Name: non-invasive optical measurement of cerebral metabolism and hemodynamics in infants
Uploaded: 2013-03-14T09:20:00
Duration: 11 min 39 s
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The authors thank all the families for their participation in this study and the nurses, physicians, and staff in the Neonatal ICU, the Special Care Nursery, Pediatric Neurology, and the maternity units at Massachusetts General Hospital, Brigham and Women's Hospital and Boston Children's Hospital for their help and support. In particular we thank Linda J. Van Marter, Robert M. Insoft, Jonathan H. Cronin, Julianne Mazzawi, and Steven A. Ringer. The authors also thank Marcia Kocienski-Filip, Yvonne Sheldon, Alpna Aggarwall, Maddy Artunguada and Genevieve Nave for their assistance during measurements. This project is supported by NIH R01-HD042908, R21- HD058725, P41- RR14075 and R43-HD071761. Marcia Kocienski-Filip and Yvonne Sheldon are supported by the Clinical Translational Science Award UL1RR025758 to Harvard University and Brigham and Women's Hospital from the National Center for Research Resources. The content is solely the responsibility of the authors and does not necessarily represent the official views of the National Center for Research Resources or the National Institutes of Health.

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मारिया एंजेला Franceschini, उसके पति ने दाऊद Boas, और Beniamino Barbieri (आईएसएस इंक) इस तकनीक पर पेटेंट पकड़.

हम मस्तिष्क और और नवजात आबादी में FDNIRS DCS साथ hemodynamic चयापचय के एक मात्रात्मक माप का प्रदर्शन किया. जांच विन्यास नवजात मस्तिष्क प्रांतस्था 14 को मापने के लिए अनुकूलित है. रक्त का प्रवाह DCS द्वारा मापा परिवर्तन बड़े पैमाने पर किया गया है जानवर और मानव अध्ययन में 22,23 अन्य तकनीकों के खिलाफ मान्य. रक्त प्रवाह का एक सीधा DCS उपाय का उपयोग करके, हम CMRO 2i 24 की गणना में अंतर को कम करने में सक्षम हैं. दोहराया उपायों से विचरण भी मस्तिष्क क्षेत्रों के बीच और 20 साल की उम्र के साथ परिवर्तन की तुलना में छोटे. हमारे पिछले परिणामों से, CBFi और CMRO 2i PMA साथ स्वस्थ अपरिपक्व नवजात शिशुओं में महत्वपूर्ण परिवर्तन दिखाया. CMRO 2i के उपाय बेहतर उपाय के 2 अतः तुलना में मस्तिष्क क्षति का पता लगाने में सक्षम है. यह पता चलता है संवहनी और चयापचय पैरामीटर की है कि संयुक्त उपायों के रूप में और अधिक मजबूत ख की सेवानवजात मस्तिष्क स्वास्थ्य और विकास की ऑक्सीजन संतृप्ति से अकेले iomarkers. तकनीकी सुधार दो उपकरणों के एकीकरण पर ध्यान केंद्रित करने के लिए अधिग्रहण के समय प्रति सत्र 35-40% और डेटा की गुणवत्ता पर प्रतिक्रिया वास्तविक समय के कार्यान्वयन के लिए त्याग उपायों की आवृत्ति कम कम हो जाएगा. निकट भविष्य में, इस प्रणाली बदल मस्तिष्क ऑक्सीजन चयापचय के एक उपन्यास bedside निगरानी के रूप में नैदानिक ​​अंत उपयोगकर्ताओं के लिए दिया जा सकता है. समय पर CMRO 2 के trajectories मापने के द्वारा भी नैदानिक ​​महत्व में वृद्धि कर सकते हैं और परिणाम की भविष्यवाणी. यह उपकरण अंततः नवजात मस्तिष्क की चोट के बेहतर प्रबंधन की दिशा में एक महत्वपूर्ण योगदान कर सकता है.

