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

Vi anerkjenner støtten fra São Paulo Research Foundation (FAPESP) gjennom Proc. 2012/02500-8 (RM), 2014/25486-6 (RF) og 2013/07559-3. Finansiørene hadde ingen rolle i studiedesign, datainnsamling og analyse, beslutning om publisering eller utarbeiding av manuskriptet.

Protokollen ble godkjent av den lokale komiteen ved Universitetet i Campinas (protokollnummer 56602516.2.0000.5404). Det ble innhentet skriftlig informert samtykke fra pasienten eller en juridisk representant i forkant av målingene. Vi overvåket pasienter som ble innlagt på klinikksykehuset ved Universitetet i Campinas med diagnosen enten iskemisk hjerneslag eller subaraknoidalblødning som påvirket den fremre sirkulasjonen. Pasienter med iskemisk hjerneslag som påvirker bakre sirkulasjon, pasienter med dekompresjon...

Denne artikkelen presenterte et hybrid optisk system som kan gi sanntidsinformasjon om cerebral blodstrøm, cerebral oksygenering og cerebral oksygenmetabolisme hos nevrokritiske pasienter ved siden av. Bruk av diffuse optiske teknikker hadde tidligere blitt adressert som en potensiell markør for ikke-invasiv overvåking ved sengen i kliniske scenarier. En tidligere studie fokuserte på de kliniske aspektene og gjennomførbarheten av optisk overvåking under sykehusinnleggelse på nevrointensivavdelingen gjennom en kasu...

