JoVE Journal > Medicine
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
의학

المراقبة في الوقت الحقيقي للمرضى العصبيين الحرجين باستخدام التحليل الطيفي البصري المنتشر

Published: November 19, 2020
doi:
10.3791/61608
, , , , , , , , ,
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

Summary

يظهر هنا بروتوكول لمراقبة ديناميكا الدم الدماغية غير الغازية للمرضى العصبيين في الوقت الفعلي وبجانب السرير باستخدام البصريات المنتشرة. على وجه التحديد ، يستخدم البروتوكول المقترح أنظمة بصرية منتشرة هجينة لاكتشاف وعرض معلومات في الوقت الفعلي عن الأوكسجين الدماغي وتدفق الدم الدماغي والتمثيل الغذائي الدماغي.

Abstract

تعد المراقبة الفسيولوجية العصبية هدفا مهما في علاج المرضى العصبيين ، لأنها قد تمنع الضرر الثانوي وتؤثر بشكل مباشر على معدلات المراضة والوفيات. ومع ذلك ، هناك حاليا نقص في التقنيات المناسبة غير الغازية في الوقت الفعلي للمراقبة المستمرة لعلم وظائف الأعضاء الدماغية بجانب السرير. تم اقتراح التقنيات البصرية المنتشرة كأداة محتملة للقياسات بجانب السرير لتدفق الدم الدماغي والأوكسجين الدماغي في حالة المرضى العصبيين. تم استكشاف التحليل الطيفي البصري المنتشر سابقا لمراقبة المرضى في العديد من السيناريوهات السريرية التي تتراوح من مراقبة حديثي الولادة إلى التدخلات الدماغية الوعائية لدى البالغين. ومع ذلك ، فإن جدوى هذه التقنية لمساعدة الأطباء من خلال توفير معلومات في الوقت الفعلي بجانب السرير لا تزال دون معالجة إلى حد كبير. هنا ، نبلغ عن ترجمة نظام بصري منتشر للمراقبة المستمرة في الوقت الفعلي لتدفق الدم الدماغي والأوكسجين الدماغي واستقلاب الأكسجين الدماغي أثناء العناية المركزة. يمكن أن تتيح ميزة الوقت الفعلي للأداة استراتيجيات العلاج القائمة على علم وظائف الأعضاء الدماغية الخاص بالمريض بدلا من الاعتماد على مقاييس بديلة ، مثل ضغط الدم الشرياني. من خلال توفير معلومات في الوقت الفعلي عن الدورة الدموية الدماغية على نطاقات زمنية مختلفة باستخدام أجهزة رخيصة نسبيا ومحمولة ، قد يكون هذا النهج مفيدا بشكل خاص في المستشفيات منخفضة الميزانية ، في المناطق النائية وللمراقبة في الحقول المفتوحة (مثل الدفاع والرياضة).

Introduction

ترتبط معظم المضاعفات التي تؤدي إلى نتائج سيئة لمرضى الأعصاب المصابين بأمراض خطيرة بالإصابات الثانوية الناجمة عن ضعف الدورة الدموية الدماغية. لذلك ، قد تؤثر مراقبة الفسيولوجيا الدماغية لهؤلاء المرضى بشكل مباشر على معدلات المراضة والوفيات1،2،3،4،5،6،7. ومع ذلك ، لا توجد حاليا أداة سريرية ثابتة للمراقبة المستمرة غير الباضعة في الوقت الفعلي لعلم وظائف الأعضاء الدماغية في المرضى العصبيين الحرجين بجانب السرير. من بين المرشحين المحتملين ، تم اقتراح التقنيات البصرية المنتشرة مؤخرا كأداة واعدة لسد هذه الفجوة8،9،10،11. من خلال قياس التغيرات البطيئة (أي بترتيب عشرات إلى مئات مللي ثانية) للضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء المتناثر بشكل منتشر (~ 650-900 نانومتر) من فروة الرأس ، يمكن للتحليل الطيفي البصري المنتشر (DOS) قياس تركيزات الكروموسومات الرئيسية في الدماغ ، مثل أوكسي الدماغ (HbO) وديوكسي هيموغلوبين (HbR) 12,13. بالإضافة إلى ذلك ، من الممكن قياس تدفق الدم الدماغي (CBF) باستخدام التحليل الطيفي للارتباط المنتشر (DCS) 10،14،15،16،17 عن طريق تحديد التقلبات السريعة في شدة الضوء (أي من بضعة ميكروثانية إلى بضعة مللي ثانية). عند الجمع بينهما ، يمكن أن يوفر DOS و DCS أيضا تقديرا لمعدل الأيض الدماغي للأكسجين (CMRO2) 18،19،20.

