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 erkänner stödet från São Paulo Research Foundation (FAPESP) genom Proc. 2012/02500-8 (RM), 2014/25486-6 (RF) och 2013/07559-3. Finansiärerna hade ingen roll i studiedesign, datainsamling och analys, beslut att publicera eller förberedelse av manuskriptet.

Protokollet godkändes av den lokala kommittén vid University of Campinas (protokollnummer 56602516.2.0000.5404). Skriftligt informerat samtycke erhölls från patienten eller en juridisk företrädare före mätningarna. Vi övervakade patienter som togs in på kliniksjukhuset vid University of Campinas med diagnosen antingen ischemisk stroke eller en subaraknoidalblödning som påverkar den främre cirkulationen. Patienter med ischemisk stroke som påverkar den bakre cirkulationen, patienter med dekompressiva kraniekt...

Detta dokument presenterade ett hybridoptiskt system som kan ge realtidsinformation om cerebralt blodflöde, cerebral syresättning och cerebral syremetabolism hos neurokritiska patienter bredvid. Användningen av diffusa optiska tekniker hade tidigare behandlats som en potentiell markör för icke-invasiv övervakning vid sängen i kliniska scenarier. En tidigare studie fokuserade på de kliniska aspekterna och genomförbarheten av optisk övervakning under sjukhusvistelse på neuro-ICU genom en fallrapport<sup class="x...

