Die Autoren danken allen Familien für ihre Teilnahme an dieser Studie und die Krankenschwestern, Ärzte und Mitarbeiter in der Neugeborenen-Intensivstation, der Special Care Nursery, Pediatric Neurology, und den Entbindungsstationen am Massachusetts General Hospital, Brigham and Womens Hospital und Boston Kinderkrankenhaus für ihre Hilfe und Unterstützung. Insbesondere danken wir Linda J. Van Marter, Robert M. Insoft, Jonathan H. Cronin, Julianne Mazzawi und Steven A. Ringer. Die Autoren danken Marcia Kocienski-Filip, Yvonne Sheldon, Alpna Aggarwall, Maddy Artunguada und Genevieve Nave für ihre Unterstützung während der Messungen. Dieses Projekt wird von NIH R01-HD042908, R21-HD058725, P41-RR14075 und R43-HD071761 unterstützt. Marcia Kocienski-Filip und Yvonne Sheldon von der Clinical Translational Science Award UL1RR025758 an der Harvard Universität und Brigham and Womens Hospital aus dem National Center for Research Resources unterstützt. Der Inhalt ist allein in der Verantwortung der authors und nicht notwendigerweise die offizielle Meinung des National Center for Research Resources oder die National Institutes of Health.

Ein. Vorbereitung für Bedside Maßnahmen <ol><li> Die FDNIRS und die DCS-Systeme sind kompakt und einfach auf einem kleinen Karren des Säuglings Krankenbett im Krankenhaus (Abbildung 1) zu bewegen. </li><li> Nach dem Umzug der Wagen mit den Geräten an das Bett, auf den Systemen ab und schließen Sie das optische Sonde den FDNIRS und DCS-Geräte. Stellen Sie sicher, dass zwei Experimentatoren Geschenk für jede Messung sind: ein, die Instrumente und Computer zu verwalten, und eine, um die Sonde zu halten. </li><li> Wählen Sie die passende Sonde gemäß des Kindes postmenstruellen Alter (PMA). Die optische Sonde mit FDNIRS Quelle-Detektor-Abständen von 1, 1,5, 2 und 2,5 cm wird für Säuglinge &lt;37 wks PMA und die Sonde mit FDNIRS Trennungen 1,5, 2, 2,5 und 3 cm verwendet wird für ältere Babys (Abbildung 2-A gebrauchter ). Die Wahl der kürzeren Quelle-Detektor-Trennungen von Frühgeborenen &quot;kleine und größere Kopfkrümmung diktiert. Bei Verwendung eines größeren Sonde mit einem Frühgeborenen, die Relatively geringere Größe der Kopf des Babys und seine signifikante Krümmung zusammen wirksamen Kontakt zwischen Kopf des Kindes und alle Quellen und Detektoren. Aus diesem Grund ist die Sonde mit FDNIRS Quelle-Detektor-Abständen von 1, 1,5, 2 und 2,5 cm passend für die Verwendung mit Frühgeborenen. Unsere Untersuchungen haben nachgewiesen, dass die ausgewählten Quellen-Detektor-Trennungen ausreicht, um optische Eigenschaften der Hirnrinde von beiden Frühgeborenen und 14 zu messen sind. DCS Quelle und Detektor Fasern sind in einer Reihe parallel zu den Fasern mit FDNIRS Quelle-Detektor-Abständen von 1,5 (ein Detektor) und 2 cm (drei Detektoren) in beiden Frühgeborenen und Neugeborenen Sonden angeordnet. </li><li> Sanitize die optischen Sonden mit einem Sani-Tuch Desinfektion wischen und legen Sie die Sonde und Fasern in eine Einweg-Polypropylen-Kunststoff Ärmel. </li></ol> 2. FDNIRS Gain-Einstellungen und Kalibrierung <ol><li> Öffnen Sie die FDNIRS Graphical User Interface (GUI) und wählen Sie die Programm-Einstellungen-Dateientsprechend der Sonde und Kalibrierblock verwendet wird. </li><li> Zum Detektor Verstärkungen einzustellen, sanft zu platzieren die Sonde auf einer Fläche des Kopfes des Subjektes ohne Haare (vorzugsweise der linken Seite der Stirn) und halten diesen in der gleichen Position ohne Druck auszuüben. Schalten Quellen und Detektoren und PMT-Spannung einzustellen, bis die Amplitude des einen der Source-Lasern erreicht 20.000 Zählungen. 32.000 Zählungen die maximale Digitalisierung der Analog-Digital-Erfassungskarte und Verstärkungen erforderlich unterhalb dieser Schwelle eingestellt werden, um eine Sättigung während der Datenaufnahme zu vermeiden. Die Verstärkungen sollte im vorderen Bereich eingestellt werden, da dieser Bereich in der Regel den geringsten Absorption von Laserlicht und ist daher besonders anfällig für Sättigung. </li><li> Schalten Sie die Quellen und Detektoren und Rückkehr der Sonde zur Kalibrierung Block. Die Laser müssen ausgeschaltet werden, wenn die Sonde für Augensicherheit; die Detektoren müssen ausgeschaltet werden, weil PMTs sehr empfindlich und der Exposition gegenüber hellem Licht sind increases Hintergrundgeräusche und kann dauerhaft beschädigt werden. </li><li> Mit der Sonde zurück auf die Kalibrierung Block, die neutrale Dichte (ND)-Filter, wenn alle Quelle-Detektor-Paar sättigt. Verschiedene ND-Filter kann durch die Optimierung Gewinne bei Säuglingen mit verschiedenen Hauttönen ausgewählt werden Halten Sie die Sonde noch für 16 sec während der Ausführung der Kalibrierung. Da wir nicht physisch zu bewegen einer Quelle auf unterschiedlichen Entfernungen von einem einzigen Detektor, eine Multi-Abstand Regelung zu erreichen, sondern stattdessen vier Kombinationen von zwei unabhängigen Quellen und zwei unabhängigen Detektoren, müssen wir uns auf die verschiedenen Leistungen der beiden Quellen zu kalibrieren und die verschiedenen Verstärkungen der beiden Detektoren. Durch Messung eine Kalibrierung Block von bekannten optischen Eigenschaften schätzen wir, die Amplitude und Phase Korrekturfaktoren benötigt, um die Absorptions-und Streukoeffizienten der Kalibrierkörper erholen. </li><li> Nach der Kalibrierung erwerben 16 weitere sec von Daten auf dem Block und visuell die Angemessenheit der the Kalibrierung mit einem in-house MATLAB GUI. Die gemessene uA und us &#39;sollten die tatsächlichen Koeffizienten der Kalibrierung Block bei allen Wellenlängen entsprechen. Kalibrieren Sie, wenn der fit ist schlecht. </li><li> Wenn Detektor Gewinne geändert werden, oder die Quelle und Detektor Fasern müssen während der Messungen abgeschaltet werden müssen, wiederholen Sie die Kalibrierung des FDNIRS Gerät. </li><li> Am Ende der Messreihe erwerben weitere 16 sec von Daten auf dem Kalibrierkörper zu verifizieren, ob die Kalibrierung während der Messungen auf dem Gegenstand gehalten wurde. Wenn die Kalibrierung nicht gepflegt, nehmen eine zweite Kalibrierung am Ende der Messung und gelten für die erfassten Daten. </li></ol> 3. DCS-Einstellungen <ol><li> Öffnen Sie die in-house DCS Datenerfassung GUI und laden Sie die Einstellungen-Datei entsprechend der optischen Sonde verwendet wird. </li><li> Vor Beginn der Messungen sicher, dass die Laserleistung des DCS-Quelle geeignet für Hautkontakt durch Messung ter Laserleistung des DCS-Quelle mit einem Leistungsmesser und Kontrolle der Fleckgröße mit einem IR gesichtet Karte (die Laser emittiert bei 785 nm, was nicht sichtbar). Das DCS Laserleistung beträgt ~ 60 mW und mit einem relativ kleinen Durchmesser Faser (400-600 um). Um ANSI-Standards für Hautkontakt zu erfüllen, muss das Licht an der Sonde abgeschwächt und gestreut über eine große Fläche. Dies wird durch Abdecken der Spitze der Faser mit einem Durchmesser von 3 mm weißen Teflonfolie (Abbildung 2-A) erreicht. Die Teflon ist stark streuenden und stark streut das Laserstrahl. Am Krankenbett, sicherzustellen, dass die Laserleistung auf die Sonde weniger als 25 mW ist und die Spotgröße ist größer als 3 mm im Durchmesser. Wie für die FDNIRS, immer ausschalten Quellen und Detektoren beim Bewegen der optischen Sonde. </li><li> DCS Detektion ist Photonenzählung und es gibt keine APD Verstärkungseinstellung wie es für die FDNIRS Vorrichtung erforderlich. Eine Fahne mit dem Erwerb Software zeigt, wenn zu viel Licht detektiert wird, in welchem ​​Fall Lichtkopplung EITQuelle oder ihr Detektorfasern muss durch Drehen der Faser-Verbinder verringert werden. Ausreichend Licht Erkennung ist auf den Bereich der 200,000-4,000,000 detektierten Photonen (entsprechend -26 ~ 0 dB auf dem Computer-Display). Vermeiden Sie übermäßige Raumbeleuchtung, um Hintergrundgeräusche zu reduzieren. </li><li> Das DCS muss nicht kalibriert werden, um CBF i messen. Blutflusses ist proportional zu der Zeit, die zur Korrelation verlieren. Ein fester Block nicht ausreichen, um die Signalqualität zu überprüfen, weil es keine beweglichen Streupartikel dem Zerfall verursachen. Ein Experimentator Arm zeigt stattdessen Zerfall - je schneller die Durchblutung, desto steiler ist der Zerfall. </li></ol> 4. Data Acquisition <ol><li> Während FDNIRS und DCS Messungen schnell hintereinander durchgeführt werden, zuerst messen alle Standorte mit einem Gerät und wiederholen Sie dann die gleiche Progression mit dem anderen Gerät mit unabhängigen Software zur Erfassung entsprechend jeder. </li><li> Messen sieben Standorten abdeckt frontalen, temporalen und Parietal Bereiche, gemäß einer 10-20 Systems (Fp1, FPZ, FP2, C3, C4, P3, P4), in der Reihenfolge (2-B). Teilen Sie die Haare an der Quelle-Detektor-Linie und legen Sie die Sonde auf diesem Bereich des Kopfes. </li><li> Schalten Sie FDNIRS Lasern und Detektoren und überprüfen Sie die Signalqualität: Amplitude Counts sollten zwischen 2.000 und 20.000 sein und Phasenverschiebungen SNR &lt;2 Grad. Wenn außerhalb dieser Bereiche liegen, die Position der Sonde wird sichergestellt Haaren getrennt und alle Quellen und Detektoren sind in Kontakt mit der Haut. </li><li> Erfassung von Daten für 16 sec. Wiederholen Messungen bis zu dreimal an jedem Standort (Abbildung 2-C), Abschied die Haare und Neupositionierung der Sonde in einem etwas anderen Ort für jede Akquisition. Dies geschieht, um Wirkung von lokalen Inhomogenitäten wie Haare und oberflächlich großen Gefäße zu minimieren und die repräsentativ für einen Bereich, anstatt einer einzigen Stelle bereitzustellen. </li><li> Schalten Sie den DCS-Laser und Detektoren und erwerben für 10 sek. Positionieren Sie die Sonde und repessen die Akquisitionen (wie bei den FDNIRS Maßnahmen). </li><li> Schalten Sie alle Laser, wenn die Sonde zwischen den Standorten. Datenerhebung in allen sieben Standorten ist nicht immer möglich. Unterbrechen Messungen, wenn das Thema manifestiert Anzeichen von Stress oder Bewegung. Wiederholen Sie die Übernahme, wenn möglich. EEG-Elektroden oder Atemschutz kann auch verhindern, dass Messungen in einigen Orten. </li></ol> 5. Measure of Systemic Parameter <ol><li> Für die Berechnung der CMRO 2i, zwei systemische Parameter, arterielle Sauerstoffsättigung (SaO2) und Hämoglobin im Blut (HGB), muss erworben. HGB ist auch erforderlich, um CBV berechnen. Während konventionelle Pulsoximetrie sieht Maßnahmen von São 2, HGB konventionell mit einem Bluttest gemessen. Eine neue Pulsoximeter durch Masimo Corporation entwickelt wurde, ist in der Lage, HGB nichtinvasiven Messung durch die Verwendung mehrerer Wellenlängen. Das Gerät ist für Kinder&gt; 3 kg FDA-zugelassen und ermöglicht eine schnelle Bett Maßnahmenure sowohl SaO 2 und HGB. </li><li> Rekord SaO 2 und HGB mit einem Masimo-Pulsoximeter (Pronto Ort-Kontrolle Pulse CO-Oximeter). Für diese Messungen legen einen Klebstoff Einweg-Sensor mit dem großen Zeh des Babys Fuß. HGB wird auf dem Monitor innerhalb von ein paar Sekunden angezeigt. </li><li> Wenn es nicht möglich ist, die Masimo SET Pulse CO-Oximeter, messen SaO 2 mit anderen FDA-zugelassene Pulsoximeter verwenden. HGB kann entweder von Patienten klinische Charts wiederhergestellt werden oder anhand von normativen Werten. </li></ol> 6. Data Analysis <ol><li> Öffnen Sie ein in-house Nachbearbeitung Datenanalyse GUI mit MATLAB. Diese Software nicht nur schätzt alle hämodynamischen Parameter, sondern nutzt auch die Redundanz der Daten automatisch beurteilen die Qualität der Messung und beschränken Ergebnisse. </li><li> Automatische objektive Kriterien für die Qualitätskontrolle aus Verwerfen Daten für FDNIRS wenn R2 &lt;0,98 für das Modell fit für den experimentellen Daten, p-Wert&gt; 00,02 für die Pearson Produkt-Moment-Korrelation zwischen den acht gemessenen Absorptionskoeffizienten und der Hämoglobin-fit (Abbildung 3-A), p-Wert&gt; 0,02 für die lineare Anpassung der reduzierten Streukoeffizienten Abhängigkeit von der Wellenlänge (Abbildung 3-B) 15. Wenn mehr als 33 Prozent der Daten Verdienste Verwerfen, wird der gesamte Satz verworfen. Für die DCS, wenn Daten verworfen: der Schwanz der Ausgleichskurve unterscheidet sich von 1 um mehr als 0,02, ist die kumulative Schwankung zwischen den ersten drei Punkten der Kurve mehr als 0,1, oder der Mittelwert der drei ersten Punkte ist als 1,6 (Abbildung 4). Wenn mehr als 50 Prozent der Kurven verworfen werden, oder die Passung Werte haben einen Variationskoeffizienten&gt; 15 Prozent, wird die gesamte Gruppe 15 verworfen. </li><li> Berechnen absoluter HbO und HBr Konzentrationen durch Einpassen der Absorptionskoeffizienten bei allen Wellenlängen, mit Literaturwerten für Hb Extinktionskoeffizienten 16 undein 75 Prozent Konzentration von Wasser im Gewebe 17. Leiten Gesamt-Hämoglobinkonzentration (HBT = HbO + HbR) und SO 2 (HBO / HbT) von HBO und HbR Konzentrationen. </li><li> Schätzen zerebralen Blutvolumens Verwendung der Gleichung Ijichi et al 18 beschrieben. CBV = (HbT × MW Hb) / (x D HGB bt), wobei MW Hb = 64.500 [g / mol] ist das Molekulargewicht von Hb und D bt = 1,05 g / ml ist das Hirngewebe Dichte. </li><li> Berechnen CBF i durch Einpassen der gemessenen zeitlichen Autokorrelationsfunktionen der Diffusion Korrelationsgleichung. Die detaillierten theoretischen Rahmen zur CBF berechnet i ist Boas et al. Und Boas und Yodh 10,11. In den Gleichungen verwenden einzelnen Absorptionskoeffizienten von FDNIRS und einem Durchschnitt von den Streukoeffizienten in der gesamten Bevölkerung gemessen. </li><li> Berechnen des Index der cerebralen Sauerstoffverbrauch durch Verwendung des FDNIRS Maß für SO <sub&gt; 2 und dem DCS Maß CBFI mit der folgenden Gleichung: CMRO 2i = (HGB × CBFI × (SaO 2 - SO 2)) / (4 × MW Hb × β) 15, wobei der Faktor 4 spiegelt die vier O 2-Moleküle gebunden an jedes Hämoglobin und β ist der prozentuale Beitrag der venösen Abteil zum Hämoglobinoxygenierung Messung 19. </li></ol>