تم استكشاف مزيج DOS و DCS لمراقبة المرضى في العديد من السيناريوهات قبل السريرية والسريرية. على سبيل المثال ، ثبت أن البصريات المنتشرة توفر معلومات سريرية ذات صلة لحديثي الولادة المصابين بأمراض خطيرة21،22،23،24 ، بما في ذلك أثناء جراحات القلب لعلاج عيوب القلب23،25،26،27،28 . بالإضافة إلى ذلك ، استكشف العديد من المؤلفين استخدام البصريات المنتشرة لتقييم ديناميكا الدم الدماغية أثناء التدخلات الوعائية الدماغية المختلفة ، مثل استئصال باطنة الشريان السباتي29،30،31 ، علاجات التخثر للسكتة الدماغية 32 ، التلاعب برأس السرير33،34،35 ، الإنعاش القلبي الرئوي 36 ، وغيرها37،38 ، 39. عندما تتوفر أيضا مراقبة مستمرة لضغط الدم ، يمكن استخدام البصريات المنتشرة لمراقبة التنظيم الذاتي الدماغي ، سواء في الأشخاص الأصحاء أو المصابين بأمراض خطيرة 11،40،41،42 ، وكذلك لتقييم ضغط الإغلاق الحرج للدورة الدموية الدماغية 43. قام العديد من المؤلفين بالتحقق من صحة قياسات CBF باستخدام DCS مقابل مقاييس CBF القياسية الذهبية المختلفة 18 ، بينما ثبت أن CMRO2 المقاس باستخدام البصريات المنتشرة هو معلمة مفيدة للمراقبة العصبيةالحرجة 8،18،23،24،28،43،44،45 . بالإضافة إلى ذلك ، أثبتت الدراسات السابقة صحة المعلمات الديناميكية الدموية الدماغية المشتقة بصريا للمراقبة طويلة المدى للمرضى الحرجين العصبيين 8،9،10،11 ، بما في ذلك التنبؤ بنقص الأكسجين46،47،48 والأحداث الإقفارية8.

لا تزال موثوقية التقنيات البصرية المنتشرة لتوفير معلومات قيمة في الوقت الفعلي أثناء القياسات الطولية وكذلك أثناء التدخلات السريرية دون معالجة إلى حد كبير. تمت مقارنة استخدام نظام DOS المستقل سابقا بأجهزة مراقبة توتر الأكسجين في أنسجة المخ الغازية ، واعتبر DOS ليس لديه حساسية كافية لاستبدال أجهزة المراقبة الغازية. ومع ذلك ، بصرف النظر عن استخدام مجموعات صغيرة نسبيا ، قد تكون المقارنة المباشرة بين أجهزة المراقبة الغازية وغير الغازية مضللة لأن كل تقنية تسبر أحجام مختلفة تحتوي على أجزاء مختلفة من الأوعية الدموية الدماغية. على الرغم من أن هذه الدراسات خلصت في النهاية إلى أن البصريات المنتشرة ليست بديلا عن الشاشات الغازية ، فقد حققت DOS في كلتا الدراستين دقة معتدلة إلى جيدة ، والتي قد تكون كافية للحالات و / أو الأماكن التي لا تتوفر فيها أجهزة المراقبة الغازية.

