Monitoramento em Tempo Real de Pacientes Neurocríticos com Espectroscopias Ópticas Difusas

Summary

Apresenta-se um protocolo de monitorização não invasiva da hemodinâmica cerebral de pacientes neurocríticos em tempo real e à beira do leito utilizando óptica difusa. Especificamente, o protocolo proposto utiliza um sistema óptico híbrido difuso para detectar e exibir informações em tempo real sobre oxigenação cerebral, fluxo sanguíneo cerebral e metabolismo cerebral.

Abstract

O monitoramento neurofisiológico é um objetivo importante no tratamento de pacientes neurocríticos, pois pode prevenir danos secundários e impactar diretamente nas taxas de morbidade e mortalidade. No entanto, atualmente há uma falta de tecnologias adequadas e não invasivas em tempo real para a monitorização contínua da fisiologia cerebral à beira do leito. Técnicas ópticas difusas têm sido propostas como uma ferramenta potencial para medidas à beira do leito do fluxo sanguíneo cerebral e oxigenação cerebral em pacientes neurocríticos. Espectroscopias ópticas difusas têm sido previamente exploradas para monitorar pacientes em vários cenários clínicos, desde monitoramento neonatal até intervenções cerebrovasculares em adultos. No entanto, a viabilidade da técnica para ajudar os clínicos, fornecendo informações em tempo real à beira do leito, permanece em grande parte não abordada. Aqui, relatamos a tradução de um sistema óptico difuso para monitoramento contínuo em tempo real do fluxo sanguíneo cerebral, oxigenação cerebral e metabolismo do oxigênio cerebral durante terapia intensiva. O recurso em tempo real do instrumento poderia permitir estratégias de tratamento baseadas na fisiologia cerebral específica do paciente, em vez de depender de métricas substitutas, como a pressão arterial. Ao fornecer informações em tempo real sobre a circulação cerebral em diferentes escalas de tempo com instrumentação relativamente barata e portátil, essa abordagem pode ser especialmente útil em hospitais de baixo orçamento, em áreas remotas e para monitoramento em campos abertos (por exemplo, defesa e esportes).

Introduction

A maioria das complicações que levam a maus resultados em pacientes neurológicos gravemente enfermos está relacionada a lesões secundárias causadas por comprometimentos hemodinâmicos cerebrais. Portanto, o acompanhamento da fisiologia cerebral desses pacientes pode impactar diretamente nas taxas de morbidade e mortalidade 1,2,3,4,5,6,7. Atualmente, entretanto, não há uma ferramenta clínica estabelecida para a monitorização contínua e não invasiva em tempo real da fisiologia cerebral em pacientes neurocríticos à beira do leito. Entre os potenciais candidatos, técnicas ópticas difusas têm sido recentemente propostas como uma ferramenta promissora para preencher essa lacuna8,9,10,11. Medindo as mudanças lentas (isto é, da ordem de dezenas a centenas de ms) da luz infravermelha próxima difusivamente espalhada (~650-900 nm) do couro cabeludo, a espectroscopia óptica difusa (DOS) pode medir as concentrações dos principais cromóforos no cérebro, como oxi- (HbO) cerebral e desoxi-hemoglobina (HbR)^12,13. Além disso, é possível medir o fluxo sanguíneo cerebral (FSC) com espectroscopia de correlação difusa (DCS)10,14,15,16,17 quantificando as rápidas flutuações na intensidade da luz (isto é^, de alguns μs a poucos ms). Quando combinados, o DOS e o DCS também podem fornecer uma estimativa da taxa metabólica cerebral de oxigênio (CMRO₂)^18,19,20.

