kalitesi değerlendirmesi

  1. GUI ile veri almaya başlamadan önce, DCS kaynak-dedektör ayrımlarını GUI'nin 'Ayarlar' sekmesine yazın.
    NOT: DCS sistemi bir kalibrasyon adımı gerektirmez, ancak gerçek zamanlı analiz için kaynak-dedektör ayrımlarının doğru girişi gereklidir (ayrıntılar için Ek Malzeme'ye bakın).
  2. GUI'deki 'Başlat' düğmesine basarak edinme yazılımını başlatın ve FD-DOS yazılımındaki DOS sinyalini kontrol edin:
    1. PMT sapma voltajını optimize etmek için FD-DOS yazılımındaki 'Tüm Dedektörleri Optimize Et' düğmesine tıklayın.
    2. 'Text-Mon' menüsünden 'Kullanıcı Tanımlı Hesaplama' seçeneğinde bulunan DOS'un optik özelliklerini ve R2'sini kontrol edin. R2 katsayısı birliğe yakın olmalı ve genel bir kural olarak, insan hastaların emilim katsayısı 0.05 ve 0.2 cm-1 arasında, saçılma katsayısı ise 6 ve 13 cm-113 arasında olmalıdır.
  3. DCS sinyalini GUI'nin 'Korelasyon eğrileri' sekmesinden kontrol edin.
    1. Anahtarları 'AÇIK' konumuna getirerek DCS dedektörlerini açın.
    2. Her DCS dedektörünün yeterli ışık yoğunluğunu ölçtüğünden emin olun. Genel bir kural olarak, 10 kHz'den fazla gereklidir.
    3. Ölçülen yoğunluk 800 kHz'den yüksekse, dedektörlere zarar vermemek için foton sayımlarını azaltmak için nötr yoğunluk filtresi kullanın. Bu genellikle daha kısa (< 1 cm) kaynak-dedektör ayrımları için bir sorundur.
      NOT: DCS dedektörlerine potansiyel olarak zarar vermenin yanı sıra, 800 kHz'den daha yüksek foton sayıları da dedektördeki doğrusal olmayan etkiler nedeniyle hatalara neden olabilir.
    4. İyi bir cilt bağlantısı sağlamak için otokorelasyon eğrilerini kontrol edin ( Temsili Sonuçlar ve Şekil 2'ye bakın) ve gerekirse optik probu yeniden konumlandırın.
    5. Önceki adımda probun yeniden konumlandırılması gerekiyorsa, Adım 4.2 ve 4.3'ü tekrarlayın. Bu adımların birden çok kez tekrarlanması gerekebilir.
      NOT: DCS ve FD-DOS dedektörleri, prob her hareket ettirildiğinde kapatılmalıdır. DCS dedektörlerini kapatmak için, anahtarları manuel olarak 'KAPALI' konuma getirin. FD-DOS dedektörü, FD-DOS yazılımındaki 'Tüm Dedektörler KAPALI' düğmesine tıklanarak kapatılır.
  4. Prob ve cilt arasında iyi bir temas sağlandığında, GUI'deki 'Durdur' düğmesine tıklayarak veri toplamayı durdurun. Ardından, "Klasör" metin kutusunda denemeyi ve hasta tanımlayıcılarını ayarlayın ve "Dosya adı" metin kutusuna YG adını yazın.
  5. GUI'deki 'Başlat' düğmesine basarak veri alımını başlatın.
  6. Protokolün gerektirdiği süre boyunca ilk YG'de veri toplayın. Gerekirse, probu diğer ROI'lere taşıyın ve ölçümü tekrarlayın.
    NOT: İzleme süresi, çalışma hedeflerine bağlı olarak değişebilir.

