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Resumo

Apresenta-se um protocolo de monitorização não invasiva da hemodinâmica cerebral de pacientes neurocríticos em tempo real e à beira do leito utilizando óptica difusa. Especificamente, o protocolo proposto utiliza um sistema óptico híbrido difuso para detectar e exibir informações em tempo real sobre oxigenação cerebral, fluxo sanguíneo cerebral e metabolismo cerebral.

Resumo

O monitoramento neurofisiológico é um objetivo importante no tratamento de pacientes neurocríticos, pois pode prevenir danos secundários e impactar diretamente nas taxas de morbidade e mortalidade. No entanto, atualmente há uma falta de tecnologias adequadas e não invasivas em tempo real para a monitorização contínua da fisiologia cerebral à beira do leito. Técnicas ópticas difusas têm sido propostas como uma ferramenta potencial para medidas à beira do leito do fluxo sanguíneo cerebral e oxigenação cerebral em pacientes neurocríticos. Espectroscopias ópticas difusas têm sido previamente exploradas para monitorar pacientes em vários cenários clínicos, desde monitoramento neonatal até intervenções cerebrovasculares em adultos. No entanto, a viabilidade da técnica para ajudar os clínicos, fornecendo informações em tempo real à beira do leito, permanece em grande parte não abordada. Aqui, relatamos a tradução de um sistema óptico difuso para monitoramento contínuo em tempo real do fluxo sanguíneo cerebral, oxigenação cerebral e metabolismo do oxigênio cerebral durante terapia intensiva. O recurso em tempo real do instrumento poderia permitir estratégias de tratamento baseadas na fisiologia cerebral específica do paciente, em vez de depender de métricas substitutas, como a pressão arterial. Ao fornecer informações em tempo real sobre a circulação cerebral em diferentes escalas de tempo com instrumentação relativamente barata e portátil, essa abordagem pode ser especialmente útil em hospitais de baixo orçamento, em áreas remotas e para monitoramento em campos abertos (por exemplo, defesa e esportes).

Introdução

A maioria das complicações que levam a maus resultados em pacientes neurológicos gravemente enfermos está relacionada a lesões secundárias causadas por comprometimentos hemodinâmicos cerebrais. Portanto, o acompanhamento da fisiologia cerebral desses pacientes pode impactar diretamente nas taxas de morbidade e mortalidade 1,2,3,4,5,6,7. Atualmente, entretanto, não há uma ferramenta clínica estabelecida para a monitorização contínua e não invasiva em tempo real da fisiologia cerebral em pacientes neurocríticos à beira do leito. Entre os potenciais candidatos, técnicas ópticas difusas têm sido recentemente propostas como uma ferramenta promissora para preencher essa lacuna8,9,10,11. Medindo as mudanças lentas (isto é, da ordem de dezenas a centenas de ms) da luz infravermelha próxima difusivamente espalhada (~650-900 nm) do couro cabeludo, a espectroscopia óptica difusa (DOS) pode medir as concentrações dos principais cromóforos no cérebro, como oxi- (HbO) cerebral e desoxi-hemoglobina (HbR)12,13. Além disso, é possível medir o fluxo sanguíneo cerebral (FSC) com espectroscopia de correlação difusa (DCS)10,14,15,16,17 quantificando as rápidas flutuações na intensidade da luz (isto é, de alguns μs a poucos ms). Quando combinados, o DOS e o DCS também podem fornecer uma estimativa da taxa metabólica cerebral de oxigênio (CMRO2)18,19,20.

