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

Мы выражаем признательность за поддержку со стороны Исследовательского фонда Сан-Паулу (FAPESP) в соответствии с Proc. 2012/02500-8 (RM), 2014/25486-6 (RF) и 2013/07559-3. Спонсоры не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Протокол был утвержден местным комитетом Университета Кампинаса (номер протокола 56602516.2.0000.5404). Письменное информированное согласие было получено от пациента или законного представителя до проведения измерений. Мы наблюдали за пациентами, которые были госпитализированы в клинику Уни?...

В этой статье представлена гибридная оптическая система, которая может предоставлять информацию в режиме реального времени о мозговом кровотоке, церебральной оксигенации и церебральном метаболизме кислорода у нейрокритических пациентов. Использование диффузных оптических методов ...

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

Большинство осложнений, которые приводят к неблагоприятным исходам у критически больных неврологических пациентов, связаны с вторичными травмами, вызванными нарушениями церебральной гемодинамики. Таким образом, мониторинг физиологии головного мозга этих пациентов может напрямую влиять на показатели заболеваемости и смертности 1,2,3,4,5,6,7. Однако в настоящее время не существует установленного клинического инструмента для непрерывного неинвазивного мониторинга физиологии головного мозга в режиме реального времени у нейрокритических пациентов у постели больного. Среди потенциальных кандидатов недавно были предложены диффузные оптические методы в качестве перспективного инструмента для заполнения этого пробела 8,9,10,11. Измеряя медленные изменения (т.е. порядка десятков и сотен мс) диффузно рассеянного ближнего инфракрасного света (~ 650-900 нм) от кожи головы, диффузная оптическая спектроскопия (DOS) может измерять концентрации основных хромофоров в головном мозге, таких как церебральный окси- (HbO) и дезоксигемоглобин (HbR)12,13. Кроме того, можно измерить мозговой кровоток (CBF) с помощью диффузной корреляционной спектроскопии (DCS)10,14,15,16,17 путем количественной оценки быстрых колебаний интенсивности света (т.е. от нескольких мкс до нескольких мс). В сочетании DOS и DCS также могут дать оценку скорости метаболизма кислорода в головном мозге (CMRO2)18,19,20.
Комбинация DOS и DCS была изучена для наблюдения за пациентами в нескольких доклинических и клинических сценариях. Например, было показано, что диффузная оптика предоставляет актуальную клиническую информацию для новорожденных в критическом состоянии 21,22,23,24, в том числе во время операций на сердце для лечения пороков сердца 23,25,26,27,28 . Кроме того, несколько авторов исследовали использование диффузной оптики для оценки церебральной гемодинамики при различных цереброваскулярных вмешательствах, таких как каротидная эндартерэктомия 29,30,31, тромболитическое лечение инсульта 32, манипуляции с изголовьем кровати 33,34,35, сердечно-легочная реанимация 36 и другие 37,38, 39. Когда также доступен непрерывный мониторинг артериального давления, диффузная оптика может быть использована для мониторинга церебральной ауторегуляции как у здоровых, так и у критически больных субъектов 11,40,41,42, а также для оценки критического закрывающего давления мозгового кровообращения 43. Несколько авторов подтвердили измерения CBF с помощью DCS по сравнению с различными показателями CBFзолотого стандарта 18, в то время как было показано, что CMRO2, измеренный с помощью диффузной оптики, является полезным параметром для нейрокритического мониторинга 8,18,23,24,28,43,44,45 . Кроме того, в предыдущих исследованиях были подтверждены оптические параметры церебральной гемодинамики для долгосрочного мониторинга нейрокритических пациентов 8,9,10,11, в том числе для прогнозирования гипоксических 46,47,48 и ишемических событий 8.
Надежность диффузных оптических методов для предоставления ценной информации в режиме реального времени во время продольных измерений, а также во время клинических вмешательств остается в значительной степени нерешенной. Использование автономной системы DOS ранее сравнивалось с инвазивными мониторами напряжения кислорода в тканях головного мозга, и считалось, что DOS не обладает достаточной чувствительностью для замены инвазивных мониторов. Однако, помимо использования относительно небольших популяций, прямое сравнение инвазивных и неинвазивных мониторов может быть ошибочным, поскольку каждый метод исследует разные объемы, содержащие разные части сосудистой сети головного мозга. Несмотря на то, что эти исследования в конечном итоге пришли к выводу, что диффузная оптика не является заменой инвазивным мониторам, в обоих исследованиях DOS достиг умеренной или хорошей точности, которая может быть достаточной для случаев и / или мест, где инвазивные мониторы недоступны.
