Sanntidsovervåking av nevrokritiske pasienter med diffuse optiske spektroskopi

Summary

Presentert her er en protokoll for ikke-invasiv overvåking av cerebral hemodynamikk hos nevrokritiske pasienter i sanntid og ved sengen ved hjelp av diffus optikk. Spesielt bruker den foreslåtte protokollen et hybrid diffust optisk system for å oppdage og vise sanntidsinformasjon om cerebral oksygenering, cerebral blodstrøm og cerebral metabolisme.

Abstract

Nevrofysiologisk overvåking er et viktig mål i behandlingen av nevrokritiske pasienter, da det kan forhindre sekundær skade og direkte påvirke sykelighet og dødelighet. Imidlertid mangler det for tiden egnede, ikke-invasive, sanntidsteknologier for kontinuerlig overvåking av cerebral fysiologi ved sengen. Diffuse optiske teknikker har blitt foreslått som et potensielt verktøy for sengemålinger av cerebral blodstrøm og cerebral oksygenering hos nevrokritiske pasienter. Diffuse optiske spektroskopi har tidligere blitt undersøkt for å overvåke pasienter i flere kliniske scenarier som spenner fra neonatal overvåking til cerebrovaskulær intervensjon hos voksne. Imidlertid er muligheten for teknikken for å hjelpe klinikere ved å gi sanntidsinformasjon ved sengen stort sett uadressert. Her rapporterer vi oversettelsen av et diffust optisk system for kontinuerlig sanntidsovervåking av cerebral blodstrøm, cerebral oksygenering og cerebral oksygenmetabolisme under intensivbehandling. Sanntidsfunksjonen til instrumentet kan muliggjøre behandlingsstrategier basert på pasientspesifikk cerebral fysiologi i stedet for å stole på surrogatmålinger, for eksempel arterielt blodtrykk. Ved å gi sanntidsinformasjon om hjernens sirkulasjon på forskjellige tidsskalaer med relativt billig og bærbar instrumentering, kan denne tilnærmingen være spesielt nyttig i lavbudsjettsykehus, i avsidesliggende områder og for overvåking i åpne felt (f.eks. Forsvar og sport).

Introduction

De fleste komplikasjonene som fører til dårlige resultater for kritisk syke nevrologiske pasienter, er relatert til sekundære skader forårsaket av cerebrale hemodynamiske funksjonsnedsettelser. Derfor kan overvåking av cerebral fysiologi hos disse pasientene direkte påvirke sykelighet og dødelighet 1,2,3,4,5,6,7. For tiden er det imidlertid ikke noe etablert klinisk verktøy for kontinuerlig ikke-invasiv sanntidsovervåking av cerebral fysiologi hos nevrokritiske pasienter ved sengen. Blant de potensielle kandidatene har diffuse optiske teknikker nylig blitt foreslått som et lovende verktøy for å fylle ut dette gapet 8,9,10,11. Ved å måle de langsomme endringene (dvs. i størrelsesorden titalls til hundrevis av ms) av det diffusivt spredte nær-infrarøde lyset (~ 650-900 nm) fra hodebunnen, kan diffus optisk spektroskopi (DOS) måle konsentrasjoner av de viktigste kromoforene i hjernen, som cerebral oksy- (HbO) og deoksyhemoglobin (HbR) ^12,13. I tillegg er det mulig å måle cerebral blodstrøm (CBF) med diffus korrelasjonsspektroskopi (DCS) 10,14,15,16,17 ved å kvantifisere de raske svingningene i lysintensitet (dvs. fra noen få μs til noen få ms). Når de kombineres, kan DOS og DCS også gi et estimat av den cerebrale metabolske oksygenhastigheten (CMRO₂)^18,19,20.

