ניטור בזמן אמת של חולים נוירוקריטיים באמצעות ספקטרוסקופיה אופטית מפוזרת

Summary

מוצג כאן פרוטוקול לניטור לא פולשני של המודינמיקה מוחית של חולים נוירוקריטיים בזמן אמת וליד המיטה באמצעות אופטיקה מפוזרת. באופן ספציפי, הפרוטוקול המוצע משתמש במערכות אופטיות היברידיות מפוזרות כדי לזהות ולהציג מידע בזמן אמת על חמצון מוחי, זרימת דם מוחית ומטבוליזם מוחי.

Abstract

ניטור נוירופיזיולוגי הוא מטרה חשובה בטיפול בחולים נוירוקריטיים, שכן הוא עשוי למנוע נזק משני ולהשפיע ישירות על שיעורי התחלואה והתמותה. עם זאת, כיום חסרות טכנולוגיות מתאימות לא פולשניות בזמן אמת לניטור רציף של הפיזיולוגיה המוחית ליד המיטה. טכניקות אופטיות מפוזרות הוצעו ככלי פוטנציאלי למדידות ליד המיטה של זרימת דם מוחית וחמצון מוחי במקרה של חולים נוירוקריטיים. ספקטרוסקופיה אופטית מפוזרת נחקרה בעבר כדי לנטר חולים במספר תרחישים קליניים, החל מניטור יילודים ועד התערבויות מוחיות במבוגרים. עם זאת, ההיתכנות של הטכניקה לסייע לקלינאים על ידי מתן מידע בזמן אמת ליד המיטה נותרה במידה רבה ללא מענה. כאן, אנו מדווחים על תרגום של מערכת אופטית מפוזרת לניטור רציף בזמן אמת של זרימת הדם המוחית, חמצון מוחי ומטבוליזם חמצן מוחי במהלך טיפול נמרץ. התכונה בזמן אמת של המכשיר יכולה לאפשר אסטרטגיות טיפול המבוססות על פיזיולוגיה מוחית ספציפית למטופל במקום להסתמך על מדדים חלופיים, כגון לחץ דם עורקי. על ידי מתן מידע בזמן אמת על מחזור הדם המוחי בסקאלות זמן שונות עם מכשור זול ונייד יחסית, גישה זו עשויה להיות שימושית במיוחד בבתי חולים דלי תקציב, באזורים מרוחקים ולניטור בשטחים פתוחים (למשל, ביטחון וספורט).

Introduction

רוב הסיבוכים המובילים לתוצאות גרועות עבור חולים נוירולוגיים במצב קריטי קשורים לפגיעות משניות הנגרמות על ידי ליקויים המודינמיים מוחיים. לכן, מעקב אחר הפיזיולוגיה המוחית של חולים אלה עשוי להשפיע ישירות על שיעורי התחלואה והתמותה 1,2,3,4,5,6,7. כיום, עם זאת, אין כלי קליני מבוסס לניטור רציף ולא פולשני בזמן אמת של פיזיולוגיה מוחית בחולים נוירוקריטיים ליד המיטה. בין המועמדים הפוטנציאליים, טכניקות אופטיות מפוזרות הוצעו לאחרונה ככלי מבטיח למלא את הפער הזה 8,9,10,11. על ידי מדידת השינויים האיטיים (כלומר, בסדר גודל של עשרות עד מאות מילישניות) של האור התת-אדום הקרוב המפוזר באופן דיפוזי (~650-900 ננומטר) מהקרקפת, ספקטרוסקופיה אופטית מפוזרת (DOS) יכולה למדוד ריכוזים של הכרומופורים העיקריים במוח, כגון אוקסי מוחי (HbO) והמוגלובין דאוקסי (HbR)^12,13. בנוסף, ניתן למדוד את זרימת הדם במוח (CBF) באמצעות ספקטרוסקופיית מתאם דיפוזי (DCS)10,14,15,16,17 על ידי כימות התנודות המהירות בעוצמת האור (כלומר^, מכמה μs לכמה מילישניות). בשילוב, DOS ו-DCS יכולים גם לספק הערכה של קצב חילוף החומרים המוחי של חמצן (CMRO₂)^18,19,20.