5. Ölçüm sırasında deneyci için dikkat edilmesi gerekenler

  1. Ölçüme başladıktan sonra, GUI'nin 'Deney Bilgileri' sekmesine ilgili hasta bilgilerini yazın (örneğin, yaralanmanın türü ve yeri, uygulanan ilaçlar, yaş, cinsiyet, vb.).
  2. İzleme süresi boyunca meydana gelen ilgili herhangi bir olayın GUI'deki 'İşaretle' düğmesine tıklayarak işaretlendiğinden emin olun. Her işaretten sonra, etkinlik açıklamasını GUI'nin "Deneme Bilgileri" sekmesine yazdığınızdan emin olun.

6. Veri toplamayı durdurun

  1. GUI'deki 'Durdur' düğmesine basarak veri toplamayı durdurun.
  2. FD-DOS yazılımında iki kırmızı kare olarak gösterilen veri toplama ve kaydetmeyi durdur düğmesine basarak FD-DOS yazılımını durdurun.
  3. Anahtarları 'KAPALI' konuma getirerek DCS dedektörlerini kapatın ve anahtarı 'KAPALI' konumuna getirerek DCS lazerini kapatın.
  4. FD-DOS modülünün PMT'lerini 'Tüm Dedektörler KAPALI' düğmesine tıklayarak kapatın.
  5. Probu hastanın kafasından çıkarın ve çift taraflı bandı probdan çıkarın. Ardından, probu sterilize edici mendillerle temizleyin.
  6. Kalibrasyonun izleme oturumu boyunca yeterli kalmasını sağlamak için her bir katı fantomun optik özelliklerinin ölçümünü mümkün olan en kısa sürede tekrarlayın (bkz. adım 4.2.2).
    NOT: İdeal olarak, kalibrasyon adımı optik probları hastanın kafasından çıkardıktan hemen sonra yapılmalıdır (adım 6.6). Ancak, zamanlama sorunları nedeniyle, bir sonraki bölümde sunulan örneklerde bu, depolama tesisinde yapılmıştır.
  7. Sistemi ve aksesuarlarını sterilize edici mendillerle temizleyin.
  8. Arabayı depoya geri götürün.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

İdeal olarak, DCS modülü ile elde edilen normalleştirilmiş otokorelasyon eğrileri, sıfır gecikme süresi ekstrapolasyonunda (tek modlu lifler14 kullanıldığında) yaklaşık 1,5 olmalı ve eğriler daha uzun gecikme sürelerinde 1'e düşmelidir. Eğri pürüzsüz olmalı ve daha uzun kaynak-dedektör ayrımları için daha hızlı bir bozunmaya sahip olmalıdır. İyi bir otokorelasyon örneği Şekil 2A'da gösterilmiştir. Şekil 2B , kötü bir otomatik korelasyon eğrisi örneği göstermektedir; Bu örnekte, farklı kaynak-dedektör ayrımları için eğrileri ayırt etmek mümkün değildir. Şekil 2C , eğrinin kuyruğunun kullanılan modelle eşleşmediği kötü bir otomatik korelasyon eğrisinin başka bir örneğini göstermektedir. Her iki eğrideki sorun (Şekil 2B, C) ya probun cilde kötü bir şekilde bağlanması ya da kaynaktan doğrudan daha kısa kaynak-dedektör ayrımlarına ışık sızıntısı ile ilgilidir.

Klinik davranıştaki değişiklikleri ilişkilendirmeden önce gerçek zamanlı olarak görülen değişiklikleri doğru bir şekilde yorumlamak için nörofizyolojiyi farklı zaman pencerelerinde göstermenin öneminin bir örneği olarak, Şekil 3 , yoğun bakım personeli tarafından GUI'de görüldüğü gibi, yatıştırılmış bir inme hastasından bir izleme seansının zaman serisini göstermektedir. İzleme seansının bir bölümünde, klinisyenler hastanın bronşiyal ve oral sekresyonlarını emiyorlardı ( Şekil 3'teki gölgeli alanla temsil ediliyordu). Müdahalenin neden olduğu hasta hareketi, optik sinyali açıkça bozar, bu da optik parametrelerde fizyolojik olmayan artışlara yol açar; Bu nedenle, bu değişikliklere herhangi bir fizyolojik anlam atfetmek zordur. Müdahaleden kısa bir süre sonra, hemodinamik parametreler, stabil bir hasta için beklendiği gibi, müdahaleden önce yaklaşık olarak aynı değerlere geri döndü. Bu örnek, nöro-YBÜ'deki gerçek zamanlı sistemin stabilitesini ve bir hastanın hemodinamiğini farklı temporal pencerelerde analiz etmenin önemini göstermektedir.

