Monitorización en tiempo real de pacientes neurocríticos con espectroscopias ópticas difusas

Summary

Aquí se presenta un protocolo para monitorear de forma no invasiva la hemodinámica cerebral de pacientes neurocríticos en tiempo real y al lado de la cama utilizando óptica difusa. Específicamente, el protocolo propuesto utiliza un sistema óptico difuso híbrido para detectar y mostrar información en tiempo real sobre la oxigenación cerebral, el flujo sanguíneo cerebral y el metabolismo cerebral.

Abstract

La monitorización neurofisiológica es un objetivo importante en el tratamiento de pacientes neurocríticos, ya que puede prevenir daños secundarios e impactar directamente en las tasas de morbilidad y mortalidad. Sin embargo, actualmente hay una falta de tecnologías adecuadas no invasivas y en tiempo real para el monitoreo continuo de la fisiología cerebral al lado de la cama. Las técnicas ópticas difusas se han propuesto como una herramienta potencial para las mediciones a pie de cama del flujo sanguíneo cerebral y la oxigenación cerebral en el caso de pacientes neurocríticos. Las espectroscopias ópticas difusas se han explorado previamente para monitorear pacientes en varios escenarios clínicos que van desde el monitoreo neonatal hasta intervenciones cerebrovasculares en adultos. Sin embargo, la viabilidad de la técnica para ayudar a los médicos al proporcionar información en tiempo real al lado de la cama sigue sin abordarse en gran medida. Aquí, informamos la traducción de un sistema óptico difuso para el monitoreo continuo en tiempo real del flujo sanguíneo cerebral, la oxigenación cerebral y el metabolismo del oxígeno cerebral durante los cuidados intensivos. La característica en tiempo real del instrumento podría permitir estrategias de tratamiento basadas en la fisiología cerebral específica del paciente en lugar de depender de métricas sustitutas, como la presión arterial. Al proporcionar información en tiempo real sobre la circulación cerebral en diferentes escalas de tiempo con instrumentación relativamente barata y portátil, este enfoque puede ser especialmente útil en hospitales de bajo presupuesto, en áreas remotas y para el monitoreo en campos abiertos (por ejemplo, defensa y deportes).

Introduction

La mayoría de las complicaciones que conducen a resultados deficientes para los pacientes neurológicos críticamente enfermos están relacionadas con lesiones secundarias causadas por deficiencias hemodinámicas cerebrales. Por lo tanto, el monitoreo de la fisiología cerebral de estos pacientes puede impactar directamente las tasas de morbilidad y mortalidad 1,2,3,4,5,6,7. Actualmente, sin embargo, no existe una herramienta clínica establecida para el monitoreo continuo no invasivo en tiempo real de la fisiología cerebral en pacientes neurocríticos al lado de la cama. Entre los posibles candidatos, las técnicas ópticas difusas han sido propuestas recientemente como una herramienta prometedora para llenar este vacío 8,9,10,11. Al medir los cambios lentos (es decir, del orden de decenas a cientos de ms) de la luz infrarroja cercana dispersa difusivamente (~ 650-900 nm) del cuero cabelludo, la espectroscopia óptica difusa (DOS) puede medir las concentraciones de los principales cromóforos en el cerebro, como la oxi- (HbO) cerebral y la desoxihemoglobina (HbR)^12,13. Además, es posible medir el flujo sanguíneo cerebral (CBF) con espectroscopia de correlación difusa (EDC)10,14,15,16,17 cuantificando las fluctuaciones rápidas en la intensidad de la luz (es decir^, de unos pocos μs a unos pocos ms). Cuando se combinan, DOS y EDC también pueden proporcionar una estimación de la tasa metabólica cerebral de oxígeno (CMRO₂)^18,19,20.

