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

Summary

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.

Abstract

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).

Introduction

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 CBF^{золотого 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 мозга^40,41,42 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). Модуль^49,50 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.

Protocol

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?…

Representative Results

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?…

Discussion

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 …

Materials

3D Printer	Sethi3D	S2	3D-printer used to print the customizable probes
Arduino UNO	Arduino	UNO REV3	Microcontroller responsible to interleave the DCS and FD-DOS measurements
DCS Correlator	Correlator.com	Flex11-16ch	Component of the DCS module
DCS Dectectors IO Boards	Excelitas Technology	SPCM-AQ4C-IO	Component of the DCS module
DCS Detectors	Excelitas Technology	SPCM-AQ4C	Component of the DCS module
DCS Laser	CrystaLaser	DL785-120-SO	Component of the DCS module
DCS Power supply	Artesyn	UMP10T-S2A-S2A-S2A-S2A-IES-00-A	Component of the DCS module (power supply for the DCS detecto; 2, 5 and 30V)
FD-DOS fibers	ISS	Imagent supplies	The fibers used for FD-DOS detection and illumination are provived by ISS
Flexible 3D printer material	Sethi3D	NinjaFlex	Material used to print the flexible customizable probes
Imagent	ISS	Imagent	FD-DOS module
Laser safety googles	Thorlabs	LG9
Multi-mode fiber	Thorlabs	FT400EMT	Multi-mode fiber used for DCS illumination
Neutral density filter 1.0 OD	Edmund Optics	53-705	Neutral density filter for the short source detector separations
Single-mode optical fiber	Thorlabs	780HP	Single-mode optical fiber used for the DCS detectors
System battery	SMS	NET4	System battery used for transportation