Realtidsovervågning af neurokritiske patienter med diffuse optiske spektroskopier

Summary

Præsenteret her er en protokol til ikke-invasivt overvågning af cerebral hæmodynamik hos neurokritiske patienter i realtid og ved sengen ved hjælp af diffus optik. Specifikt anvender den foreslåede protokol en hybrid diffuse optiske systemer til at detektere og vise realtidsinformation om cerebral iltning, cerebral blodgennemstrømning og cerebral metabolisme.

Abstract

Neurofysiologisk overvågning er et vigtigt mål i behandlingen af neurokritiske patienter, da det kan forhindre sekundære skader og direkte påvirke sygelighed og dødelighed. Imidlertid er der i øjeblikket mangel på egnede ikke-invasive, realtidsteknologier til kontinuerlig overvågning af cerebral fysiologi ved sengen. Diffuse optiske teknikker er blevet foreslået som et potentielt værktøj til sengemålinger af cerebral blodgennemstrømning og cerebral iltning i tilfælde af neurokritiske patienter. Diffuse optiske spektroskopier er tidligere blevet undersøgt for at overvåge patienter i flere kliniske scenarier lige fra neonatal overvågning til cerebrovaskulære indgreb hos voksne. Imidlertid forbliver gennemførligheden af teknikken til at hjælpe klinikere ved at give realtidsinformation ved sengen stort set ubehandlet. Her rapporterer vi oversættelsen af et diffust optisk system til kontinuerlig realtidsovervågning af cerebral blodgennemstrømning, cerebral iltning og cerebral iltmetabolisme under intensiv pleje. Instrumentets realtidsfunktion kan muliggøre behandlingsstrategier baseret på patientspecifik cerebral fysiologi snarere end at stole på surrogatmålinger, såsom arterielt blodtryk. Ved at give realtidsinformation om cerebral cirkulation på forskellige tidsskalaer med relativt billig og bærbar instrumentering kan denne tilgang være særlig nyttig på lavbudgethospitaler, i fjerntliggende områder og til overvågning i åbne felter (f.eks. Forsvar og sport).

Introduction

De fleste af de komplikationer, der fører til dårlige resultater for kritisk syge neurologiske patienter, er relateret til sekundære skader forårsaget af cerebrale hæmodynamiske svækkelser. Derfor kan monitorering af cerebral fysiologi hos disse patienter direkte påvirke sygelighed og dødelighed 1,2,3,4,5,6,7. I øjeblikket er der imidlertid ikke noget etableret klinisk værktøj til kontinuerlig realtids ikke-invasiv overvågning af cerebral fysiologi hos neurokritiske patienter ved sengen. Blandt de potentielle kandidater er diffuse optiske teknikker for nylig blevet foreslået som et lovende værktøj til at udfylde dette hul 8,9,10,11. Ved at måle de langsomme ændringer (dvs. i størrelsesordenen titusinder til hundreder af ms) af det diffust spredte nær-infrarøde lys (~ 650-900 nm) fra hovedbunden kan diffus optisk spektroskopi (DOS) måle koncentrationer af de vigtigste kromoforer i hjernen, såsom cerebral oxy- (HbO) og deoxy-hæmoglobin (HbR)^12,13. Derudover er det muligt at måle cerebral blodgennemstrømning (CBF) med diffus korrelationsspektroskopi (DCS)10,14,15,16,17 ved at kvantificere de hurtige udsving i lysintensiteten (dvs. fra nogle få μs til nogle få ms). Når de kombineres, kan DOS og DCS også give et skøn over den cerebrale metaboliske hastighed af ilt (CMRO₂)^18,19,20.

