Realtidsövervakning av neurokritiska patienter med diffusa optiska spektroskopier

Summary

Här presenteras ett protokoll för icke-invasiv övervakning av cerebral hemodynamik hos neurokritiska patienter i realtid och vid sängen med diffus optik. Specifikt använder det föreslagna protokollet ett hybriddiffust optiskt system för att detektera och visa realtidsinformation om cerebral syresättning, cerebralt blodflöde och cerebral metabolism.

Abstract

Neurofysiologisk övervakning är ett viktigt mål vid behandling av neurokritiska patienter, eftersom det kan förhindra sekundära skador och direkt påverka sjuklighet och dödlighet. Det saknas dock för närvarande lämpliga icke-invasiva realtidstekniker för kontinuerlig övervakning av cerebral fysiologi vid sängen. Diffusa optiska tekniker har föreslagits som ett potentiellt verktyg för sängmätningar av cerebralt blodflöde och cerebral syresättning vid neurokritiska patienter. Diffusa optiska spektroskopier har tidigare undersökts för att övervaka patienter i flera kliniska scenarier, allt från neonatal övervakning till cerebrovaskulära ingrepp hos vuxna. Teknikens genomförbarhet för att hjälpa kliniker genom att tillhandahålla realtidsinformation vid sängen är dock fortfarande i stort sett oadresserad. Här rapporterar vi översättningen av ett diffust optiskt system för kontinuerlig realtidsövervakning av cerebralt blodflöde, cerebral syresättning och cerebral syremetabolism under intensivvård. Instrumentets realtidsfunktion kan möjliggöra behandlingsstrategier baserade på patientspecifik cerebral fysiologi snarare än att förlita sig på surrogatmått, såsom arteriellt blodtryck. Genom att tillhandahålla realtidsinformation om hjärncirkulationen vid olika tidsskalor med relativt billig och bärbar instrumentering kan detta tillvägagångssätt vara särskilt användbart på lågbudgetsjukhus, i avlägsna områden och för övervakning i öppna fält (t.ex. försvar och sport).

Introduction

De flesta komplikationer som leder till dåliga resultat för kritiskt sjuka neurologiska patienter är relaterade till sekundära skador orsakade av cerebrala hemodynamiska funktionsnedsättningar. Därför kan övervakning av hjärnfysiologin hos dessa patienter direkt påverka sjuklighet och dödlighet 1,2,3,4,5,6,7. För närvarande finns det dock inget etablerat kliniskt verktyg för kontinuerlig icke-invasiv övervakning i realtid av cerebral fysiologi hos neurokritiska patienter vid sängen. Bland de potentiella kandidaterna har diffusa optiska tekniker nyligen föreslagits som ett lovande verktyg för att fylla i detta gap 8,9,10,11. Genom att mäta de långsamma förändringarna (dvs i storleksordningen tiotals till hundratals ms) av det diffust spridda nära infraröda ljuset (~ 650-900 nm) från hårbotten kan diffus optisk spektroskopi (DOS) mäta koncentrationer av de viktigaste kromoforerna i hjärnan, såsom cerebral oxi- (HbO) och deoxihemoglobin (HbR)^12,13. Dessutom är det möjligt att mäta cerebralt blodflöde (CBF) med diffus korrelationsspektroskopi (DCS) 10,14,15,16,17 genom att kvantifiera de snabba fluktuationerna i ljusintensitet (dvs från några μs till några ms). När de kombineras kan DOS och DCS också ge en uppskattning av den cerebrala metaboliska syrehastigheten (CMRO₂)^18,19,20.