A combinação de DOS e DCS tem sido explorada para monitorar pacientes em vários cenários pré-clínicos e clínicos. Por exemplo, a óptica difusa tem demonstrado fornecer informações clínicas relevantes para neonatos criticamente enfermos 21,22,23,24, inclusive durante cirurgias cardíacas para tratamento de defeitos cardíacos 23,25,26,27,28 . Além disso, vários autores têm explorado o uso da óptica difusa para avaliar a hemodinâmica cerebral durante diferentes intervenções cerebrovasculares, como endarterectomia carotídea 29,30,31, tratamentos trombolíticos para acidente vascular cerebral 32, manipulações em cabeceira do leito 33,34,35, ressuscitação cardiopulmonar 36 e outros ^{37,38, 39º}. Quando a monitorização contínua da pressão arterial também está disponível, a óptica difusa pode ser usada para monitorar a autorregulação cerebral, tanto em indivíduos saudáveis quanto em pacientes críticos 11,40,41,42^, bem como para avaliar a pressão crítica de fechamento da circulação cerebral ⁴³. Vários autores validaram as medidas de FSC com DCS contra diferentes medidas de FSC padrão-ouro 18, enquanto a CMRO₂ medida com óptica difusa demonstrou ser um parâmetro útil para monitoramento neurocrítico 8,18,23,24,28,43,44,45 . Além disso, estudos prévios validaram os parâmetros hemodinâmicos cerebrais opticamente derivados para monitorização em longo prazo de pacientes neurocríticos 8,9,10,11, inclusive para a predição de eventos hipóxicos ^46,47,48 e isquêmicos 8.

A confiabilidade das técnicas ópticas difusas para fornecer informações valiosas em tempo real durante medições longitudinais, bem como durante intervenções clínicas, permanece em grande parte não abordada. O uso de um sistema DOS autônomo foi previamente comparado a monitores de tensão de oxigênio do tecido cerebral invasivo, e o DOS foi considerado como não tendo sensibilidade suficiente para substituir os monitores invasivos. No entanto, além de usar populações relativamente pequenas, a comparação direta entre monitores invasivos e não invasivos pode ser equivocada, pois cada técnica sonda volumes diferentes contendo diferentes partes da vasculatura cerebral. Embora esses estudos tenham concluído que a óptica difusa não substitui os monitores invasivos, em ambos os estudos o DOS alcançou acurácia de moderada a boa, o que pode ser suficiente para casos e/ou locais em que monitores invasivos não estão disponíveis.

Em relação a outras abordagens, a principal vantagem da óptica difusa é sua capacidade de medir simultaneamente o fluxo sanguíneo e a oxigenação sanguínea tecidual de forma não invasiva (e contínua) à beira do leito usando instrumentação portátil. Comparado ao Doppler transcraniano (DTC), o CDC tem uma vantagem adicional: mede a perfusão em nível tecidual, enquanto o DTC mede a velocidade do fluxo sanguíneo cerebral em grandes artérias na base do cérebro. Essa distinção pode ser particularmente importante na avaliação de doenças esteno-oclusivas nas quais tanto o fluxo proximal da grande artéria quanto as colaterais leptomeníngeas contribuem para a perfusão. As técnicas ópticas também apresentam vantagens quando comparadas a outras modalidades de imagem tradicionais, como a Tomografia por Emissão de Pósitrons (PET) e a Ressonância Magnética (RM). Além de fornecer simultaneamente medidas diretas das concentrações de FSC e HbO/HbR, o que não é possível apenas com RM ou PET, a monitorização óptica também fornece resolução temporal significativamente melhor, permitindo, por exemplo, a avaliação da auto-regulação dinâmica cerebral^40,41,42 e a avaliação de alterações hemodinâmicas evolutivas dinâmicas. Além disso, a instrumentação óptica difusa é barata e portátil em comparação com PET e RM, o que é uma vantagem crítica dada a alta carga de doença vascular em países de baixa e média renda.