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Maria Angela Franceschini, ihr Ehemann David Boas, und Beniamino Barbieri (ISS Inc) halten Patente auf diese Technologie.

Wir zeigten eine quantitative Messung der hämodynamischen und zerebralen Stoffwechsel mit FDNIRS und DCS im Neugeborenen Bevölkerung. Die Sonde Konfiguration wird zum Messen neonatalen Großhirnrinde 14 optimiert. Veränderungen des Blutflusses durch DCS gemessen wurden ausgiebig gegen andere Techniken in tierischen und menschlichen Studien 22,23 validiert. Durch die Verwendung eines direkten DCS Maßnahme des Blutflusses, sind wir in der Lage, um die Varianz in der Berechnung CMRO 2i 24 zu reduzieren. Die Varianz von wiederholten Maßnahmen war auch kleiner als die Veränderungen zwischen Hirnregionen und mit 20 Jahren. Aus unserer bisherigen Ergebnisse zeigten CBFI und CMRO 2i signifikante Veränderungen mit PMA in gesunden Frühgeborenen. Das Maß der CMRO 2i ist besser in der Lage, Hirnschäden als das Maß von SO 2 zu erfassen. Dies deutet darauf hin, dass die kombinierten Maßnahmen von vaskulären und metabolischen Parameter dienen als robuster biomarkers der neonatalen Gehirn Gesundheit und Entwicklung als Sauerstoffsättigung allein. Technische Verbesserungen werden auf die Integration der beiden Instrumente zu konzentrieren Senkung der Anschaffungs-Zeit 35-40% pro Sitzung und die Umsetzung von Echtzeit-Feedback auf die Datenqualität, die Frequenz verworfen Maßnahmen zu reduzieren. In naher Zukunft kann dieses System zur klinischen Endanwendern als neuartige Bettmonitor veränderter zerebralen Sauerstoff-Stoffwechsel geliefert werden. Durch die Messung Trajektorien CMRO 2 im Laufe der Zeit kann auch erhöhen klinische Bedeutung und Vorhersage von Ergebnissen. Dieses Tool könnte letztlich einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Verwaltung der neonatalen Hirnschädigung.