Kombinationen av DOS och DCS har undersökts för att övervaka patienter i flera prekliniska och kliniska scenarier. Till exempel har diffus optik visat sig ge relevant klinisk information för kritiskt sjuka nyfödda 21,22,23,24, inklusive under hjärtoperationer för att behandla hjärtfel 23,25,26,27,28 . Dessutom har flera författare undersökt användningen av diffus optik för att bedöma cerebral hemodynamik under olika cerebrovaskulära ingrepp, såsom carotid endarterektomi 29,30,31, trombolytiska behandlingar för stroke 32, sängmanipulationer 33,34,35, hjärt-lungräddning 36 och andra ^{37,38, 39}. När kontinuerlig blodtrycksövervakning också är tillgänglig kan diffus optik användas för att övervaka cerebral autoreglering, både hos friska och kritiskt sjuka personer 11,40,41,42^, samt för att bedöma det kritiska stängningstrycket i hjärncirkulationen ⁴³. Flera författare har validerat CBF-mätningar med DCS mot olika guldstandard CBF-mått 18, medan CMRO₂ mätt med diffus optik har visat sig vara en användbar parameter för neurokritisk övervakning 8,18,23,24,28,43,44,45 . Dessutom har tidigare studier validerat de optiskt härledda cerebrala hemodynamiska parametrarna för långtidsövervakning av neurokritiska patienter 8,9,10,11, inklusive för prediktion av hypoxisk ^46,47,48 och ischemisk händelse 8.

Tillförlitligheten hos de diffusa optiska teknikerna för att ge värdefull realtidsinformation under longitudinella mätningar såväl som under kliniska ingrepp är fortfarande till stor del obehandlad. Användningen av ett fristående DOS-system jämfördes tidigare med invasiva syrespänningsmonitorer i hjärnvävnad, och DOS ansågs inte ha tillräcklig känslighet för att ersätta de invasiva monitorerna. Men förutom att använda relativt små populationer kan den direkta jämförelsen av de invasiva och icke-invasiva monitorerna vara missriktad eftersom varje teknik undersöker olika volymer som innehåller olika delar av cerebral vaskulatur. Även om dessa studier slutligen drog slutsatsen att diffus optik inte är en ersättning för de invasiva monitorerna, uppnådde DOS i båda studierna en måttlig till god noggrannhet, vilket kan vara tillräckligt för fall och / eller platser där invasiva monitorer inte är tillgängliga.

I förhållande till andra metoder är den viktigaste fördelen med diffus optik dess förmåga att samtidigt mäta blodflöde och vävnadsblodets syresättning icke-invasivt (och kontinuerligt) vid sängen med bärbar instrumentering. Jämfört med transkraniell dopplerultraljud (TCD) har DCS ytterligare en fördel: den mäter perfusion på vävnadsnivå, medan TCD mäter cerebral blodflödeshastighet i stora artärer vid hjärnans bas. Denna distinktion kan vara särskilt viktig vid utvärdering av stenoocklusiva sjukdomar där både proximalt stort artärflöde och leptomeningeala kollateraler bidrar till perfusion. Optiska tekniker har också fördelar jämfört med andra traditionella avbildningsmetoder, såsom positronemissionstomografi (PET) och magnetisk resonanstomografi (MRT). Förutom att samtidigt ge direkta mätningar av både CBF- och HbO/HbR-koncentrationer, vilket inte är möjligt med enbart MR eller PET, ger optisk övervakning också signifikant bättre tidsupplösning, vilket till exempel möjliggör bedömning av dynamisk cerebral autoreglering^40,41,42 och bedömningen dynamiskt utvecklande hemodynamiska förändringar. Dessutom är diffus optisk instrumentering billig och bärbar jämfört med PET och MR, vilket är en kritisk fördel med tanke på den höga bördan av kärlsjukdomar i låg- och medelinkomstländer.