Hibrid diffüz optik cihazın nöro-YBÜ'de anlamlı bilgi sağlamak için uygulanabilirliğini göstermek amacıyla, diyabet, hipertansiyon ve konjestif kalp yetmezliği öyküsü olan, sol taraflı hemiparezi ile başvuran ve sağ MCA'nın tıkanmasına bağlı iskemik inme saptanan 50 yaşında bir kadın hastayı sunuyoruz (NIH inme ölçeği = 11). Şekil 4, ortalama optik kaynaklı parametreleri ve hastaneye yatıştan sonraki on üçüncü günde BT taramasını gösterirken, hasta entübe edilmiş ve yatıştırılmıştır. Bu izleme seansı sırasında, ipsilezyonal alındaki CBF ve CMRO2, simetrik bölgedeki kontralezyonel parametrelerinden önemli ölçüde düşüktü. Bu sonuç, büyük damar iskemisinin neden olduğu perfüzyon açığı ve ardından doku nekrozu ile tutarlıdır. Özellikle, CBF ipsilezyonel yarımkürede daha düşük olmasına rağmen, her iki yarımkürede de yüksek bir OEF bulundu. Bu, doku 8,51,52'nin iyileşmesini teşvik etmeye çalışırken düşük (ancak sıfır olmayan) CBF'ye rağmen yüksek oksijen tüketiminin (yüksek OEF) olduğu bir durum olan sefalet perfüzyonu fikriyle tutarlı olabilir. Günümüzde nöro-YBÜ'de sefalet perfüzyonunun teşhis edilmesi zordur. Sefalet perfüzyonunu saptamak için diffüz optik spektroskopilerin duyarlılığını değerlendirmek için akut iskemik inme hastalarıyla yapılan daha büyük bir çalışmaya ihtiyaç duyulmasına rağmen, bu örnek diffüz optik sistemin klinik olarak önemli bilgileri gerçek zamanlı olarak değerlendirme potansiyelini göstermektedir.

Son olarak, şiddetli sağ orta serebral arter (MCA) anevrizmal subaraknoid kanaması nedeniyle nöro-YBÜ'ye başvuran 62 yaşında bir kadından elde edilen uzunlamasına sonuçları, Hunt & Hess ölçeğinde Grade V (yani, kötü bir sonuç ve düşük hayatta kalma olasılığını öngören)53 ve Fisher Ölçeğinde Grade III (yani, düşükten yükseğe vazospazm riski)54. Bu hasta hastanede yatış boyunca izlendi ve tüm serebral hemodinamik parametreler hastanın durumunun klinik evrimi ile uyumluydu. İlgilenen okuyucuyu, bu davanın tam açıklamasını içeren yakın zamanda yayınlanmış bir vaka raporunayönlendiriyoruz 9. Farklı günlerde ölçüm yapmanın fizibilitesini göstermek için, Şekil 5, yukarıda açıklanan ve ref.9'da ayrıntılı olarak sunulan vakanın hastaneye yatırılması sırasında birkaç seansta sistemle toplanan verilerin çevrimdışı bir analizini göstermektedir. Burada, her fizyolojik parametre için lateralite indeksi (LI) şu şekilde hesaplanmıştır:

Equation 1

burada X, ölçülen değişkeni temsil eder (yani, CBF, OEF, CMRO2) ve alt simge beyin yarımküresini gösterir. LI ile her yarım küredeki farklılıkları tüm hastaneye yatış boyunca doğrudan karşılaştırmak mümkündür. Yanallık indeksinin farklı klinik senaryolar için çok yararlı olduğu gösterilmiştir 52,55,56,57 ve her iki yarımküredeki simetrik bölgeleri sırayla ölçerek burada sunulan protokolle kolayca değerlendirilebilir. Ortalama arteriyel basınç (MAP), nöro-YBÜ'de bulunan bağımsız bir aletle toplandı ve referans olarak Şekil 5'te de gösterilmiştir.