Kombinasjonen av DOS og DCS har blitt utforsket for å overvåke pasienter i flere prekliniske og kliniske scenarier. For eksempel har diffus optikk vist seg å gi relevant klinisk informasjon for kritisk syke nyfødte 21,22,23,24, inkludert under hjerteoperasjoner for å behandle hjertefeil 23,25,26,27,28 . I tillegg har flere forfattere undersøkt bruken av diffus optikk for å vurdere cerebral hemodynamikk under forskjellige cerebrovaskulære inngrep, for eksempel endarterektomi 29,30,31, trombolytiske behandlinger for hjerneslag 32, manipulasjoner i sengen 33,34,35, hjerte-lungeredning 36 og andre ^{37,38, 39}. Når kontinuerlig blodtrykksovervåking også er tilgjengelig, kan diffus optikk brukes til å overvåke cerebral autoregulering, både hos friske og kritisk syke personer 11,40,41,42^, samt for å vurdere det kritiske lukketrykket i cerebral sirkulasjon ⁴³. Flere forfattere har validert CBF-målinger med DCS mot ulike gullstandard CBF-mål 18, mens CMRO₂ målt med diffus optikk har vist seg å være en nyttig parameter for nevrokritisk overvåking 8,18,23,24,28,43,44,45 . I tillegg har tidligere studier validert de optisk avledede cerebrale hemodynamiske parametrene for langsiktig overvåking av nevrokritiske pasienter 8,9,10,11, inkludert for prediksjon av hypoksiske ^46,47,48 og iskemiske hendelser 8.

Påliteligheten til de diffuse optiske teknikkene for å gi verdifull sanntidsinformasjon under longitudinelle målinger så vel som under kliniske inngrep forblir stort sett uadressert. Bruken av et frittstående DOS-system ble tidligere sammenlignet med invasive oksygenspenningsmonitorer i hjernevev, og DOS ble vurdert å ikke ha tilstrekkelig sensibilitet til å erstatte de invasive monitorene. Imidlertid, bortsett fra å bruke relativt små populasjoner, kan den direkte sammenligningen av de invasive og ikke-invasive monitorene være misvisende, da hver teknikk undersøker forskjellige volumer som inneholder forskjellige deler av hjernevaskulaturen. Selv om disse studiene til slutt konkluderte med at diffus optikk ikke er en erstatning for de invasive monitorene, oppnådde DOS i begge studiene en moderat til god nøyaktighet, noe som kan være tilstrekkelig for tilfeller og / eller steder der invasive skjermer ikke er tilgjengelige.

I forhold til andre tilnærminger er den viktigste fordelen med diffus optikk dens evne til samtidig å måle blodstrøm og oksygenering av vevsblod ikke-invasivt (og kontinuerlig) ved sengen ved hjelp av bærbar instrumentering. Sammenlignet med transkranial doppler-ultralyd (TCD) har DCS en ekstra fordel: den måler perfusjon på vevsnivå, mens TCD måler cerebral blodstrømningshastighet i store arterier ved hjernebunnen. Dette skillet kan være spesielt viktig ved vurdering av steno-okklusive sykdommer der både proksimal stor arteriestrøm og leptomeningeale kollateraler bidrar til perfusjon. Optiske teknikker har også fordeler sammenlignet med andre tradisjonelle bildebehandlingsmodaliteter, som Positron-Emission Tomography (PET) og Magnetic Resonance Imaging (MRI). I tillegg til samtidig å gi direkte målinger av både CBF- og HbO/HbR-konsentrasjoner, noe som ikke er mulig med MR eller PET alene, gir optisk overvåking også betydelig bedre tidsmessig oppløsning, noe som for eksempel tillater vurdering av dynamisk cerebral autoregulering^40,41,42 og vurderingen dynamisk utviklende hemodynamiske endringer. Videre er diffus optisk instrumentering billig og bærbar i forhold til PET og MR, noe som er en kritisk fordel gitt den høye byrden av vaskulær sykdom i lavere og mellominntektsland.

