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Nós combinamos domínio da freqüência medidas espectroscopia no infravermelho próximo de oxigenação cerebral hemoglobina com medidas de correlação difusas espectroscopia de índice de fluxo sangüíneo cerebral para estimar um índice de metabolismo do oxigênio. Nós testamos a utilidade desta medida como uma ferramenta de triagem de cabeceira para avaliar a saúde e desenvolvimento do cérebro do recém nascido.
Lesão cerebral perinatal continua a ser uma importante causa de mortalidade e morbidade infantil, mas ainda não há uma ferramenta eficaz que pode cabeceira precisão tela para lesão cerebral, a evolução lesão, monitor ou avaliar a resposta à terapia. A energia usada pelos neurônios é derivado em grande parte do metabolismo oxidativo de tecidos, e hiperatividade neural e morte celular são refletidas por mudanças correspondentes no metabolismo cerebral de oxigênio (CMRO 2). Assim, as medidas de CMRO 2 são reflexo da viabilidade neuronal e fornecer informação de diagnóstico importante, tornando CMRO 2 um alvo ideal para a medição de cabeceira de saúde do cérebro.
Imagiologia cerebral técnicas como a tomografia por emissão de pósitrons (PET) e emissão de fóton único tomografia computadorizada medidas (SPECT) de rendimento de glicose cerebral e metabolismo do oxigênio, mas estas técnicas exigem a administração de radionucleotides, então eles são usados apenas nos casos mais graves.
De onda contínua de espectroscopia de infravermelho próximo (CWNIRS) prevê medidas de radiação não-invasivos e não-ionizante de saturação de oxigênio da hemoglobina (SO 2) como um substituto para o consumo de oxigênio cerebral. No entanto, SO 2 é menos do que o ideal como um substituto para o metabolismo cerebral de oxigênio, como é influenciado tanto pelo fornecimento de oxigênio e consumo. Além disso, as medições de SO 2 não são sensíveis o suficiente para detectar horas após a lesão cerebral 1,2 insulto, pois o consumo de oxigênio e entrega alcançar o equilíbrio depois de transientes agudos 3. Nós investigamos a possibilidade de utilização de NIRS mais sofisticados métodos ópticos para quantificar o metabolismo cerebral de oxigênio à beira do leito em recém-nascidos saudáveis e cérebro lesado. Mais especificamente, nós combinamos os NIRS domínio da freqüência (FDNIRS) medida de SO 2 com a espectroscopia de correlação difusa (DCS) medida de índice de fluxo de sangue (CBF i) yield um índice de CMRO 2 (CMRO 2i) 4,5.
Com os FDNIRS combinados / sistema DCS somos capazes de quantificar o metabolismo cerebral e hemodinâmica. Isto representa uma melhoria em relação CWNIRS para detectar a saúde do cérebro, o desenvolvimento do cérebro e resposta ao tratamento em recém-nascidos. Além disso, este método adere a todas as UTI Neonatal (UTIN) políticas de controle de infecção e políticas institucionais para a segurança do laser. Trabalho futuro vai procurar integrar os dois instrumentos para reduzir o tempo de aquisição à beira do leito e implementar feedback em tempo real sobre a qualidade dos dados para reduzir a taxa de rejeição de dados.
O dispositivo FDNIRS é um sistema no domínio da frequência personalizada de ISS Inc. com dois conjuntos idênticos de 8 diodos laser emitindo em oito comprimentos de onda que variam 660-830 nm, e dois tubos fotomultiplicadores (PMT) detectores. Fontes e detectores são moduladas a 110 MHz e 110 MHz, acrescido de 5 kHz, respectivamente, para se conseguir a detecção heteródina 6. Cada diodo laser é ligado por 10 mseg em seqüência, para um tempo de aquisição 160 ms total por ciclo. Fontes e detectores são acoplados a fibra óptica e dispostos em uma linha em uma sonda óptica. A disposição das fibras na sonda é tal que se produz quatro diferentes fonte de detector-separações. Ao medir a luz transmitida (atenuação de amplitude de deslocamento de fase e) a distâncias diversas, é possível quantificar a absorção (mA) e espalhamento (mS ') coeficientes do tecido sob observação. A partir dos coeficientes de absorção em comprimentos de onda múltiplos, que, em seguida, estimar os valores absolutos das oxigenado (HBO) edesoxigenada (HBR) concentrações de hemoglobina 7, volume sanguíneo cerebral (CBV) e saturação de oxigênio da hemoglobina (SO 2).