Şekil 5'in dikkatli analizi, iki önemli hemisferik bozukluk dönemini ortaya koymaktadır. İlk periyot, ipsilezyonel ROI'deki tüm nörofizyolojik parametrelerin simetrik kontralezyonel ROI'den daha fazla arttığı hastaneye yatıştan sonraki birinci ve üçüncü günler arasında meydana geldi. Hastaneye yatıştan sonraki üçüncü günde LI'deki bu artış, etkilenen dokunun metabolik dengesini yeniden sağlamak için olası bir homeostatik girişimin bir göstergesi olabilir. İkinci dönemde, hastaneye yatışın üçüncü gününden sonra başlayarak, LI sürekli olarak azaldı ve bu da hastanın kötüleşen durumuyla tutarlıydı. Bu durumda, hasta 9 gün hastanede kaldıktan sonra öldü.

Figure 1
Şekil 1: Yoğun bakım ünitesindeki hastaları izlemek için geliştirilen optik ortam. (A) Hibrit diffüz optik sistem, bir frekans etki alanı diffüz optik spektroskopi (DOS) modülünü ve bir diffüz korelasyon spektroskopisi (DCS) modülünü birleştirir. (B) Bu çalışmada önerilen özelleştirilebilir prob, DCS için varsayılan olarak 4 kaynak-dedektör ayrımına (0.7, 1.5, 2.5 ve 3.0 cm) ve DOS için 4 kaynak-dedektör ayrımına (1.5, 2.0, 2.5 ve 3.0 cm) sahiptir. Basitlik için, burada sunulan örnekler DCS için yalnızca 2,5 cm'lik kaynak-dedektör ayrımını kullanmıştır. (C) Gerçek zamanlı grafik kullanıcı arayüzü (GUI), dağınık optik sistemi kontrol eder ve ölçülen serebral kan akışını (CBF), oksijen ekstraksiyon fraksiyonunu (OEF) ve oksijenin serebral metabolik hızını (CMRO 2) hem 5 dakikalık bir zaman penceresinde (sol paneller) hem de2 saatlik bir zaman penceresinde (sağ paneller) gerçek zamanlı olarak görüntüler. GUI'nin alt kısmında, araştırmacı veri toplamayı başlatmak ve durdurmak, karşılaştırma için bir taban çizgisi süresi elde etmek ve ilgili müdahaleleri işaretlemek için düğmelere basabilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Şekil 2: DCS modülü için temsili otokorelasyon eğrileri. (A) Sıfır gecikme süresi ekstrapolasyonunda yaklaşık 1,5 olan ve daha uzun gecikme sürelerinde 1'e bozunan iyi bir otokorelasyon örneği. Beklendiği gibi, otokorelasyon eğrileri daha uzun kaynak-dedektör ayrımları için daha hızlı bozuldu. (B) Farklı kaynak-dedektör ayrımları için eğrileri ayırt etmenin mümkün olmadığı kötü bir otomatik korelasyon eğrisi örneği. (C) Eğrinin kuyruğunun kullanılan modelle eşleşmediği kötü bir otomatik korelasyon eğrisinin bir başka örneği. (B) ve (C)'deki sorunlar, probun cilde kötü bağlanması veya kaynaktan doğrudan daha kısa kaynak-dedektör ayrımlarına ışık sızıntısı ile ilgilidir. Araştırmacı, GUI'deki 'Korelasyon Eğrileri' Sekmesindeki eğrilere bakabilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Şekil 3: Yoğun bakım personeli tarafından GUI'de görüleceği gibi, yatıştırılmış bir inme hastasından bir izleme seansının serebral fizyolojisi. GUI, serebral kan akışını (CBF, kırmızı renkte), oksijen ekstraksiyon fraksiyonunu (OEF, mavi renkte) ve oksijenin serebral metabolik hızını (CMRO 2, yeşil renkte) hem (A) kısa (yani 5 dakika) hem de (B) uzun (yani2 saat) zaman pencereleri ve son 5 dakika boyunca bir (C) ortalama değeri için gerçek zamanlı olarak görüntüler. Bu izleme seansının bir bölümünde, klinisyenler hastanın bronşiyal ve oral sekresyonlarını (B'deki gölgeli alanla temsil edilir) emiyorlardı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 4
