Method Article
On combine dans le domaine fréquentiel des mesures de spectroscopie dans le proche infrarouge de l'oxygénation cérébrale avec l'hémoglobine diffuses mesures de spectroscopie de corrélation de l'indice de flux sanguin cérébral pour estimer un indice de métabolisme de l'oxygène. Nous avons testé l'utilité de cette mesure comme un outil de dépistage de chevet pour évaluer la santé et le développement du cerveau du nouveau-né.
Lésion cérébrale périnatale demeure une cause importante de mortalité et de morbidité infantiles, mais il n'est pas encore un outil efficace qui peut chevet précision dépister les lésions cérébrales, l'évolution des blessures moniteur, ou d'évaluer la réponse au traitement. L'énergie utilisée par les neurones proviennent en grande partie du métabolisme oxydatif des tissus, et l'hyperactivité neuronale et la mort cellulaire se traduisent par des changements correspondants dans le métabolisme de l'oxygène cérébral (CMRO 2). Ainsi, les mesures de CMRO 2 sont le reflet de la viabilité neuronale et fournir des informations essentielles au diagnostic, ce qui CMRO 2, une cible idéale pour la mesure de chevet de la santé du cerveau.
Techniques d'imagerie cérébrale telles que la tomographie par émission de positons (TEP) et un seul photon emission computed tomographie mesures de rendement (SPECT) de glucose cérébral et métabolisme de l'oxygène, mais ces techniques nécessitent l'administration de radionucléotides, de sorte qu'ils sont utilisés que dans les cas les plus graves.
Onde continue spectroscopie proche infrarouge (CWNIRS) prévoit des mesures de rayonnements non-invasives et non-ionisants de la saturation en oxygène l'hémoglobine (SO 2) comme substitut à la consommation d'oxygène cérébrale. Toutefois, le SO 2 est loin d'être idéal comme substitut de métabolisme de l'oxygène cérébral car elle est influencée par l'apport d'oxygène et de la consommation. En outre, les mesures de SO 2 ne sont pas suffisamment sensibles pour détecter des lésions cérébrales heures après l'1,2 insulte, parce que la consommation d'oxygène et la livraison atteindre l'équilibre après des transitoires de courte durée 3. Nous avons étudié la possibilité d'utiliser des méthodes plus perfectionnées SPIR optiques pour quantifier métabolisme de l'oxygène cérébral au chevet du nouveau-né en bonne santé et de traumatismes cérébraux. Plus précisément, nous avons combiné les NIRS dans le domaine fréquentiel (FDNIRS) mesure de SO 2 avec la spectroscopie de corrélation diffuse (DCS) mesure de l'indice de la circulation sanguine (CBF i) yield un indice de CMRO 2 (CMRO 2i) 4,5.
Avec les combinés FDNIRS / système DCS, nous sommes en mesure de quantifier le métabolisme cérébral et l'hémodynamique. Cela représente une amélioration par rapport CWNIRS pour détecter la santé du cerveau, le développement du cerveau, et la réponse au traitement chez les nouveau-nés. En outre, cette méthode respecte tous les nouveau-nés unité de soins intensifs (UNSI) sur les politiques de contrôle des infections et des politiques institutionnelles en matière de sécurité laser. Les travaux à venir chercher à intégrer les deux instruments pour réduire le temps d'acquisition au chevet du patient et à mettre en œuvre rétroaction en temps réel sur la qualité des données pour réduire le taux de rejet des données.
Le dispositif FDNIRS est une mesure dans le domaine fréquentiel de système ISS Inc avec deux jeux identiques de 8 diodes laser émettant à huit longueurs d'onde allant de 660 à 830 nm, et deux tubes photomultiplicateurs (PMT) de détecteurs. Les sources et les détecteurs sont modulés à 110 MHz et 110 MHz plus 5 kHz, respectivement, pour réaliser une détection hétérodyne 6. Chaque diode laser est allumé pendant 10 ms dans l'ordre, pour un temps total d'acquisition 160 ms par cycle. Les sources et les détecteurs sont couplés à la fibre optique et disposées en une rangée dans une sonde optique. L'arrangement des fibres sur la sonde est telle qu'elle produit quatre différentes séparations source-détecteur. En mesurant la lumière transmise (atténuation d'amplitude et de déphasage) à des distances multiples, nous pouvons quantifier l'absorption (uA) et de diffusion (ms ') coefficients du tissu sous observation. À partir des coefficients d'absorption aux longueurs d'onde multiples, on estime ensuite les valeurs absolues des oxygénée (HBO) etLes concentrations d'hémoglobine (désoxygénés HbR) 7, du volume sanguin cérébral (CBV) et la saturation en oxygène l'hémoglobine (SO 2).
