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

We erkennen de steun van de São Paulo Research Foundation (FAPESP) via Proc. 2012/02500-8 (RM), 2014/25486-6 (RF) en 2013/07559-3. De financiers hadden geen rol in het ontwerp van de studie, het verzamelen en analyseren van gegevens, de beslissing om te publiceren of de voorbereiding van het manuscript.

Het protocol werd goedgekeurd door het lokale comité van de Universiteit van Campinas (protocolnummer 56602516.2.0000.5404). Voorafgaand aan de metingen werd schriftelijke geïnformeerde toestemming verkregen van de patiënt of een wettelijke vertegenwoordiger. We volgden patiënten die werden opgenomen in het Clinics Hospital aan de Universiteit van Campinas met een diagnose van ischemische beroerte of een subarachnoïdale bloeding die de voorste circulatie beïnvloedde. Patiënten met ischemische beroertes die de post...

Dit artikel presenteerde een hybride optisch systeem dat real-time informatie kan bieden over de cerebrale bloedstroom, cerebrale oxygenatie en cerebrale zuurstofmetabolisme van neurokritische patiënten aan de zijkant. Het gebruik van diffuse optische technieken was eerder behandeld als een potentiële marker voor niet-invasieve monitoring aan het bed in klinische scenario's. Een eerdere studie richtte zich op de klinische aspecten en de haalbaarheid van optische monitoring tijdens ziekenhuisopname op de neuro-ICU door ...