FDNIRS डिवाइस 8 लेजर आठ 660 से 830 एनएम को लेकर तरंगदैर्य, और दो photomultiplier ट्यूब डिटेक्टरों (PMT) में उत्सर्जन डायोड के दो समान सेट के साथ एक स्वनिर्धारित आवृत्ति डोमेन आईएसएस इंक से प्रणाली है. सूत्रों का कहना है डिटेक्टरों और 110 मेगाहर्ट्ज और 110 मेगाहर्ट्ज से अधिक 5 kHz संग्राहक हैं, क्रमशः, heterodyne 6 का पता लगाने को प्राप्त है. प्रत्येक लेजर डायोड पर 10 मिसे के लिए बदल गया है अनुक्रम में चक्र प्रति एक 160 मिसे कुल अधिग्रहण के समय के लिए. सूत्रों का कहना है डिटेक्टरों और फाइबर ऑप्टिक्स के लिए मिलकर कर रहे हैं और एक ऑप्टिकल जांच में एक पंक्ति में व्यवस्थित. जांच पर फाइबर की व्यवस्था ऐसी है कि यह चार अलग स्रोत डिटेक्टर separations का उत्पादन है. कई दूरी पर प्रेषित प्रकाश (आयाम क्षीणन और चरण में बदलाव) को मापने के द्वारा, हम निगरानी के तहत (μa) अवशोषण और बिखरने ऊतक के (μs &#39;) coefficients यों कर सकते हैं. कई तरंगदैर्य पर अवशोषण coefficients से, हम तो oxygenated (एचबीओ) के निरपेक्ष मूल्यों का अनुमान है औरdeoxygenated (HBR) में हीमोग्लोबिन सांद्रता 7, मस्तिष्क में रक्त मात्रा (CBV) और हीमोग्लोबिन ऑक्सीजन संतृप्ति (2 एसओ). निर्मित प्रणाली डीआरएस द्वारा विकसित एक समान - DCS डिवाइस एक घर है. अर्जुन Yodh और 8,9 पेंसिल्वेनिया विश्वविद्यालय में Turgut Durduran. DCS प्रणाली है कि एक ठोस के होते हैं - राज्य, 785 एनएम पर लंबे समय के जुटना लेजर, चार फोटॉन - गिनती हिमस्खलन photodiode (APD) (EG &amp; G Perkin Elmer SPCM - AQRH) डिटेक्टरों कम अंधेरे मायने रखता (&lt;50 मायने रखता है / सेक) की विशेषता और एक उच्च क्वांटम (785 एनएम पर 40%), उपज और एक चार चैनल, 200 nsec संकल्प के साथ 256 बिन बहु - ताऊ correlator. DCS साथ हम गुणा बिखरे हुए प्रकाश के अस्थायी तीव्रता उतार चढ़ाव है कि बदलाव डॉपलर लाल रक्त कोशिकाओं हिल द्वारा उत्पादित से उठता बढ़ाता द्वारा प्रमस्तिष्क प्रांतस्था में microvascular रक्त प्रवाह को मापने. तकनीक, लेजर डॉपलर रक्त flowmetry के लिए इसी तरह की (यानी वे फूरियर Tr0.5 सेकंड ansform) analogs, प्रत्येक डिटेक्टर 200 nsec की एक देरी समय सीमा पर एक डिजिटल correlator द्वारा गणना चैनल की तीव्रता उतार चढ़ाव के एक autocorrelation समारोह के उपाय. correlator अस्थायी ऊतक से फिर उभरती प्रकाश की तीव्रता ऑटो सहसंबंध computes. हम तो प्रसार सहसंबंध मापा autocorrelation समारोह समीकरण फिट क्रमिक रूप से हासिल कर ली है, के बारे में एक बार प्रति सेकंड, रक्त प्रवाह (CBF मैं) सूचकांक 10,11 प्राप्त. रक्त के प्रवाह में परिवर्तन की DCS उपाय बड़े पैमाने पर किया गया है 12,13 वैधीकृत. मैं CBF की DCS उपायों के साथ 2 तो FDNIRS उपायों संयोजन करके, हम मस्तिष्क ऑक्सीजन चयापचय (CMRO 2i) के एक अनुमान प्राप्त करने के.