La combinación de DOS y EDC se ha explorado para monitorear a los pacientes en varios escenarios preclínicos y clínicos. Por ejemplo, se ha demostrado que la óptica difusa proporciona información clínica relevante para neonatos críticamente enfermos 21,22,23,24, incluso durante cirugías cardíacas para tratar defectos cardíacos 23,25,26,27,28 . Además, varios autores han explorado el uso de óptica difusa para evaluar la hemodinámica cerebral durante diferentes intervenciones cerebrovasculares, como la endarterectomía carotídea 29,30,31, los tratamientos trombolíticos para el accidente cerebrovascular 32, las manipulaciones de cabecera de cama 33,34,35, la reanimación cardiopulmonar 36 y otros^{37,38, 39}. Cuando también se dispone de monitorización continua de la presión arterial, la óptica difusa puede ser utilizada para monitorizar la autorregulación cerebral, tanto en sujetos sanos como en estado crítico 11,40,41,42^, así como para evaluar la presión crítica de cierre de la circulación cerebral ⁴³. Varios autores han validado las mediciones de CBF con DCS contra diferentes medidas de CBF estándar de oro 18, mientras que CMRO₂ medido con óptica difusa ha demostrado ser un parámetro útil para la monitorización neurocrítica 8,18,23,24,28,43,44,45 . Además, estudios previos han validado los parámetros hemodinámicos cerebrales derivados ópticamente para la monitorización a largo plazo de pacientes neurocríticos 8,9,10,11, incluyendo la predicción de eventos hipóxicos ^46,47,48 e isquémicos 8.

La fiabilidad de las técnicas ópticas difusas para proporcionar información valiosa en tiempo real durante las mediciones longitudinales, así como durante las intervenciones clínicas, sigue sin abordarse en gran medida. El uso de un sistema DOS independiente se comparó previamente con los monitores invasivos de tensión de oxígeno del tejido cerebral, y se consideró que DOS no tenía una sensibilidad suficiente para reemplazar los monitores invasivos. Sin embargo, aparte de utilizar poblaciones relativamente pequeñas, la comparación directa de los monitores invasivos y no invasivos puede ser errónea ya que cada técnica sondea diferentes volúmenes que contienen diferentes partes de la vasculatura cerebral. Aunque estos estudios finalmente concluyeron que la óptica difusa no es un reemplazo para los monitores invasivos, en ambos estudios DOS logró una precisión de moderada a buena, que puede ser suficiente para casos y / o lugares en los que los monitores invasivos no están disponibles.

En relación con otros enfoques, la ventaja clave de la óptica difusa es su capacidad para medir simultáneamente el flujo sanguíneo y la oxigenación de la sangre de los tejidos de forma no invasiva (y continua) al lado de la cama utilizando instrumentación portátil. En comparación con la ecografía Doppler transcraneal (TCD), la EDC tiene una ventaja adicional: mide la perfusión a nivel del tejido, mientras que la TCD mide la velocidad del flujo sanguíneo cerebral en las arterias grandes en la base del cerebro. Esta distinción puede ser particularmente importante cuando se evalúan enfermedades esteno-oclusivas en las que tanto el flujo arterial grande proximal como los colaterales leptomeníngeos contribuyen a la perfusión. Las técnicas ópticas también tienen ventajas en comparación con otras modalidades de imagen tradicionales, como la tomografía por emisión de positrones (PET) y la resonancia magnética (MRI). Además de proporcionar simultáneamente medidas directas de las concentraciones de CBF y HbO/HbR, lo que no es posible con la RM o la PET solas, la monitorización óptica también proporciona una resolución temporal significativamente mejor, permitiendo, por ejemplo, la evaluación de la autorregulación cerebral dinámica^40,41,42 y la evaluación de cambios hemodinámicos en evolución dinámica. Además, la instrumentación óptica difusa es barata y portátil en comparación con la PET y la RM, lo cual es una ventaja crítica dada la alta carga de enfermedad vascular en los países de ingresos bajos y medios.