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

De meeste complicaties die leiden tot slechte resultaten voor ernstig zieke neurologische patiënten zijn gerelateerd aan secundaire verwondingen veroorzaakt door cerebrale hemodynamische stoornissen. Daarom kan het monitoren van de cerebrale fysiologie van deze patiënten rechtstreeks van invloed zijn op morbiditeits- en sterftecijfers 1,2,3,4,5,6,7. Momenteel is er echter geen gevestigde klinische tool voor de continue real-time niet-invasieve monitoring van cerebrale fysiologie bij neurokritische patiënten aan het bed. Onder de potentiële kandidaten zijn onlangs diffuse optische technieken voorgesteld als een veelbelovend hulpmiddel om deze leemteop te vullen 8,9,10,11. Door de langzame veranderingen (d.w.z. in de orde van tientallen tot honderden ms) van het diffuus verstrooide nabij-infrarode licht (~ 650-900 nm) van de hoofdhuid te meten, kan diffuse optische spectroscopie (DOS) concentraties van de belangrijkste chromoforen in de hersenen meten, zoals cerebrale oxy- (HbO) en deoxy-hemoglobine (HbR)12,13. Daarnaast is het mogelijk om de cerebrale bloedstroom (CBF) te meten met diffuse correlatiespectroscopie (DCS)10,14,15,16,17 door de snelle fluctuaties in lichtintensiteit (d.w.z. van enkele μs tot enkele ms) te kwantificeren. In combinatie kunnen DOS en DCS ook een schatting geven van de cerebrale stofwisseling van zuurstof (CMRO2)18,19,20.
De combinatie van DOS en DCS is onderzocht om patiënten in verschillende preklinische en klinische scenario's te monitoren. Er is bijvoorbeeld aangetoond dat diffuse optica relevante klinische informatie biedt voor ernstig zieke pasgeborenen 21,22,23,24, inclusief tijdens hartoperaties om hartafwijkingen te behandelen 23,25,26,27,28 . Daarnaast hebben verschillende auteurs het gebruik van diffuse optica onderzocht om de cerebrale hemodynamiek te beoordelen tijdens verschillende cerebrovasculaire interventies, zoals carotis endarterectomie 29,30,31, trombolytische behandelingen voor beroerte 32, head-of-bed manipulaties 33,34,35, cardiopulmonale reanimatie 36, en anderen37,38, 39. Wanneer continue bloeddrukmonitoring ook beschikbaar is, kan diffuse optica worden gebruikt om cerebrale autoregulatie te controleren, zowel bij gezonde als bij ernstig zieke proefpersonen 11,40,41,42, evenals om de kritische sluitdruk van de cerebrale circulatie te beoordelen 43. Verschillende auteurs hebben CBF-metingen met DCS gevalideerd tegen verschillende gouden standaard CBF-metingen 18, terwijl CMRO2 gemeten met diffuse optica een nuttige parameter is gebleken voor neurokritische monitoring 8,18,23,24,28,43,44,45 . Bovendien hebben eerdere studies de optisch afgeleide cerebrale hemodynamische parameters gevalideerd voor langetermijnmonitoring van neurokritische patiënten 8,9,10,11, inclusief voor de voorspelling van hypoxische 46,47,48 en ischemische gebeurtenissen 8.
De betrouwbaarheid van de diffuse optische technieken om waardevolle real-time informatie te leveren tijdens longitudinale metingen en tijdens klinische interventies blijft grotendeels onbesproken. Het gebruik van een stand-alone DOS-systeem werd eerder vergeleken met invasieve zuurstofspanningsmonitoren van hersenweefsel en DOS werd geacht niet voldoende gevoelig te zijn om de invasieve monitoren te vervangen. Afgezien van het gebruik van relatief kleine populaties, kan de directe vergelijking van de invasieve en niet-invasieve monitoren echter misleidend zijn, omdat elke techniek verschillende volumes onderzoekt die verschillende delen van de cerebrale vasculatuur bevatten. Hoewel deze studies uiteindelijk concludeerden dat diffuse optica geen vervanging is voor de invasieve monitoren, bereikte DOS in beide studies een matige tot goede nauwkeurigheid, die voldoende kan zijn voor gevallen en/of plaatsen waar invasieve monitoren niet beschikbaar zijn.
Ten opzichte van andere benaderingen is het belangrijkste voordeel van diffuse optica het vermogen om tegelijkertijd de bloedstroom en weefselbloedoxygenatie niet-invasief (en continu) aan het bed te meten met behulp van draagbare instrumentatie. In vergelijking met Transcraniële Doppler-echografie (TCD) heeft DCS een bijkomend voordeel: het meet perfusie op weefselniveau, terwijl TCD de cerebrale bloedstroomsnelheid meet in grote slagaders aan de basis van de hersenen. Dit onderscheid kan met name van belang zijn bij de evaluatie van steno-occlusieve ziekten waarbij zowel proximale grote slagaderstroom als leptomeningeale collateralen bijdragen aan perfusie. Optische technieken hebben ook voordelen in vergelijking met andere traditionele beeldvormingsmodaliteiten, zoals positronemissietomografie (PET) en magnetische resonantiebeeldvorming (MRI). Naast gelijktijdige directe metingen van zowel CBF- als HbO/HbR-concentraties, wat niet mogelijk is met MRI of PET alleen, biedt optische monitoring ook een significant betere temporele resolutie, waardoor bijvoorbeeld de beoordeling van dynamische cerebrale autoregulatie40,41,42 en de beoordeling dynamisch evoluerende hemodynamische veranderingen mogelijk zijn. Bovendien is diffuse optische instrumentatie goedkoop en draagbaar in vergelijking met PET en MRI, wat een cruciaal voordeel is gezien de hoge last van vaatziekten in landen met lagere en middeninkomens.
Het hier voorgestelde protocol is een omgeving voor real-time neuromonitoring aan het bed van patiënten op de intensive care (ICU). Het protocol maakt gebruik van een hybride optisch apparaat samen met een klinisch-vriendelijke grafische gebruikersinterface (GUI) en aangepaste optische sensoren om de patiënten te onderzoeken (figuur 1). Het hybride systeem dat wordt gebruikt voor de presentatie van dit protocol combineert twee diffuse optische spectroscopieën van onafhankelijke modules: een commerciële frequentiedomein (FD-) DOS-module en een zelfgemaakte DCS-module (figuur 1A). De FD-DOS module49,50 bestaat uit 4 fotomultiplicatorbuizen (PMT's) en 32 laserdiodes die uitzenden op vier verschillende golflengten (690, 704, 750 en 850 nm). De DCS-module bestaat uit een lange-coherentie laser die uitzendt bij 785 nm, 16 single-photon tellers als detectoren en een correlatorkaart. De bemonsteringsfrequentie voor de FD-DOS-module is 10 Hz en de maximale bemonsteringsfrequentie voor de DCS-module is 3 Hz. Om de FD-DOS- en DCS-modules te integreren, werd in onze besturingssoftware een microcontroller geprogrammeerd om automatisch tussen elke module te schakelen. De microcontroller is verantwoordelijk voor het in- en uitschakelen van de FD-DOS- en DCS-lasers, evenals de FD-DOS-detectoren om interleaved-metingen van elke module mogelijk te maken. In totaal kan het voorgestelde systeem elke 0,5 tot 5s één gecombineerd FD-DOS- en DCS-monster verzamelen, afhankelijk van de signaal-ruisverhouding (SNR) -vereisten (langere verzameltijden leiden tot een betere SNR). Om het licht aan het voorhoofd te koppelen, ontwikkelden we een 3D-geprinte optische sonde die voor elke patiënt kan worden aangepast (figuur 1B), met brondetectorscheidingen variërend tussen 0,8 en 4,0 cm. De standaard bron-detectorscheidingen die in de hier gepresenteerde voorbeelden worden gebruikt, zijn 2,5 cm voor DCS en 1,5, 2,0, 2,5 en 3,0 cm voor FD-DOS.
Het belangrijkste kenmerk van het protocol dat in deze studie wordt gepresenteerd, is de ontwikkeling van een real-time interface die zowel de hardware met een vriendelijke GUI kan besturen als de belangrijkste cerebrale fysiologieparameters in realtime kan weergeven onder verschillende temporele vensters (figuur 1C). De real-time analysepijplijn die binnen de voorgestelde GUI is ontwikkeld, is snel en duurt minder dan 50 ms om de optische parameters te berekenen (zie het aanvullende materiaal voor meer informatie). De GUI is geïnspireerd op de huidige klinische instrumenten die al beschikbaar zijn op de neuro-ICU, en het werd aangepast door uitgebreide feedback van klinische gebruikers tijdens de vertaling van het systeem naar de neuro-ICU. Bijgevolg kan de real-time GUI de adoptie van het optische systeem door regulier ziekenhuispersoneel, zoals neuro-intensivisten en verpleegkundigen, vergemakkelijken. De brede acceptatie van diffuse optica als een klinisch onderzoeksinstrument heeft het potentieel om het vermogen om fysiologisch zinvolle gegevens te monitoren te verbeteren en kan uiteindelijk aantonen dat diffuse optica een goede optie is voor niet-invasieve monitoring van neurokritische patiënten in realtime.