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 flesta komplikationer som leder till dåliga resultat för kritiskt sjuka neurologiska patienter är relaterade till sekundära skador orsakade av cerebrala hemodynamiska funktionsnedsättningar. Därför kan övervakning av hjärnfysiologin hos dessa patienter direkt påverka sjuklighet och dödlighet 1,2,3,4,5,6,7. För närvarande finns det dock inget etablerat kliniskt verktyg för kontinuerlig icke-invasiv övervakning i realtid av cerebral fysiologi hos neurokritiska patienter vid sängen. Bland de potentiella kandidaterna har diffusa optiska tekniker nyligen föreslagits som ett lovande verktyg för att fylla i detta gap 8,9,10,11. Genom att mäta de långsamma förändringarna (dvs i storleksordningen tiotals till hundratals ms) av det diffust spridda nära infraröda ljuset (~ 650-900 nm) från hårbotten kan diffus optisk spektroskopi (DOS) mäta koncentrationer av de viktigaste kromoforerna i hjärnan, såsom cerebral oxi- (HbO) och deoxihemoglobin (HbR)12,13. Dessutom är det möjligt att mäta cerebralt blodflöde (CBF) med diffus korrelationsspektroskopi (DCS) 10,14,15,16,17 genom att kvantifiera de snabba fluktuationerna i ljusintensitet (dvs från några μs till några ms). När de kombineras kan DOS och DCS också ge en uppskattning av den cerebrala metaboliska syrehastigheten (CMRO2)18,19,20.
Kombinationen av DOS och DCS har undersökts för att övervaka patienter i flera prekliniska och kliniska scenarier. Till exempel har diffus optik visat sig ge relevant klinisk information för kritiskt sjuka nyfödda 21,22,23,24, inklusive under hjärtoperationer för att behandla hjärtfel 23,25,26,27,28 . Dessutom har flera författare undersökt användningen av diffus optik för att bedöma cerebral hemodynamik under olika cerebrovaskulära ingrepp, såsom carotid endarterektomi 29,30,31, trombolytiska behandlingar för stroke 32, sängmanipulationer 33,34,35, hjärt-lungräddning 36 och andra 37,38, 39. När kontinuerlig blodtrycksövervakning också är tillgänglig kan diffus optik användas för att övervaka cerebral autoreglering, både hos friska och kritiskt sjuka personer 11,40,41,42, samt för att bedöma det kritiska stängningstrycket i hjärncirkulationen 43. Flera författare har validerat CBF-mätningar med DCS mot olika guldstandard CBF-mått 18, medan CMRO2 mätt med diffus optik har visat sig vara en användbar parameter för neurokritisk övervakning 8,18,23,24,28,43,44,45 . Dessutom har tidigare studier validerat de optiskt härledda cerebrala hemodynamiska parametrarna för långtidsövervakning av neurokritiska patienter 8,9,10,11, inklusive för prediktion av hypoxisk 46,47,48 och ischemisk händelse 8.
Tillförlitligheten hos de diffusa optiska teknikerna för att ge värdefull realtidsinformation under longitudinella mätningar såväl som under kliniska ingrepp är fortfarande till stor del obehandlad. Användningen av ett fristående DOS-system jämfördes tidigare med invasiva syrespänningsmonitorer i hjärnvävnad, och DOS ansågs inte ha tillräcklig känslighet för att ersätta de invasiva monitorerna. Men förutom att använda relativt små populationer kan den direkta jämförelsen av de invasiva och icke-invasiva monitorerna vara missriktad eftersom varje teknik undersöker olika volymer som innehåller olika delar av cerebral vaskulatur. Även om dessa studier slutligen drog slutsatsen att diffus optik inte är en ersättning för de invasiva monitorerna, uppnådde DOS i båda studierna en måttlig till god noggrannhet, vilket kan vara tillräckligt för fall och / eller platser där invasiva monitorer inte är tillgängliga.
I förhållande till andra metoder är den viktigaste fördelen med diffus optik dess förmåga att samtidigt mäta blodflöde och vävnadsblodets syresättning icke-invasivt (och kontinuerligt) vid sängen med bärbar instrumentering. Jämfört med transkraniell dopplerultraljud (TCD) har DCS ytterligare en fördel: den mäter perfusion på vävnadsnivå, medan TCD mäter cerebral blodflödeshastighet i stora artärer vid hjärnans bas. Denna distinktion kan vara särskilt viktig vid utvärdering av stenoocklusiva sjukdomar där både proximalt stort artärflöde och leptomeningeala kollateraler bidrar till perfusion. Optiska tekniker har också fördelar jämfört med andra traditionella avbildningsmetoder, såsom positronemissionstomografi (PET) och magnetisk resonanstomografi (MRT). Förutom att samtidigt ge direkta mätningar av både CBF- och HbO/HbR-koncentrationer, vilket inte är möjligt med enbart MR eller PET, ger optisk övervakning också signifikant bättre tidsupplösning, vilket till exempel möjliggör bedömning av dynamisk cerebral autoreglering40,41,42 och bedömningen dynamiskt utvecklande hemodynamiska förändringar. Dessutom är diffus optisk instrumentering billig och bärbar jämfört med PET och MR, vilket är en kritisk fördel med tanke på den höga bördan av kärlsjukdomar i låg- och medelinkomstländer.
Protokollet som föreslås här är en miljö för realtidsneuromonitorering av patienter på intensivvårdsavdelningen (ICU). Protokollet använder en hybrid optisk enhet tillsammans med ett kliniskt vänligt grafiskt användargränssnitt (GUI) och anpassade optiska sensorer för att undersöka patienterna (figur 1). Hybridsystemet som används för att visa upp detta protokoll kombinerar två diffusa optiska spektroskopier från oberoende moduler: en kommersiell frekvensdomän (FD-) DOS-modul och en hemmagjord DCS-modul (figur 1A). FD-DOS-modulen49,50 består av 4 fotomultiplikatorrör (PMT) och 32 laserdioder som emitterar vid fyra olika våglängder (690, 704, 750 och 850 nm). DCS-modulen består av en långkoherenslaser som emitterar vid 785 nm, 16 enfotonräknare som detektorer och ett korrelatorkort. Samplingsfrekvensen för FD-DOS-modulen är 10 Hz och den maximala samplingsfrekvensen för DCS-modulen är 3 Hz. För att integrera FD-DOS- och DCS-modulerna programmerades en mikrokontroller inuti vår styrprogramvara för att automatiskt växla mellan varje modul. Mikrokontrollern är ansvarig för att slå på och stänga av FD-DOS- och DCS-lasrarna, liksom FD-DOS-detektorerna för att möjliggöra interfolierade mätningar av varje modul. Totalt kan det föreslagna systemet samla in ett kombinerat FD-DOS- och DCS-prov var 0,5 till 5:e sekund, beroende på kraven på signal-brusförhållande (SNR) (längre insamlingstider leder till bättre SNR). För att koppla ljuset till pannan utvecklade vi en 3D-printad optisk sond som kan anpassas för varje patient (Figur 1B), med källdetektorseparationer som varierar mellan 0,8 och 4,0 cm. Standardseparationerna mellan källa och detektor som används i exemplen som presenteras här är 2,5 cm för DCS och 1,5, 2,0, 2,5 och 3,0 cm för FD-DOS.
Huvuddragen i protokollet som presenteras i denna studie är utvecklingen av ett realtidsgränssnitt som både kan styra hårdvaran med ett vänligt GUI och visa de viktigaste cerebrala fysiologiparametrarna i realtid under olika temporala fönster (Figur 1C). Realtidsanalysrörledningen som utvecklats inom det föreslagna grafiska användargränssnittet är snabb och tar mindre än 50 ms att beräkna de optiska parametrarna (se tilläggsmaterialet för mer information). GUI inspirerades av nuvarande kliniska instrument som redan finns tillgängliga på neuro-ICU, och det anpassades genom omfattande feedback från kliniska användare under översättningen av systemet till neuro-ICU. Följaktligen kan realtidsgränssnittet underlätta antagandet av det optiska systemet av vanlig sjukhuspersonal, såsom neurointensivister och sjuksköterskor. Den breda användningen av diffus optik som ett kliniskt forskningsverktyg har potential att förbättra dess förmåga att övervaka fysiologiskt meningsfulla data och kan i slutändan visa att diffus optik är ett bra alternativ för icke-invasiv övervakning av neurokritiska patienter i realtid.