השילוב של DOS ו-DCS נחקר כדי לעקוב אחר מטופלים במספר תרחישים פרה-קליניים וקליניים. לדוגמה, אופטיקה מפוזרת הוכחה כמספקת מידע קליני רלוונטי ליילודים חולים קריטיים 21,22,23,24, כולל במהלך ניתוחי לב לטיפול במומי לב 23,25,26,27,28 . בנוסף, מספר מחברים בחנו את השימוש באופטיקה מפושטת להערכת המודינמיקה מוחית במהלך התערבויות שונות במוח, כגון כריתת קרוטיד 29,30,31, טיפולים טרומבוליטיים לשבץ^{מוחי 32}, מניפולציות ראש המיטה 33,34,35, החייאה לב-ריאה 36, ואחרים^{37,38, 39}. כאשר ניטור לחץ דם רציף זמין גם כן, אופטיקה מפוזרת יכולה לשמש לניטור ויסות עצמי מוחי, הן בנבדקים בריאים והן בחולים קריטיים 11,40,41,42^, כמו גם כדי להעריך את לחץ הסגירה הקריטי של מחזור הדם המוחי ⁴³. מספר מחברים אימתו מדידות CBF עם DCS כנגד מדדי CBF שונים בתקן זהב 18, בעוד CMRO₂ שנמדד באופטיקה מפוזרת הוכח כפרמטר שימושי לניטור נוירוקריטי 8,18,23,24,28,43,44,45 . בנוסף, מחקרים קודמים אימתו את הפרמטרים המודינמיים המודינמיים המוברליים הנגזרים אופטית לניטור ארוך טווח של חולים נוירוקריטיים 8,9,10,11, כולל עבור ניבוי של היפוקסי ^46,47,48 ואירועים איסכמיים 8.

האמינות של הטכניקות האופטיות המפוזרות לספק מידע רב ערך בזמן אמת במהלך מדידות אורך, כמו גם במהלך התערבויות קליניות, נותרה במידה רבה ללא התייחסות. השימוש במערכת DOS עצמאית הושווה בעבר לניטור מתח חמצן פולשני ברקמת המוח, ונקבע כי ל-DOS אין רגישות מספקת להחליף את המוניטורים הפולשניים. עם זאת, מלבד שימוש באוכלוסיות קטנות יחסית, ההשוואה הישירה בין המוניטורים הפולשניים והלא פולשניים עלולה להיות מוטעית מכיוון שכל טכניקה בודקת נפחים שונים המכילים חלקים שונים של כלי הדם במוח. למרות שמחקרים אלה הגיעו בסופו של דבר למסקנה כי אופטיקה מפוזרת אינה תחליף למוניטורים הפולשניים, בשני המחקרים DOS השיג דיוק בינוני עד טוב, אשר עשוי להספיק למקרים ו / או מקומות שבהם מוניטורים פולשניים אינם זמינים.

יחסית לגישות אחרות, היתרון המרכזי של אופטיקה מפוזרת הוא יכולתה למדוד בו זמנית את זרימת הדם ואת חמצון הדם של רקמות באופן לא פולשני (ורציף) ליד המיטה באמצעות מכשור נייד. בהשוואה לאולטרסאונד דופלר טרנס-גולגולתי (TCD), ל-DCS יש יתרון נוסף: הוא מודד זילוח ברמת הרקמה, ואילו TCD מודד את מהירות זרימת הדם במוח בעורקים גדולים בבסיס המוח. הבחנה זו עשויה להיות חשובה במיוחד בעת הערכת מחלות סטנו-חסימתיות שבהן הן זרימת עורק גדול פרוקסימלי והן בטחונות לפטומנינגיאליים תורמים לזילוח. לטכניקות אופטיות יש גם יתרונות בהשוואה לשיטות הדמיה מסורתיות אחרות, כגון טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים (PET) והדמיית תהודה מגנטית (MRI). בנוסף למתן מדדים ישירים בו זמנית של ריכוזי CBF ו- HbO/HbR, דבר שאינו אפשרי עם MRI או PET בלבד, ניטור אופטי מספק גם רזולוציה טמפורלית טובה יותר באופן משמעותי, ומאפשר, למשל, הערכה של ויסות עצמי מוחי דינמי^40,41,42 והערכה של שינויים המודינמיים המתפתחים באופן דינמי. יתר על כן, מכשור אופטי מפוזר הוא זול ונייד בהשוואה ל- PET ו- MRI, המהווה יתרון קריטי בהתחשב בנטל הגבוה של מחלות כלי דם במדינות בעלות הכנסה נמוכה ובינונית.