Die FDNIRS Vorrichtung ist eine angepasste Frequenz-Domain-System von ISS Inc. mit zwei identischen Sätzen von 8 emittierende Laserdioden an acht Wellenlängen im Bereich von 660 bis 830 nm, und zwei Photovervielfacherröhre (PMT) Detektoren. Quellen und Detektoren sind bei 110 MHz und 110 MHz plus 5 kHz moduliert, jeweils mit Überlagerungserfassung 6 zu erreichen. Jede Laserdiode wird für 10 ms in der Reihenfolge gedreht, für eine 160 ms insgesamt Messzeit pro Zyklus. Quellen und Detektoren sind Lichtleitergekoppelten und angeordnet in einer Reihe in einer optischen Sonde. Die Anordnung der Fasern auf der Sonde ist, so dass es vier verschiedenen Quelle-Detektor-Abständen erzeugt. Durch Messung Durchlicht (Amplitude Dämpfung und Phasenverschiebung) an mehreren Abständen, können wir die Absorption (uA) und Streuung (us &#39;) Koeffizienten des Gewebes unter Beobachtung zu quantifizieren. Aus den Absorptionskoeffizienten bei mehreren Wellenlängen, wir dann eine Schätzung der absoluten Werte von oxygeniertem (HbO) undsauerstoffarmes (HBR) Hämoglobinkonzentrationen 7, zerebrale Blutvolumen (CBV) und Hämoglobin-Sauerstoffsättigung (SO 2). Die DCS-Gerät ist ein Zuhause - built-System ähnlich dem von Dr. entwickelt. Arjun Yodh und Turgut Durduran an der University of Pennsylvania 8,9. Das DCS-System, das aus einem Feststoff besteht - state, lange Kohärenz-Laser bei 785 nm, vier Photonen-Zählen Avalanche-Photodiode (APD) Detektoren (EG &amp; G Perkin Elmer SPCM-AQRH) mit niedrigen dunklen Grafen (&lt;50 counts / sec) und eine hohe Quantenausbeute (&gt; 40% bei 785 nm) und ein Vier-Kanal, 256-bin Multi-tau Korrelator, mit 200 nsec Auflösung. Mit den DCS messen wir mikrovaskulären Durchblutung Großhirnrinde durch Quantifizierung der zeitliche Intensitätsschwankungen von vielfach gestreutem Licht, das von Dopplerverschiebungen durch Bewegen roten Blutkörperchen hergestellt entsteht. Die Technik, ähnlich wie Laser-Doppler-Flußmessung Blut (dh sie sind Fourier Transform Analoga), misst eine Autokorrelationsfunktion der Intensitätsfluktuationen jeden Detektorkanal durch einen digitalen Korrelator über eine Verzögerungszeit von 200 nsec berechnet - 0,5 sek. Der Korrelator berechnet die zeitliche Autokorrelationsfunktion Intensität des Lichtes wieder auftretende aus Gewebe. Dann passen die Diffusion Korrelationsgleichung der gemessenen Autokorrelationsfunktion, erworben sequentiell, etwa einmal pro Sekunde, um den Blutfluss Index (CBF i) 10,11 erhalten. DCS Maßnahmen Veränderungen des Blutflusses wurden ausgiebig 12,13 validiert. Durch die Kombination der FDNIRS Maßnahmen SO 2 mit den DCS Maßnahmen CBF i, erreichen wir eine Schätzung der zerebralen Sauerstoff-Stoffwechsel (CMRO 2i).

<table border="1"><tbody><tr><td> Ausrüstung </td><td> Firma </td><td> Katalog-Nummer </td><td> Kommentare (optional) </td></tr><tr><td> Imagent </td><td> ISS </td><td></td><td> FDNIRS </td></tr><tr><td> DCS Laserfasern </td><td> Thorlabs </td><td> FT400 </td><td> DCS-Komponente </td></tr><tr><td> DCS Detektorfaser </td><td> Thorlabs </td><td> 780HP </td><td> DCS-Komponente </td></tr><tr><td> DCS-Laser </td><td> CrystaLaser </td><td> DL785-070-S </td><td> DCS-Komponente </td></tr><tr><td> DCS-Detektor </td><td> Pacer International </td><td> SPCM-AQRH-14-FC </td><td> DCS-Komponente </td></tr><tr><td> DCS Correlator </td><td> Correlator.com </td><td> Flex05-8ch </td><td> DCS-Komponente </td></tr><tr><td> Pronto-CO-Oximeter </td><td> Masimo </td&gt; <td></td><td> HGB und São 2-Monitor </td></tr><tr><td> NOVA </td><td> OPHIR </td><td> 7Z01500 </td><td> Laser Power Meter </td></tr><tr><td> Sensor Card </td><td> Newport </td><td> F--S IRC1 </td><td> IR-Viewer </td></tr><tr><td> Neutral Density Filter </td><td> Kodak </td><td> NT54-453 </td><td></td></tr></tbody></table>

non-invasive optical measurement of cerebral metabolism and hemodynamics in infants

Perinatale Hirnschädigung bleibt eine wesentliche Ursache der Säuglingssterblichkeit und Morbidität, aber es ist noch nicht ein wirksames Bett-Tool, das genau für Hirn-Trauma, Monitor Verletzungen Evolution, oder zu beurteilen Ansprechen auf die Therapie kann zu screenen. Die Energie, die von Neuronen verwendet wird weitgehend aus dem Gewebe oxidativen Stoffwechsel ableiten, und neuronalen Zelltod Hyperaktivität und werden durch entsprechende Änderungen der zerebralen Sauerstoffmetabolismus (CMRO 2) reflektiert. Daher sind Maßnahmen CMRO 2 reflektierende der neuronalen Lebensfähigkeit und liefern wichtige diagnostische Informationen, so dass CMRO 2 zu einem idealen Ziel für den Nachtmodus der Messung der Gesundheit des Gehirns. Brain-Imaging-Verfahren wie die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Single-Photon-Emissions-Computertomographie (SPECT) Ausbeute Maßnahmen der zerebralen Glukose und Sauerstoff-Stoffwechsel, aber diese Techniken erfordern die Verabreichung von Radionucleotide, so dass sie nur in den dringendsten Fällen verwendet. Continuous-Wave-Nahinfrarot-Spektroskopie (CWNIRS) bietet nicht-invasive und nicht-ionisierender Strahlung Maßnahmen Hämoglobinsauerstoffsättigung (SO 2) als Surrogat für zerebrale Sauerstoffverbrauch. Allerdings ist SO 2 weniger als ideal als Ersatz für die zerebrale Sauerstoff-Stoffwechsel, wie sie sowohl von Sauerstoffversorgung und-verbrauch beeinflusst wird. Ferner sind auch Messungen von SO 2 nicht empfindlich genug, um Hirnverletzung Stunden nach dem Insult 1,2 detektieren, weil Sauerstoffverbrauch und Lieferung Gleichgewicht erreichen nach akutem Transienten 3. Wir untersuchten die Möglichkeit der Verwendung von komplexeren NIRS optische Methoden zur zerebralen Sauerstoffmetabolismus am Krankenbett in gesunden und hirnverletzte Neugeborenen quantifizieren. Genauer gesagt, haben wir die Frequenz-Domain NIRS (FDNIRS) Maß für SO 2 mit dem diffusen Korrelationsspektroskopie (DCS) Maß Blutflußindex (CBF i) bis yield ein Index CMRO 2 (CMRO 2i) 4,5. Mit den kombinierten FDNIRS / DCS-System sind wir in der Lage, zerebralen Metabolismus und Hämodynamik zu quantifizieren. Dies stellt eine Verbesserung gegenüber CWNIRS zum Nachweis Gesundheit des Gehirns, die Entwicklung des Gehirns und Ansprechen auf die Therapie bei Neugeborenen. Darüber hinaus haftet dieses Verfahren auf alle Neugeborenen-Intensivstation (NICU) Politik auf Infektionskontrolle und institutionelle Politik auf Laser-Sicherheit. Zukünftige Studien sollen die beiden Instrumente zu integrieren Messzeit am Krankenbett zu reduzieren und Echtzeit-Feedback über die Datenqualität zu implementieren, um die Datenrate Ablehnung zu reduzieren.