Kombinationen af DOS og DCS er blevet undersøgt for at overvåge patienter i flere prækliniske og kliniske scenarier. For eksempel har diffus optik vist sig at give relevant klinisk information til kritisk syge nyfødte 21,22,23,24, herunder under hjerteoperationer til behandling af hjertefejl 23,25,26,27,28 . Derudover har flere forfattere undersøgt brugen af diffus optik til vurdering af cerebral hæmodynamik under forskellige cerebrovaskulære indgreb, såsom carotis endarterektomi 29,30,31, trombolytiske behandlinger for slagtilfælde 32, manipulationer af sengehoved 33,34,35, hjerte-lungeredning 36 og andre ^{37,38, 39}. Når kontinuerlig blodtryksovervågning også er tilgængelig, kan diffus optik bruges til at overvåge cerebral autoregulering, både hos raske og kritisk syge forsøgspersoner 11,40,41,42^, samt til at vurdere det kritiske lukketryk i cerebral kredsløb ⁴³. Flere forfattere har valideret CBF-målinger med DCS mod forskellige guldstandard CBF-mål 18, mens CMRO₂ målt med diffus optik har vist sig at være en nyttig parameter til neurokritisk overvågning 8,18,23,24,28,43,44,45 . Derudover har tidligere undersøgelser valideret de optisk afledte cerebrale hæmodynamiske parametre til langtidsmonitorering af neurokritiske patienter 8,9,10,11, herunder til forudsigelse af hypoxiske 46,47,48 og iskæmiske hændelser⁸.

Pålideligheden af de diffuse optiske teknikker til at levere værdifuld realtidsinformation under langsgående målinger såvel som under kliniske indgreb forbliver stort set uadresseret. Brugen af et selvstændigt DOS-system blev tidligere sammenlignet med invasive iltspændingsmonitorer i hjernevæv, og DOS blev vurderet til ikke at have en tilstrækkelig følsomhed til at erstatte de invasive skærme. Bortset fra at bruge relativt små populationer kan den direkte sammenligning af de invasive og ikke-invasive monitorer imidlertid være vildledt, da hver teknik undersøger forskellige volumener, der indeholder forskellige dele af den cerebrale vaskulatur. Selvom disse undersøgelser i sidste ende konkluderede, at diffus optik ikke er en erstatning for de invasive skærme, opnåede DOS i begge undersøgelser en moderat til god nøjagtighed, hvilket kan være tilstrækkeligt i tilfælde og / eller steder, hvor invasive skærme ikke er tilgængelige.

I forhold til andre tilgange er den vigtigste fordel ved diffus optik dens evne til samtidig at måle blodgennemstrømning og iltning af vævsblod ikke-invasivt (og kontinuerligt) ved sengen ved hjælp af bærbar instrumentering. Sammenlignet med Transcranial Doppler ultralyd (TCD) har DCS en yderligere fordel: det måler perfusion på vævsniveau, mens TCD måler cerebral blodgennemstrømningshastighed i store arterier i bunden af hjernen. Denne sondring kan være særlig vigtig ved evaluering af steno-okklusive sygdomme, hvor både proksimal stor arteriestrøm og leptomeningeal collaterals bidrager til perfusion. Optiske teknikker har også fordele sammenlignet med andre traditionelle billeddannelsesmetoder, såsom positronemissionstomografi (PET) og magnetisk resonansbilleddannelse (MR). Ud over samtidig at tilvejebringe direkte målinger af både CBF- og HbO/HbR-koncentrationer, hvilket ikke er muligt med MR eller PET alene, giver optisk overvågning også signifikant bedre tidsmæssig opløsning, hvilket for eksempel muliggør vurdering af dynamisk cerebral autoregulering^40,41,42 og vurdering dynamisk udviklende hæmodynamiske ændringer. Desuden er diffus optisk instrumentering billig og bærbar sammenlignet med PET og MR, hvilket er en kritisk fordel i betragtning af den høje byrde af vaskulær sygdom i lav- og mellemindkomstlande.

