Name: real-time monitoring of neurocritical patients with diffuse optical spectroscopies
Uploaded: 2020-11-19T13:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies at JoVE.com

نحن نقدر الدعم المقدم من مؤسسة أبحاث ساو باولو (FAPESP) من خلال Proc. 2012/02500-8 (RM) و 2014/25486-6 (RF) و 2013/07559-3. لم يكن للممولين أي دور في تصميم الدراسة أو جمع البيانات وتحليلها أو قرار النشر أو إعداد المخطوطة.

تمت الموافقة على البروتوكول من قبل اللجنة المحلية لجامعة كامبيناس (رقم البروتوكول 56602516.2.0000.5404). تم الحصول على موافقة خطية مستنيرة من المريض أو ممثل قانوني قبل القياسات. راقبنا المرضى الذين تم إدخالهم إلى مستشفى العيادات في جامعة كامبيناس مع تشخيص السكتة الدماغية أو نزيف تحت العنكبوتية يؤ?...

قدمت هذه الورقة نظاما بصريا هجينا يمكنه توفير معلومات في الوقت الفعلي حول تدفق الدم الدماغي والأوكسجين الدماغي واستقلاب الأكسجين الدماغي للمرضى العصبيين في الجانب الآخر. تم تناول استخدام التقنيات البصرية المنتشرة سابقا كعلامة محتملة للمراقبة غير الغازية بجانب السرير في السيناريوهات ا?...

An erratum was issued for:&#160;<a href="https://www.jove.com/t/61608">Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies</a>. The Authors section was updated from:
Rodrigo Menezes Forti1,2 
Marilise Katsurayama2,3 
Lenise Valler2,3 
Andr&#233;s Quiroga1,2 
Luiz Simioni1 
Julien Menko4 
Antonio L. E. Falc&#227;o3 
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 
Andr&#233;s Quiroga1,2 
Luiz Simioni1 
Julien Menko4 
Antonio L. E. Falc&#227;o3 
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

An erratum was issued for:&#160;<a href="https://www.jove.com/t/61608">Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies</a>. The Authors section was updated.