Protokollet som föreslås här är en miljö för realtidsneuromonitorering av patienter på intensivvårdsavdelningen (ICU). Protokollet använder en hybrid optisk enhet tillsammans med ett kliniskt vänligt grafiskt användargränssnitt (GUI) och anpassade optiska sensorer för att undersöka patienterna (figur 1). Hybridsystemet som används för att visa upp detta protokoll kombinerar två diffusa optiska spektroskopier från oberoende moduler: en kommersiell frekvensdomän (FD-) DOS-modul och en hemmagjord DCS-modul (figur 1A). FD-DOS-modulen^49,50 består av 4 fotomultiplikatorrör (PMT) och 32 laserdioder som emitterar vid fyra olika våglängder (690, 704^, 750 och ⁸⁵⁰ nm). DCS-modulen består av en långkoherenslaser som emitterar vid 785 nm, 16 enfotonräknare som detektorer och ett korrelatorkort. Samplingsfrekvensen för FD-DOS-modulen är 10 Hz och den maximala samplingsfrekvensen för DCS-modulen är 3 Hz. För att integrera FD-DOS- och DCS-modulerna programmerades en mikrokontroller inuti vår styrprogramvara för att automatiskt växla mellan varje modul. Mikrokontrollern är ansvarig för att slå på och stänga av FD-DOS- och DCS-lasrarna, liksom FD-DOS-detektorerna för att möjliggöra interfolierade mätningar av varje modul. Totalt kan det föreslagna systemet samla in ett kombinerat FD-DOS- och DCS-prov var 0,5 till 5:e sekund, beroende på kraven på signal-brusförhållande (SNR) (längre insamlingstider leder till bättre SNR). För att koppla ljuset till pannan utvecklade vi en 3D-printad optisk sond som kan anpassas för varje patient (Figur 1B), med källdetektorseparationer som varierar mellan 0,8 och 4,0 cm. Standardseparationerna mellan källa och detektor som används i exemplen som presenteras här är 2,5 cm för DCS och 1,5, 2,0, 2,5 och 3,0 cm för FD-DOS.

Huvuddragen i protokollet som presenteras i denna studie är utvecklingen av ett realtidsgränssnitt som både kan styra hårdvaran med ett vänligt GUI och visa de viktigaste cerebrala fysiologiparametrarna i realtid under olika temporala fönster (Figur 1C). Realtidsanalysrörledningen som utvecklats inom det föreslagna grafiska användargränssnittet är snabb och tar mindre än 50 ms att beräkna de optiska parametrarna (se tilläggsmaterialet för mer information). GUI inspirerades av nuvarande kliniska instrument som redan finns tillgängliga på neuro-ICU, och det anpassades genom omfattande feedback från kliniska användare under översättningen av systemet till neuro-ICU. Följaktligen kan realtidsgränssnittet underlätta antagandet av det optiska systemet av vanlig sjukhuspersonal, såsom neurointensivister och sjuksköterskor. Den breda användningen av diffus optik som ett kliniskt forskningsverktyg har potential att förbättra dess förmåga att övervaka fysiologiskt meningsfulla data och kan i slutändan visa att diffus optik är ett bra alternativ för icke-invasiv övervakning av neurokritiska patienter i realtid.

Protocol

Protokollet godkändes av den lokala kommittén vid University of Campinas (protokollnummer 56602516.2.0000.5404). Skriftligt informerat samtycke erhölls från patienten eller en juridisk företrädare före mätningarna. Vi övervakade patienter som togs in på kliniksjukhuset vid University of Campinas med diagnosen antingen ischemisk stroke eller en subaraknoidalblödning som påverkar den främre cirkulationen. Patienter med ischemisk stroke som påverkar den bakre cirkulationen, patienter med dekompressiva kraniekt…

Representative Results

Helst bör de normaliserade autokorrelationskurvorna erhållna med DCS-modulen vara ungefär 1,5 vid nollfördröjningstidsextrapolering (vid användning av single-mode-fibrer14), och kurvorna bör sönderfalla till 1 vid längre fördröjningstider. Kurvan ska vara jämn, och den ska ha ett snabbare sönderfall för de längre källdetektorseparationerna. Ett exempel på en bra autokorrelation visas i figur 2A. Figur 2B visar ett exempel…

Discussion

Detta dokument presenterade ett hybridoptiskt system som kan ge realtidsinformation om cerebralt blodflöde, cerebral syresättning och cerebral syremetabolism hos neurokritiska patienter bredvid. Användningen av diffusa optiska tekniker hade tidigare behandlats som en potentiell markör för icke-invasiv övervakning vid sängen i kliniska scenarier. En tidigare studie fokuserade på de kliniska aspekterna och genomförbarheten av optisk övervakning under sjukhusvistelse på neuro-ICU genom en fallrapport<sup class="x…

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