Vi kombinerade frekvens-domän nära-infraröd spektroskopi åtgärder av cerebral hemoglobin syresättning med diffusa åtgärder korrelationsspektroskopi av cerebralt blodflöde indexet att uppskatta ett index av syremetabolism. Vi testade nyttan av denna åtgärd som en säng screeningmetod för att utvärdera hälsa och utveckling av det nyfödda hjärnan.
Perinatal hjärnskada är fortfarande en viktig orsak till spädbarnsdödlighet och sjuklighet, men det är ännu inte ett effektivt säng verktyg som exakt kan screena för hjärnskada, övervaka skada utvecklingen, eller bedöma svar på behandlingen. Den energi som används av nervceller härrör till stor del från vävnad oxidativ metabolism och neurala hyperaktivitet och celldöd avspeglas av motsvarande förändringar i cerebrala syre metabolism (CMRO 2). Således åtgärder CMRO 2 är reflekterande av neuronal livsduglighet och ge viktig diagnostisk information, vilket gör CMRO 2 ett perfekt mål för sängkanten mätning av hjärnans hälsa.
Brain-imaging tekniker som positronemissionstomografi (PET) och single-photon emission datortomografi (SPECT) åtgärder avkastning av cerebral glukos och syre metabolism, men dessa tekniker kräver tillförsel av radionukleotider, så de används endast i de mest akuta fallen.
Kontinuerlig våg nära infraröd spektroskopi (CWNIRS) ger icke-invasiva och icke-joniserande strålning åtgärder av hemoglobin syremättnad (SO 2) som ett surrogat för cerebral syreförbrukning. Emellertid är SO 2 mindre än idealisk som ett surrogat för cerebral syremetabolism eftersom den påverkas av både syre leverans och konsumtion. Vidare mätningar av SO 2 är inte tillräckligt känsliga för att upptäcka timmar hjärnskada efter förolämpning 1,2, eftersom syreförbrukning och leverans nå jämvikt efter akut transienter 3. Vi undersökte möjligheten att använda mer sofistikerade NIRS optiska metoder för att kvantifiera cerebral syre metabolism vid sängkanten hos friska och hjärnan skadade nyfödda. Mer specifikt, kombinerat vi frekvens-domän NIRS (FDNIRS) mått på SO 2 med den diffusa korrelation spektroskopi (DCS) mått på blodflödet index (CBF i) till yield ett index CMRO 2 (CMRO 2i) 4,5.
Med de kombinerade FDNIRS / DCS-systemet kan vi kvantifiera cerebral metabolism och hemodynamik. Detta innebär en förbättring jämfört med CWNIRS för att upptäcka hjärnans hälsa, hjärnans utveckling, och svar på behandling hos nyfödda. Dessutom följer denna metod för alla neonatala intensiv (NICU) vårdenhet politik för Infection Control och institutionella politik på lasersäkerhet. Framtida arbete kommer att försöka integrera de två instrumenten för att minska förvärv tid vid sängkanten och genomföra feedback i realtid på datakvalitet för att reducera uppgifter avslag.
Den FDNIRS enheten är en anpassad frekvens-domän systemet från ISS Inc. med två identiska uppsättningar av 8 laserdioder som emitterar vid åtta våglängder varierande från 660 till 830 nm, och två fotomultiplikatorrör (PMT) detektorer. Källor och detektorer är moduleras vid 110 MHz och 110 MHz samt 5 kHz, respektive, för att uppnå heterodyn detektering 6. Varje laserdiod slås på för 10 ms i följd, för en 160 ms total förvärv tid per cykel. Källor och detektorer är kopplade till fiberoptik och anordnade i en rad i en optisk sond. Arrangemanget av fibrer på proben är sådan att den producerar fyra olika källa-detektor-separationer. Genom att mäta ljus (amplitud dämpning och fasförskjutning) på flera sträckor, kan vi kvantifiera absorption (iA) och spridning (ps) koefficienter vävnaden under observation. Från absorptionskoefficienterna vid flera våglängder, uppskattar vi sedan de absoluta värdena av syresatt (HBO) ochdeoxygenerade (HBR) hemoglobinkoncentrationer 7, cerebral blodvolym (CBV) och hemoglobin syremättnad (SO 2).