הפרוטוקול המוצע כאן הוא סביבה לניטור עצבי בזמן אמת ליד המיטה של חולים ביחידה לטיפול נמרץ (ICU). הפרוטוקול משתמש במכשיר אופטי היברידי יחד עם ממשק משתמש גרפי ידידותי קלינית (GUI) וחיישנים אופטיים מותאמים אישית כדי לחקור את החולים (איור 1). המערכת ההיברידית המשמשת להצגת פרוטוקול זה משלבת שתי ספקטרוסקופיות אופטיות מפוזרות ממודולים עצמאיים: מודול DOS מסחרי בתחום התדרים (FD-) ומודול DCS תוצרת בית (איור 1A). מודול FD-DOS^49,50 מורכב מ-4 שפופרות מכפיל אור (PMTs) ו-32 דיודות לייזר הפולטות בארבעה אורכי גל שונים (690, 704^, 750 ו-850 ננומטר). מודול DCS מורכב מלייזר בעל קוהרנטיות ארוכה הנפלט במהירות של 785 ננומטר, 16 מוני פוטון יחיד כגלאים ולוח קורלטור. תדר הדגימה של מודול FD-DOS הוא 10 הרץ, ותדר הדגימה המרבי של מודול DCS הוא 3 הרץ. כדי לשלב את מודולי FD-DOS ו-DCS, מיקרו-בקר תוכנת בתוך תוכנת הבקרה שלנו לעבור אוטומטית בין כל מודול. המיקרו-בקר אחראי על הפעלה וכיבוי של לייזרים מסוג FD-DOS ו-DCS, כמו גם על גלאי FD-DOS כדי לאפשר מדידות משולבות של כל מודול. בסך הכל, המערכת המוצעת יכולה לאסוף דגימת FD-DOS ו-DCS משולבת אחת כל 0.5 עד 5 שניות, בהתאם לדרישות יחס אות לרעש (SNR) (זמני איסוף ארוכים יותר מובילים ל-SNR טוב יותר). כדי להתאים את האור למצח, פיתחנו בדיקה אופטית מודפסת בתלת-ממד שניתן להתאים אישית לכל מטופל (איור 1B), עם הפרדות בין גלאי מקור הנעות בין 0.8 ל-4.0 ס”מ. הפרדות גלאי המקור הסטנדרטיות המשמשות בדוגמאות המוצגות כאן הן 2.5 ס”מ עבור DCS ו- 1.5, 2.0, 2.5 ו- 3.0 ס”מ עבור FD-DOS.

המאפיין העיקרי של הפרוטוקול שהוצג במחקר זה הוא פיתוח ממשק בזמן אמת שיכול גם לשלוט בחומרה באמצעות ממשק משתמש גרפי ידידותי וגם להציג את הפרמטרים העיקריים של פיזיולוגיה מוחית בזמן אמת תחת חלונות זמן שונים (איור 1C). צינור הניתוח בזמן אמת שפותח במסגרת ממשק המשתמש הגרפי המוצע הוא מהיר ולוקח פחות מ- 50ms לחשב את הפרמטרים האופטיים (עיין בחומר המשלים לפרטים נוספים). ממשק המשתמש הגרפי קיבל השראה מהמכשירים הקליניים הנוכחיים שכבר זמינים ביחידה לטיפול נמרץ נוירולוגי, והוא הותאם באמצעות משוב נרחב על ידי משתמשים קליניים במהלך תרגום המערכת לנוירו-טיפול נמרץ. כתוצאה מכך, ממשק המשתמש הגרפי בזמן אמת יכול להקל על אימוץ המערכת האופטית על ידי צוות בית החולים הרגיל, כגון נוירואינטנציביסטים ואחיות. לאימוץ הרחב של אופטיקה מפוזרת ככלי מחקר קליני יש פוטנציאל לשפר את יכולתה לנטר נתונים בעלי משמעות פיזיולוגית ובסופו של דבר יכול להוכיח כי אופטיקה מפוזרת היא אפשרות טובה לניטור לא פולשני של חולים נוירוקריטיים בזמן אמת.

Protocol

הפרוטוקול אושר על ידי הוועדה המקומית של אוניברסיטת קמפינאס (פרוטוקול מספר 56602516.2.0000.5404). הסכמה מדעת בכתב התקבלה מהמטופל או מנציג משפטי לפני המדידות. עקבנו אחר חולים שאושפזו בבית החולים למרפאות באוניברסיטת קמפינאס עם אבחנה של שבץ איסכמי או דימום תת-עכבישי המשפיע על מחזור הדם הקדמי. חולים עם …

Representative Results

באופן אידיאלי, עקומות המתאם האוטומטי המנורמלות המתקבלות עם מודול DCS צריכות להיות בערך 1.5 באקסטרפולציה של זמן השהיה אפס (בעת שימוש בסיבים במצב יחיד14), והעקומות צריכות לדעוך ל- 1 בזמני השהיה ארוכים יותר. העקומה צריכה להיות חלקה, והיא צריכה להיות בעלת דעיכה מהירה יותר עבור הפרדות ג…

Discussion

מאמר זה הציג מערכת אופטית היברידית שיכולה לספק מידע בזמן אמת על זרימת דם מוחית, חמצון מוחי ומטבוליזם חמצן מוחי של חולים נוירוקריטיים בצד זה. השימוש בטכניקות אופטיות מפוזרות נדון בעבר כסמן פוטנציאלי לניטור לא פולשני ליד המיטה בתרחישים קליניים. מחקר קודם התמקד בהיבטים הקליניים ובהיתכנות ש?…

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