По сравнению с другими подходами, ключевым преимуществом диффузной оптики является ее способность одновременно измерять кровоток и оксигенацию тканевой крови неинвазивно (и непрерывно) у постели больного с помощью портативных приборов. По сравнению с транскраниальным допплеровским ультразвуком (ТКД) DCS имеет дополнительное преимущество: он измеряет перфузию на тканевом уровне, тогда как TCD измеряет скорость мозгового кровотока в крупных артериях у основания мозга. Это различие может быть особенно важно при оценке стеноокклюзионных заболеваний, при которых перфузии способствуют как проксимальный кровоток в крупных артериях, так и лептоменингеальные коллатерали. Оптические методы также имеют преимущества по сравнению с другими традиционными методами визуализации, такими как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ). В дополнение к одновременному обеспечению прямых измерений концентраций как CBF, так и HbO/HbR, что невозможно только с помощью МРТ или ПЭТ, оптический мониторинг также обеспечивает значительно лучшее временное разрешение, позволяя, например, оценить динамическую ауторегуляцию головного мозга40,41,42 и оценить динамически развивающиеся гемодинамические изменения. Кроме того, диффузные оптические приборы являются недорогими и портативными по сравнению с ПЭТ и МРТ, что является критическим преимуществом, учитывая высокое бремя сосудистых заболеваний в странах с низким и средним уровнем дохода.
Предлагаемый здесь протокол представляет собой среду для прикроватного нейромониторинга пациентов в отделении интенсивной терапии (ОИТ) в режиме реального времени. Протокол использует гибридное оптическое устройство вместе с клинически удобным графическим пользовательским интерфейсом (GUI) и настраиваемыми оптическими датчиками для зондирования пациентов (рис. 1). Гибридная система, используемая для демонстрации этого протокола, сочетает в себе две диффузные оптические спектроскопии из независимых модулей: коммерческий модуль DOS в частотной области (FD-) и самодельный модуль DCS (рис. 1A). Модуль49,50 FD-DOS состоит из 4 фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) и 32 лазерных диодов, излучающих на четырех различных длинах волн (690, 704, 750 и 850 нм). Модуль DCS состоит из длиннокогерентного лазера, излучающего на длине волны 785 нм, 16 однофотонных счетчиков в качестве детекторов и платы коррелятора. Частота дискретизации модуля FD-DOS составляет 10 Гц, а максимальная частота дискретизации модуля DCS — 3 Гц. Для интеграции модулей FD-DOS и DCS в нашем управляющем программном обеспечении был запрограммирован микроконтроллер для автоматического переключения между каждым модулем. Микроконтроллер отвечает за включение и выключение лазеров FD-DOS и DCS, а также детекторов FD-DOS, позволяющих проводить измерения каждого модуля с чередованием. В общей сложности предлагаемая система может собирать один комбинированный образец FD-DOS и DCS каждые 0,5-5 с, в зависимости от требований к отношению сигнал/шум (SNR) (более длительное время сбора приводит к лучшему SNR). Чтобы соединить свет со лбом, мы разработали оптический зонд, напечатанный на 3D-принтере, который можно настроить для каждого пациента (рис. 1B), с расстоянием между источником и детектором от 0,8 до 4,0 см. Стандартное разделение источника-детектора, используемое в представленных здесь примерах, составляет 2,5 см для DCS и 1,5, 2,0, 2,5 и 3,0 см для FD-DOS.
Главной особенностью протокола, представленного в данном исследовании, является разработка интерфейса реального времени, который может как управлять аппаратным обеспечением с дружественным графическим интерфейсом, так и отображать основные параметры физиологии головного мозга в режиме реального времени при различных временных окнах (рис. 1С). Конвейер анализа в реальном времени, разработанный в рамках предлагаемого графического интерфейса, является быстрым и занимает менее 50 мс для вычисления оптических параметров (см. Дополнительные материалы для получения более подробной информации). Графический интерфейс был вдохновлен текущими клиническими инструментами, уже доступными в нейро-ОИТ, и он был адаптирован на основе обширных отзывов клинических пользователей во время перевода системы в нейро-ОИТ. Следовательно, графический интерфейс реального времени может облегчить внедрение оптической системы штатным персоналом больницы, таким как нейрореаниматологи и медсестры. Широкое внедрение диффузной оптики в качестве инструмента клинических исследований может повысить ее способность контролировать физиологически значимые данные и в конечном итоге может продемонстрировать, что диффузная оптика является хорошим вариантом для неинвазивного мониторинга нейрокритических пациентов в режиме реального времени.