O protocolo aqui proposto é um ambiente para neuromonitorização em tempo real à beira do leito de pacientes na unidade de terapia intensiva (UTI). O protocolo utiliza um dispositivo óptico híbrido juntamente com uma interface gráfica do usuário (GUI) de fácil acesso e sensores ópticos personalizados para sondar os pacientes (Figura 1). O sistema híbrido empregado para a apresentação deste protocolo combina duas espectroscopias ópticas difusas de módulos independentes: um módulo DOS no domínio da frequência comercial (FD-) e um módulo DCS caseiro (Figura 1A). O módulo FD-DOS^49,50 é composto por 4 tubos fotomultiplicadores (PMTs) e 32 diodos laser emitidos em quatro diferentes comprimentos de onda (690, 704^, 750 e ⁸⁵⁰ nm). O módulo DCS consiste em um laser de coerência longa emitindo a 785 nm, 16 contadores de fótons únicos como detectores e uma placa correlacionadora. A frequência de amostragem para o módulo FD-DOS é de 10 Hz, e a frequência máxima de amostragem para o módulo DCS é de 3 Hz. Para integrar os módulos FD-DOS e DCS, um microcontrolador foi programado dentro de nosso software de controle para alternar automaticamente entre cada módulo. O microcontrolador é responsável por ligar e desligar os lasers FD-DOS e DCS, bem como os detectores FD-DOS para permitir medições intercaladas de cada módulo. No total, o sistema proposto pode coletar uma amostra combinada de FD-DOS e DCS a cada 0,5 a 5s, dependendo dos requisitos da relação sinal-ruído (SNR) (tempos de coleta mais longos levam a uma melhor SNR). Para acoplar a luz à testa, desenvolvemos uma sonda óptica impressa em 3D que pode ser personalizada para cada paciente (Figura 1B), com separações fonte-detector variando entre 0,8 e 4,0 cm. As separações padrão-fonte-detector usadas nos exemplos apresentados aqui são 2,5 cm para DCS e 1,5, 2,0, 2,5 e 3,0 cm para FD-DOS.

A principal característica do protocolo apresentado neste estudo é o desenvolvimento de uma interface em tempo real que pode controlar o hardware com uma GUI amigável e exibir os principais parâmetros da fisiologia cerebral em tempo real sob diferentes janelas temporais (Figura 1C). O pipeline de análise em tempo real desenvolvido dentro da GUI proposta é rápido e leva menos de 50 ms para calcular os parâmetros ópticos (consulte o Material Suplementar para obter mais detalhes). O GUI foi inspirado nos instrumentos clínicos atuais já disponíveis na neuro-UTI, e foi adaptado através de extenso feedback dos usuários clínicos durante a tradução do sistema para a neuro-UTI. Consequentemente, a GUI em tempo real pode facilitar a adoção do sistema óptico pela equipe regular do hospital, como neurointensivistas e enfermeiros. A ampla adoção da óptica difusa como ferramenta de pesquisa clínica tem o potencial de melhorar sua capacidade de monitorar dados fisiologicamente significativos e, em última análise, pode demonstrar que a óptica difusa é uma boa opção para monitorar pacientes neurocríticos de forma não invasiva em tempo real.

Protocol

O protocolo foi aprovado pelo comitê local da Universidade Estadual de Campinas (protocolo número 56602516.2.0000.5404). Consentimento informado por escrito foi obtido do paciente ou de um representante legal antes das medidas. Foram acompanhados pacientes admitidos no Hospital das Clínicas da Universidade Estadual de Campinas com diagnóstico de acidente vascular cerebral isquêmico ou hemorragia subaracnóidea acometendo a circulação anterior. Pacientes com acidente vascular cerebral isquêmico afetando a circula?…

Representative Results

Idealmente, as curvas de autocorrelação normalizadas obtidas com o módulo DCS devem ser de aproximadamente 1,5 na extrapolação de tempo de atraso zero (quando se usa fibrasmonomodo14), e as curvas devem decair para 1 em tempos de atraso maiores. A curva deve ser suave e deve ter um decaimento mais rápido para as separações mais longas fonte-detector. Um exemplo de boa autocorrelação é mostrado na Figura 2A. A Figura 2B mostra u…

Discussion

Este trabalho apresentou um sistema óptico híbrido que pode fornecer informações em tempo real sobre o fluxo sanguíneo cerebral, oxigenação cerebral e metabolismo de oxigênio cerebral de pacientes neurocríticos ao lado. O uso de técnicas ópticas difusas já havia sido abordado anteriormente como um potencial marcador para monitoramento não invasivo à beira do leito em cenários clínicos. Um estudo anterior enfocou os aspectos clínicos e a viabilidade da monitorização óptica durante a internação na neu…

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