O dispositivo DCS é uma casa - sistema integrado semelhante ao desenvolvido pelos drs. Arjun Yodh e Turgut Durduran da Universidade da Pensilvânia 8,9. O sistema DCS, que consiste de um sólido - laser de estado coerência, longo em 785 nm, quatro fóton-contagem fotodiodo avalanche (APD) detectores (EG & G Perkin Elmer SPCM-AQRH) apresentam baixa contagem de escuro (<50 contagens / s) e uma alta rendimento quântico (> 40% em 785 nm), e um canal de quatro, 256-bin multi-tau correlacionador, com resolução de 200 nseg. Com o DCS medimos o fluxo sanguíneo microvascular no córtex cerebral, quantificando as flutuações de intensidade de luz temporais multiplamente disperso que surge a partir de desvios Doppler produzido pelo movimento de células vermelhas do sangue. A técnica, semelhante ao laser de fluxometria de Doppler no sangue (isto é, eles são Fourier Transform análogos), mede uma função de autocorrelação das flutuações de intensidade de cada canal de detector calculado por um dispositivo de correlação digital, ao longo de um intervalo de tempo de atraso de 200 ns - 0,5 seg. O correlator calcula a intensidade temporais auto-correlação da luz re-emergindo a partir do tecido. Em seguida, ajuste da equação de difusão de correlação para a função de autocorrelação medido, adquirida sequencialmente, cerca de uma vez por segundo, para se obter o índice de fluxo de sangue (CBF i) 10,11. DCS medidas de mudanças no fluxo de sangue têm sido extensivamente validados 12,13. Ao combinar as medidas FDNIRS de SO 2 com as medidas DCS da CBF i, conseguimos uma estimativa do metabolismo cerebral de oxigênio (CMRO 2i).
1. Preparação para Medidas de cabeceira
2. FDNIRS ajustes de ganho e calibração
3. DCS Configurações
4. Aquisição de Dados
5. Medida de parâmetros sistêmicos
6. Análise de Dados
Nos últimos cinco anos, têm demonstrado a viabilidade e utilidade clínica do método proposto. Em particular, demonstrámos CMRO 2 seja mais representativo da saúde do cérebro e do desenvolvimento de SO 2.
Em um estudo transversal, em mais de 50 bebês saudáveis, descobriram que, enquanto CBV é mais do que o dobro durante o primeiro ano de vida, SO 2 permanece constante 4 (Figura 5). Num estudo em 70 recém-nascidos saudáveis, também, que o SO 2 é constante em todas as regiões do cérebro enquanto CMRO 2i, CBV e CBF são mais elevadas nas regiões temporal e parietal do que na região frontal (Figura 6) 20, que é consistente com a captação de glicose PET achados 21. Em ambos os estudos, a constante SO 2, dentro de uma faixa de 60-70 por cento indica que a oferta de oxigênio se aproxima o consumo local, enquanto CBV, a CBF e CMRO 2 são more firmemente acoplado com o desenvolvimento neural.
Para verificar se CMRO 2i é uma ferramenta melhor triagem de SO 2 na detecção de lesão cerebral neonatal, medimos crianças que sofreram lesões cerebrais durante a fase aguda 5, e (em alguns poucos infantes) durante a fase crônica vários meses após a lesão. Resultados na Figura 7 mostram como SO 2 não é significativamente alterada por lesão cerebral em ambos os iniciais (1-15 dias após o insulto) e crônica (meses após a lesão) fases, enquanto CMRO 2i é significativamente diferente do que o normal durante as duas fases agudas e crônicas . Especificamente, CMRO 2i é elevada durante a fase aguda, devido a actividade convulsiva após lesão cerebral, e mais baixa do que o normal durante a fase crónica devido à perda neuronal.
Crianças com lesões de isquemia hipóxica são actualmente tratados com hipotermia terapêutica (TH) para o metabolismo inferior do cérebro e reduzir os danos após a ins hipóxicoUlt. A hipotermia terapêutica é mantido durante três dias e foram capazes de controlar 11 lactentes durante o tratamento (Figura 8). Descobrimos que CMRO 2i diminui significativamente a níveis abaixo do normal durante a TH, e esta diminuição parece estar relacionada com a resposta a terapia e os resultados do desenvolvimento. Estes resultados preliminares sugerem que o método FDNIRS-DCS pode ser capaz de orientar e otimizar a terapia hipotermia.
Figura 1. Imagem do carrinho com os FDNIRS e dispositivos DCS. Os dois instrumentos são compactos o suficiente para caber em um carro pequeno que pode ser movido para a cabeceira do bebê na UTIN.
Figura 2. (A) configuração da sonda óptica. (B) O regime local de medição. (C) Uma foto de uma medição FDNIRS-DCS típico de uma criança.
Figura 3. Exemplos representativos de bom ajuste e ruim de medida (A) e coeficientes de absorção da hemoglobina coeficientes de ajuste (B) dispersão eo ajuste linear. P-valor> 0,02 refere-se a um ajuste ruim. Clique aqui para ver maior figura .
Figura 4. Um exemplo representativo de ajuste bom e mau de uma função de autocorrelação das flutuações de intensidade calculadopor um dispositivo de correlação em um intervalo de tempo de atraso de 200 ns - 0,5 seg. Na figura desajuste da cauda do ajuste de curva diferente de 1 em mais de 0,02 e a variação dos três primeiros pontos é mais do que 0,1. para ver figura maior .