Protokollen som foreslås her er et miljø for sanntids nevromonitorering av pasienter ved intensivavdelingen (ICU). Protokollen bruker en hybrid optisk enhet sammen med et klinisk vennlig grafisk brukergrensesnitt (GUI) og tilpassede optiske sensorer for å undersøke pasientene (figur 1). Hybridsystemet som brukes til å vise frem denne protokollen, kombinerer to diffuse optiske spektrokopier fra uavhengige moduler: en kommersiell frekvensdomene (FD-) DOS-modul og en hjemmelaget DCS-modul (figur 1A). FD-DOS-modulen^49,50 består av 4 fotomultiplikatorrør (PMT) og 32 laserdioder som sender ut ved fire forskjellige bølgelengder (690, 704^, 750 og ⁸⁵⁰ nm). DCS-modulen består av en langkoherenslaser som emitterer ved 785 nm, 16 enfoton tellere som detektorer og et korrelatorkort. Samplingsfrekvensen for FD-DOS-modulen er 10 Hz, og maksimal samplingsfrekvens for DCS-modulen er 3 Hz. For å integrere FD-DOS- og DCS-modulene ble en mikrokontroller programmert inne i kontrollprogramvaren vår til automatisk å bytte mellom hver modul. Mikrokontrolleren er ansvarlig for å slå FD-DOS- og DCS-laserne av og på, samt FD-DOS-detektorene for å tillate sammenflettede målinger av hver modul. Totalt kan det foreslåtte systemet samle en kombinert FD-DOS- og DCS-prøve hver 0,5 til 5, avhengig av kravene til signal-støy-forhold (SNR) (lengre innsamlingstider fører til bedre SNR). For å koble lyset til pannen utviklet vi en 3D-printet optisk sonde som kan tilpasses hver pasient (figur 1B), med kildedetektorseparasjoner som varierer mellom 0,8 og 4,0 cm. Standard kildedetektorseparasjoner som brukes i eksemplene som presenteres her, er 2,5 cm for DCS og 1,5, 2,0, 2,5 og 3,0 cm for FD-DOS.

Hovedfunksjonen i protokollen som presenteres i denne studien er utviklingen av et sanntidsgrensesnitt som både kan styre maskinvaren med en vennlig GUI og vise de viktigste cerebrale fysiologiparametrene i sanntid under forskjellige temporale vinduer (figur 1C). Rørledningen for sanntidsanalyse som er utviklet i det foreslåtte GUI-et, er rask og tar mindre enn 50 ms å beregne de optiske parametrene (se tilleggsmaterialet for mer informasjon). GUI ble inspirert av dagens kliniske instrumenter som allerede var tilgjengelige på nevro-ICU, og det ble tilpasset gjennom omfattende tilbakemeldinger fra kliniske brukere under oversettelsen av systemet til nevro-ICU. Følgelig kan sanntids GUI lette adopsjonen av det optiske systemet av vanlig sykehuspersonale, for eksempel nevrointensivister og sykepleiere. Den brede adopsjonen av diffus optikk som et klinisk forskningsverktøy har potensial til å forbedre evnen til å overvåke fysiologisk meningsfulle data og kan til slutt demonstrere at diffus optikk er et godt alternativ for ikke-invasiv overvåking av nevrokritiske pasienter i sanntid.

Protocol

Protokollen ble godkjent av den lokale komiteen ved Universitetet i Campinas (protokollnummer 56602516.2.0000.5404). Det ble innhentet skriftlig informert samtykke fra pasienten eller en juridisk representant i forkant av målingene. Vi overvåket pasienter som ble innlagt på klinikksykehuset ved Universitetet i Campinas med diagnosen enten iskemisk hjerneslag eller subaraknoidalblødning som påvirket den fremre sirkulasjonen. Pasienter med iskemisk hjerneslag som påvirker bakre sirkulasjon, pasienter med dekompresjon…

Representative Results

Ideelt sett bør de normaliserte autokorrelasjonskurvene oppnådd med DCS-modulen være ca. 1,5 ved nullforsinkelsestidekstrapolering (ved bruk av enkeltmodusfibre14), og kurvene skal forfalle til 1 ved lengre forsinkelsestider. Kurven skal være jevn, og den skal ha et raskere forfall for de lengre kildedetektorseparasjonene. Et eksempel på en god autokorrelasjon er vist i figur 2A. Figur 2B viser et eksempel på en dårlig autokorrelas…

Discussion

Denne artikkelen presenterte et hybrid optisk system som kan gi sanntidsinformasjon om cerebral blodstrøm, cerebral oksygenering og cerebral oksygenmetabolisme hos nevrokritiske pasienter ved siden av. Bruk av diffuse optiske teknikker hadde tidligere blitt adressert som en potensiell markør for ikke-invasiv overvåking ved sengen i kliniske scenarier. En tidligere studie fokuserte på de kliniske aspektene og gjennomførbarheten av optisk overvåking under sykehusinnleggelse på nevrointensivavdelingen gjennom en kasu…

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