بالنسبة إلى الأساليب الأخرى ، فإن الميزة الرئيسية للبصريات المنتشرة هي قدرتها على قياس تدفق الدم وأكسجة الدم في الأنسجة في وقت واحد بشكل غير جراحي (ومستمر) بجانب السرير باستخدام أجهزة محمولة. بالمقارنة مع الموجات فوق الصوتية دوبلر عبر الجمجمة (TCD) ، يتمتع DCS بميزة إضافية: فهو يقيس التروية على مستوى الأنسجة ، بينما يقيس TCD سرعة تدفق الدم الدماغي في الشرايين الكبيرة في قاعدة الدماغ. قد يكون هذا التمييز مهما بشكل خاص عند تقييم أمراض انسداد الضيق التي يساهم فيها كل من تدفق الشريان الكبير القريب والضمانات الجانبية في التروية. تتمتع التقنيات البصرية أيضا بمزايا عند مقارنتها بطرق التصوير التقليدية الأخرى ، مثل التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). بالإضافة إلى توفير مقاييس مباشرة في وقت واحد لكل من تركيزات CBF و HbO / HbR ، وهو أمر غير ممكن مع التصوير بالرنين المغناطيسي أو التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني وحده ، توفر المراقبة البصرية أيضا دقة زمنية أفضل بكثير ، مما يسمح ، على سبيل المثال ، بتقييم التنظيم الذاتي الدماغي الديناميكي40،41،42 وتقييم التغيرات الديناميكية الدموية المتطورة ديناميكيا. وعلاوة على ذلك، فإن الأجهزة البصرية المنتشرة غير مكلفة ومحمولة مقارنة بالتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني والتصوير بالرنين المغناطيسي، وهي ميزة حاسمة بالنظر إلى العبء الكبير لأمراض الأوعية الدموية في البلدان المنخفضة والمتوسطة الدخل.

البروتوكول المقترح هنا هو بيئة للمراقبة العصبية بجانب السرير في الوقت الفعلي للمرضى في وحدة العناية المركزة (ICU). يستخدم البروتوكول جهازا بصريا هجينا مع واجهة مستخدم رسومية صديقة للأطباء (GUI) وأجهزة استشعار بصرية مخصصة لفحص المرضى (الشكل 1). يجمع النظام الهجين المستخدم لعرض هذا البروتوكول بين اثنين من مطيافية بصرية منتشرة من وحدات مستقلة: وحدة DOS لمجال التردد التجاري (FD-) ووحدة DCS محلية الصنع (الشكل 1A). تتكون وحدة FD-DOS 49,50 من 4 أنابيب مضاعفة ضوئية (PMTs) و 32 صمام ثنائي ليزر ينبعث منها أربعة أطوال موجية مختلفة (690 و 704 و 750 و 850 نانومتر). تتكون وحدة DCS من ليزر طويل التماسك ينبعث عند 785 نانومتر ، و 16 عداد فوتون واحد ككاشفات ولوحة ارتباط. تردد أخذ العينات لوحدة FD-DOS هو 10 هرتز ، والحد الأقصى لتردد أخذ العينات لوحدة DCS هو 3 هرتز. لدمج وحدات FD-DOS و DCS ، تمت برمجة متحكم دقيق داخل برنامج التحكم الخاص بنا للتبديل تلقائيا بين كل وحدة. المتحكم الدقيق مسؤول عن تشغيل وإيقاف ليزر FD-DOS و DCS ، بالإضافة إلى كاشفات FD-DOS للسماح بالقياسات المتداخلة لكل وحدة. وإجمالا، يمكن للنظام المقترح أن يجمع عينة واحدة مجمعة من FD-DOS وDCS كل 0.5 إلى 5 ثوان، اعتمادا على متطلبات نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) (تؤدي أوقات التجميع الأطول إلى نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) بشكل أفضل). لإقران الضوء بالجبهة ، قمنا بتطوير مسبار بصري مطبوع ثلاثي الأبعاد يمكن تخصيصه لكل مريض (الشكل 1 ب) ، مع فصل كاشف المصدر يتراوح بين 0.8 و 4.0 سم. عمليات الفصل القياسية للكشف عن المصدر المستخدمة في الأمثلة المعروضة هنا هي 2.5 سم ل DCS و 1.5 و 2.0 و 2.5 و 3.0 سم ل FD-DOS.