DCS-enheten är ett hem – inbyggd som liknar det som utvecklats av Dr. Arjun Yodh och Turgut Durduran vid University of Pennsylvania 8,9. DCS-system som består av en solid – state, lång samstämmighet laser vid 785 nm, fyra fotonräknande lavinfotodiod (APD) detektorer (EG & G Perkin Elmer SPCM-AQRH) presenterar låga mörka räknas (<50 impulser / sek) och en hög kvantutbyte (> 40% vid 785 nm), och en fyra kanal, 256-bin flera tau korrelator, med 200 nsek upplösning. Med DCS mäter vi mikrovaskulär blodflöde i hjärnbarken genom att kvantifiera de temporala intensitet fluktuationer av multipelt spritt ljus som uppstår från Doppler skift produceras genom att flytta röda blodkroppar. Tekniken, som liknar laser Doppler blod flowmetry (dvs de är Fourier Transform analoger), mäter en autokorrelationsfunktion av intensiteten fluktuationer i varje detektor kanal beräknas av en digital korrelator över en fördröjningstid mellan 200 ns – 0,5 sek. Korrelatorn beräknar den temporala intensitet autokorrelationen av ljuset åter dykt från vävnad. Vi passar sedan ekvationen diffusionen korrelationen till den uppmätta autokorrelationsfunktionen förvärvade sekventiellt, ungefär en gång per sekund, för att erhålla indexet blodflödet (CBF i) 10,11. DCS åtgärder av förändringar blodflödet har omfattande validerats 12,13. Genom att kombinera FDNIRS åtgärder SO 2 med DCS åtgärder CBF i, uppnår vi en uppskattning av cerebral syre metabolism (CMRO 2i).
Vi visade en kvantitativ mätning av cerebral hemodynamiska och metabolism med FDNIRS och DCS i den neonatala populationen. Sonden konfigurationen är optimerad för mätning neonatalt hjärnbarken 14. Blodflödet förändringar mätt med DCS har omfattande validerats mot andra tekniker i djur och människor 22,23. Genom att använda en direkt DCS mått på blodflödet, kan vi minska variansen i beräkningen av CMRO 2i 24. Variansen från upprepade mätningar var också mindre än förändringarna mellan hjärnregioner och med åldern 20.
Från våra tidigare resultat visade CBFI och CMRO 2i betydande förändringar med PMA i friska prematura nyfödda. Måttet på CMRO 2i är bättre i stånd att detektera hjärnskador än måttet av SO 2. Detta tyder på att kombinerade åtgärder av vaskulära och metabola parametrar fungerar som mer robust biomarkers av neonatal hjärnans hälsa och utveckling än syremättnad ensam. Tekniska förbättringar kommer att fokusera på att integrera två instrument för att minska förvärv tid 35-40% per session och genomförande av feedback i realtid på datakvalitet för att minska frekvensen av kasserade åtgärder. Inom en snar framtid kan detta system levereras till klinisk slutanvändare som en ny sängplatsmonitorn av förändrad cerebral syre metabolism. Genom att mäta banor CMRO 2 tiden kan också öka klinisk signifikans och förutsäga resultat. Detta verktyg kan i slutändan ge ett betydande bidrag till bättre förvaltning av neonatal hjärnskada.
The authors have nothing to disclose.
Författarna tackar alla familjer för deras deltagande i denna studie och sjuksköterskor, läkare och personal i neonatal intensivvård, Special Care Nursery, Pediatric Neurology, och enheterna moderskap vid Massachusetts General Hospital, Brigham and Women sjukhus och Boston Barnsjukhus för deras hjälp och stöd. I synnerhet vi tackar Linda J. Van Marter, Robert M. Insoft, Jonathan H. Cronin, Julianne Mazzawi och Steven A. Ringer. Författarna tackar också Marcia Kocienski-Filip, Yvonne Sheldon, Alpna Aggarwall, Maddy Artunguada och Genevieve Nave för deras hjälp under mätningarna. Projektet stöds av NIH R01-HD042908, R21-HD058725, P41-RR14075 och R43-HD071761. Marcia Kocienski-Filip och Yvonne Sheldon stöds av kliniska Translationell Science Award UL1RR025758 till Harvard University och Brigham and Women sjukhus från National Center for Research Resources. Innehållet är helt ansvarig för enuthors och inte nödvändigtvis representerar officiella ståndpunkter National Center for Research Resources eller National Institutes of Health.
Equipment | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
Imagent | ISS | FDNIRS | |
DCS laser fibers | Thorlabs | FT400 | DCS component |
DCS detector fiber | Thorlabs | 780HP | DCS component |
DCS laser | CrystaLaser | DL785-070-S | DCS component |
DCS detector | Pacer International | SPCM-AQRH-14-FC | DCS component |
DCS Correlator | Correlator.com | Flex05-8ch | DCS component |
Pronto co-oximeter | Masimo | HGB and SaO2 monitor | |
NOVA | OPHIR | 7Z01500 | Laser power meter |
Sensor card | Newport | F-IRC1-S | IR viewer |
Neutral Density filter | Kodak | NT54-453 |