A combinação de DOS e DCS tem sido explorada para monitorar pacientes em vários cenários pré-clínicos e clínicos. Por exemplo, a óptica difusa tem demonstrado fornecer informações clínicas relevantes para neonatos criticamente enfermos 21,22,23,24, inclusive durante cirurgias cardíacas para tratamento de defeitos cardíacos 23,25,26,27,28 . Além disso, vários autores têm explorado o uso da óptica difusa para avaliar a hemodinâmica cerebral durante diferentes intervenções cerebrovasculares, como endarterectomia carotídea 29,30,31, tratamentos trombolíticos para acidente vascular cerebral 32, manipulações em cabeceira do leito 33,34,35, ressuscitação cardiopulmonar 36 e outros 37,38, 39º. Quando a monitorização contínua da pressão arterial também está disponível, a óptica difusa pode ser usada para monitorar a autorregulação cerebral, tanto em indivíduos saudáveis quanto em pacientes críticos 11,40,41,42, bem como para avaliar a pressão crítica de fechamento da circulação cerebral 43. Vários autores validaram as medidas de FSC com DCS contra diferentes medidas de FSC padrão-ouro 18, enquanto a CMRO2 medida com óptica difusa demonstrou ser um parâmetro útil para monitoramento neurocrítico 8,18,23,24,28,43,44,45 . Além disso, estudos prévios validaram os parâmetros hemodinâmicos cerebrais opticamente derivados para monitorização em longo prazo de pacientes neurocríticos 8,9,10,11, inclusive para a predição de eventos hipóxicos 46,47,48 e isquêmicos 8.

A confiabilidade das técnicas ópticas difusas para fornecer informações valiosas em tempo real durante medições longitudinais, bem como durante intervenções clínicas, permanece em grande parte não abordada. O uso de um sistema DOS autônomo foi previamente comparado a monitores de tensão de oxigênio do tecido cerebral invasivo, e o DOS foi considerado como não tendo sensibilidade suficiente para substituir os monitores invasivos. No entanto, além de usar populações relativamente pequenas, a comparação direta entre monitores invasivos e não invasivos pode ser equivocada, pois cada técnica sonda volumes diferentes contendo diferentes partes da vasculatura cerebral. Embora esses estudos tenham concluído que a óptica difusa não substitui os monitores invasivos, em ambos os estudos o DOS alcançou acurácia de moderada a boa, o que pode ser suficiente para casos e/ou locais em que monitores invasivos não estão disponíveis.

Em relação a outras abordagens, a principal vantagem da óptica difusa é sua capacidade de medir simultaneamente o fluxo sanguíneo e a oxigenação sanguínea tecidual de forma não invasiva (e contínua) à beira do leito usando instrumentação portátil. Comparado ao Doppler transcraniano (DTC), o CDC tem uma vantagem adicional: mede a perfusão em nível tecidual, enquanto o DTC mede a velocidade do fluxo sanguíneo cerebral em grandes artérias na base do cérebro. Essa distinção pode ser particularmente importante na avaliação de doenças esteno-oclusivas nas quais tanto o fluxo proximal da grande artéria quanto as colaterais leptomeníngeas contribuem para a perfusão. As técnicas ópticas também apresentam vantagens quando comparadas a outras modalidades de imagem tradicionais, como a Tomografia por Emissão de Pósitrons (PET) e a Ressonância Magnética (RM). Além de fornecer simultaneamente medidas diretas das concentrações de FSC e HbO/HbR, o que não é possível apenas com RM ou PET, a monitorização óptica também fornece resolução temporal significativamente melhor, permitindo, por exemplo, a avaliação da auto-regulação dinâmica cerebral40,41,42 e a avaliação de alterações hemodinâmicas evolutivas dinâmicas. Além disso, a instrumentação óptica difusa é barata e portátil em comparação com PET e RM, o que é uma vantagem crítica dada a alta carga de doença vascular em países de baixa e média renda.

