यहां प्रस्तुत किया गया है कि वास्तविक समय में और डिफ्यूज ऑप्टिक्स का उपयोग करके बेडसाइड पर न्यूरोक्रिटिकल रोगियों के सेरेब्रल हेमोडायनामिक्स की गैर-आक्रामक निगरानी के लिए एक प्रोटोकॉल है। विशेष रूप से, प्रस्तावित प्रोटोकॉल सेरेब्रल ऑक्सीकरण, सेरेब्रल रक्त प्रवाह और सेरेब्रल चयापचय पर वास्तविक समय की जानकारी का पता लगाने और प्रदर्शित करने के लिए एक हाइब्रिड डिफ्यूज ऑप्टिकल सिस्टम का उपयोग करता है।
न्यूरोफिज़ियोलॉजिकल निगरानी न्यूरोक्रिटिकल रोगियों के उपचार में एक महत्वपूर्ण लक्ष्य है, क्योंकि यह माध्यमिक क्षति को रोक सकता है और रुग्णता और मृत्यु दर को सीधे प्रभावित कर सकता है। हालांकि, वर्तमान में बेडसाइड पर सेरेब्रल फिजियोलॉजी की निरंतर निगरानी के लिए उपयुक्त गैर-इनवेसिव, रीयल-टाइम तकनीकों की कमी है। डिफ्यूज ऑप्टिकल तकनीकों को न्यूरोक्रिटिकल रोगियों के मामले में सेरेब्रल रक्त प्रवाह और सेरेब्रल ऑक्सीकरण के बेडसाइड माप के लिए एक संभावित उपकरण के रूप में प्रस्तावित किया गया है। डिफ्यूज ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोस्कोपी को पहले कई नैदानिक परिदृश्यों में रोगियों की निगरानी के लिए खोजा गया है, जिसमें नवजात निगरानी से लेकर वयस्कों में सेरेब्रोवास्कुलर हस्तक्षेप तक शामिल हैं। हालांकि, बेडसाइड पर वास्तविक समय की जानकारी प्रदान करके चिकित्सकों की सहायता करने के लिए तकनीक की व्यवहार्यता काफी हद तक संबोधित नहीं की गई है। यहां, हम गहन देखभाल के दौरान सेरेब्रल रक्त प्रवाह, सेरेब्रल ऑक्सीकरण और सेरेब्रल ऑक्सीजन चयापचय की निरंतर वास्तविक समय की निगरानी के लिए एक डिफ्यूज ऑप्टिकल सिस्टम के अनुवाद की रिपोर्ट करते हैं। उपकरण की वास्तविक समय की विशेषता धमनी रक्तचाप जैसे सरोगेट मैट्रिक्स पर भरोसा करने के बजाय रोगी-विशिष्ट सेरेब्रल फिजियोलॉजी के आधार पर उपचार रणनीतियों को सक्षम कर सकती है। अपेक्षाकृत सस्ते और पोर्टेबल इंस्ट्रूमेंटेशन के साथ अलग-अलग समय के पैमाने पर सेरेब्रल परिसंचरण पर वास्तविक समय की जानकारी प्रदान करके, यह दृष्टिकोण विशेष रूप से कम बजट वाले अस्पतालों में, दूरदराज के क्षेत्रों में और खुले मैदानों (जैसे, रक्षा और खेल) में निगरानी के लिए उपयोगी हो सकता है।
गंभीर रूप से बीमार न्यूरोलॉजिक रोगियों के लिए खराब परिणामों का कारण बनने वाली अधिकांश जटिलताएं सेरेब्रल हेमोडायनामिक हानि के कारण माध्यमिक चोटों से संबंधित हैं। इसलिए, इन रोगियों के सेरेब्रल फिजियोलॉजी की निगरानी सीधे रुग्णता और मृत्यु दर 1,2,3,4,5,6,7 को प्रभावित कर सकती है। वर्तमान में, हालांकि, बेडसाइड पर न्यूरोक्रिटिकल रोगियों में सेरेब्रल फिजियोलॉजी की निरंतर वास्तविक समय गैर-आक्रामक निगरानी के लिए कोई स्थापित नैदानिक उपकरण नहीं है। संभावित उम्मीदवारों के बीच, डिफ्यूज ऑप्टिकल तकनीकों को हाल ही में इस अंतर 8,9,10,11 को भरने के लिए एक आशाजनक उपकरण के रूप में प्रस्तावित किया गया है। खोपड़ी से बिखरे हुए निकट-अवरक्त प्रकाश (~ 650-900 एनएम) के धीमी गति से परिवर्तन (यानी, दसियों से सैकड़ों एमएस के क्रम पर) को मापकर, डिफ्यूज ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोस्कोपी (डॉस) मस्तिष्क में मुख्य क्रोमोफोर की सांद्रता को माप सकता है, जैसे कि सेरेब्रल ऑक्सी- (एचबीओ) और डीऑक्सी-हीमोग्लोबिन (एचबीआर) 12,13। इसके अतिरिक्त, प्रकाश की तीव्रता में तेजी से उतार-चढ़ाव (यानी, कुछ μ से कुछ ms तक) को निर्धारित करके डिफ्यूज सहसंबंध स्पेक्ट्रोस्कोपी (डीसीएस) 10,14,15,16,17 के साथ सेरेब्रल रक्त प्रवाह (सीबीएफ) को मापना संभव है। संयुक्त होने पर, डॉस और डीसीएस ऑक्सीजन की सेरेब्रल चयापचय दर (सीएमआरओ2) 18,19,20 का अनुमान भी प्रदान कर सकते हैं।