Şekil 4: Hastaneye yatıştan sonraki on üçüncü günde sağ orta serebral arterde şiddetli iskemik inme tanısı alan bir hastanın nörofizyolojik bilgileri. (A) Serebral kan akımı (CBF), oksijen ekstraksiyon fraksiyonu (OEF), oksijenin serebral metabolik hızı (CMRO2) ve toplam hemoglobin konsantrasyonu (HbT), kontralezyonel ve ipsilezyonel hemisferlerde diffüz optik sistem ile ölçülür. (B) Hastanın tek günlük ölçümünden bilgisayarlı tomografi (BT) taraması. BT görüntülerindeki kırmızı alanlar varsayılan optik hassasiyet bölgesini temsil eder ve mor elips yaklaşık yaralanma yerini gösterir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 5
Şekil 5: Yüksek dereceli anevrizmal subaraknoid kanama (aSAH) sonrası 62 yaşında bir kadın hastada optik olarak türetilmiş fizyolojik parametreler için lateralite indeksinin zamansal evrimi. Kontralezyonel ROI'deki değişikliklere kıyasla ipsilezyonal tutulum bölgesindeki (ROI) değişiklikler, serebral kan akımı (CBF, kırmızı daireler), oksijen ekstraksiyon fraksiyonu (OEF, mavi elmas) ve oksijenin serebral metabolik hızı (CMRO2, yeşil üçgenler) için sol eksende gösterilmiştir. Ortalama arteriyel basıncın (MAP, gri kareler) evrimi bağımsız olarak toplanmıştır ve karşılaştırma için sağ eksende gösterilmiştir. Her noktanın hata çubukları, izleme oturumu boyunca her parametrenin standart sapmasını temsil eder. Bazı günlerde, standart sapma gösterilemeyecek kadar küçüktü. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Materyaller. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu yazıda, nörokritik hastaların serebral kan akımı, serebral oksijenasyonu ve serebral oksijen metabolizması hakkında gerçek zamanlı bilgi sağlayabilen hibrid optik sistem sunulmuştur. Diffüz optik tekniklerin kullanımı daha önce klinik senaryolarda non-invaziv, yatak başı monitörizasyonu için potansiyel bir belirteç olarak ele alınmıştı. Önceki bir çalışma, nöro-YBÜ'de hastaneye yatış sırasında optik izlemenin klinik yönlerine ve fizibilitesine bir vaka sunumu ile odaklanmıştır9. Bu çalışmanın odak noktası, dağınık optiklerle gerçek zamanlı izleme ile ilgili ve yenilikçi yönleri detaylandırmaktır. Özellikle, bu makale klinisyenler için açık ve yararlı bilgiler sağlayan gerçek zamanlı bir GUI önermiştir. GUI, klinik olarak ilgili verilerin yorumlanması için önemli olan farklı zaman dilimlerinin kolayca karşılaştırılmasını sağlar. Burada sunulan GUI'nin uygulanması, gerçek zamanlı görüntüleme frekansının ~ 20 Hz ile sınırlandırılması gerektiği uyarısıyla bir yazılım-korelatöre dayalı DCS sistemi için kolayca çevrilebilir. otokorelasyon eğrilerinin gerçek zamanlı ortalaması, örnekleme daha hızlı edinme oranlarını düşürmek için kullanılabilir. Gelecekte, önerilen protokol tarafından sağlanan gerçek zamanlı bilgiler, nörokritik hastaların klinik sonuçlarını potansiyel olarak iyileştirerek tedaviyi yönlendirmek için kullanılabilir.