<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

Нейрофизиологический мониторинг является важной целью лечения нейрокритических пациентов, поскольку он может предотвратить вторичное повреждение и напрямую повлиять на показатели заболеваемости и смертности. Однако в настоящее время не хватает подходящих неинвазивных технологий в режиме реального времени для непрерывного мониторинга физиологии головного мозга у постели больного. Диффузные оптические методы были предложены в качестве потенциального инструмента для прикроватных измерений мозгового кровотока и церебральной оксигенации у нейрокритических пациентов. Диффузная оптическая спектроскопия ранее изучалась для наблюдения за пациентами в нескольких клинических сценариях, начиная от неонатального мониторинга и заканчивая цереброваскулярными вмешательствами у взрослых. Тем не менее, возможность использования этого метода для оказания помощи клиницистам путем предоставления информации в режиме реального времени у постели больного остается в значительной степени нерешенной. Здесь мы сообщаем о трансляции диффузной оптической системы для непрерывного мониторинга мозгового кровотока в режиме реального времени, церебральной оксигенации и церебрального метаболизма кислорода во время интенсивной терапии. Функция инструмента в режиме реального времени может позволить использовать стратегии лечения, основанные на специфической для пациента физиологии головного мозга, а не полагаться на суррогатные показатели, такие как артериальное давление. Предоставляя информацию о мозговом кровообращении в режиме реального времени в различных временных масштабах с помощью относительно дешевых и портативных инструментов, этот подход может быть особенно полезен в малобюджетных больницах, в отдаленных районах и для мониторинга на открытых полях (например, оборона и спорт).

В идеале нормализованные автокорреляционные кривые, полученные с помощью модуля DCS, должны быть приблизительно 1,5 при нулевой экстраполяции времени задержки (при использовании одномодовых волокон14), а кривые должны затухать до 1 при более длительном времени задержки. Крив?...

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

Представлен протокол неинвазивного мониторинга церебральной гемодинамики нейрокритических пациентов в режиме реального времени и у постели больного с использованием диффузной оптики. В частности, предлагаемый протокол использует гибридные диффузные оптические системы для обнаружения и отображения в режиме реального времени информации о церебральной оксигенации, мозговом кровотоке и церебральном метаболизме.

Мониторинг нейрокритических пациентов в режиме реального времени с помощью диффузной оптической спектроскопии

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

Оценка наночастиц в опухоли в реальном времени с помощью Прижизненные изображения

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

Движение переподготовки использовании в режиме реального времени обратная связь о производительности

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

Спинномозговой жидкости профилирования микроРНК с использованием количественных ПЦР в реальном времени

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

В режиме реального времени на цитотоксичность в человека цельной крови

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

Диффузный оптической спектроскопии для количественной оценки острой токсичности ионизирующей радиации, индуцированный кожи с помощью модели мыши

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

Неконтролируемый геморрагический шок, моделируемый разрывом печени у мышей с контролем гемодинамики в реальном времени

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

Анализ реального времени давления объем острого инфаркта миокарда у мышей

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

Биоэнергетика расследование Candida albicans с помощью реального времени внеклеточного потока анализа

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

Интеграция мониторинга насыщения тканей мозга в сердечно-легочных упражнений тестирования у пациентов с сердечной недостаточностью

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

Оценка совместимости и точности капнографии при использовании с помощью портативного монитора capnography

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