Le dispositif DCS est une maison - système intégré semblable à celui développé par les Drs. Arjun yod et Turgut Durduran à l'Université de Pennsylvanie 8,9. Le système DCS qui se compose d'un semi - conducteurs, laser cohérence à long à 785 nm, quatre comptage de photons photodiode à avalanche (APD) des détecteurs (EG & G Perkin Elmer SPCM-AQRH) présentant une faible numération sombres (<50 coups / sec) et une grande rendement quantique (> 40% à 785 nm), et un canal de quatre, 256-bin corrélateur multi-tau, avec résolution 200 nsec. Avec les DCS on mesure le débit sanguin microvasculaire dans le cortex cérébral en quantifiant les fluctuations temporelles de l'intensité de lumière plusieurs fois dispersée, qui résulte de décalages Doppler produit par le déplacement des globules rouges. La technique, similaire à la débitmétrie Doppler laser du sang (c'est à dire qu'ils sont de Fourier Transform analogues), mesure d'une fonction d'auto-corrélation des fluctuations d'intensité de chaque canal de détecteur calculée par un corrélateur numérique sur une plage de temps de retard de 200 ns - 0,5 sec. Le corrélateur calcule l'intensité d'auto-corrélation temporelle de la lumière émergeant de nouveau tissu. Nous avons ensuite adapter l'équation de corrélation de diffusion de la fonction d'autocorrélation mesurée, acquise séquentiellement, environ une fois par seconde, pour obtenir l'indice d'écoulement du sang (CBF i) 10,11. DCS mesures de changements du flux sanguin ont été largement validée 12,13. En combinant les mesures FDNIRS de SO 2 aux mesures de DCS CBF i, nous obtenons une estimation du métabolisme de l'oxygène cérébral (CMRO 2i).
1. Préparation pour les mesures de chevet
2. Réglages de gain et d'étalonnage FDNIRS
3. Réglages DCS
4. Acquisition de données
5. Mesure des paramètres systémiques
6. Analyse des données
Au cours des cinq dernières années, nous avons démontré la faisabilité et l'utilité clinique de la méthode proposée. En particulier, nous avons montré CMRO 2 pour être plus représentatif de la santé du cerveau et le développement de SO 2.
Dans une étude transversale sur plus de 50 nourrissons en bonne santé, nous avons constaté que tout CBV est plus du double au cours de la première année de vie, SO 2 reste constante 4 (figure 5). Dans une étude sur 70 nouveau-nés en bonne santé nous avons également constaté que le SO 2 est constante dans toutes les régions du cerveau tout en CMRO 2i, CBV et CBF sont plus élevés dans les régions temporale et pariétale que dans la région frontale (figure 6) 20, ce qui est cohérent avec la captation du glucose PET résultats 21. Dans nos deux études, la constante de SO 2, dans une fourchette de 60-70 pour cent indique que l'apport d'oxygène correspond étroitement à la consommation locale, tandis que CBV, CBF et CMRO 2 sont more étroitement couplé avec le développement neural.
Pour vérifier que CMRO 2i est un meilleur outil de dépistage que le SO 2 dans la détection des lésions cérébrales néonatales, nous avons mesuré les nourrissons atteints de lésions cérébrales au cours de la phase aiguë 5, et (dans quelques enfants) pendant la phase chronique pendant plusieurs mois après une blessure. Résultats de la figure 7 montrent comment SO 2 n'est pas significativement modifiée par une lésion cérébrale dans les deux premiers (1-15 jours après l'insulte) et chronique (mois après la blessure) étapes, tout en CMRO 2i est significativement différente de la normale pendant les deux phases aiguës et chroniques . Plus précisément, CMRO 2i est élevée pendant la phase aiguë en raison de l'activité épileptique après une lésion cérébrale, et inférieure à la normale pendant la phase chronique due à une perte neuronale.
Les nourrissons atteints lésions ischémiques hypoxiques sont actuellement traités par hypothermie thérapeutique (TH) au métabolisme cérébral inférieur et réduire les dégâts après l'ins hypoxiqueUlt. L'hypothermie thérapeutique est maintenue pendant trois jours et nous avons été en mesure de surveiller les 11 nourrissons pendant le traitement (figure 8). Nous avons constaté que CMRO 2i diminue de manière significative à des niveaux inférieurs à la normale au cours de TH, et cette diminution semble être liée à la réponse au traitement et les résultats de développement. Ces résultats préliminaires suggèrent que la méthode FDNIRS-DCS peut être en mesure de guider et d'optimiser le traitement hypothermie.
Figure 1. Image de la charrette avec les FDNIRS et dispositifs DCS. Les deux instruments sont suffisamment compact pour tenir sur un petit chariot qui peut être déplacé au chevet de l'enfant à l'USIN.
Figure 2. (A) Configuration de la sonde optique. (B) Le régime lieu de mesure. (C) Une photo d'un type FDNIRS-DCS mesure sur un nourrisson.
Figure 3. Exemples représentatifs de la bonne taille et mauvaise (a) mesurée coefficients d'absorption et l'ajustement d'hémoglobine coefficients de diffusion (B) et l'ajustement linéaire. P-valeur> 0,02 réfère à un mauvais ajustement. Cliquez ici pour agrandir la figure .
Figure 4. Un exemple représentatif d'ajustement bien et le mal d'une fonction d'autocorrélation des fluctuations d'intensité calculéespar un corrélateur sur une plage de temps de retard de 200 ns - 0,5 sec. Dans la figure à la bonne taille de la queue de la courbe d'ajustement diffère de 1 de plus de 0,02 et la variation des 3 premiers points est supérieure à 0,1. Cliquez ici pour agrandir la figure .