Erratum: Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies

ترتبط معظم المضاعفات التي تؤدي إلى نتائج سيئة لمرضى الأعصاب المصابين بأمراض خطيرة بالإصابات الثانوية الناجمة عن ضعف الدورة الدموية الدماغية. لذلك ، قد تؤثر مراقبة الفسيولوجيا الدماغية لهؤلاء المرضى بشكل مباشر على معدلات المراضة والوفيات1،2،3،4،5،6،7. ومع ذلك ، لا توجد حاليا أداة سريرية ثابتة للمراقبة المستمرة غير الباضعة في الوقت الفعلي لعلم وظائف الأعضاء الدماغية في المرضى العصبيين الحرجين بجانب السرير. من بين المرشحين المحتملين ، تم اقتراح التقنيات البصرية المنتشرة مؤخرا كأداة واعدة لسد هذه الفجوة8،9،10،11. من خلال قياس التغيرات البطيئة (أي بترتيب عشرات إلى مئات مللي ثانية) للضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء المتناثر بشكل منتشر (~ 650-900 نانومتر) من فروة الرأس ، يمكن للتحليل الطيفي البصري المنتشر (DOS) قياس تركيزات الكروموسومات الرئيسية في الدماغ ، مثل أوكسي الدماغ (HbO) وديوكسي هيموغلوبين (HbR) 12,13. بالإضافة إلى ذلك ، من الممكن قياس تدفق الدم الدماغي (CBF) باستخدام التحليل الطيفي للارتباط المنتشر (DCS) 10،14،15،16،17 عن طريق تحديد التقلبات السريعة في شدة الضوء (أي من بضعة ميكروثانية إلى بضعة مللي ثانية). عند الجمع بينهما ، يمكن أن يوفر DOS و DCS أيضا تقديرا لمعدل الأيض الدماغي للأكسجين (CMRO2) 18،19،20.
تم استكشاف مزيج DOS و DCS لمراقبة المرضى في العديد من السيناريوهات قبل السريرية والسريرية. على سبيل المثال ، ثبت أن البصريات المنتشرة توفر معلومات سريرية ذات صلة لحديثي الولادة المصابين بأمراض خطيرة21،22،23،24 ، بما في ذلك أثناء جراحات القلب لعلاج عيوب القلب23،25،26،27،28 . بالإضافة إلى ذلك ، استكشف العديد من المؤلفين استخدام البصريات المنتشرة لتقييم ديناميكا الدم الدماغية أثناء التدخلات الوعائية الدماغية المختلفة ، مثل استئصال باطنة الشريان السباتي29،30،31 ، علاجات التخثر للسكتة الدماغية 32 ، التلاعب برأس السرير33،34،35 ، الإنعاش القلبي الرئوي 36 ، وغيرها37،38 ، 39. عندما تتوفر أيضا مراقبة مستمرة لضغط الدم ، يمكن استخدام البصريات المنتشرة لمراقبة التنظيم الذاتي الدماغي ، سواء في الأشخاص الأصحاء أو المصابين بأمراض خطيرة 11،40،41،42 ، وكذلك لتقييم ضغط الإغلاق الحرج للدورة الدموية الدماغية 43. قام العديد من المؤلفين بالتحقق من صحة قياسات CBF باستخدام DCS مقابل مقاييس CBF القياسية الذهبية المختلفة 18 ، بينما ثبت أن CMRO2 المقاس باستخدام البصريات المنتشرة هو معلمة مفيدة للمراقبة العصبيةالحرجة 8،18،23،24،28،43،44،45 . بالإضافة إلى ذلك ، أثبتت الدراسات السابقة صحة المعلمات الديناميكية الدموية الدماغية المشتقة بصريا للمراقبة طويلة المدى للمرضى الحرجين العصبيين 8،9،10،11 ، بما في ذلك التنبؤ بنقص الأكسجين46،47،48 والأحداث الإقفارية8.
لا تزال موثوقية التقنيات البصرية المنتشرة لتوفير معلومات قيمة في الوقت الفعلي أثناء القياسات الطولية وكذلك أثناء التدخلات السريرية دون معالجة إلى حد كبير. تمت مقارنة استخدام نظام DOS المستقل سابقا بأجهزة مراقبة توتر الأكسجين في أنسجة المخ الغازية ، واعتبر DOS ليس لديه حساسية كافية لاستبدال أجهزة المراقبة الغازية. ومع ذلك ، بصرف النظر عن استخدام مجموعات صغيرة نسبيا ، قد تكون المقارنة المباشرة بين أجهزة المراقبة الغازية وغير الغازية مضللة لأن كل تقنية تسبر أحجام مختلفة تحتوي على أجزاء مختلفة من الأوعية الدموية الدماغية. على الرغم من أن هذه الدراسات خلصت في النهاية إلى أن البصريات المنتشرة ليست بديلا عن الشاشات الغازية ، فقد حققت DOS في كلتا الدراستين دقة معتدلة إلى جيدة ، والتي قد تكون كافية للحالات و / أو الأماكن التي لا تتوفر فيها أجهزة المراقبة الغازية.
بالنسبة إلى الأساليب الأخرى ، فإن الميزة الرئيسية للبصريات المنتشرة هي قدرتها على قياس تدفق الدم وأكسجة الدم في الأنسجة في وقت واحد بشكل غير جراحي (ومستمر) بجانب السرير باستخدام أجهزة محمولة. بالمقارنة مع الموجات فوق الصوتية دوبلر عبر الجمجمة (TCD) ، يتمتع DCS بميزة إضافية: فهو يقيس التروية على مستوى الأنسجة ، بينما يقيس TCD سرعة تدفق الدم الدماغي في الشرايين الكبيرة في قاعدة الدماغ. قد يكون هذا التمييز مهما بشكل خاص عند تقييم أمراض انسداد الضيق التي يساهم فيها كل من تدفق الشريان الكبير القريب والضمانات الجانبية في التروية. تتمتع التقنيات البصرية أيضا بمزايا عند مقارنتها بطرق التصوير التقليدية الأخرى ، مثل التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). بالإضافة إلى توفير مقاييس مباشرة في وقت واحد لكل من تركيزات CBF و HbO / HbR ، وهو أمر غير ممكن مع التصوير بالرنين المغناطيسي أو التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني وحده ، توفر المراقبة البصرية أيضا دقة زمنية أفضل بكثير ، مما يسمح ، على سبيل المثال ، بتقييم التنظيم الذاتي الدماغي الديناميكي40،41،42 وتقييم التغيرات الديناميكية الدموية المتطورة ديناميكيا. وعلاوة على ذلك، فإن الأجهزة البصرية المنتشرة غير مكلفة ومحمولة مقارنة بالتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني والتصوير بالرنين المغناطيسي، وهي ميزة حاسمة بالنظر إلى العبء الكبير لأمراض الأوعية الدموية في البلدان المنخفضة والمتوسطة الدخل.