Figura 5. Mudanças na CBV e SO 2 em todo frontal, temporal e parietal regiões corticais em crianças desde o nascimento até um ano de idade.
Figura 6. CBF, SO 2, CBV e CMRO 2i do frontal, teregiões mporal e parietal em 70 recém-nascidos saudáveis.
Figura 7. Exemplos de consumo de oxigénio anormal e normal, SO 2 após a lesão cerebral em recém-nascidos. Lesão cerebral é caracterizada por alterações na CMRO 2 com respeito ao normal enquanto que o SO 2 não é significativamente diferente do normal. Por favor, note que, nestas duas figuras, CMRO 2 foi calculada utilizando a relação Grubb, porque a medida DCS não estava disponível no momento dessas medidas.
Figura 8. rCMRO 2 de 11 crianças durante a hipotermia terapêutica vs controles pareados por idade saudáveis. Metabolismo do oxigênio é fortemente reduzido em todas as crianças com terapia de hipotermia.
Nós demonstramos uma medição quantitativa da hemodinâmica cerebral e metabolismo com FDNIRS e DCS na população neonatal. A configuração da sonda é otimizado para medir córtex cerebral neonatal 14. Mudanças de fluxo de sangue medidos pela DCS têm sido extensivamente validados contra outras técnicas em estudos animais e humanos 22,23. Usando uma medida directa DCS do fluxo sanguíneo, que são capazes de reduzir a variância no cálculo da CMRO 2i 24. A variância de medidas repetidas também foi menor do que as mudanças entre as regiões cerebrais e com 20 anos de idade.
A partir dos nossos resultados anteriores, CBFi e CMRO 2i mostraram alterações significativas com PMA em recém-nascidos prematuros saudáveis. A medida de CMRO 2i é mais capaz de detectar danos cerebrais do que a medida de SO 2. Isto sugere que as medidas combinadas de parâmetros vasculares e metabólicos servir b como mais robustoiomarkers de saúde do cérebro neonatal e desenvolvimento do que a saturação de oxigênio sozinho. Melhorias técnicas incidirá sobre a integração de dois instrumentos para reduzir o tempo de aquisição de 35-40% por sessão ea implementação de feedback em tempo real sobre a qualidade dos dados para reduzir a frequência das medidas descartadas. No futuro próximo, este sistema pode ser entregue para os utilizadores finais clínicos como um monitor de cabeceira novel de oxigénio metabolismo cerebral anormal. Ao medir trajetórias de CMRO 2 ao longo do tempo também pode aumentar significado clínico e prever resultados. Esta ferramenta poderia, finalmente, fazer uma contribuição significativa para a melhoria da gestão de lesão cerebral neonatal.
Maria Angela Franceschini, seu marido David Boas, e Beniamino Barbieri (ISS Inc) detêm patentes sobre esta tecnologia.
Os autores agradecem a todas as famílias para a sua participação neste estudo e os enfermeiros, médicos e pessoal na UTI Neonatal, o Berçário de Cuidados Especiais, Neurologia Pediátrica, e as unidades de maternidade no Massachusetts General Hospital, Brigham e do Hospital da Mulher e Hospital Infantil de Boston por sua ajuda e apoio. Em particular, agradeço Linda J. Van Marter, Robert M. Insoft, Jonathan H. Cronin, Julianne Mazzawi, e Steven A. Ringer. Os autores também agradecem Marcia Kocienski-Filip, Yvonne Sheldon, Alpna Aggarwall, Maddy Artunguada e Genevieve Nave por sua ajuda durante as medições. Este projecto é apoiado pelo NIH R01-HD042908, R21-HD058725, P41-RR14075 e R43-HD071761. Marcia Kocienski-Filip e Yvonne Sheldon são suportados pelo Prêmio de Ciência Clínica Translational UL1RR025758 à Universidade de Harvard e do Brigham e do Hospital da Mulher, do Centro Nacional de Pesquisa de Recursos. O conteúdo é de responsabilidade exclusiva do authors e não representam necessariamente a posição oficial do Centro Nacional de Pesquisa de Recursos ou do National Institutes of Health.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Equipamento | Companhia | Número de catálogo | Comentários (opcional) |
Imagent | ISS | FDNIRS | |
DCS laser de fibras | Thorlabs | FT400 | Componente DCS |
DCS fibra detector | Thorlabs | 780HP | Componente DCS |
DCS a laser | CrystaLaser | DL785-070-S | Componente DCS |
DCS detector | Pacer International | SPCM-AQRH-14-FC | Componente DCS |
DCS Correlator | Correlator.com | Flex05-8ch | Componente DCS |
Pronto co-oxímetro | Masimo | HGB e SaO 2 do monitor | |
NOVA | OPHIR | 7Z01500 | Laser medidor de energia |
Sensor cartão | Newport | F-IRC1-S | IR espectador |
Filtro de densidade neutra | Câmera fotográfica | NT54-453 |
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