الميزة الرئيسية للبروتوكول المقدم في هذه الدراسة هي تطوير واجهة في الوقت الفعلي يمكنها التحكم في الأجهزة باستخدام واجهة مستخدم رسومية سهلة الاستخدام وعرض معلمات فسيولوجيا الدماغ الرئيسية في الوقت الفعلي تحت نوافذ زمنية مختلفة (الشكل 1C). خط أنابيب التحليل في الوقت الفعلي الذي تم تطويره داخل واجهة المستخدم الرسومية المقترحة سريع ويستغرق أقل من 50 مللي ثانية لحساب المعلمات البصرية (انظر المواد التكميلية لمزيد من التفاصيل). تم استلهام واجهة المستخدم الرسومية من الأدوات السريرية الحالية المتوفرة بالفعل في وحدة العناية المركزة العصبية ، وتم تكييفها من خلال ردود فعل مكثفة من قبل المستخدمين السريريين أثناء ترجمة النظام إلى وحدة العناية المركزة العصبية. وبالتالي ، يمكن لواجهة المستخدم الرسومية في الوقت الفعلي تسهيل اعتماد النظام البصري من قبل موظفي المستشفى العاديين ، مثل أخصائيي العناية المركزة العصبية والممرضات. إن الاعتماد الواسع للبصريات المنتشرة كأداة بحث سريري لديه القدرة على تعزيز قدرتها على مراقبة البيانات ذات المغزى الفسيولوجي ويمكن أن يثبت في النهاية أن البصريات المنتشرة هي خيار جيد لمراقبة المرضى العصبيين غير الجراحيين في الوقت الفعلي.

Protocol

تمت الموافقة على البروتوكول من قبل اللجنة المحلية لجامعة كامبيناس (رقم البروتوكول 56602516.2.0000.5404). تم الحصول على موافقة خطية مستنيرة من المريض أو ممثل قانوني قبل القياسات. راقبنا المرضى الذين تم إدخالهم إلى مستشفى العيادات في جامعة كامبيناس مع تشخيص السكتة الدماغية أو نزيف تحت العنكبوتية يؤ?…

Representative Results

من الناحية المثالية ، يجب أن تكون منحنيات الارتباط الذاتي التي تم الحصول عليها باستخدام وحدة DCS حوالي 1.5 عند استقراء وقت التأخير الصفري (عند استخدام الألياف أحادية الوضع14) ، ويجب أن تتحلل المنحنيات إلى 1 في أوقات تأخير أطول. يجب أن يكون المنحنى سلسا ، ويجب أن يكون له اضمحلال أسر?…

Discussion

قدمت هذه الورقة نظاما بصريا هجينا يمكنه توفير معلومات في الوقت الفعلي حول تدفق الدم الدماغي والأوكسجين الدماغي واستقلاب الأكسجين الدماغي للمرضى العصبيين في الجانب الآخر. تم تناول استخدام التقنيات البصرية المنتشرة سابقا كعلامة محتملة للمراقبة غير الغازية بجانب السرير في السيناريوهات ا?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