البروتوكول المقترح هنا هو بيئة للمراقبة العصبية بجانب السرير في الوقت الفعلي للمرضى في وحدة العناية المركزة (ICU). يستخدم البروتوكول جهازا بصريا هجينا مع واجهة مستخدم رسومية صديقة للأطباء (GUI) وأجهزة استشعار بصرية مخصصة لفحص المرضى (الشكل 1). يجمع النظام الهجين المستخدم لعرض هذا البروتوكول بين اثنين من مطيافية بصرية منتشرة من وحدات مستقلة: وحدة DOS لمجال التردد التجاري (FD-) ووحدة DCS محلية الصنع (الشكل 1A). تتكون وحدة FD-DOS 49,50 من 4 أنابيب مضاعفة ضوئية (PMTs) و 32 صمام ثنائي ليزر ينبعث منها أربعة أطوال موجية مختلفة (690 و 704 و 750 و 850 نانومتر). تتكون وحدة DCS من ليزر طويل التماسك ينبعث عند 785 نانومتر ، و 16 عداد فوتون واحد ككاشفات ولوحة ارتباط. تردد أخذ العينات لوحدة FD-DOS هو 10 هرتز ، والحد الأقصى لتردد أخذ العينات لوحدة DCS هو 3 هرتز. لدمج وحدات FD-DOS و DCS ، تمت برمجة متحكم دقيق داخل برنامج التحكم الخاص بنا للتبديل تلقائيا بين كل وحدة. المتحكم الدقيق مسؤول عن تشغيل وإيقاف ليزر FD-DOS و DCS ، بالإضافة إلى كاشفات FD-DOS للسماح بالقياسات المتداخلة لكل وحدة. وإجمالا، يمكن للنظام المقترح أن يجمع عينة واحدة مجمعة من FD-DOS وDCS كل 0.5 إلى 5 ثوان، اعتمادا على متطلبات نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) (تؤدي أوقات التجميع الأطول إلى نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) بشكل أفضل). لإقران الضوء بالجبهة ، قمنا بتطوير مسبار بصري مطبوع ثلاثي الأبعاد يمكن تخصيصه لكل مريض (الشكل 1 ب) ، مع فصل كاشف المصدر يتراوح بين 0.8 و 4.0 سم. عمليات الفصل القياسية للكشف عن المصدر المستخدمة في الأمثلة المعروضة هنا هي 2.5 سم ل DCS و 1.5 و 2.0 و 2.5 و 3.0 سم ل FD-DOS.
الميزة الرئيسية للبروتوكول المقدم في هذه الدراسة هي تطوير واجهة في الوقت الفعلي يمكنها التحكم في الأجهزة باستخدام واجهة مستخدم رسومية سهلة الاستخدام وعرض معلمات فسيولوجيا الدماغ الرئيسية في الوقت الفعلي تحت نوافذ زمنية مختلفة (الشكل 1C). خط أنابيب التحليل في الوقت الفعلي الذي تم تطويره داخل واجهة المستخدم الرسومية المقترحة سريع ويستغرق أقل من 50 مللي ثانية لحساب المعلمات البصرية (انظر المواد التكميلية لمزيد من التفاصيل). تم استلهام واجهة المستخدم الرسومية من الأدوات السريرية الحالية المتوفرة بالفعل في وحدة العناية المركزة العصبية ، وتم تكييفها من خلال ردود فعل مكثفة من قبل المستخدمين السريريين أثناء ترجمة النظام إلى وحدة العناية المركزة العصبية. وبالتالي ، يمكن لواجهة المستخدم الرسومية في الوقت الفعلي تسهيل اعتماد النظام البصري من قبل موظفي المستشفى العاديين ، مثل أخصائيي العناية المركزة العصبية والممرضات. إن الاعتماد الواسع للبصريات المنتشرة كأداة بحث سريري لديه القدرة على تعزيز قدرتها على مراقبة البيانات ذات المغزى الفسيولوجي ويمكن أن يثبت في النهاية أن البصريات المنتشرة هي خيار جيد لمراقبة المرضى العصبيين غير الجراحيين في الوقت الفعلي.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>3D Printer</td>
			<td>Sethi3D</td>
			<td>S2</td>
			<td>3D-printer used to print the customizable probes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Arduino UNO</td>
			<td>Arduino</td>
			<td>UNO REV3</td>
			<td>Microcontroller responsible to interleave the DCS and FD-DOS measurements</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DCS Correlator</td>
			<td>Correlator.com</td>
			<td>Flex11-16ch</td>
			<td>Component of the DCS module</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DCS Dectectors IO Boards</td>
			<td>Excelitas Technology</td>
			<td>SPCM-AQ4C-IO</td>
			<td>Component of the DCS module</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DCS Detectors</td>
			<td>Excelitas Technology</td>
			<td>SPCM-AQ4C</td>
			<td>Component of the DCS module</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DCS Laser</td>
			<td>CrystaLaser</td>
			<td>DL785-120-SO</td>
			<td>Component of the DCS module</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DCS Power supply</td>
			<td>Artesyn</td>
			<td>UMP10T-S2A-S2A-S2A-S2A-IES-00-A</td>
			<td>Component of the DCS module (power supply for the DCS detecto; 2, 5 and 30V)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FD-DOS fibers</td>
			<td>ISS</td>
			<td>Imagent supplies</td>
			<td>The fibers used for FD-DOS detection and illumination are provived by ISS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flexible 3D printer material</td>
			<td>Sethi3D</td>
			<td>NinjaFlex</td>
			<td>Material used to print the flexible customizable probes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Imagent</td>
			<td>ISS</td>
			<td>Imagent</td>
			<td>FD-DOS module</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser safety googles</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LG9</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Multi-mode fiber</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>FT400EMT</td>
			<td>Multi-mode fiber used for DCS illumination</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Neutral density filter 1.0 OD</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>53-705</td>
			<td>Neutral density filter for the short source detector separations</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Single-mode optical fiber</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>780HP</td>
			<td>Single-mode optical fiber used for the DCS detectors</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>System battery</td>
			<td>SMS</td>
			<td>NET4</td>
			<td>System battery used for transportation</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