In den vergangenen fünf Jahren haben wir die Machbarkeit und des klinischen Nutzens der vorgeschlagenen Methode demonstriert. Insbesondere haben wir CMRO 2 gezeigt, die repräsentativer für die Gesundheit des Gehirns und Entwicklung als SO 2 sein. In einer Querschnittsstudie auf mehr als 50 gesunden Säuglingen, fanden wir, dass während CBV ist mehr als doppelt während des ersten Jahres des Lebens, SO 2 konstant bleibt 4 (Abbildung 5). In einer Studie an 70 gesunden Neugeborenen fanden wir auch, dass SO 2 konstant über Hirnregionen ist, während CMRO 2i, CBV und CBF höhere zeitliche und parietalen Regionen als im vorderen Bereich (Abbildung 6) 20, die im Einklang mit PET Glukoseaufnahme ist, sind Ergebnisse 21. In unseren beiden Studien, die ständige SO 2, innerhalb eines 60-70 Prozent-Bereich zeigt, dass Sauerstoffversorgung ehesten den lokalen Verbrauch, während CBV, CBF und CMRO 2 mo sindeng mit der neuralen Entwicklung gekoppelt erneut. Um sicherzustellen, dass CMRO 2i eine bessere Screening-Tool als SO 2 bei der Aufdeckung von Neugeborenen-Hirn-Trauma ist, messen wir Gehirns verletzten Säuglingen während der akuten Phase 5 und (in einigen Säuglingen) in der chronischen Phase mehrere Monate nach der Verletzung. Ergebnisse in Abbildung 7 zeigen, wie SO 2 nicht wesentlich von Hirn-Trauma verändert in beiden frühen (1-15 Tage nach Beleidigung) und chronische (Monate nach der Verletzung) Stufen, während CMRO 2i ist deutlich anders als normal sowohl während der akuten und chronischen Stadien . Insbesondere wird CMRO 2i während der akuten Phase wegen epileptischer Aktivität nach einer Hirnschädigung, und niedriger als normal während der chronischen Phase durch Verlust von Nervenzellen erhöht. Säuglinge mit hypoxischen ischämischen Verletzungen sind derzeit mit therapeutischen Hypothermie (TH) zu niedrigeren Stoffwechsel im Gehirn behandelt und zur Verringerung der Schäden nach dem hypoxisch insUlt. Therapeutische Hypothermie wird für drei Tage gehalten und wir konnten 11 Kinder während der Behandlung (Abbildung 8) zu überwachen. Wir fanden, dass CMRO 2i deutlich sinkt auf Werte unter normal während TH, und diese Abnahme scheint auf Ansprechen auf die Therapie und Entwicklungsstörungen Ergebnis bezogen werden. Die vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass die DCS FDNIRS-Verfahren kann in der Lage sein zu führen und zu optimieren Hypothermie-Therapie. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig1.jpg" /> Abbildung 1. Bild des Wagens mit den FDNIRS und DCS-Geräte. Die beiden Geräte sind kompakt genug, um auf einem kleinen Wagen, die des Kindes am Krankenbett in der Intensivstation bewegt werden kann passen. <img alt="Abbildung 2" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig2.jpg" /> Abbildung 2. (A) Optische Sonde Konfiguration. <strong&gt; (B) Der Messort Schema. (C) Ein Foto eines typischen FDNIRS-DCS-Messung an einem Kleinkind. <img alt="Abbildung 3" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/4379/4379fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig3.jpg" /> Abbildung 3. Repräsentative Beispiele für gute und schlechte Passform (A) gemessen Absorptionskoeffizienten und die Hämoglobin-fit (B) Streukoeffizienten und die lineare Anpassung. P-Wert&gt; 0,02 bezieht sich auf eine schlechte Passform. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/4379/4379fig3large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen</a> . <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig4.jpg" /> Abbildung 4. Ein repräsentatives Beispiel für gute und schlechte Passform einer Autokorrelationsfunktion der Intensitätsschwankungen berechnetdurch einen Korrelator über eine Verzögerungszeit von 200 nsec - 0,5 sek. In der schlechten Passform Zahl der Schwanz der Ausgleichskurve unterscheidet sich von 1 um mehr als 0,02 und die Variation der ersten 3 Punkte mehr als 0,1. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/4379/4379fig4large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen</a> . <img alt="Abbildung 5" fo:content-width="4in" fo:src="/files/ftp_upload/4379/4379fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig5.jpg" /> Abbildung 5. Änderungen in CBV und SO 2 in frontalen, temporalen und parietalen kortikalen Regionen bei Säuglingen von der Geburt bis 1 Jahr alt. <img alt="Abbildung 6" fo:content-width="4in" fo:src="/files/ftp_upload/4379/4379fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig6.jpg" /> Abbildung 6. CBF, SO 2, CBV und CMRO 2i des frontalen, temporal und parietalen Regionen in 70 gesunden Neugeborenen. <img alt="Abbildung 7" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig7.jpg" /> Abbildung 7. Beispiele für abnorme Sauerstoffverbrauch und Normalbetrieb SO 2 nach Hirnschädigung bei Säuglingen. Hirnverletzung wird durch Veränderungen in CMRO 2 gegenüber normalen markiert, während SO 2 unterscheidet sich nicht signifikant von normalen. Bitte beachten Sie, dass in diesen beiden Figuren CMRO 2 wurde unter Verwendung der Grubb Beziehung, weil die DCS Maßnahme war nicht zu dem Zeitpunkt dieser Messungen zur Verfügung. <img alt="Abbildung 8" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig8.jpg" /> Abbildung 8. rCMRO 2 von 11 Säuglingen während der therapeutischen Hypothermie vs gleichaltrigen gesunden Kontrollpersonen. Sauerstoff-Stoffwechsel ist stark in allen Säuglingen mit Hypothermie-Therapie reduziert.