نحن نقدر الدعم المقدم من مؤسسة أبحاث ساو باولو (FAPESP) من خلال Proc. 2012/02500-8 (RM) و 2014/25486-6 (RF) و 2013/07559-3. لم يكن للممولين أي دور في تصميم الدراسة أو جمع البيانات وتحليلها أو قرار النشر أو إعداد المخطوطة.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Papanikolaou, J., et al. Cardiac and central vascular functional alterations in the acute phase of aneurysmal subarachnoid hemorrhage. Critical Care Medicine. 40 (1), 223-232 (2012).
  2. Sarrafzadeh, A. S., Vajkoczy, P., Bijlenga, P., Schaller, K. Monitoring in neurointensive care – The challenge to detect delayed cerebral ischemia in high grade aneurysmal SAH. Frontiers in Neurology. 5 (134), (2014).
  3. Messerer, M., Daniel, R. T., Oddo, M. Neuromonitoring after major neurosurgical procedures. Minerva Anestesiologica. 78 (7), 810-822 (2012).
  4. Le Roux, P., et al. Consensus summary statement of the International Multidisciplinary Consensus Conference on Multimodality Monitoring in Neurocritical Care: A statement for healthcare professionals from the Neurocritical Care Society and the European Society of Intensive Care Medicine. Intensive Care Medicine. 40 (9), 1189-1209 (2014).
  5. Roh, D., Park, S. Brain Multimodality Monitoring: Updated Perspectives. Current Neurology and Neuroscience Reports. 16 (6), 1-10 (2016).
  6. Oddo, M., Villa, F., Citerio, G. Brain multimodality monitoring: An update. Current Opinion in Critical Care. 18 (2), 111-118 (2012).
  7. Sandsmark, D. K., Kumar, M. A., Park, S., Levine, J. M. Multimodal Monitoring in Subarachnoid Hemorrhage. Stroke. 43 (5), 1440-1445 (2012).
  8. Baker, W. B., et al. Continuous non-invasive optical monitoring of cerebral blood flow and oxidative metabolism after acute brain injury. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 39 (8), 1469-1485 (2019).
  9. Menezes Forti, R., et al. Real-time non-invasive assessment of cerebral hemodynamics with diffuse optical spectroscopies in a neuro intensive care unit: an observational study. Frontiers in Medicine. 7 (147), (2020).
  10. Kim, M. N., et al. Noninvasive measurement of cerebral blood flow and blood oxygenation using near-infrared and diffuse correlation spectroscopies in critically brain-injured adults. Neurocritical Care. 12 (2), 173-180 (2010).
  11. Selb, J., et al. Prolonged monitoring of cerebral blood flow and autoregulation with diffuse correlation spectroscopy in neurocritical care patients. Neurophotonics. 5 (04), 1 (2018).
  12. Durduran, T., Choe, R., Baker, W. B., Yodh, A. G. Diffuse optics for tissue monitoring and tomography. Reports on Progress in Physics. 73 (7), 76701 (2010).
  13. Jacques, S. L. Optical properties of biological tissues: a review. Physics in Medicine and Biology. 58 (11), 37-61 (2013).
  14. Durduran, T., Yodh, A. G. Diffuse correlation spectroscopy for non-invasive, micro-vascular cerebral blood flow measurement. NeuroImage. 85, 5163 (2014).
  15. Durduran, T., et al. Diffuse optical measurement of blood flow, blood oxygenation, and metabolism in a human brain during sensorimotor cortex activation. Optics Letters. 29 (15), 1766 (2004).
  16. Selb, J., et al. Sensitivity of near-infrared spectroscopy and diffuse correlation spectroscopy to brain hemodynamics: simulations and experimental findings during hypercapnia. Neurophotonics. 1 (1), 15005 (2014).
  17. Shang, Y., Li, T., Yu, G. Clinical applications of near-infrared diffuse correlation spectroscopy and tomography for tissue blood flow monitoring and imaging. Physiological Measurement. 38 (4), 1-26 (2017).
  18. Mesquita, R. C., et al. Direct measurement of tissue blood flow and metabolism with diffuse optics. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 369 (1955), 4390-4406 (2011).
  19. Culver, J. P., et al. Diffuse optical tomography of cerebral blood flow, oxygenation, and metabolism in rat during focal ischemia. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 23 (8), 911-924 (2003).
  20. Valabrègue, R., Aubert, A., Burger, J., Bittoun, J., Costalat, R. Relation between Cerebral Blood Flow and Metabolism Explained by a Model of Oxygen Exchange. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 23 (5), 536-545 (2003).