real-time monitoring of neurocritical patients with diffuse optical spectroscopies

تعد المراقبة الفسيولوجية العصبية هدفا مهما في علاج المرضى العصبيين ، لأنها قد تمنع الضرر الثانوي وتؤثر بشكل مباشر على معدلات المراضة والوفيات. ومع ذلك ، هناك حاليا نقص في التقنيات المناسبة غير الغازية في الوقت الفعلي للمراقبة المستمرة لعلم وظائف الأعضاء الدماغية بجانب السرير. تم اقتراح التقنيات البصرية المنتشرة كأداة محتملة للقياسات بجانب السرير لتدفق الدم الدماغي والأوكسجين الدماغي في حالة المرضى العصبيين. تم استكشاف التحليل الطيفي البصري المنتشر سابقا لمراقبة المرضى في العديد من السيناريوهات السريرية التي تتراوح من مراقبة حديثي الولادة إلى التدخلات الدماغية الوعائية لدى البالغين. ومع ذلك ، فإن جدوى هذه التقنية لمساعدة الأطباء من خلال توفير معلومات في الوقت الفعلي بجانب السرير لا تزال دون معالجة إلى حد كبير. هنا ، نبلغ عن ترجمة نظام بصري منتشر للمراقبة المستمرة في الوقت الفعلي لتدفق الدم الدماغي والأوكسجين الدماغي واستقلاب الأكسجين الدماغي أثناء العناية المركزة. يمكن أن تتيح ميزة الوقت الفعلي للأداة استراتيجيات العلاج القائمة على علم وظائف الأعضاء الدماغية الخاص بالمريض بدلا من الاعتماد على مقاييس بديلة ، مثل ضغط الدم الشرياني. من خلال توفير معلومات في الوقت الفعلي عن الدورة الدموية الدماغية على نطاقات زمنية مختلفة باستخدام أجهزة رخيصة نسبيا ومحمولة ، قد يكون هذا النهج مفيدا بشكل خاص في المستشفيات منخفضة الميزانية ، في المناطق النائية وللمراقبة في الحقول المفتوحة (مثل الدفاع والرياضة).

من الناحية المثالية ، يجب أن تكون منحنيات الارتباط الذاتي التي تم الحصول عليها باستخدام وحدة DCS حوالي 1.5 عند استقراء وقت التأخير الصفري (عند استخدام الألياف أحادية الوضع14) ، ويجب أن تتحلل المنحنيات إلى 1 في أوقات تأخير أطول. يجب أن يكون المنحنى سلسا ، ويجب أن يكون له اضمحلال أسر?...