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Non-invasive Optical Measurement of Cerebral Metabolism and Hemodynamics in Infants

Wir kombinierten Frequenz-Domain-Nahinfrarot-Spektroskopie Maßnahmen der zerebralen Oxygenierung des Hämoglobins mit diffuser Korrelations-Spektroskopie Maßnahmen des zerebralen Blutflusses Index einen Index der Sauerstoff-Stoffwechsel zu schätzen. Wir testeten den Nutzen dieser Maßnahme als Nachttisch Screening-Tool, um die Gesundheit und Entwicklung des Neugeborenen Gehirns zu beurteilen.

Non-invasive optische Messung des zerebralen Metabolismus und Hämodynamik bei Säuglingen

Perinatal brain injury remains a significant cause of infant mortality  and morbidity, but there is not yet an effective bedside tool that can  accurately ...

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Research

JoVE Journal

Medicine

19.9K Aufrufe.  Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School. Wir kombinierten Frequenz-Domain-Nahinfrarot-Spektroskopie Maßnahmen der zerebralen Oxygenierung des Hämoglobins mit diffuser Korrelations-Spektroskopie Maßnahmen des zerebralen Blutflusses Index einen Index der Sauerstoff-Stoffwechsel zu schätzen. Wir testeten den Nutzen dieser Maßnahme als Nachttisch Screening-Tool, um die Gesundheit und Entwicklung des Neugeborenen Gehirns zu beurteilen.

Serie: Non-invasive Optical Measurement of Cerebral Metabolism and Hemodynamics in Infants

Corneal Confocal Microscopy: A Novel Non-invasive Technique to Quantify Small Fibre Pathology in Peripheral Neuropathies

The accurate quantification of peripheral neuropathy is important to define at risk patients, anticipate deterioration, and assess new therapies. Conventional methods assess neurological deficits and electrophysiology and quantitative sensory testing quantifies functional alterations to detect neuropathy. However, the earliest damage appears to be to the small fibres and yet these tests primarily assess large fibre dysfunction and have a limited ability to demonstrate regeneration and repair. The only techniques which allow a direct examination of unmyelinated nerve fibre damage and repair are sural nerve biopsy with electron microscopy and skin-punch biopsy. However, both are invasive procedures and require lengthy laboratory procedures and considerable expertise. Corneal Confocal microscopy is a non-invasive clinical technique which provides in-vivo imaging of corneal nerve fibres. We have demonstrated early nerve damage, which precedes loss of intraepidermal nerve fibres in skin biopsies together with stratification of neuropathic severity and repair following pancreas transplantation in diabetic patients. We have also demonstrated nerve damage in idiopathic small fibre neuropathy and Fabry's disease.

Corneal Confocal microscopy is a non-invasive clinical technique which may be used to quantify C fibre damage to diagnose and stratify patients with increasing neuropathic severity.

Corneal konfokale Mikroskopie: A Novel Non-invasive Technik zu Small Fibre Pathologie in peripheren Neuropathien Quantify

The accurate quantification of peripheral neuropathy is important to define at risk patients, anticipate deterioration, and assess new therapies. ...

Forschung

Medizin

An in vivo Rodent Model of Contraction-induced Injury and Non-invasive Monitoring of Recovery

Muscle strains are one of the most common complaints treated by physicians. A muscle injury is typically diagnosed from the patient history and physical exam alone, however the clinical presentation can vary greatly depending on the extent of injury, the patient's pain tolerance, etc. In patients with muscle injury or muscle disease, assessment of muscle damage is typically limited to clinical signs, such as tenderness, strength, range of motion, and more recently, imaging studies. Biological markers, such as serum creatine kinase levels, are typically elevated with muscle injury, but their levels do not always correlate with the loss of force production. This is even true of histological findings from animals, which provide a "direct measure" of damage, but do not account for all the loss of function. Some have argued that the most comprehensive measure of the overall health of the muscle in contractile force. Because muscle injury is a random event that occurs under a variety of biomechanical conditions, it is difficult to study. Here, we describe an in vivo animal model to measure torque and to produce a reliable muscle injury. We also describe our model for measurement of force from an isolated muscle in situ. Furthermore, we describe our small animal MRI procedure.

An in vivo Rodent Model of Contraction-induced Injury and Non-invasive Monitoring of Recovery

An in vivo animal model of injury is described. The method takes advantage of the subcutaneous position of the fibular nerve. Velocity, timing of muscle activation, and arc of motion are all pre-determined and synchronized using commercial software. Post injury changes are monitored in vivo using MR imaging/spectroscopy.

Ein In vivo Nager-Modell der Kontraktion-induzierte Verletzung und nicht-invasive Überwachung von Recovery

Muscle strains are one of the most  common complaints treated by physicians. A muscle injury is typically diagnosed from the patient history and  physical ...

Non-invasive Assessment of Microvascular and Endothelial Function

The authors have utilized capillaroscopy and forearm blood flow techniques to investigate the role of microvascular dysfunction in pathogenesis of cardiovascular disease. Capillaroscopy is a non-invasive, relatively inexpensive methodology for directly visualizing the microcirculation. Percent capillary recruitment is assessed by dividing the increase in capillary density induced by postocclusive reactive hyperemia (postocclusive reactive hyperemia capillary density minus baseline capillary density), by the maximal capillary density (observed during passive venous occlusion). Percent perfused capillaries represents the proportion of all capillaries present that are perfused (functionally active), and is calculated by dividing postocclusive reactive hyperemia capillary density by the maximal capillary density. Both percent capillary recruitment and percent perfused capillaries reflect the number of functional capillaries. The forearm blood flow (FBF) technique provides accepted non-invasive measures of endothelial function: The ratio FBFmax/FBFbase is computed as an estimate of vasodilation, by dividing the mean of the four FBFmax values by the mean of the four FBFbase values. Forearm vascular resistance at maximal vasodilation (FVRmax) is calculated as the mean arterial pressure (MAP) divided by FBFmax. Both the capillaroscopy and forearm techniques are readily acceptable to patients and can be learned quickly.
The microvascular and endothelial function measures obtained using the methodologies described in this paper may have future utility in clinical patient cardiovascular risk-reduction strategies. As we have published reports demonstrating that microvascular and endothelial dysfunction are found in initial stages of hypertension including prehypertension, microvascular and endothelial function measures may eventually aid in early identification, risk-stratification and prevention of end-stage vascular pathology, with its potentially fatal consequences.