O protocolo aqui proposto é um ambiente para neuromonitorização em tempo real à beira do leito de pacientes na unidade de terapia intensiva (UTI). O protocolo utiliza um dispositivo óptico híbrido juntamente com uma interface gráfica do usuário (GUI) de fácil acesso e sensores ópticos personalizados para sondar os pacientes (Figura 1). O sistema híbrido empregado para a apresentação deste protocolo combina duas espectroscopias ópticas difusas de módulos independentes: um módulo DOS no domínio da frequência comercial (FD-) e um módulo DCS caseiro (Figura 1A). O módulo FD-DOS49,50 é composto por 4 tubos fotomultiplicadores (PMTs) e 32 diodos laser emitidos em quatro diferentes comprimentos de onda (690, 704, 750 e 850 nm). O módulo DCS consiste em um laser de coerência longa emitindo a 785 nm, 16 contadores de fótons únicos como detectores e uma placa correlacionadora. A frequência de amostragem para o módulo FD-DOS é de 10 Hz, e a frequência máxima de amostragem para o módulo DCS é de 3 Hz. Para integrar os módulos FD-DOS e DCS, um microcontrolador foi programado dentro de nosso software de controle para alternar automaticamente entre cada módulo. O microcontrolador é responsável por ligar e desligar os lasers FD-DOS e DCS, bem como os detectores FD-DOS para permitir medições intercaladas de cada módulo. No total, o sistema proposto pode coletar uma amostra combinada de FD-DOS e DCS a cada 0,5 a 5s, dependendo dos requisitos da relação sinal-ruído (SNR) (tempos de coleta mais longos levam a uma melhor SNR). Para acoplar a luz à testa, desenvolvemos uma sonda óptica impressa em 3D que pode ser personalizada para cada paciente (Figura 1B), com separações fonte-detector variando entre 0,8 e 4,0 cm. As separações padrão-fonte-detector usadas nos exemplos apresentados aqui são 2,5 cm para DCS e 1,5, 2,0, 2,5 e 3,0 cm para FD-DOS.

A principal característica do protocolo apresentado neste estudo é o desenvolvimento de uma interface em tempo real que pode controlar o hardware com uma GUI amigável e exibir os principais parâmetros da fisiologia cerebral em tempo real sob diferentes janelas temporais (Figura 1C). O pipeline de análise em tempo real desenvolvido dentro da GUI proposta é rápido e leva menos de 50 ms para calcular os parâmetros ópticos (consulte o Material Suplementar para obter mais detalhes). O GUI foi inspirado nos instrumentos clínicos atuais já disponíveis na neuro-UTI, e foi adaptado através de extenso feedback dos usuários clínicos durante a tradução do sistema para a neuro-UTI. Consequentemente, a GUI em tempo real pode facilitar a adoção do sistema óptico pela equipe regular do hospital, como neurointensivistas e enfermeiros. A ampla adoção da óptica difusa como ferramenta de pesquisa clínica tem o potencial de melhorar sua capacidade de monitorar dados fisiologicamente significativos e, em última análise, pode demonstrar que a óptica difusa é uma boa opção para monitorar pacientes neurocríticos de forma não invasiva em tempo real.

Protocolo

O protocolo foi aprovado pelo comitê local da Universidade Estadual de Campinas (protocolo número 56602516.2.0000.5404). Consentimento informado por escrito foi obtido do paciente ou de um representante legal antes das medidas. Foram acompanhados pacientes admitidos no Hospital das Clínicas da Universidade Estadual de Campinas com diagnóstico de acidente vascular cerebral isquêmico ou hemorragia subaracnóidea acometendo a circulação anterior. Pacientes com acidente vascular cerebral isquêmico afetando a circulação posterior, pacientes com craniectomias descompressivas devido à pressão intracraniana elevada e pacientes com outras doenças neurodegenerativas (demência, Parkinson ou qualquer outra doença que possa estar associada à atrofia cortical) foram excluídos do protocolo do estudo.

