Name: real-time monitoring of neurocritical patients with diffuse optical spectroscopies
Uploaded: 2020-11-19T13:30:00
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우리는 Proc. 2012/02500-8 (RM), 2014/25486-6 (RF) 및 2013/07559-3을 통해 상파울루 연구 재단 (FAPESP)의 지원을 인정합니다. 자금 제공자는 연구 설계, 데이터 수집 및 분석, 출판 결정 또는 원고 준비에 아무런 역할도 하지 않았습니다.

이 프로토콜은 캄피나스 대학교 지역 위원회(프로토콜 번호 56602516.2.0000.5404)의 승인을 받았습니다. 측정 전에 환자 또는 법적 대리인으로부터 서면 동의서를 얻었습니다. 우리는 전방 순환에 영향을 미치는 허혈성 뇌졸중 또는 지주막하 출혈 진단을 받은 캄피나스 대학의 클리닉 병원에 입원한 환자를 모니터링했습니다. 후방 순환에 영향을 미치는 허혈성 뇌졸중 환자, 두개내압 상승으로 인한 ?...

본 논문은 신경 중증 환자의 뇌 혈류, 뇌 산소 공급 및 대뇌 산소 대사에 대한 실시간 정보를 제공할 수 있는 하이브리드 광학 시스템을 제시하였다. 확산 광학 기술의 사용은 이전에 임상 시나리오에서 비침습적 병상 모니터링을 위한 잠재적 마커로 다루어졌습니다. 이전 연구에서는 사례 보고서를 통해 신경 ICU에 입원 하는 동안 임상적 측면과 광학 모니터링의 타당성에 초점을 맞췄습니다<sup cl...