Capillaroscopy is a non-invasive, relatively inexpensive methodology for directly visualizing the microcirculation. The forearm blood flow technique provides accepted non-invasive measures of endothelial function.

Non-invasive Beurteilung der mikrovaskulären und Endothelfunktion

The authors have utilized capillaroscopy and forearm blood flow techniques to investigate the role of microvascular dysfunction in pathogenesis of ...

Non-invasive Imaging and Analysis of Cerebral Ischemia in Living Rats Using Positron Emission Tomography with 18F-FDG

Stroke is the third leading cause of death among Americans 65 years of age or older1. The quality of life for patients who suffer from a stroke fails to return to normal in a large majority of patients2, which is mainly due to current lack of clinical treatment for acute stroke. This necessitates understanding the physiological effects of cerebral ischemia on brain tissue over time and is a major area of active research. Towards this end, experimental progress has been made using rats as a preclinical model for stroke, particularly, using non-invasive methods such as 18F-fluorodeoxyglucose (FDG) coupled with Positron Emission Tomography (PET) imaging3,10,17. Here we present a strategy for inducing cerebral ischemia in rats by middle cerebral artery occlusion (MCAO) that mimics focal cerebral ischemia in humans, and imaging its effects over 24 hr using FDG-PET coupled with X-ray computed tomography (CT) with an Albira PET-CT instrument. A VOI template atlas was subsequently fused to the cerebral rat data to enable a unbiased analysis of the brain and its sub-regions4. In addition, a method for 3D visualization of the FDG-PET-CT time course is presented. In summary, we present a detailed protocol for initiating, quantifying, and visualizing an induced ischemic stroke event in a living Sprague-Dawley rat in three dimensions using FDG-PET.

Non-invasive Imaging and Analysis of Cerebral Ischemia in Living Rats Using Positron Emission Tomography with 18F-FDG

Brain damage resulting from cerebral ischemia may be non-invasively imaged and studied in rats using pre-clinical positron emission tomography coupled with the injectable radioactive probe, 18F-fluorodeoxyglucose. Further, the use of modern software tools that include volume of interest (VOI) brain templates dramatically increase the quantitative information gleaned from these studies.

Nicht-invasive Bildgebung und Analyse der zerebralen Ischämie in lebenden Ratten mit Hilfe der Positronen-Emissions-Tomographie mit<sup&gt; 18</sup&gt; F-FDG

Stroke is the third leading cause of death among Americans 65 years of age or older1. The quality of life for patients who suffer from a stroke fails to ...

Murine Model for Non-invasive Imaging to Detect and Monitor Ovarian Cancer Recurrence

Epithelial ovarian cancer is the most lethal gynecologic malignancy in the United States. Although patients initially respond to the current standard of care consisting of surgical debulking and combination chemotherapy consisting of platinum and taxane compounds, almost 90% of patients recur within a few years. In these patients the development of chemoresistant disease limits the efficacy of currently available chemotherapy agents and therefore contributes to the high mortality. To discover novel therapy options that can target recurrent disease, appropriate animal models that closely mimic the clinical profile of patients with recurrent ovarian cancer are required. The challenge in monitoring intra-peritoneal (i.p.) disease limits the use of i.p. models and thus most xenografts are established subcutaneously. We have developed a sensitive optical imaging platform that allows the detection and anatomical location of i.p. tumor mass. The platform includes the use of optical reporters that extend from the visible light range to near infrared, which in combination with 2-dimensional X-ray co-registration can provide anatomical location of molecular signals. Detection is significantly improved by the use of a rotation system that drives the animal to multiple angular positions for 360 degree imaging, allowing the identification of tumors that are not visible in single orientation. This platform provides a unique model to non-invasively monitor tumor growth and evaluate the efficacy of new therapies for the prevention or treatment of recurrent ovarian cancer.

We describe a non-invasive animal imaging platform that allows the detection, quantification, and monitoring of ovarian cancer growth and recurrence. This intra-peritoneal xenograft model mimics the clinical profile of patients with ovarian cancer.

Mausmodell für nicht-invasive Bildgebungs zu erfassen und zu überwachen Eierstockkrebs Rezidiv

Epithelial ovarian cancer is the most lethal gynecologic malignancy in the United States. Although patients initially respond to the current standard of ...

A Methodological Approach to Non-invasive Assessments of Vascular Function and Morphology

The endothelium is the innermost lining of the vasculature and is involved in the maintenance of vascular homeostasis. Damage to the endothelium may predispose the vessel to atherosclerosis and increase the risk for cardiovascular disease. Assessments of peripheral endothelial function are good indicators of early abnormalities in the vascular wall and correlate well with assessments of coronary endothelial function. The present manuscript details the important methodological steps necessary for the assessment of microvascular endothelial function using laser Doppler imaging with iontophoresis, large vessel endothelial function using flow-mediated dilatation, and carotid atherosclerosis using carotid artery ultrasound. A discussion on the methodological considerations for each of the techniques is also presented, and recommendations are made for future research.

The present article describes the methodological considerations for several non-invasive assessments of vascular function and morphology that are commonly used in medical research to assess different stages of atherosclerosis.

Einen methodischen Ansatz, um Nicht-invasive Assessments der Gefäßfunktion und Morphologie

The endothelium is the innermost lining of the vasculature and is involved in the maintenance of vascular homeostasis.  Damage to the endothelium may ...

Non-invasive Assessments of Subjective and Objective Recovery Characteristics Following an Exhaustive Jump Protocol

Fast recovery after strenuous exercise is important in sports and is often studied via cryotherapy applications. Cryotherapy has a significant vasoconstrictive effect, which seems to be the leading factor in its effectiveness. The resulting enhanced recovery can be measured by using both objective and subjective parameters. Two commonly measured subjective characteristics of recovery are delayed-onset muscle soreness (DOMS) and ratings of perceived exertion (RPE). Two important objective recovery characteristics are countermovement jump (CMJ) performance and peak power output (PPO). Here, we provide a detailed protocol to induce muscular exhaustion of the frontal thighs with a self-paced, 3 x 30 countermovement jump protocol (30-s rest between each set). This randomized controlled trial protocol explains how to perform local cryotherapy cuff application (+ 8 &#176;C for 20 min) and thermoneutral cuff application (+ 32 &#176;C for 20 min) on both thighs as two possible post-exercise recovery modalities. Finally, we provide a non-invasive protocol to measure the effects of these two recovery modalities on subjective (i.e., DOMS of both frontal thighs and RPE) and objective recovery (i.e., CMJ and PPO) characteristics 24, 48, and 72 h post-application. The advantage of this method is that it provides a tool for researchers or coaches to induce muscular exhaustion, without using any expensive devices; to implement local cooling strategies; and to measure both subjective and objective recovery, without using invasive methods. Limitations of this protocol are that the 30 s rest period between sets is very short, and the cardiovascular demand is very high. Future studies may find the assessment of maximum voluntary contractions to be a more sensitive assessment of muscular exhaustion compared to CMJs.