Den protokol, der foreslås her, er et miljø til neuroovervågning af patienter på intensivafdelingen (ICU) i realtid. Protokollen bruger en hybrid optisk enhed sammen med en klinisk venlig grafisk brugergrænseflade (GUI) og tilpassede optiske sensorer til at undersøge patienterne (figur 1). Det hybridsystem, der anvendes til fremvisning af denne protokol, kombinerer to diffuse optiske spektroskopier fra uafhængige moduler: et kommercielt frekvensdomæne (FD-) DOS-modul og et hjemmelavet DCS-modul (figur 1A). FD-DOS-modulet^49,50 består af 4 fotomultiplikatorrør (PMT’er) og 32 laserdioder, der udsender ved fire forskellige bølgelængder (690, 704^, 750 og ⁸⁵⁰ nm). DCS-modulet består af en laser med lang kohærens, der udsender ved 785 nm, 16 enkeltfotontællere som detektorer og et korrelatorkort. Samplingfrekvensen for FD-DOS-modulet er 10 Hz, og den maksimale samplingfrekvens for DCS-modulet er 3 Hz. For at integrere FD-DOS- og DCS-modulerne blev der programmeret en mikrocontroller inde i vores styringssoftware til automatisk at skifte mellem hvert modul. Mikrocontrolleren er ansvarlig for at tænde og slukke for FD-DOS- og DCS-laserne samt FD-DOS-detektorerne for at muliggøre sammenflettede målinger af hvert modul. I alt kan det foreslåede system indsamle en kombineret FD-DOS- og DCS-prøve hver 0,5 til 5 sek., afhængigt af kravene til signal-støj-forhold (SNR) (længere indsamlingstider fører til bedre SNR). For at koble lyset til panden udviklede vi en 3D-printet optisk sonde, der kan tilpasses til hver patient (figur 1B) med kildedetektorseparationer, der varierer mellem 0,8 og 4,0 cm. Standardkildedetektorseparationerne, der anvendes i eksemplerne her, er 2,5 cm for DCS og 1,5, 2,0, 2,5 og 3,0 cm for FD-DOS.

Hovedtræk ved protokollen, der præsenteres i denne undersøgelse, er udviklingen af en realtidsgrænseflade, der både kan styre hardwaren med en venlig GUI og vise de vigtigste cerebrale fysiologiske parametre i realtid under forskellige tidsmæssige vinduer (figur 1C). Realtidsanalysepipelinen, der er udviklet inden for den foreslåede GUI, er hurtig og tager mindre end 50 ms at beregne de optiske parametre (se supplerende materiale for flere detaljer). GUI’en blev inspireret af nuværende kliniske instrumenter, der allerede var tilgængelige på neuro-ICU, og den blev tilpasset gennem omfattende feedback fra kliniske brugere under oversættelsen af systemet til neuro-ICU. Derfor kan realtids-GUI lette vedtagelsen af det optiske system for almindeligt hospitalspersonale, såsom neurointensivister og sygeplejersker. Den brede anvendelse af diffus optik som et klinisk forskningsværktøj har potentialet til at forbedre dets evne til at overvåge fysiologisk meningsfulde data og kan i sidste ende demonstrere, at diffus optik er en god mulighed for ikke-invasivt at overvåge neurokritiske patienter i realtid.

Protocol

Protokollen blev godkendt af det lokale udvalg ved University of Campinas (protokolnummer 56602516.2.0000.5404). Der blev indhentet skriftligt informeret samtykke fra patienten eller en juridisk repræsentant forud for målingerne. Vi overvågede patienter, der blev indlagt på klinikhospitalet ved University of Campinas med en diagnose af enten iskæmisk slagtilfælde eller en subaraknoid blødning, der påvirker det forreste kredsløb. Patienter med iskæmisk slagtilfælde, der påvirker det bageste kredsløb, patiente…

Representative Results

Ideelt set bør de normaliserede autokorrelationskurver opnået med DCS-modulet være ca. 1,5 ved ekstrapolering af nulforsinkelsestid (ved brug af single-mode fibre14), og kurverne skal henfalde til 1 ved længere forsinkelsestider. Kurven skal være jævn, og den skal have et hurtigere henfald for de længere kildedetektorseparationer. Et eksempel på en god autokorrelation er vist i figur 2A. Figur 2B viser et eksempel på en dårlig a…

Discussion

Dette papir præsenterede et hybrid optisk system, der kan give realtidsinformation om cerebral blodgennemstrømning, cerebral iltning og cerebral iltmetabolisme hos neurokritiske patienter ved siden af. Brugen af diffuse optiske teknikker var tidligere blevet behandlet som en potentiel markør for ikke-invasiv overvågning ved sengen i kliniske scenarier. En tidligere undersøgelse fokuserede på de kliniske aspekter og gennemførligheden af optisk overvågning under indlæggelse i neuro-ICU gennem en caserapport<sup cl…

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