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

중증 신경계 환자의 나쁜 결과를 초래하는 대부분의 합병증은 뇌 혈역학적 손상으로 인한 2차 손상과 관련이 있습니다. 따라서 이러한 환자의 뇌 생리학을 모니터링하는 것은 이환율과 사망률에 직접적인 영향을 미칠 수 있습니다 1,2,3,4,5,6,7. 그러나 현재 병상에서 신경중환자 환자의 뇌 생리학을 지속적으로 실시간 비침습적으로 모니터링하기 위한 확립된 임상 도구는 없습니다. 잠재적 후보들 중에서, 확산 광학 기술들이 최근 이러한 갭(8,9,10,11)을 메우기 위한 유망한 도구로서 제안되었다. 두피에서 확산 산란된 근적외선(~650-900nm)의 느린 변화(즉, 수십에서 수백 ms 정도)를 측정함으로써 확산 광학 분광법(DOS)은 대뇌 옥시(HbO) 및 데옥시-헤모글로빈(HbR)과 같은 뇌의 주요 발색단의 농도를 측정할 수 있습니다12,13. 또한, 광도의 급격한 변동(즉, 수 μs에서 몇 ms까지)을 정량화함으로써 확산 상관 분광법(DCS)10,14,15,16,17로 대뇌 혈류(CBF)를 측정할 수 있습니다. DOS와 DCS를 결합하면 대뇌 대사율 (CMRO2) 18,19,20의 추정치를 제공 할 수도 있습니다.
DOS와 DCS의 조합은 여러 전임상 및 임상 시나리오에서 환자를 모니터링하기 위해 탐색되었습니다. 예를 들어, 확산 광학은 심장 결함을 치료하기 위한 심장 수술 중을 포함하여 중환자 신생아 21,22,23,24에 대한 관련 임상 정보를 제공하는 것으로 나타났다23,25,26,27,28 . 또한 몇몇 저자들은 경동맥 내막 절제술 29,30,31, 뇌졸중에 대한 혈 전 용해 치료32, 침대 머리 조작 33,34,35, 심폐 소생술 36 및 기타37,38, 39. 지속적인 혈압 모니터링이 또한 이용가능한 경우, 확산 광학은 건강한 피험자 및 중환자 모두(11,40,41,42)에서 대뇌 자가조절을 모니터링하고, 뿐만 아니라 뇌 순환의 임계 폐쇄 압력을 평가하기 위해 사용될 수 있다(43). 여러 저자가 서로 다른 금본위제 CBF 측정치에 대해 DCS를 사용한 CBF 측정을 검증한 반면, 확산 광학으로 측정된 CMRO2는 신경임계 모니터링에 유용한 파라미터인 것으로 나타났다 8,18,23,24,28,43,44,45 . 또한, 이전 연구에서는 저산소 46,47,48 및 허혈성 사건 8의 예측을 포함하여 신경임계 환자8,9,10,11의 장기 모니터링을 위한 광학 유래 대뇌 혈역학 파라미터를 검증하였다.
종적 측정과 임상 개입 중에 귀중한 실시간 정보를 제공하는 확산 광학 기술의 신뢰성은 대부분 해결되지 않은 상태로 남아 있습니다. 독립형 DOS 시스템의 사용은 이전에 침습적 뇌 조직 산소 장력 모니터와 비교되었으며 DOS는 침습적 모니터를 대체하기에 충분한 감도가 없는 것으로 간주되었습니다. 그러나 상대적으로 작은 모집단을 사용하는 것 외에도 침습적 모니터와 비침습적 모니터의 직접적인 비교는 각 기술이 대뇌 혈관 구조의 다른 부분을 포함하는 다른 부피를 조사하기 때문에 잘못 안내될 수 있습니다. 이러한 연구는 궁극적으로 확산 광학이 침습적 모니터를 대체하지 않는다는 결론을 내렸지만 두 연구 모두에서 DOS는 중간에서 양호한 정확도를 달성했으며, 이는 침습적 모니터를 사용할 수 없는 경우 및/또는 장소에 충분할 수 있습니다.
다른 접근법에 비해 확산 광학의 주요 장점은 휴대용 기기를 사용하여 침대 옆에서 비침습적으로(그리고 지속적으로) 혈류와 조직 혈액 산소화를 동시에 측정할 수 있다는 것입니다. 경두개 도플러 초음파(TCD)와 비교할 때 DCS는 조직 수준에서 관류를 측정하는 반면 TCD는 뇌 기저부의 큰 동맥에서 대뇌 혈류 속도를 측정하는 추가 이점이 있습니다. 이러한 구분은 근위 대동맥류와 연수막 측부가 관류에 기여하는 협착 폐쇄성 질환을 평가할 때 특히 중요할 수 있습니다. 광학 기술은 또한 양전자 방출 단층 촬영(PET) 및 자기 공명 영상(MRI)과 같은 다른 전통적인 이미징 방식과 비교할 때 이점이 있습니다. MRI 또는 PET 단독으로는 불가능한 CBF 및 HbO/HbR 농도에 대한 직접적인 측정을 동시에 제공하는 것 외에도 광학 모니터링은 훨씬 더 나은 시간 분해능을 제공하여 예를 들어 동적 대뇌 자동 조절40,41,42 및 동적으로 진화하는 혈역학적 변화에 대한 평가를 허용합니다. 또한, 확산 광학 기기는 PET 및 MRI에 비해 저렴하고 휴대가 간편하며, 이는 저소득 및 중간 소득 국가에서 혈관 질환의 높은 부담을 감안할 때 중요한 이점입니다.
여기에서 제안된 프로토콜은 중환자실(ICU)에 있는 환자의 실시간 병상 신경 모니터링을 위한 환경입니다. 이 프로토콜은 임상 친화적인 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 및 맞춤형 광학 센서와 함께 하이브리드 광학 장치를 사용하여 환자를 조사합니다(그림 1). 이 프로토콜을 선보이기 위해 사용된 하이브리드 시스템은 독립 모듈에서 나온 두 개의 확산 광학 분광기, 즉 상용 주파수 영역(FD) DOS 모듈과 홈메이드 DCS 모듈을 결합합니다(그림 1A). FD-DOS 모듈(49, 50)은 4개의 상이한 파장(690, 704, 750 및 850 nm)에서 방출되는 4개의 광전자 증배관(PMT)과 32개의 레이저 다이오드로 구성된다. DCS 모듈은 785nm에서 방출되는 긴 간섭성 레이저, 검출기로서의 16개의 단일 광자 계수기 및 상관기 보드로 구성됩니다. FD-DOS 모듈의 샘플링 주파수는 10Hz이고 DCS 모듈의 최대 샘플링 주파수는 3Hz입니다. FD-DOS 및 DCS 모듈을 통합하기 위해 제어 소프트웨어 내부에 마이크로 컨트롤러가 프로그래밍되어 각 모듈 간에 자동으로 전환되었습니다. 마이크로 컨트롤러는 FD-DOS 및 DCS 레이저를 켜고 끄는 역할을 할 뿐만 아니라 각 모듈의 인터리브 측정을 허용하는 FD-DOS 검출기를 담당합니다. 전체적으로, 제안된 시스템은 신호 대 잡음비(SNR) 요건에 따라 매 0.5 내지 5초마다 하나의 결합된 FD-DOS 및 DCS 샘플을 수집할 수 있다(더 긴 수집 시간은 더 나은 SNR로 이어짐). 빛을 이마에 연결하기 위해 각 환자에 맞게 맞춤화할 수 있는 3D 프린팅 광학 프로브를 개발했으며(그림 1B), 소스-검출기 분리는 0.8cm에서 4.0cm 사이입니다. 여기에 제시된 예에서 사용된 표준 소스-검출기 분리는 DCS의 경우 2.5cm, FD-DOS의 경우 1.5, 2.0, 2.5 및 3.0cm입니다.
이 연구에서 제시된 프로토콜의 주요 특징은 친숙한 GUI로 하드웨어를 제어하고 다양한 시간 창에서 실시간으로 주요 대뇌 생리학 매개변수를 표시할 수 있는 실시간 인터페이스의 개발입니다(그림 1C). 제안된 GUI 내에서 개발된 실시간 분석 파이프라인은 빠르며 광학 매개변수를 계산하는 데 50ms 미만이 걸립니다(자세한 내용은 보충 자료 참조). GUI는 신경 ICU에서 이미 사용 가능한 현재 임상 장비에서 영감을 얻었으며 시스템을 신경 ICU로 변환하는 동안 임상 사용자의 광범위한 피드백을 통해 조정되었습니다. 결과적으로, 실시간 GUI는 신경 집중 전문의 및 간호사와 같은 일반 병원 직원에 의한 광학 시스템의 채택을 용이하게 할 수 있다. 임상 연구 도구로 확산 광학을 광범위하게 채택하면 생리학적으로 의미 있는 데이터를 모니터링하는 능력을 향상시킬 수 있는 잠재력이 있으며 궁극적으로 확산 광학이 신경에 중요한 환자를 실시간으로 비침습적으로 모니터링하는 데 좋은 옵션임을 입증할 수 있습니다.