<table border="1"><tbody><tr><td> उपकरण </td><td> कंपनी </td><td> सूचीपत्र संख्या </td><td> टिप्पणियां (वैकल्पिक) </td></tr><tr><td> Imagent </td><td> आईएसएस </td><td></td><td> FDNIRS </td></tr><tr><td> DCS लेजर फाइबर </td><td> Thorlabs </td><td> FT400 </td><td> DCS घटक </td></tr><tr><td> DCS डिटेक्टर फाइबर </td><td> Thorlabs </td><td> 780HP </td><td> DCS घटक </td></tr><tr><td> DCS लेजर </td><td> CrystaLaser </td><td> DL785-070-S </td><td> DCS घटक </td></tr><tr><td> DCS डिटेक्टर </td><td> तेज गेंदबाज इंटरनेशनल </td><td> SPCM - AQRH-14-एफसी </td><td> DCS घटक </td></tr><tr><td> DCS correlator </td><td> Correlator.com </td><td> Flex05 - 8ch </td><td> DCS घटक </td></tr><tr><td> सह oximeter तेज़ी </td><td> Masimo </td&gt; <td></td><td> HGB और साओ 2 मॉनिटर </td></tr><tr><td> नोवा </td><td> ओपीर </td><td> 7Z01500 </td><td> लेजर बिजली मीटर </td></tr><tr><td> सेंसर कार्ड </td><td> न्यूपोर्ट </td><td> एफ IRC1-S </td><td> आईआर दर्शक </td></tr><tr><td> तटस्थ घनत्व फिल्टर </td><td> कोडक </td><td> NT54-453 </td><td></td></tr></tbody></table>

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

Perinatal brain injury remains a significant cause of infant mortality and morbidity, but there is not yet an effective bedside tool that can accurately screen for brain injury, monitor injury evolution, or assess response to therapy. The energy used by neurons is derived largely from tissue oxidative metabolism, and neural hyperactivity and cell death are reflected by corresponding changes in cerebral oxygen metabolism (CMRO2). Thus, measures of CMRO2 are reflective of neuronal viability and provide critical diagnostic information, making CMRO2 an ideal target for bedside measurement of brain health.
Brain-imaging techniques such as positron emission tomography (PET) and single-photon emission computed tomography (SPECT) yield measures of cerebral glucose and oxygen metabolism, but these techniques require the administration of radionucleotides, so they are used in only the most acute cases.
Continuous-wave near-infrared spectroscopy (CWNIRS) provides non-invasive and non-ionizing radiation measures of hemoglobin oxygen saturation (SO2) as a surrogate for cerebral oxygen consumption. However, SO2 is less than ideal as a surrogate for cerebral oxygen metabolism as it is influenced by both oxygen delivery and consumption. Furthermore, measurements of SO2 are not sensitive enough to detect brain injury hours after the insult 1,2, because oxygen consumption and delivery reach equilibrium after acute transients 3. We investigated the possibility of using more sophisticated NIRS optical methods to quantify cerebral oxygen metabolism at the bedside in healthy and brain-injured newborns. More specifically, we combined the frequency-domain NIRS (FDNIRS) measure of SO2 with the diffuse correlation spectroscopy (DCS) measure of blood flow index (CBFi) to yield an index of CMRO2 (CMRO2i) 4,5.
With the combined FDNIRS/DCS system we are able to quantify cerebral metabolism and hemodynamics. This represents an improvement over CWNIRS for detecting brain health, brain development, and response to therapy in neonates. Moreover, this method adheres to all neonatal intensive care unit (NICU) policies on infection control and institutional policies on laser safety. Future work will seek to integrate the two instruments to reduce acquisition time at the bedside and to implement real-time feedback on data quality to reduce the rate of data rejection.