  21. Farzam, P., et al. Shedding light on the neonatal brain: probing cerebral hemodynamics by diffuse optical spectroscopic methods. Scientific Reports. 7 (1), 15786 (2017).
  22. Wong, F. Cerebral blood flow measurements in the neonatal brain. Prenatal and Postnatal Determinants of Development. 109, 69-87 (2016).
  23. Busch, D. R., et al. Noninvasive optical measurement of microvascular cerebral hemodynamics and autoregulation in the neonatal ECMO patient. Pediatric Research. , 1-9 (2020).
  24. Dehaes, M., et al. Cerebral oxygen metabolism in neonatal hypoxic ischemic encephalopathy during and after therapeutic hypothermia. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 34 (1), 87-94 (2014).
  25. Ferradal, S. L., et al. Non-invasive assessment of cerebral blood flow and oxygen metabolism in neonates during hypothermic cardiopulmonary bypass: Feasibility and clinical implications. Scientific Reports. 7 (1), 44117 (2017).
  26. Busch, D. R., et al. Continuous cerebral hemodynamic measurement during deep hypothermic circulatory arrest. Biomedical Optics Express. 7 (9), 3461 (2016).
  27. Wang, D., et al. Fast blood flow monitoring in deep tissues with real-time software correlators. Biomedical Optics Express. 7 (3), 776 (2016).
  28. Ko, T. S., et al. Non-invasive optical neuromonitoring of the temperature-dependence of cerebral oxygen metabolism during deep hypothermic cardiopulmonary bypass in neonatal swine. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 40 (1), 187-203 (2018).
  29. Pennekamp, C. W. A. A., et al. Near-infrared spectroscopy can predict the onset of cerebral hyperperfusion syndrome after carotid endarterectomy. Cerebrovascular Diseases. 34 (4), 314-321 (2012).
  30. Pennekamp, C. W. A. A., Bots, M. L., Kappelle, L. J., Moll, F. L., de Borst, G. J. The Value of Near-Infrared Spectroscopy Measured Cerebral Oximetry During Carotid Endarterectomy in Perioperative Stroke Prevention. A Review. European Journal of Vascular and Endovascular Surgery. 38 (5), 539-545 (2009).
  31. Shang, Y., et al. Cerebral monitoring during carotid endarterectomy using near-infrared diffuse optical spectroscopies and electroencephalogram. Physics in Medicine and Biology. 56 (10), 3015-3032 (2011).
  32. Delgado-Mederos, R., et al. Transcranial diffuse optical assessment of the microvascular reperfusion after thrombolysis for acute ischemic stroke. Biomedical Optics Express. 9 (3), 1262 (2018).
  33. Favilla, C. G., et al. Optical Bedside Monitoring of Cerebral Blood Flow in Acute Ischemic Stroke Patients During Head-of-Bed Manipulation. Stroke. 45 (5), 1269-1274 (2014).
  34. Gregori-Pla, C., et al. Early microvascular cerebral blood flow response to head-of-bed elevation is related to outcome in acute ischemic stroke. Journal of Neurology. 266 (4), 990-997 (2019).
  35. Kim, M. N., et al. Continuous optical monitoring of cerebral hemodynamics during head-of-bed manipulation in brain-injured adults. Neurocritical Care. 20 (3), 443-453 (2014).
  36. Ko, T., et al. Prediction of Return of Spontaneous Circulation During Cardiopulmonary Resuscitation using Frequency-Domain Diffuse Optical Spectroscopy in a Pediatric Swine Model of Asphyxial Cardiac Arrest. Biophotonics Congress: Biomedical Optics Congress 2018 (Microscopy/Translational/Brain/OTS). , (2018).
  37. Favilla, C. G., et al. Non-invasive respiratory impedance enhances cerebral perfusion in healthy adults. Frontiers in Neurology. 8, (2017).
  38. Favilla, C. G., et al. Perfusion Enhancement with Respiratory Impedance After Stroke (PERI-Stroke). Neurotherapeutics. 16 (4), 1296-1303 (2019).
  39. Ritzenthaler, T., et al. Cerebral near-infrared spectroscopy a potential approach for thrombectomy monitoring. Stroke. 48 (12), 3390-3392 (2017).
  40. Fantini, S., Sassaroli, A., Tgavalekos, K. T., Kornbluth, J. Cerebral blood flow and autoregulation: current measurement techniques and prospects for noninvasive optical methods. Neurophotonics. 3 (3), 31411 (2016).