1. Preparativos antes da transferência do sistema para a UTI

  1. Conecte todas as fibras aos lasers e detectores relevantes e certifique-se de que estejam devidamente conectadas à sonda óptica (Figura 1B).
  2. Verifique se a sonda óptica está coberta com um pano preto para evitar que os lasers brilhem na sala.
  3. Ligue o interruptor de alimentação do sistema para a posição 'LIGADO'. Depois de ligar o sistema, aguarde 30s e, em seguida, ligue o interruptor da chave laser DCS para a posição 'ON'. Os lasers FD-DOS são automaticamente ligados quando o sistema é ligado.
  4. Enquanto o sistema está sendo preparado, obtenha o consentimento do participante ou de um representante legal. Após obter consentimento, leve o carrinho para o quarto do paciente.
    NOTA: Como o sistema híbrido tem uma bateria embutida que dura até 45 min, ele não precisa ser desligado durante o transporte.

2. Calibração e ajustes de ganho do sistema DOS

  1. Ao chegar na UTI, desligue o laser DCS alternando a chave para a posição 'OFF'.
  2. Começando com o simulador sólido marcado como 'Calibrar', execute o processo de calibração no software FD-DOS (BOXY, ISS) seguindo as etapas abaixo.
    1. No menu 'Arquivo', carregue o arquivo de configurações apropriado para a sonda que está sendo usada clicando na opção 'Carregar arquivo de configurações'.
    2. Coloque a sonda no lado curvo do simulador, garantindo um bom contato com a superfície e, em seguida, otimize a tensão de polarização PMT clicando no botão 'Otimizar todos os detectores' no software FD-DOS.
    3. Execute a calibração para várias separações fonte-detector clicando na opção 'Calc. Valores para Suportes Ópticos. e Múltiplas Distâncias' no menu 'Calibrar' .
    4. Abra a opção 'Cálculos definidos pelo usuário' no menu 'Texto-Mon' para verificar se as propriedades ópticas medidas correspondem aos valores pré-especificados (escritos no simulador sólido) e se o ajuste R2 está próximo de um.
  3. Repetir os passos acima (excepto o passo 2.2.3) para medir as propriedades ópticas do simulador marcado como «Verificar» para garantir que a calibração foi adequada. As propriedades ópticas medidas devem corresponder, dentro de 10%, aos valores especificados nos simuladores.
    CUIDADO: Certifique-se de desligar os PMTs (clicando no botão 'All Detectors OFF') sempre que a sonda for movida para evitar danificar os PMTs devido à iluminação direta da luz ambiente.
  4. Se a calibração não for adequada, execute novamente o processo de calibração (etapas 2.2 e 2.3). Garantir uma boa calibração do sistema FD-DOS é essencial para a validade das medições FD-DOS.

3. Preparo do participante à beira do leito

  1. Use lenços higiênicos para limpar a sonda e a testa do paciente.
  2. Coloque a fita dupla face na sonda (Figura 1B), garantindo que a fita não esteja em contato direto com as pontas da fibra óptica.
  3. Coloque um laser de segurança no assunto.
  4. Coloque as sondas sobre a região de interesse (ROI) e enrole as tiras elásticas ao redor da cabeça do sujeito. Embora não seja estritamente necessário para FD-DOS e DCS, é aconselhável cobrir a sonda óptica com um pano preto ou bandagem preta para reduzir o ruído devido à luz ambiente.
    NOTA: É importante garantir que a cinta elástica não seja nem muito apertada nem muito solta. Se a alça estiver muito apertada, pode causar desconforto significativo ao paciente e, se a alça estiver muito solta, pode levar a uma baixa qualidade dos dados, pois a fita dupla face não é forte o suficiente para manter as sondas no lugar.
  5. Depois que a sonda estiver devidamente presa à testa do paciente, ligue o laser DCS alternando a chave para a posição 'ON'.
    CUIDADO: O sistema DCS usa um laser Classe 3B que é perigoso para a exposição ocular. É muito importante só ligar os lasers quando a sonda estiver devidamente presa à testa do paciente.