Watch this Scientific Journal Video about Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies at JoVE.com

Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies

يظهر هنا بروتوكول لمراقبة ديناميكا الدم الدماغية غير الغازية للمرضى العصبيين في الوقت الفعلي وبجانب السرير باستخدام البصريات المنتشرة. على وجه التحديد ، يستخدم البروتوكول المقترح أنظمة بصرية منتشرة هجينة لاكتشاف وعرض معلومات في الوقت الفعلي عن الأوكسجين الدماغي وتدفق الدم الدماغي والتمثيل الغذائي الدماغي.

المراقبة في الوقت الحقيقي للمرضى العصبيين الحرجين باستخدام التحليل الطيفي البصري المنتشر

Neurophysiological monitoring is an important goal in the treatment of neurocritical patients, as it may prevent secondary damage and directly impact ...

Research

JoVE Journal

Medicine

Evaluation of Nanoparticle Uptake in Tumors in Real Time Using Intravital Imaging

تقييم امتصاص الجسيمات النانوية في الأورام في الوقت الحقيقي باستخدام التصوير Intravital

Current technologies for tumor imaging, such as ultrasound, MRI, PET and CT, are unable to yield high-resolution images for the assessment of nanoparticle ...

Movement Retraining using Real-time Feedback of Performance

حركة إعادة التدريب في الوقت الحقيقي باستخدام ملاحظات من الأداء

Any modification of movement - especially movement patterns that have been honed over a number of years - requires re-organization of the neuromuscular ...

Cerebrospinal Fluid MicroRNA Profiling Using Quantitative Real Time PCR

النخاعي السوائل عن طريق الرنا الميكروي التنميط الكمي في الوقت الحقيقي PCR

MicroRNAs (miRNAs) constitute a potent layer of gene regulation by guiding RISC to target sites located on mRNAs and, consequently, by modulating their ...

Real-time Cytotoxicity Assays in Human Whole Blood

في الوقت الحقيقي السمسة فحوصات في الدم الكامل بالبشر

A live cell-based whole blood cytotoxicity assay (WCA) that allows access to temporal information of the overall cell cytotoxicity is developed with ...

Diffuse Optical Spectroscopy for the Quantitative Assessment of Acute Ionizing Radiation Induced Skin Toxicity Using a Mouse Model

منتشر الطيفي الضوئي للتقييم الكمي الحاد الإشعاعات المؤينة الجلد المستحث السمية باستخدام نموذج الفأر

Acute skin toxicities from ionizing radiation (IR) are a common side effect from therapeutic courses of external beam radiation therapy (RT) and ...

Uncontrolled Hemorrhagic Shock Modeled via Liver Laceration in Mice with Real Time Hemodynamic Monitoring

صدمة النزفية غير المنضبط نمذجة عبر الكبد تهتز في الفئران مع رصد الدورة الدموية في الوقت الحقيقي

Uncontrolled hemorrhage is an important cause of preventable deaths among trauma patients. We have developed a murine model of uncontrolled hemorrhage via ...

Real-time Pressure-volume Analysis of Acute Myocardial Infarction in Mice

تحليل حجم الضغط في الوقت الحقيقي من احتشاء عضلة القلب الحاد في الفئران

Acute myocardial infarction can lead to acute heart failure and cardiogenic shock. The evaluation of hemodynamics is critical for the evaluation of any ...

Bio-energetics Investigation of Candida albicans Using Real-time Extracellular Flux Analysis

Bio-energetics Investigation of Candida albicans Using Real-time Extracellular Flux Analysis

علم الطاقة الحيوية التحقيق المبيضات البيض "باستخدام" الوقت الحقيقي خارج الخلية التمويه التحليل

Mitochondria are essential organelles for the cellular metabolism and survival. A variety of key events take place in mitochondria, such as cellular ...

Integration of Brain Tissue Saturation Monitoring in Cardiopulmonary Exercise Testing in Patients with Heart Failure

دمج مراقبه تشبع انسجه المخ في اختبار التمارين القلبية في المرضي الذين يعانون من قصور القلب

Cerebral hypo-oxygenation during rest or exercise negatively impacts the exercise capacity of patients with heart failure with reduced ejection fraction ...

Evaluation of Capnography Sampling Line Compatibility and Accuracy when Used with a Portable Capnography Monitor

تقييم التوافق خط أخذ عينات Capnography والدقة عند استخدامها مع مراقبة كابنوغرافيا المحمولة

Capnography is commonly used to monitor patient&#8217;s ventilatory status. While sidestream capnography has been shown to provide a reliable assessment ...