  41. Parthasarathy, A. B., et al. Dynamic autoregulation of cerebral blood flow measured non-invasively with fast diffuse correlation spectroscopy. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 38 (2), 230-240 (2018).
  42. Kainerstorfer, J. M., Sassaroli, A., Tgavalekos, K. T., Fantini, S. Cerebral autoregulation in the microvasculature measured with near-infrared spectroscopy. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 35 (6), 959-966 (2015).
  43. Baker, W. B., et al. Noninvasive optical monitoring of critical closing pressure and arteriole compliance in human subjects. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 37 (8), 2691-2705 (2017).
  44. Lin, P. Y., et al. Non-invasive optical measurement of cerebral metabolism and hemodynamics in infants. Journal of Visualized Experiments. (73), e4379 (2013).
  45. Wintermark, P., Hansen, A., Warfield, S. K., Dukhovny, D., Soul, J. S. Near-infrared spectroscopy versus magnetic resonance imaging to study brain perfusion in newborns with hypoxic-ischemic encephalopathy treated with hypothermia. NeuroImage. 85, 287-293 (2014).
  46. Busch, D. R., et al. Detection of brain hypoxia based on noninvasive optical monitoring of cerebral blood flow with diffuse correlation spectroscopy. Neurocritical Care. 30 (1), 72-80 (2019).
  47. Davies, D. J., et al. Cerebral oxygenation in traumatic brain injury: Can a non-invasive frequency domain near-infrared spectroscopy device detect changes in brain tissue oxygen tension as well as the established invasive monitor. Journal of Neurotrauma. 36 (7), 1175-1183 (2019).
  48. Leal-Noval, S. R., et al. Invasive and noninvasive assessment of cerebral oxygenation in patients with severe traumatic brain injury. Intensive Care Medicine. 36 (8), 1309-1317 (2010).
  49. Fantini, S., Franceschini, M. A., Fishkin, J. B., Barbieri, B., Gratton, E. Quantitative determination of the absorption spectra of chromophores in strongly scattering media: a light-emitting-diode based technique. Applied Optics. 33 (22), 5204 (1994).
  50. Fantini, S., et al. Frequency-domain multichannel optical detector for noninvasive tissue spectroscopy and oximetry. Optical Engineering. 34 (1), 32 (1995).
  51. Carpenter, D. A., Grubb, R. L., Tempel, L. W., Powers, W. J. Cerebral oxygen metabolism after aneurysmal subarachnoid hemorrhage. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 11 (5), 837-844 (1991).
  52. Johansen-Berg, H., et al. The role of ipsilateral premotor cortex in hand movement after stroke. Proceedings of the National Academy of Sciences, U.S.A. 99 (22), 14518-14523 (2002).
  53. Hunt, W. E., Hess, R. M. Surgical risk as related to time of intervention in the repair of intracranial aneurysms. Journal of Neurosurgery. 28 (1), 14-20 (1968).
  54. Fisher, C. M., Kistler, J. P., Davis, J. M. Relation of Cerebral Vasospasm to Subarachnoid Hemorrhage Visualized by Computerized Tomographic Scanning. Neurosurgery. 6 (1), 1-9 (1980).
  55. Carey, J. R., et al. Analysis of fMRI and finger tracking training in subjects with chronic stroke. Brain. 125 (4), 773-788 (2002).
  56. Lindenberg, R., Renga, V., Zhu, L. L., Nair, D., Schlaug, G. Bihemispheric brain stimulation facilitates motor recovery in chronic stroke patients. Neurology. 75 (24), 2176-2184 (2010).
  57. Schaechter, J. D., et al. Motor recovery and cortical reorganization after constraint-induced movement therapy in stroke patients: A preliminary study. Neurorehabilitation and Neural Repair. 16 (4), 326-338 (2002).
  58. Dehaes, M., et al. Assessment of the frequency-domain multi-distance method to evaluate the brain optical properties: Monte Carlo simulations from neonate to adult. Biomedical Optics Express. 2 (3), 552 (2011).
  59. Fantini, S., Sassaroli, A. Frequency-domain techniques for cerebral and functional near-infrared spectroscopy. Front Neurosci. 14, 1-18 (2020).
  60. Blaney, G., Sassaroli, A., Pham, T., Fernandez, C., Fantini, S. Phase dual-slopes in frequency-domain near-infrared spectroscopy for enhanced sensitivity to brain tissue: First applications to human subjects. Journal of Biophotonics. 13 (1), 201960018 (2020).