<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

신경생리학적 모니터링은 2차 손상을 예방하고 이환율과 사망률에 직접적인 영향을 미칠 수 있기 때문에 신경중증 환자 치료에서 중요한 목표입니다. 그러나 현재 침대 옆에서 뇌 생리학을 지속적으로 모니터링하기 위한 적절한 비침습적 실시간 기술이 부족합니다. 확산 광학 기술은 신경위독한 환자의 경우 뇌 혈류 및 뇌 산소 공급의 병상 측정을 위한 잠재적인 도구로 제안되었습니다. 확산 광학 분광법은 신생아 모니터링에서 성인의 뇌혈관 중재에 이르기까지 여러 임상 시나리오에서 환자를 모니터링하기 위해 이전에 탐구되었습니다. 그러나 침대 옆에서 실시간 정보를 제공하여 임상의를 돕는 기술의 타당성은 대부분 해결되지 않은 채로 남아 있습니다. 여기에서는 집중 치료 중 뇌 혈류, 대뇌 산소 공급 및 대뇌 산소 대사를 지속적으로 실시간으로 모니터링하기 위한 확산 광학 시스템의 번역을 보고합니다. 이 기기의 실시간 기능은 동맥 혈압과 같은 대리 지표에 의존하지 않고 환자별 뇌 생리학을 기반으로 한 치료 전략을 가능하게 할 수 있습니다. 비교적 저렴하고 휴대 가능한 기기를 사용하여 다양한 시간 규모에서 뇌 순환에 대한 실시간 정보를 제공함으로써 이 접근 방식은 저예산 병원, 외딴 지역 및 개방된 필드(예: 국방 및 스포츠)에서의 모니터링에 특히 유용할 수 있습니다.

이상적으로는, DCS 모듈로 얻어진 정규화된 자기상관 곡선은 제로 지연 시간 외삽(단일 모드 광섬유(14)을 사용할 때)에서 대략 1.5여야 하고, 곡선은 더 긴 지연 시간에서 1로 감쇠해야 한다. 곡선은 매끄러워야 하며 더 긴 소스-검출기 분리를 위해 더 빠른 감쇠를 가져야 합니다. 양호한 자기상관의 예가 그림 2A에 나와 있습니다. 그림 2B...

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Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies

여기에 제시된 것은 확산 광학을 사용하여 실시간으로 그리고 침대 옆에서 신경위독한 환자의 뇌 혈역학을 비침습적으로 모니터링하기 위한 프로토콜입니다. 특히, 제안된 프로토콜은 하이브리드 확산 광학 시스템을 사용하여 대뇌 산소화, 대뇌 혈류 및 대뇌 대사에 대한 실시간 정보를 감지하고 표시합니다.

확산 광학 분광법을 이용한 신경중증 환자의 실시간 모니터링

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

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