4. Avaliação da qualidade dos dados

  1. Antes de começar a adquirir dados com a GUI, escreva as separações do detector de origem DCS na guia 'Configurações' da GUI.
    NOTA: O sistema DCS não requer uma etapa de calibração, mas a entrada adequada das separações fonte-detector é necessária para a análise em tempo real (consulte Material Suplementar para obter detalhes).
  2. Inicie o software de aquisição pressionando o botão 'Iniciar' na GUI e verifique o sinal DOS no software FD-DOS:
    1. Clique no botão 'Otimizar todos os detectores' no software FD-DOS para otimizar a tensão de polarização PMT.
    2. Verifique as propriedades ópticas e o R2 do ajuste do DOS na opção 'Cálculo definido pelo usuário' no menu 'Texto-Seg'. O coeficiente R 2 deve estar próximo da unidade e, como regra geral, o coeficiente de absorção de pacientes humanos deve estar entre 0,05 e 0,2 cm-1, enquanto o coeficiente de espalhamento deve estar entre 6 e 13 cm-113.
  3. Verifique o sinal DCS na guia 'Curvas de correlação' da GUI.
    1. Ligue os detectores DCS girando os interruptores para a posição ' ON'.
    2. Certifique-se de que cada detector DCS está medindo uma intensidade de luz adequada. Como regra geral, mais de 10 kHz são necessários.
    3. Se a intensidade medida for superior a 800 kHz, use um filtro de densidade neutra para reduzir as contagens de fótons para evitar danificar os detectores. Isso normalmente é um problema para separações mais curtas (< 1 cm) do detector de fonte.
      NOTA: Além de danificar potencialmente os detectores DCS, contagens de fótons superiores a 800 kHz também podem trazer erros devido a efeitos não lineares no detector.
    4. Verifique as curvas de autocorrelação para garantir um bom acoplamento cutâneo (veja os Resultados Representativos e a Figura 2) e reposicione a sonda óptica se necessário.
    5. Se o reposicionamento da sonda foi necessário na etapa anterior, repita os passos 4.2 e 4.3. Essas etapas podem precisar ser repetidas várias vezes.
      NOTA: O DCS e os detectores FD-DOS devem ser desligados sempre que a sonda for movida. Para desligar os detectores DCS, mova manualmente os interruptores para a posição 'OFF'. O detector FD-DOS é desligado clicando no botão 'Todos os detectores desligados' no software FD-DOS.
  4. Quando um bom contato entre a sonda e a pele for alcançado, pare a coleta de dados clicando no botão 'Parar' na GUI. Em seguida, defina os identificadores de experimento e paciente na caixa de texto 'Pasta' e escreva o nome do ROI na caixa de texto 'Nome do arquivo'.
  5. Inicie a aquisição de dados pressionando o botão 'Iniciar' na GUI.
  6. Colete dados no primeiro ROI pelo tempo exigido pelo protocolo. Se necessário, mova a sonda para as outras ROIs e repita a medição.
    NOTA: O período de acompanhamento pode variar dependendo dos objetivos do estudo.

5. Considerações para o experimentador durante a medição

  1. Depois de iniciar a medição, escreva na guia "Informações do experimento" da GUI as informações relevantes do paciente (por exemplo, tipo e localização da lesão, medicamentos que estão sendo administrados, idade, sexo, etc.).
  2. Certifique-se de que qualquer evento relevante que ocorreu durante o período de monitoramento seja marcado clicando no botão 'Marcar' na GUI. Após cada marcação, certifique-se de escrever a descrição do evento na guia 'Informações do experimento' da GUI.