पिछले पांच साल में हम व्यवहार्यता और प्रस्तावित विधि के नैदानिक ​​उपयोगिता का प्रदर्शन किया है. विशेष रूप से, हम CMRO 2 से पता चला है अतः 2 की तुलना में दिमाग के स्वास्थ्य और विकास के अधिक प्रतिनिधि हो. 50 से अधिक स्वस्थ शिशुओं पर एक पार के अनुभागीय अध्ययन में हमने पाया कि जबकि CBV जीवन के पहले वर्ष के दौरान दोगुने से भी अधिक है, तो 2 बनी हुई है 4 निरंतर (5 चित्रा). एक अध्ययन में 70 स्वस्थ नवजात शिशुओं पर हम यह भी पाया कि 2 मस्तिष्क क्षेत्रों में स्थिर है, जबकि CMRO 2i, CBV और CBF ललाट (6 चित्रा) क्षेत्र 20, जो पीईटी ग्लूकोज तेज के साथ संगत है से लौकिक और पार्श्विका क्षेत्रों में अधिक कर रहे हैं 21 निष्कर्ष. हमारे अध्ययन के दोनों में 2 तो स्थिर है, के भीतर एक 60-70 प्रतिशत की सीमा यह इंगित करता है कि ऑक्सीजन प्रसव निकट स्थानीय खपत से मेल खाता है, जबकि CBV CBF, और 2 CMRO मो रहे हैंफिर कस तंत्रिका विकास के साथ मिलकर. सत्यापित करें कि CMRO 2i 2 बहुत से एक बेहतर नवजात मस्तिष्क की चोट का पता लगाने में स्क्रीनिंग उपकरण है, हम तीव्र 5 चरण के दौरान मस्तिष्क घायल शिशुओं मापा, और चोट के बाद कई महीनों पुरानी चरण के दौरान (कुछ शिशुओं में). 7 चित्रा में परिणाम शो ऐसा कैसे 2 मस्तिष्क की चोट से काफी बदल दोनों जल्दी (1-15 दिनों के अपमान के बाद) और जीर्ण अवस्था (महीनों चोट के बाद) में नहीं है, जबकि CMRO 2i दोनों तीव्र और जीर्ण चरणों के दौरान सामान्य से काफी अलग है . विशेष रूप से, CMRO 2i जब्ती गतिविधि की वजह से मस्तिष्क की चोट के बाद तीव्र चरण और पुरानी neuronal नुकसान के कारण चरण के दौरान सामान्य से कम के दौरान उठाया है. Hypoxic ischemic चोटों के साथ शिशुओं वर्तमान में से मस्तिष्क चयापचय कम करने के लिए कर रहे हैं चिकित्सकीय हाइपोथर्मिया (ध) के साथ इलाज और hypoxic भारतीय नौसेना पोत के बाद क्षति को कमult. चिकित्सकीय हाइपोथर्मिया तीन दिनों के लिए बनाए रखा है और हम इलाज के दौरान 11 शिशुओं (8 चित्रा) की निगरानी करने में सक्षम हो गया है. हमने पाया है कि CMRO 2i काफी वें दौरान सामान्य से नीचे के स्तर के लिए कम हो जाती है, और इस कमी के लिए चिकित्सा और विकास के परिणाम के लिए प्रतिक्रिया करने के लिए संबंधित जा रहा है. इन प्रारंभिक परिणाम बताते हैं कि विधि FDNIRS DCS हाइपोथर्मिया चिकित्सा के लिए गाइड और अनुकूलित करने में सक्षम हो सकता है. <img alt="चित्रा 1" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig1.jpg" /> चित्रा 1. चित्र FDNIRS और DCS उपकरणों के साथ गाड़ी की दो उपकरणों काफी कॉम्पैक्ट करने के लिए एक छोटी सी गाड़ी है कि NICU में शिशु bedside करने के लिए ले जाया जा सकता है पर फिट हैं. <img alt="चित्रा 2" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig2.jpg" /> चित्रा 2 (ए) ऑप्टिकल जांच विन्यास. <strong&gt; (बी) माप स्थान योजना (सी) एक शिशु पर एक ठेठ माप FDNIRS DCS की एक तस्वीर है. <img alt="चित्रा 3" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/4379/4379fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig3.jpg" /> चित्रा 3 मापा के अच्छे और बुरे फिट के प्रतिनिधि उदाहरण (ए) अवशोषण गुणांक और हीमोग्लोबिन (बी) फिट बिखरने गुणांक और रैखिक फिट. पी मूल्य 0.02&gt; एक बुरा फिट करने के लिए संदर्भित करता है. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/4379/4379fig3large.jpg" target="_blank">बड़ा आंकड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करें</a> . <img alt="चित्रा 4" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig4.jpg" /> चित्रा 4 तीव्रता computed उतार चढ़ाव के एक autocorrelation समारोह के अच्छे और बुरे फिट का एक प्रतिनिधि उदाहरण.0.5 सेकंड 200 nsec का एक देरी समय सीमा पर एक correlator द्वारा. फिटिंग वक्र की पूंछ बुरा फिट आंकड़ा में 1 से 0.02 से अधिक अलग है और 3 1 अंक की भिन्नता 0.1 से अधिक है. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/4379/4379fig4large.jpg" target="_blank">बड़ा आंकड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करें</a> . <img alt="चित्रा 5" fo:content-width="4in" fo:src="/files/ftp_upload/4379/4379fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig5.jpg" /> चित्रा 5. में CBV और 2 तो जन्म से उम्र के एक वर्ष के लिए शिशुओं में ललाट, अस्थायी और पार्श्विका cortical क्षेत्रों में परिवर्तन. <img alt="चित्रा 6" fo:content-width="4in" fo:src="/files/ftp_upload/4379/4379fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig6.jpg" /> 6 चित्रा. CBF, 2 CBV, और ललाट ते, CMRO 2i70 स्वस्थ नवजात शिशुओं में mporal और पार्श्विका क्षेत्रों. <img alt="7 चित्रा" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig7.jpg" /> चित्रा 7. असामान्य ऑक्सीजन की खपत के उदाहरण और सामान्य तो 2 शिशुओं में मस्तिष्क की चोट के बाद मस्तिष्क की चोट. CMRO 2 में सामान्य करने के लिए सम्मान के साथ परिवर्तन के द्वारा चिह्नित किया जाता है, जबकि 2 तो सामान्य से काफी अलग नहीं है. कृपया ध्यान दें कि इन दोनों आंकड़ों में, CMRO 2 Grubb संबंध का उपयोग कर की गणना की थी, क्योंकि DCS उपाय उन माप के समय पर उपलब्ध नहीं था. <img alt="चित्रा 8" src="/files/ftp_upload/4379/4379fig8.jpg" /> चित्रा 8. चिकित्सीय हाइपोथर्मिया बनाम उम्र से मिलान स्वस्थ नियंत्रण के दौरान 11 शिशुओं की 2 rCMRO. ऑक्सीजन चयापचय दृढ़ता से हाइपोथर्मिया चिकित्सा के साथ सभी शिशुओं में कम है.