<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

Neurofysiologisk övervakning är ett viktigt mål vid behandling av neurokritiska patienter, eftersom det kan förhindra sekundära skador och direkt påverka sjuklighet och dödlighet. Det saknas dock för närvarande lämpliga icke-invasiva realtidstekniker för kontinuerlig övervakning av cerebral fysiologi vid sängen. Diffusa optiska tekniker har föreslagits som ett potentiellt verktyg för sängmätningar av cerebralt blodflöde och cerebral syresättning vid neurokritiska patienter. Diffusa optiska spektroskopier har tidigare undersökts för att övervaka patienter i flera kliniska scenarier, allt från neonatal övervakning till cerebrovaskulära ingrepp hos vuxna. Teknikens genomförbarhet för att hjälpa kliniker genom att tillhandahålla realtidsinformation vid sängen är dock fortfarande i stort sett oadresserad. Här rapporterar vi översättningen av ett diffust optiskt system för kontinuerlig realtidsövervakning av cerebralt blodflöde, cerebral syresättning och cerebral syremetabolism under intensivvård. Instrumentets realtidsfunktion kan möjliggöra behandlingsstrategier baserade på patientspecifik cerebral fysiologi snarare än att förlita sig på surrogatmått, såsom arteriellt blodtryck. Genom att tillhandahålla realtidsinformation om hjärncirkulationen vid olika tidsskalor med relativt billig och bärbar instrumentering kan detta tillvägagångssätt vara särskilt användbart på lågbudgetsjukhus, i avlägsna områden och för övervakning i öppna fält (t.ex. försvar och sport).

Helst bör de normaliserade autokorrelationskurvorna erhållna med DCS-modulen vara ungefär 1,5 vid nollfördröjningstidsextrapolering (vid användning av single-mode-fibrer14), och kurvorna bör sönderfalla till 1 vid längre fördröjningstider. Kurvan ska vara jämn, och den ska ha ett snabbare sönderfall för de längre källdetektorseparationerna. Ett exempel på en bra autokorrelation visas i figur 2A. Figur 2B visar ett exempel...

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

Här presenteras ett protokoll för icke-invasiv övervakning av cerebral hemodynamik hos neurokritiska patienter i realtid och vid sängen med diffus optik. Specifikt använder det föreslagna protokollet ett hybriddiffust optiskt system för att detektera och visa realtidsinformation om cerebral syresättning, cerebralt blodflöde och cerebral metabolism.

Realtidsövervakning av neurokritiska patienter med diffusa optiska spektroskopier

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

Utvärdering av nanopartiklar Upptag i tumörer i realtid med hjälp 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

Rörelse Omskolning med feedback i realtid för prestanda

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

Cerebrospinalvätska MikroRNA Profilering Med kvantitativa realtid-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

Realtids cytotoxicitetsanalyser i humant helblod

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

Diffus optisk spektroskopi för kvantitativ bedömning av akut joniserande strålning inducerad Skin toxicitet med hjälp av en musmodell

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

Okontrollerad hemoragisk shock modellerad via leverlackering i möss med realtidshemodynamisk övervakning

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

Realtid tryck-volym analys av akut hjärtinfarkt hos möss

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-Energetik utredning av Candida albicans använder Real-time extracellulära Flux analys

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

Integration av hjärnan vävnad mättnad övervakning i Cardiopulmonary utöva testning hos patienter med hjärtsvikt

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

Utvärdering av Capnography Sampling Line Kompatibilitet och noggrannhet när den används med en bärbar capnography Monitor

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