6. Interromper a coleta de dados

  1. Pare a coleta de dados pressionando o botão 'Parar' na GUI.
  2. Pare o software FD-DOS pressionando o botão de parada de aquisição e gravação de dados representado como dois quadrados vermelhos no software FD-DOS.
  3. Desligue os detectores DCS virando os interruptores para a posição 'OFF' e desligue o laser DCS girando a chave para a posição ' OFF'.
  4. Desligue os PMTs do módulo FD-DOS clicando no botão 'Todos os detectores desligados'.
  5. Remova a sonda da cabeça do paciente e remova a fita dupla face da sonda. Em seguida, limpe a sonda com lenços higienizantes.
  6. Repetir a medição das propriedades ópticas de cada simulador sólido o mais rapidamente possível para garantir que a calibração se manteve adequada durante toda a sessão de monitorização (ver passo 4.2.2).
    OBS: O ideal é que a etapa de calibração seja feita logo após a retirada das sondas ópticas da cabeça do paciente (passo 6.6). No entanto, devido a problemas de tempo, nos exemplos apresentados na próxima seção isso foi feito na instalação de armazenamento.
  7. Limpe o sistema e seus acessórios com lenços higienizantes.
  8. Leve o carrinho de volta para o depósito.

Resultados

Idealmente, as curvas de autocorrelação normalizadas obtidas com o módulo DCS devem ser de aproximadamente 1,5 na extrapolação de tempo de atraso zero (quando se usa fibrasmonomodo14), e as curvas devem decair para 1 em tempos de atraso maiores. A curva deve ser suave e deve ter um decaimento mais rápido para as separações mais longas fonte-detector. Um exemplo de boa autocorrelação é mostrado na Figura 2A. A Figura 2B mostra u...

Discussão

Este trabalho apresentou um sistema óptico híbrido que pode fornecer informações em tempo real sobre o fluxo sanguíneo cerebral, oxigenação cerebral e metabolismo de oxigênio cerebral de pacientes neurocríticos ao lado. O uso de técnicas ópticas difusas já havia sido abordado anteriormente como um potencial marcador para monitoramento não invasivo à beira do leito em cenários clínicos. Um estudo anterior enfocou os aspectos clínicos e a viabilidade da monitorização óptica durante a internação na neu...

Divulgações

O(s) autor(es) declarou(m) os seguintes potenciais conflitos de interesse com relação à pesquisa, autoria e/ou publicação deste artigo: RC Mesquita tem um pedido de patente pendente e duas outras patentes relevantes para este trabalho (patentes dos Estados Unidos 10.342.488 e 10.064.554). Atualmente, nenhum autor recebe royalties ou pagamentos dessas patentes.

   

Agradecimentos

Agradecemos o apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) por meio dos Proc. 2012/02500-8 (RM), 2014/25486-6 (RF) e 2013/07559-3. Os financiadores não tiveram nenhum papel no desenho do estudo, coleta e análise de dados, decisão de publicação ou preparação do manuscrito.

Materiais

NameCompanyCatalog NumberComments
3D PrinterSethi3DS23D-printer used to print the customizable probes
Arduino UNOArduinoUNO REV3Microcontroller responsible to interleave the DCS and FD-DOS measurements
DCS CorrelatorCorrelator.comFlex11-16chComponent of the DCS module
DCS Dectectors IO BoardsExcelitas TechnologySPCM-AQ4C-IOComponent of the DCS module
DCS DetectorsExcelitas TechnologySPCM-AQ4CComponent of the DCS module
DCS LaserCrystaLaserDL785-120-SOComponent of the DCS module
DCS Power supplyArtesynUMP10T-S2A-S2A-S2A-S2A-IES-00-AComponent of the DCS module (power supply for the DCS detecto; 2, 5 and 30V)
FD-DOS fibersISSImagent suppliesThe fibers used for FD-DOS detection and illumination are provived by ISS
Flexible 3D printer materialSethi3DNinjaFlexMaterial used to print the flexible customizable probes
ImagentISSImagentFD-DOS module
Laser safety googlesThorlabsLG9
Multi-mode fiberThorlabsFT400EMTMulti-mode fiber used for DCS illumination
Neutral density filter 1.0 ODEdmund Optics53-705Neutral density filter for the short source detector separations
Single-mode optical fiberThorlabs780HPSingle-mode optical fiber used for the DCS detectors
System batterySMSNET4System battery used for transportation

Referências

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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

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