Figure 5. Les variations de CBV et de SO 2 dans frontale, temporale et pariétale régions corticales chez les nourrissons de la naissance à un an.
Figure 6. CBF, SO 2, CBV et CMRO 2i du frontal, terégions mporal et pariétal dans 70 nouveau-nés en bonne santé.
Figure 7. Des exemples de consommation d'oxygène anormale et normale de SO 2 après une lésion cérébrale chez les nourrissons. Lésion cérébrale est marquée par des changements dans CMRO 2 par rapport à la normale tout en SO 2 n'est pas significativement différent de la normale. S'il vous plaît noter que dans ces deux figures, CMRO 2 a été calculée en utilisant la relation Grubb, parce que la mesure DCS n'étaient pas disponibles au moment de ces mesures.
Figure 8. rCMRO 2 de 11 enfants au cours de l'hypothermie thérapeutique par rapport à l'âge témoins sains appariés. Métabolisme de l'oxygène est fortement réduite dans tous les nourrissons atteints d'une thérapie d'hypothermie.
Nous avons démontré une mesure quantitative du hémodynamique cérébrale et le métabolisme avec FDNIRS et DCS dans la population néonatale. La configuration de la sonde est optimisé pour mesurer néonatale cortex cérébral 14. Modifications du débit sanguin mesuré par DCS ont été largement validées par rapport à d'autres techniques dans les études animales et humaines 22,23. En utilisant une mesure directe du débit sanguin DCS, nous sommes en mesure de réduire la variance dans le calcul de CMRO 2i 24. La variance de mesures répétées était également plus faible que les variations entre les régions du cerveau et de moins de 20 ans.
De nos résultats précédents, CBFI et CMRO 2i montré des changements significatifs avec la PMA en bonne santé des nouveau-nés prématurés. La mesure de CMRO 2i est mieux à même de détecter des lésions cérébrales à la mesure de SO 2. Ceci suggère que les mesures combinées de paramètres vasculaires et métaboliques servir b comme plus robusteiomarkers de la santé du cerveau néonatal et le développement que la saturation en oxygène seul. Les améliorations techniques se concentrera sur l'intégration de deux instruments pour réduire le temps d'acquisition de 35-40% par session et la mise en œuvre de la rétroaction en temps réel sur la qualité des données pour réduire la fréquence des mesures rejetées. Dans un proche avenir, ce système peut être livré à l'utilisateur final cliniques en tant que moniteur de chevet roman du métabolisme de l'oxygène cérébral altéré. En mesurant les trajectoires de CMRO 2 dans le temps peut aussi augmenter la signification clinique et prévoir les résultats. Cet outil pourrait finalement faire une contribution significative à l'amélioration de la gestion des lésions cérébrales néonatales.
Maria Angela Franceschini, son mari David Boas, et Beniamino Barbieri (ISS Inc) détiennent des brevets sur cette technologie.
Les auteurs tiennent à remercier toutes les familles pour leur participation à cette étude et les infirmières, les médecins et le personnel dans le nouveau-né unité de soins intensifs, la pouponnière de soins spéciaux, neurologie pédiatrique, et les unités de maternité au Massachusetts General Hospital, du Brigham and Women 's Hospital et l'Hôpital pour enfants de Boston pour leur aide et leur soutien. En particulier, nous remercions Linda J. Van Marter, Robert M. Insoft, Jonathan H. Cronin, Julianne Mazzawi, et Steven A. Ringer. Les auteurs remercient également Marcia Kocienski-Filip, Yvonne Sheldon, Alpna Aggarwall, Maddy Artunguada et Geneviève Nef pour leur aide pendant les mesures. Ce projet est soutenu par le NIH R01-HD042908, HD058725-R21, P41-RR14075 et R43-HD071761. Marcia Kocienski-Philippe et Yvonne Sheldon sont pris en charge par le Prix Science Translational clinique UL1RR025758 à l'Université Harvard et Brigham and Women 's Hospital à partir du Centre National de Ressources de recherche. Le contenu relève de la seule responsabilité de l'unuteurs et ne représentent pas nécessairement les vues officielles de la National Center for Research Resources ou le National Institutes of Health.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Équipement | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires (optionnel) |
Imagent | ISS | FDNIRS | |
DCS fibres laser | Thorlabs | FT400 | Composante DCS |
Détecteur de fibre DCS | Thorlabs | 780HP | Composante DCS |
DCS laser | CrystaLaser | DL785-070-S | Composante DCS |
DCS détecteur | Pacer International | SPCM-AQRH-14-FC | Composante DCS |
DCS corrélateur | Correlator.com | Flex05-8ch | Composante DCS |
Pronto co-oxymètre | Masimo | HGB et SaO 2 moniteur | |
NOVA | OPHIR | 7Z01500 | Mesureur de puissance laser |
Carte capteur | Newport | F-IRC1-S | IR spectateur |
Filtre à densité neutre | Kodak | NT54-453 |
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