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 fleste komplikasjonene som fører til dårlige resultater for kritisk syke nevrologiske pasienter, er relatert til sekundære skader forårsaket av cerebrale hemodynamiske funksjonsnedsettelser. Derfor kan overvåking av cerebral fysiologi hos disse pasientene direkte påvirke sykelighet og dødelighet 1,2,3,4,5,6,7. For tiden er det imidlertid ikke noe etablert klinisk verktøy for kontinuerlig ikke-invasiv sanntidsovervåking av cerebral fysiologi hos nevrokritiske pasienter ved sengen. Blant de potensielle kandidatene har diffuse optiske teknikker nylig blitt foreslått som et lovende verktøy for å fylle ut dette gapet 8,9,10,11. Ved å måle de langsomme endringene (dvs. i størrelsesorden titalls til hundrevis av ms) av det diffusivt spredte nær-infrarøde lyset (~ 650-900 nm) fra hodebunnen, kan diffus optisk spektroskopi (DOS) måle konsentrasjoner av de viktigste kromoforene i hjernen, som cerebral oksy- (HbO) og deoksyhemoglobin (HbR) 12,13. I tillegg er det mulig å måle cerebral blodstrøm (CBF) med diffus korrelasjonsspektroskopi (DCS) 10,14,15,16,17 ved å kvantifisere de raske svingningene i lysintensitet (dvs. fra noen få μs til noen få ms). Når de kombineres, kan DOS og DCS også gi et estimat av den cerebrale metabolske oksygenhastigheten (CMRO2)18,19,20.
Kombinasjonen av DOS og DCS har blitt utforsket for å overvåke pasienter i flere prekliniske og kliniske scenarier. For eksempel har diffus optikk vist seg å gi relevant klinisk informasjon for kritisk syke nyfødte 21,22,23,24, inkludert under hjerteoperasjoner for å behandle hjertefeil 23,25,26,27,28 . I tillegg har flere forfattere undersøkt bruken av diffus optikk for å vurdere cerebral hemodynamikk under forskjellige cerebrovaskulære inngrep, for eksempel endarterektomi 29,30,31, trombolytiske behandlinger for hjerneslag 32, manipulasjoner i sengen 33,34,35, hjerte-lungeredning 36 og andre 37,38, 39. Når kontinuerlig blodtrykksovervåking også er tilgjengelig, kan diffus optikk brukes til å overvåke cerebral autoregulering, både hos friske og kritisk syke personer 11,40,41,42, samt for å vurdere det kritiske lukketrykket i cerebral sirkulasjon 43. Flere forfattere har validert CBF-målinger med DCS mot ulike gullstandard CBF-mål 18, mens CMRO2 målt med diffus optikk har vist seg å være en nyttig parameter for nevrokritisk overvåking 8,18,23,24,28,43,44,45 . I tillegg har tidligere studier validert de optisk avledede cerebrale hemodynamiske parametrene for langsiktig overvåking av nevrokritiske pasienter 8,9,10,11, inkludert for prediksjon av hypoksiske 46,47,48 og iskemiske hendelser 8.
Påliteligheten til de diffuse optiske teknikkene for å gi verdifull sanntidsinformasjon under longitudinelle målinger så vel som under kliniske inngrep forblir stort sett uadressert. Bruken av et frittstående DOS-system ble tidligere sammenlignet med invasive oksygenspenningsmonitorer i hjernevev, og DOS ble vurdert å ikke ha tilstrekkelig sensibilitet til å erstatte de invasive monitorene. Imidlertid, bortsett fra å bruke relativt små populasjoner, kan den direkte sammenligningen av de invasive og ikke-invasive monitorene være misvisende, da hver teknikk undersøker forskjellige volumer som inneholder forskjellige deler av hjernevaskulaturen. Selv om disse studiene til slutt konkluderte med at diffus optikk ikke er en erstatning for de invasive monitorene, oppnådde DOS i begge studiene en moderat til god nøyaktighet, noe som kan være tilstrekkelig for tilfeller og / eller steder der invasive skjermer ikke er tilgjengelige.
I forhold til andre tilnærminger er den viktigste fordelen med diffus optikk dens evne til samtidig å måle blodstrøm og oksygenering av vevsblod ikke-invasivt (og kontinuerlig) ved sengen ved hjelp av bærbar instrumentering. Sammenlignet med transkranial doppler-ultralyd (TCD) har DCS en ekstra fordel: den måler perfusjon på vevsnivå, mens TCD måler cerebral blodstrømningshastighet i store arterier ved hjernebunnen. Dette skillet kan være spesielt viktig ved vurdering av steno-okklusive sykdommer der både proksimal stor arteriestrøm og leptomeningeale kollateraler bidrar til perfusjon. Optiske teknikker har også fordeler sammenlignet med andre tradisjonelle bildebehandlingsmodaliteter, som Positron-Emission Tomography (PET) og Magnetic Resonance Imaging (MRI). I tillegg til samtidig å gi direkte målinger av både CBF- og HbO/HbR-konsentrasjoner, noe som ikke er mulig med MR eller PET alene, gir optisk overvåking også betydelig bedre tidsmessig oppløsning, noe som for eksempel tillater vurdering av dynamisk cerebral autoregulering40,41,42 og vurderingen dynamisk utviklende hemodynamiske endringer. Videre er diffus optisk instrumentering billig og bærbar i forhold til PET og MR, noe som er en kritisk fordel gitt den høye byrden av vaskulær sykdom i lavere og mellominntektsland.
Protokollen som foreslås her er et miljø for sanntids nevromonitorering av pasienter ved intensivavdelingen (ICU). Protokollen bruker en hybrid optisk enhet sammen med et klinisk vennlig grafisk brukergrensesnitt (GUI) og tilpassede optiske sensorer for å undersøke pasientene (figur 1). Hybridsystemet som brukes til å vise frem denne protokollen, kombinerer to diffuse optiske spektrokopier fra uavhengige moduler: en kommersiell frekvensdomene (FD-) DOS-modul og en hjemmelaget DCS-modul (figur 1A). FD-DOS-modulen49,50 består av 4 fotomultiplikatorrør (PMT) og 32 laserdioder som sender ut ved fire forskjellige bølgelengder (690, 704, 750 og 850 nm). DCS-modulen består av en langkoherenslaser som emitterer ved 785 nm, 16 enfoton tellere som detektorer og et korrelatorkort. Samplingsfrekvensen for FD-DOS-modulen er 10 Hz, og maksimal samplingsfrekvens for DCS-modulen er 3 Hz. For å integrere FD-DOS- og DCS-modulene ble en mikrokontroller programmert inne i kontrollprogramvaren vår til automatisk å bytte mellom hver modul. Mikrokontrolleren er ansvarlig for å slå FD-DOS- og DCS-laserne av og på, samt FD-DOS-detektorene for å tillate sammenflettede målinger av hver modul. Totalt kan det foreslåtte systemet samle en kombinert FD-DOS- og DCS-prøve hver 0,5 til 5, avhengig av kravene til signal-støy-forhold (SNR) (lengre innsamlingstider fører til bedre SNR). For å koble lyset til pannen utviklet vi en 3D-printet optisk sonde som kan tilpasses hver pasient (figur 1B), med kildedetektorseparasjoner som varierer mellom 0,8 og 4,0 cm. Standard kildedetektorseparasjoner som brukes i eksemplene som presenteres her, er 2,5 cm for DCS og 1,5, 2,0, 2,5 og 3,0 cm for FD-DOS.
Hovedfunksjonen i protokollen som presenteres i denne studien er utviklingen av et sanntidsgrensesnitt som både kan styre maskinvaren med en vennlig GUI og vise de viktigste cerebrale fysiologiparametrene i sanntid under forskjellige temporale vinduer (figur 1C). Rørledningen for sanntidsanalyse som er utviklet i det foreslåtte GUI-et, er rask og tar mindre enn 50 ms å beregne de optiske parametrene (se tilleggsmaterialet for mer informasjon). GUI ble inspirert av dagens kliniske instrumenter som allerede var tilgjengelige på nevro-ICU, og det ble tilpasset gjennom omfattende tilbakemeldinger fra kliniske brukere under oversettelsen av systemet til nevro-ICU. Følgelig kan sanntids GUI lette adopsjonen av det optiske systemet av vanlig sykehuspersonale, for eksempel nevrointensivister og sykepleiere. Den brede adopsjonen av diffus optikk som et klinisk forskningsverktøy har potensial til å forbedre evnen til å overvåke fysiologisk meningsfulle data og kan til slutt demonstrere at diffus optikk er et godt alternativ for ikke-invasiv overvåking av nevrokritiske pasienter i sanntid.