<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

Neurofysiologische monitoring is een belangrijk doel bij de behandeling van neurokritische patiënten, omdat het secundaire schade kan voorkomen en rechtstreeks van invloed kan zijn op morbiditeit en sterftecijfers. Er is momenteel echter een gebrek aan geschikte niet-invasieve, real-time technologieën voor continue monitoring van de cerebrale fysiologie aan het bed. Diffuse optische technieken zijn voorgesteld als een potentieel hulpmiddel voor bedside metingen van cerebrale bloedstroom en cerebrale oxygenatie in het geval van neurokritische patiënten. Diffuse optische spectroscopieën zijn eerder onderzocht om patiënten te volgen in verschillende klinische scenario's, variërend van neonatale monitoring tot cerebrovasculaire interventies bij volwassenen. De haalbaarheid van de techniek om clinici te helpen door real-time informatie aan het bed te verstrekken, blijft echter grotendeels onbesproken. Hier rapporteren we de vertaling van een diffuus optisch systeem voor continue real-time monitoring van de cerebrale bloedstroom, cerebrale oxygenatie en cerebrale zuurstofmetabolisme tijdens intensieve zorg. De real-time functie van het instrument zou behandelingsstrategieën mogelijk kunnen maken op basis van patiëntspecifieke cerebrale fysiologie in plaats van te vertrouwen op surrogaatstatistieken, zoals arteriële bloeddruk. Door real-time informatie te verstrekken over de cerebrale circulatie op verschillende tijdschalen met relatief goedkope en draagbare instrumentatie, kan deze aanpak vooral nuttig zijn in low-budget ziekenhuizen, in afgelegen gebieden en voor monitoring in open velden (bijv. Defensie en sport).

Idealiter zouden de genormaliseerde autocorrelatiecurven verkregen met de DCS-module ongeveer 1,5 moeten zijn bij de nulvertragingstijdextrapolatie (bij gebruik van single-mode vezels14), en de curven zouden moeten vervallen tot 1 bij langere vertragingstijden. De curve moet glad zijn en een sneller verval hebben voor de langere bron-detectorscheidingen. Een voorbeeld van een goede autocorrelatie is weergegeven in figuur 2A. Figuur 2B too...

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

Hier wordt een protocol gepresenteerd voor het niet-invasief monitoren van cerebrale hemodynamiek van neurokritische patiënten in realtime en aan het bed met behulp van diffuse optica. In het bijzonder maakt het voorgestelde protocol gebruik van een hybride diffuus optisch systeem om real-time informatie over cerebrale oxygenatie, cerebrale bloedstroom en cerebrale metabolisme te detecteren en weer te geven.

Real-time monitoring van neurokritische patiënten met diffuse optische spectroscopieën

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

Evaluatie van de Nanodeeltje Opname in Tumoren in real time via intravitale Imaging

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

Beweging Omscholing met behulp van real-time feedback van Performance

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

Cerebrospinale vloeistof MicroRNA Profiling Met behulp van kwantitatieve real time 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

Real-time cytotoxiciteitsassays in humaan volbloed

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

Diffuse optische spectroscopie voor de kwantitatieve beoordeling van Acute ioniserende straling veroorzaakte Huidtoxiciteit Met behulp van een muismodel

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

Ongecontroleerde hemorragische shock, gemodificeerd via leverlakeratie in muizen met realtime hemodynamische monitoring

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

Real-time druk-volume analyse van acuut myocardinfarct in muizen

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

Bio-energetica onderzoek naar Candida albicans met behulp van Real-time extracellulaire Flux Analysis

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

Integratie van hersenweefsel verzadiging monitoring in Cardiopulmonaire oefening testen bij patiënten met hartfalen

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

Evaluatie van compatibiliteit en nauwkeurigheid van capnografiebemonsteringslijn bij gebruik met een draagbare capnografiemonitor

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