This protocol describes the procedure for non-invasive recovery assessments during a 72 h recovery period. This protocol induces muscular exhaustion of the frontal thighs using countermovement jumps and uses either local cold-cuff or thermoneutral-cuff application as a recovery modality.

Nicht-invasive Assessments von subjektiven und objektiven Erholungsmerkmalen nach einem erschöpfenden Sprungprotokoll

Fast recovery after strenuous exercise is important in sports and is often studied via cryotherapy applications. Cryotherapy has a significant ...

Non-invasive Assessment of Dorsiflexor Muscle Function in Mice

Assessment of skeletal muscle contractile function is an important measurement for both clinical and research purposes. Numerous conditions can negatively affect skeletal muscle. This can result in a loss of muscle mass (atrophy) and/or loss of muscle quality (reduced force per unit of muscle mass), both of which are prevalent in chronic disease, muscle-specific disease, immobilization, and aging (sarcopenia). Skeletal muscle function in animals can be evaluated by a range of different tests. All tests have limitations related to the physiological testing environment, and the selection of a specific test often depends on the nature of the experiments. Here, we describe an in vivo, non-invasive technique involving a helpful and easy assessment of force frequency-curve (FFC) in mice that can be performed on the same animal over time. This permits monitoring of disease progression and/or efficacy&#160;of a potential therapeutic treatment.

Measurement of rodent skeletal muscle contractile function is a useful tool that can be used to track disease progression as well as efficacy of therapeutic intervention. We describe here the non-invasive, in vivo assessment of the dorsiflexor muscles that can be repeated over time in the same mouse.

Nicht-invasive Beurteilung des releveurs Muskelfunktion bei Mäusen

Assessment of skeletal muscle contractile function is an important measurement for both clinical and research purposes. Numerous conditions can negatively ...

Coronary Progenitor Cells and Soluble Biomarkers in Cardiovascular Prognosis after Coronary Angioplasty

Major adverse cardiovascular events (MACEs) negatively impact the cardiovascular prognosis of patients undergoing coronary angioplasty due to coronary ischemic injury. The extent of coronary damage and the mechanisms of vascular repair are factors influencing the future development of MACEs. Intrinsic vascular features like the plaque characteristics and coronary artery complexity have demonstrated prognostic information for MACEs. However, the use of intracoronary circulating biomarkers has been postulated as a convenient method for the early identification and prognosis of MACEs, as they more closely reflect dynamic mechanisms involving coronary damage and repair. Determination of coronary circulating biomarkers during angioplasty, such as the number of subpopulations of mononuclear progenitor cells (MPCs) as well as the concentration of soluble molecules reflecting inflammation, cell adhesion, and repair, allows for assessment of future developments and the prognosis of MACEs 6 months post coronary angioplasty. This method is highlighted by its translational nature and better performance than peripheral blood circulating biomarkers regarding prediction of MACEs and its effect on the cardiovascular prognosis, which may be applied for risk stratification of patients with coronary artery disease undergoing angioplasty.

Development of major adverse cardiovascular events, which impact cardiovascular prognosis after coronary angioplasty, are influenced by the extent of coronary damage and vascular repair. The use of novel coronary cellular and soluble biomarkers, reactive to vascular damage and repair, are useful to predict the development of MACEs and prognosis.

Koronare Vorläuferzellen und lösliche Biomarker bei kardiovaskulärer Prognossie nach koronarer Angioplastie

Major adverse cardiovascular events (MACEs) negatively impact the cardiovascular prognosis of patients undergoing coronary angioplasty due to coronary ...

Oxygenation-sensitive Cardiac MRI with Vasoactive Breathing Maneuvers for the Non-invasive Assessment of Coronary Microvascular Dysfunction

Oxygenation-sensitive cardiac magnetic resonance imaging (OS-CMR) is a diagnostic technique that uses the inherent paramagnetic properties of deoxyhemoglobin as an endogenous source of tissue contrast. Used in combination with standardized vasoactive breathing maneuvers (hyperventilation and apnea) as a potent non-pharmacologic vasomotor stimulus, OS-CMR can monitor changes in myocardial oxygenation. Quantifying such changes during the cardiac cycle and throughout vasoactive maneuvers can provide markers for coronary macro- and microvascular function and thereby circumvent the need for any extrinsic, intravenous contrast or pharmacologic stress agents.
OS-CMR uses the well-known sensitivity of T2*-weighted images to blood oxygenation. Oxygenation-sensitive images can be acquired on any cardiac MRI scanner using a modified standard clinical steady-state free precession (SSFP) cine sequence, making this technique vendor-agnostic and easily implemented. As a vasoactive breathing maneuver, we apply a 4-min breathing protocol of 120 s of free breathing, 60 s of paced hyperventilation, followed by an expiratory breath-hold of at least 30 s. The regional and global response of myocardial tissue oxygenation to this maneuver can be assessed by tracking the signal intensity change. The change over the initial 30 s of the post-hyperventilation breath-hold, referred to as the breathing-induced myocardial oxygenation reserve (B-MORE) has been studied in healthy people and various pathologies. A detailed protocol for performing oxygen-sensitive CMR scans with vasoactive maneuvers is provided.
As demonstrated in patients with microvascular dysfunction in yet incompletely understood conditions, such as inducible ischemia with no obstructive coronary artery stenosis (INOCA), heart failure with preserved ejection fraction (HFpEF), or microvascular dysfunction after heart transplantation, this approach provides unique, clinically important, and complementary information on coronary vascular function.

The assessment of microvascular function by oxygenation-sensitive cardiac magnetic resonance imaging in combination with vasoactive breathing maneuvers is unique in its ability to assess rapid dynamic changes in myocardial oxygenation in vivo and, thus, may serve as a critically important diagnostic technique for coronary vascular function.