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

हम आवृत्ति डोमेन फैलाना सहसंबंध स्पेक्ट्रोस्कोपी मस्तिष्क में रक्त के प्रवाह सूचकांक के उपाय करने के लिए ऑक्सीजन चयापचय के एक सूचकांक के अनुमान के साथ मस्तिष्क हीमोग्लोबिन oxygenation के निकट अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी उपायों संयुक्त. हम एक bedside स्क्रीनिंग स्वास्थ्य और नवजात शिशु के मस्तिष्क के विकास का मूल्यांकन करने के लिए एक उपकरण के रूप में इस उपाय की उपयोगिता का परीक्षण किया.

गैर इनवेसिव सेरेब्रल और शिशुओं में चयापचय hemodynamics की ऑप्टिकल मापन

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

Research

JoVE Journal

Medicine

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

कॉर्नियल confocal माइक्रोस्कोपी: एक उपन्यास गैर इनवेसिव परिधीय neuropathies में लघु फाइबर पैथोलॉजी यों तकनीक

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

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

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एक Vivo में संकुचन - प्रेरित चोट और गैर इनवेसिव रिकवरी की निगरानी के कृंतक मॉडल

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

Microvascular और endothelial समारोह का आकलन गैर इनवेसिव

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

Transplantation into the Anterior Chamber of the Eye for Longitudinal, Non-invasive In vivo Imaging with Single-cell Resolution in Real-time

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आंख की पूर्वकाल चैम्बर में अनुदैर्ध्य, गैर इनवेसिव ट्रांसप्लांटेशन<em&gt; Vivo में</emवास्तविक समय में एकल कक्ष संकल्प के साथ इमेजिंग&gt;

Intravital imaging has emerged as an indispensable tool in biological research.  In the process, many imaging techniques have been developed to study ...

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

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साथ पोजीट्रान एमिशन टोमोग्राफी का प्रयोग गैर इनवेसिव इमेजिंग और मस्तिष्क ischemia के विश्लेषण के रहने चूहे में<sup&gt; 18</sup&gt; एफ 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

गैर इनवेसिव इमेजिंग के लिए murine मॉडल का पता लगाने और मॉनिटर डिम्बग्रंथि कैंसर की पुनरावृत्ति के लिए

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

Multi-electrode Array Recordings of Human Epileptic Postoperative Cortical Tissue

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Epilepsy, affecting about 1% of the population, comprises a group of neurological disorders characterized by the periodic occurrence of seizures, which ...

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नाड़ी समारोह और आकृति विज्ञान की गैर इनवेसिव आकलन करने के लिए एक methodological दृष्टिकोण

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

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