El protocolo propuesto aquí es un entorno para la neuromonitorización en tiempo real de los pacientes en la unidad de cuidados intensivos (UCI). El protocolo utiliza un dispositivo óptico híbrido junto con una interfaz gráfica de usuario (GUI) clínicamente amigable y sensores ópticos personalizados para sondear a los pacientes (Figura 1). El sistema híbrido empleado para mostrar este protocolo combina dos espectroscopías ópticas difusas de módulos independientes: un módulo DOS de dominio de frecuencia comercial (FD-) y un módulo DCS casero (Figura 1A). El módulo FD-DOS^49,50 consta de 4 tubos fotomultiplicadores (PMT) y 32 diodos láser que emiten a cuatro longitudes de onda diferentes (690, 704^, 750 y ⁸⁵⁰ nm). El módulo DCS consiste en un láser de larga coherencia que emite a 785 nm, 16 contadores de fotón único como detectores y una placa correlacionadora. La frecuencia de muestreo para el módulo FD-DOS es de 10 Hz y la frecuencia máxima de muestreo para el módulo DCS es de 3 Hz. Para integrar los módulos FD-DOS y DCS, se programó un microcontrolador dentro de nuestro software de control para cambiar automáticamente entre cada módulo. El microcontrolador es responsable de encender y apagar los láseres FD-DOS y DCS, así como los detectores FD-DOS para permitir mediciones intercaladas de cada módulo. En total, el sistema propuesto puede recolectar una muestra combinada de FD-DOS y DCS cada 0.5 a 5s, dependiendo de los requisitos de la relación señal-ruido (SNR) (tiempos de recolección más largos conducen a una mejor SNR). Para acoplar la luz a la frente, desarrollamos una sonda óptica impresa en 3D que se puede personalizar para cada paciente (Figura 1B), con separaciones fuente-detector que varían entre 0,8 y 4,0 cm. Las separaciones estándar fuente-detector utilizadas en los ejemplos presentados aquí son 2,5 cm para DCS y 1,5, 2,0, 2,5 y 3,0 cm para FD-DOS.

La característica principal del protocolo presentado en este estudio es el desarrollo de una interfaz en tiempo real que puede controlar el hardware con una GUI amigable y mostrar los principales parámetros de fisiología cerebral en tiempo real bajo diferentes ventanas temporales (Figura 1C). La canalización de análisis en tiempo real desarrollada dentro de la GUI propuesta es rápida y tarda menos de 50 ms en calcular los parámetros ópticos (consulte el Material suplementario para obtener más detalles). La GUI se inspiró en los instrumentos clínicos actuales ya disponibles en la neuro-UCI, y se adaptó a través de una amplia retroalimentación por parte de los usuarios clínicos durante la traducción del sistema a la neuro-UCI. En consecuencia, la GUI en tiempo real puede facilitar la adopción del sistema óptico por parte del personal regular del hospital, como neurointensivistas y enfermeras. La amplia adopción de la óptica difusa como herramienta de investigación clínica tiene el potencial de mejorar su capacidad para monitorear datos fisiológicamente significativos y, en última instancia, puede demostrar que la óptica difusa es una buena opción para monitorear de forma no invasiva a pacientes neurocríticos en tiempo real.

Protocol

El protocolo fue aprobado por el comité local de la Universidad de Campinas (número de protocolo 56602516.2.0000.5404). Se obtuvo el consentimiento informado por escrito del paciente o de un representante legal antes de las mediciones. Monitorizamos pacientes que fueron ingresados en el Hospital Clínico de la Universidad de Campinas con un diagnóstico de accidente cerebrovascular isquémico o hemorragia subaracnoidea que afecta la circulación anterior. Los pacientes con accidentes cerebrovasculares isquémicos que a…

Representative Results

Idealmente, las curvas de autocorrelación normalizadas obtenidas con el módulo DCS deberían ser aproximadamente 1.5 en la extrapolación de tiempo de retardo cero (cuando se usan fibras monomodo14), y las curvas deberían decaer a 1 en tiempos de retardo más largos. La curva debe ser suave y debe tener un decaimiento más rápido para las separaciones más largas fuente-detector. Un ejemplo de una buena autocorrelación se muestra en la Figura 2A. <strong class="x…

Discussion

Este documento presentó un sistema óptico híbrido que puede proporcionar información en tiempo real sobre el flujo sanguíneo cerebral, la oxigenación cerebral y el metabolismo del oxígeno cerebral de pacientes neurocríticos al lado. El uso de técnicas ópticas difusas se había abordado previamente como un marcador potencial para la monitorización no invasiva a pie de cama en escenarios clínicos. Un estudio previo se centró en los aspectos clínicos y la viabilidad de la monitorización óptica durante la hos…

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