  61. Abdalsalam, O., O’Sullivan, T. D., Howard, S., Zhang, Y. Self-calibrated frequency domain diffuse optical spectroscopy with a phased source array. Optical Tomography and Spectroscopy of Tissue XIII Conference. 1087403, 2 (2019).
  62. Applegate, M. B., Istfan, R. E., Spink, S., Tank, A., Roblyer, D. Recent advances in high speed diffuse optical imaging in biomedicine Recent advances in high speed diffuse optical imaging in biomedicine. APL Photonics. 5, 040802 (2020).
  63. Torricelli, A., et al. Time domain functional NIRS imaging for human brain mapping. NeuroImage. 85, 28-50 (2014).
  64. Pifferi, A., et al. New frontiers in time-domain diffuse optics , a review. Journal of Biomedical Optics. 21 (9), 091310 (2016).
  65. Gagnon, L., Desjardins, M., Jehanne-Lacasse, J., Bherer, L., Lesage, F. Investigation of diffuse correlation spectroscopy in multi-layered media including the human head. Optics Express. 16 (20), 15514 (2008).
  66. Verdecchia, K., et al. Assessment of a multi-layered diffuse correlation spectroscopy method for monitoring cerebral blood flow in adults. Biomedical Optics Express. 7 (9), 3659 (2016).
  67. Liemert, A., Kienle, A. Light diffusion in a turbid cylinder II Layered case. Optics Express. 18 (9), 9266 (2010).
  68. Hallacoglu, B., Sassaroli, A., Fantini, S. Optical characterization of two-layered turbid media for non-invasive, absolute oximetry in cerebral and extracerebral tissue. PLoS One. 8 (5), 64095 (2013).
  69. Alexandrakis, G., Busch, D. R., Faris, G. W., Patterson, M. S. Determination of the optical properties of two-layer turbid media by use of a frequency-domain hybrid Monte Carlo diffusion model. Applied Optics. 40 (22), 3810 (2001).
  70. Martelli, F., Sassaroli, A., Del Bianco, S., Yamada, Y., Zaccanti, G. Solution of the time-dependent diffusion equation for layered diffusive media by the eigenfunction method. Physical Review E – Statistical Physics, Plasmas, Fluids, and Related Interdisciplinary Topics. 67 (5), 14 (2003).
  71. Mesquita, R. C., et al. Influence of probe pressure on the diffuse correlation spectroscopy blood flow signal: extra-cerebral contributions. Biomedical Optics Express. 4 (7), 978 (2013).
  72. Wang, D., et al. Influence of probe pressure on the pulsatile diffuse correlation spectroscopy blood flow signal on the forearm and forehead regions. Neurophotonics. 6 (03), 1 (2019).
  73. Baker, W. B., et al. Pressure modulation algorithm to separate cerebral hemodynamic signals from extracerebral artifacts. Neurophotonics. 2 (3), 35004 (2015).
  74. He, L., et al. Noninvasive continuous optical monitoring of absolute cerebral blood flow in critically ill adults. Neurophotonics. 5 (04), 1 (2018).
  75. Milej, D., et al. Quantification of cerebral blood flow in adults by contrast-enhanced near-infrared spectroscopy: Validation against MRI. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. , (2019).
  76. Diop, M., Verdecchia, K., Lee, T. Y., St Lawrence, K. Calibration of diffuse correlation spectroscopy with a time-resolved near-infrared technique to yield absolute cerebral blood flow measurements. Biomedical Optics Express. 2 (7), 2068 (2011).
  77. Khalid, M., et al. Development of a stand-alone DCS system for monitoring absolute cerebral blood flow. Biomedical Optics Express. 10 (9), 4607 (2019).
  78. Kohl-Bareis, M., et al. Noninvasive monitoring of cerebral blood flow by a dye bolus method: Separation of brain from skin and skull signals. Journal of Biomedical Optics. 7 (3), 464 (2002).

Tags

Real-time MonitoringNeurocritical PatientsDiffuse Optical SpectroscopiesBrain PhysiologyPortable InstrumentationDiffuse OpticsBlood FlowOxygenationNeuro ICUOptical ProbeCalibration PhantomOptical PropertiesPatient ForeheadLaser Safety GogglesData Acquisition
check_url/kr/61608?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Menezes Forti, R., Katsurayama, M., Grisotti Martins, G., Valler, L., Quiroga, A., Simioni, L., Menko, J., Falcão, A. L. E., Li, L. M., Mesquita, R. C. Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies. J. Vis. Exp. (165), e61608, doi:10.3791/61608 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image