Bu çalışma aynı zamanda farklı ayarları ele alabilen ve bu nedenle klinisyenler için farklı amaç ve ihtiyaçlara uyan özelleştirilebilir bir optik probun kullanılmasını önermektedir. Kaynak-dedektör ayrımının doğru seçimi, dağınık optiklerin serebral hassasiyetini en üst düzeye çıkarmak için kritik bir adımdır. Çoğu durumda, yetişkinlerde DCS ölçümleri için en uygun probun en az kısa (< 1 cm) ve uzun (> 2,5 cm) bir kaynak-dedektör ayrımına sahip olması gerekir. Uzun kaynak-dedektör ayrımının, sinyal-gürültü oranı (SNR) ile serebral duyarlılık 12,14,16 arasında en iyi uzlaşmayı sağladığı gösterilirken, kısa ayırma çoğunlukla ekstra serebral dokulara duyarlıdır ve ekstra-serebral değişiklikleri serebral değişikliklerden ayırt etmek için yararlıdır12,16 . FD-DOS için, yetişkinlerde SNR ve serebral duyarlılık arasında makul bir uzlaşma sağlayan basit bir prob, 4 kaynak dedektörü ayrımı (1.5, 2.0, 2.5 ve 3.0 cm) içerir58. Bir FD-DOS ölçümü için en kritik adım, farklı liflerden AC ve faz değişikliklerini karşılaştırmak için gerekli olan kalibrasyon prosedürüdür (protokolün Bölüm 2'si). Bir FD-DOS sisteminin zayıf kalibrasyonu, dokunun optik özelliklerinin alınan değerlerinde büyük hatalara yol açabilir ve bu da hem serebral oksijenasyonun hem de serebral kan akış değerlerinin doğruluğunu etkiler. Önemli olan, bu çalışmada önerilen protokol, tek bir PMT ve birden fazla ışık kaynağı içeren FD-DOS için optik bir proba odaklanmaktadır. Burada açıklanan kalibrasyon prosedürünün, birden fazla dedektör kullanan deneyler için değiştirilmesi gerekir. Birden fazla dedektör kullanan çalışmalar için, PMT'nin sapma voltajı kalibrasyon prosedürü sırasında değiştirilmemelidir ve bu nedenle kalibrasyon fantomlarının optik özelliklerinin dikkatli bir şekilde seçilmesi gerekir.

Serebral oksijenasyon ölçümlerine ek olarak, DOS modülü CBF hesaplamasını da geliştirir, çünkü DCS modeli aynı zamanda dokunun optik özelliklerine de bağlıdır. Bu çalışmada, optik özellikleri ve serebral oksijenasyonu geri kazanmak için tek bir modülasyon frekansına sahip ticari bir FD-DOS sistemi kullanılmıştır. Bununla birlikte, zaman etki alanı DOS veya çok frekanslı FD-DOS sistemleri 59,60,61,62,63,64 gibi daha doğru bilgi sağlayabilecek başka alternatifler de vardır. Bu sistemler, serebral fizyolojiyi geri kazanmak için tek bir kaynak-dedektör ayrımı gerektirdiğinden deneysel karmaşıklığı azaltabilirken, burada kullanılan geleneksel FD-DOS, çoklu kaynak-dedektör ayrımları ve dolayısıyla kafaya bağlı çoklu lifler gerektirir. Ek olarak, bu protokolün ana ilgi alanı serebral fizyolojideki uzun vadeli eğilimler olduğundan, bu çalışma ara yapraklı DOS ve DCS ölçümleri yapmayı tercih etmiştir. Gelecekte, çapraz kontaminasyonu önlemek ve örnekleme frekansını artırmak için, DOS ve DCS dedektörlerine çentik filtreleri ekleyerek eşzamanlı DOS ve DCS ölçümleri elde etmek mümkündür.