<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

Nevrofysiologisk overvåking er et viktig mål i behandlingen av nevrokritiske pasienter, da det kan forhindre sekundær skade og direkte påvirke sykelighet og dødelighet. Imidlertid mangler det for tiden egnede, ikke-invasive, sanntidsteknologier for kontinuerlig overvåking av cerebral fysiologi ved sengen. Diffuse optiske teknikker har blitt foreslått som et potensielt verktøy for sengemålinger av cerebral blodstrøm og cerebral oksygenering hos nevrokritiske pasienter. Diffuse optiske spektroskopi har tidligere blitt undersøkt for å overvåke pasienter i flere kliniske scenarier som spenner fra neonatal overvåking til cerebrovaskulær intervensjon hos voksne. Imidlertid er muligheten for teknikken for å hjelpe klinikere ved å gi sanntidsinformasjon ved sengen stort sett uadressert. Her rapporterer vi oversettelsen av et diffust optisk system for kontinuerlig sanntidsovervåking av cerebral blodstrøm, cerebral oksygenering og cerebral oksygenmetabolisme under intensivbehandling. Sanntidsfunksjonen til instrumentet kan muliggjøre behandlingsstrategier basert på pasientspesifikk cerebral fysiologi i stedet for å stole på surrogatmålinger, for eksempel arterielt blodtrykk. Ved å gi sanntidsinformasjon om hjernens sirkulasjon på forskjellige tidsskalaer med relativt billig og bærbar instrumentering, kan denne tilnærmingen være spesielt nyttig i lavbudsjettsykehus, i avsidesliggende områder og for overvåking i åpne felt (f.eks. Forsvar og sport).

Ideelt sett bør de normaliserte autokorrelasjonskurvene oppnådd med DCS-modulen være ca. 1,5 ved nullforsinkelsestidekstrapolering (ved bruk av enkeltmodusfibre14), og kurvene skal forfalle til 1 ved lengre forsinkelsestider. Kurven skal være jevn, og den skal ha et raskere forfall for de lengre kildedetektorseparasjonene. Et eksempel på en god autokorrelasjon er vist i figur 2A. Figur 2B viser et eksempel på en dårlig autokorrelas...

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

Presentert her er en protokoll for ikke-invasiv overvåking av cerebral hemodynamikk hos nevrokritiske pasienter i sanntid og ved sengen ved hjelp av diffus optikk. Spesielt bruker den foreslåtte protokollen et hybrid diffust optisk system for å oppdage og vise sanntidsinformasjon om cerebral oksygenering, cerebral blodstrøm og cerebral metabolisme.

Sanntidsovervåking av nevrokritiske pasienter med diffuse optiske spektroskopi

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

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

Movement Omskolering ved Real-time Tilbakemelding of 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

Cerebrospinalvæsken MikroRNA Profilering Bruke Kvantitativ 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 cytotoksisitetsanalyser i humant fullblod

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 optisk spektroskopi for kvantitativ vurdering av akutt Ioniserende stråling Induced Skin Toxicity bruke en mus modell

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

Ukontrollert hemoragisk sjokk modellert via leverlakerering i mus med realtids hemodynamisk overvåking

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

Sanntid press volum analyse av akutt hjerteinfarkt i mus

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-energetikk undersøkelse av Candida albicans bruker Real-time ekstracellulære Flux analyse

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

Integrering av Brain tissue metning overvåking i hjerte trening testing hos pasienter med hjertesvikt

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

Evaluering av kompatibilitet og nøyaktighet for kapnografiprøvelinje når den brukes med en bærbar kapnografiskjerm

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