Mevcut protokolün bir sınırlaması, prob yerleşiminin alnına kısıtlanmasıdır. Şu an itibariyle, DCS ölçümlerini saç yoluyla elde etmek zordur. Bu, çoğunlukla nöro-YBÜ'de olduğu gibi, beynin daha büyük bir bölümünü kapsayan hakaretler için bir sorun değildir. Bununla birlikte, alındaki ölçümler, örneğin küçük MCA veya PCA vuruşlarına duyarlı olmayabilir. Optik probların daha da iyileştirilmesiyle, saçların içinden ölçüm yapmak mümkün olabilir ve sistemi bir nöro navigasyon cihazı ile birleştirerek, küçük bir yerel yatırım getirisi üzerinden ölçümler yapmak mümkün olacaktır. Optik bilgi üzerine ayrıntılı uzamsal bilgiler toplayarak, diffüz optiklerin fokal serebrovasküler bozukluklara bağlı hemodinamik bozukluklara duyarlılığında belirgin bir iyileşme bekliyoruz.

Son olarak, dağınık optik tekniklerin birkaç sınırlamasından bahsetmek önemlidir. İlk olarak, diffüz optik doğal olarak ekstra-serebral dokuya duyarlıdır ve ekstra-serebral ve serebral fizyolojilerdeki farkı doğru bir şekilde açıklamak için verilerin daha iyi modellenmesi gerekebilir 65,66,67,68,69,70. Ek olarak, CBF'nin DCS ölçümü, optik probun dokuya karşı dış basıncına duyarlıdır. Örneğin, prob basıncını artırarak dış dokulardaki kan akışını azaltırız, bu da DCS71,72,73 ile ölçülen CBF'yi de azaltır. Bununla birlikte, CBF'nin artan prob basıncı nedeniyle azalmasına rağmen, CBF'nin kalp atış hızı nabzının değişmediğiniunutmayın 72. İlginçtir ki, CBF'deki bu değişiklikleri, ekstra-serebral ve serebral fizyolojileri ayırmak için dış prob basıncı nedeniyle kullanmak mümkündür73. Son olarak, optik türetilmiş CBF, daha olağan klinik birimlerden (yani, ml / 100g doku / dak) ziyade fiziksel birimlere (yani,cm2 / s) sahiptir. Bazı yazarlar, DOS'tan mutlak CBF'yi geri kazanmak ve CBF indeksini DCS'den mutlak klinik birimler 74,75,76,77,78'e kalibre etmek için indosiyanin-yeşil (ICG) kullanımını önermişlerdir. Bununla birlikte, ICG'den kalibrasyon faktörünün doğruluğu, beyin travmasını takiben makro ve mikrosirkülasyondaki anormallikler nedeniyle doğrudan farklı durumlara çevrilemeyebilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazar(lar) bu makalenin araştırması, yazarlığı ve/veya yayınlanması ile ilgili olarak aşağıdaki potansiyel çıkar çatışmalarını beyan etmişlerdir: RC Mesquita'nın bekleyen bir patent başvurusu ve bu çalışmayla ilgili iki patenti daha vardır (Amerika Birleşik Devletleri patentleri 10,342,488 ve 10,064,554). Şu anda hiçbir yazar bu patentlerden telif hakkı veya ödeme almamaktadır.

   

Acknowledgments

São Paulo Araştırma Vakfı'nın (FAPESP) 2012/02500-8 (RM), 2014/25486-6 (RF) ve 2013/07559-3 sayılı Bildiriler aracılığıyla verdiği desteği kabul ediyoruz. Fon verenlerin çalışma tasarımı, veri toplama ve analizi, yayınlama kararı veya makalenin hazırlanmasında hiçbir rolü yoktu.

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

Tıp Sayı 165 diffüz optik spektroskopi diffüz korelasyon spektroskopisi serebral kan akımı serebrovasküler bozukluklar nörokritik monitörizasyon inme yoğun bakım ünitesi

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

Diffüz Optik Spektroskopilerle Nörokritik Hastaların Gerçek Zamanlı İzlenmesi
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