कई पूर्व-नैदानिक और नैदानिक परिदृश्यों में रोगियों की निगरानी के लिए डॉस और डीसीएस के संयोजन का पता लगाया गया है। उदाहरण के लिए, डिफ्यूज ऑप्टिक्स को गंभीर रूप से बीमार नवजात शिशुओं 21,22,23,24 के लिए प्रासंगिक नैदानिक जानकारी प्रदान करने के लिए दिखाया गया है, जिसमें हृदय दोष 23,25,26,27,28 के इलाज के लिए कार्डियक सर्जरी के दौरान शामिल है . इसके अलावा, कई लेखकों ने विभिन्न सेरेब्रोवास्कुलर हस्तक्षेपों के दौरान सेरेब्रल हेमोडायनामिक्स का आकलन करने के लिए डिफ्यूज ऑप्टिक्स के उपयोग का पता लगाया है, जैसे कि कैरोटिड एंडोर्टेक्टॉमी29,30,31, स्ट्रोक32 के लिए थ्रोम्बोलाइटिक उपचार, हेड-ऑफ-बेड जोड़तोड़ 33,34,35, कार्डियोपल्मोनरी पुनर्जीवन36, और अन्य37,38, 39. जब निरंतर रक्तचाप की निगरानी भी उपलब्ध होती है, तो डिफ्यूज ऑप्टिक्स का उपयोग सेरेब्रल ऑटोरेग्यूलेशन की निगरानी के लिए किया जा सकता है, दोनों स्वस्थ और गंभीर रूप से बीमार विषयों में 11,40,41,42, साथ ही सेरेब्रल परिसंचरण43 के महत्वपूर्ण समापन दबाव का आकलन करने के लिए। कई लेखकों ने विभिन्न स्वर्ण मानक सीबीएफ माप18 के खिलाफ डीसीएस के साथ सीबीएफ माप को मान्य किया है, जबकि डिफ्यूज ऑप्टिक्स के साथ मापा गया सीएमआरओ2 न्यूरोक्रिटिकल निगरानी के लिए एक उपयोगी पैरामीटर दिखाया गया है 8,18,23,24,28,43,44,45 . इसके अलावा, पिछले अध्ययनों ने न्यूरोक्रिटिकल रोगियों 8,9,10,11 की दीर्घकालिक निगरानी के लिए ऑप्टिकल-व्युत्पन्न सेरेब्रल हेमोडायनामिक मापदंडों को मान्य किया है, जिसमें हाइपोक्सिक46,47,48 और इस्केमिक घटनाओं की भविष्यवाणीशामिल है।
अनुदैर्ध्य माप के साथ-साथ नैदानिक हस्तक्षेपों के दौरान मूल्यवान वास्तविक समय की जानकारी प्रदान करने के लिए डिफ्यूज ऑप्टिकल तकनीकों की विश्वसनीयता काफी हद तक संबोधित नहीं की जाती है। एक स्टैंडअलोन डॉस सिस्टम के उपयोग की तुलना पहले आक्रामक मस्तिष्क ऊतक ऑक्सीजन तनाव मॉनिटर से की गई थी, और डॉस को इनवेसिव मॉनिटर को बदलने के लिए पर्याप्त संवेदनशीलता नहीं माना जाता था। हालांकि, अपेक्षाकृत छोटी आबादी का उपयोग करने के अलावा, आक्रामक और गैर-इनवेसिव मॉनिटर की सीधी तुलना को गुमराह किया जा सकता है क्योंकि प्रत्येक तकनीक सेरेब्रल वास्कुलचर के विभिन्न हिस्सों वाले अलग-अलग संस्करणों की जांच करती है। भले ही इन अध्ययनों ने अंततः निष्कर्ष निकाला कि डिफ्यूज ऑप्टिक्स इनवेसिव मॉनिटर के लिए एक प्रतिस्थापन नहीं है, दोनों अध्ययनों में डॉस ने मध्यम-से-अच्छी सटीकता हासिल की, जो उन मामलों और / या स्थानों के लिए पर्याप्त हो सकती है जहां इनवेसिव मॉनिटर उपलब्ध नहीं हैं।
अन्य दृष्टिकोणों के सापेक्ष, डिफ्यूज ऑप्टिक्स का मुख्य लाभ पोर्टेबल इंस्ट्रूमेंटेशन का उपयोग करके बेडसाइड पर रक्त प्रवाह और ऊतक रक्त ऑक्सीकरण को एक साथ गैर-आक्रामक रूप से (और लगातार) मापने की क्षमता है। ट्रांसक्रैनियल डॉपलर अल्ट्रासाउंड (टीसीडी) की तुलना में, डीसीएस का एक अतिरिक्त लाभ है: यह ऊतक स्तर पर छिड़काव को मापता है, जबकि टीसीडी मस्तिष्क के आधार पर बड़ी धमनियों में मस्तिष्क रक्त प्रवाह वेग को मापता है। स्टेनो-ऑक्लुसिव बीमारियों का मूल्यांकन करते समय यह अंतर विशेष रूप से महत्वपूर्ण हो सकता है जिसमें समीपस्थ बड़ी धमनी प्रवाह और लेप्टोमेनिंगल संपार्श्विक दोनों छिड़काव में योगदान करते हैं। पॉज़िट्रॉन-उत्सर्जन टोमोग्राफी (पीईटी) और चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) जैसे अन्य पारंपरिक इमेजिंग तौर-तरीकों की तुलना में ऑप्टिकल तकनीकों के भी फायदे हैं। सीबीएफ और एचबीओ / एचबीआर सांद्रता दोनों के प्रत्यक्ष उपाय प्रदान करने के अलावा, जो अकेले एमआरआई या पीईटी के साथ संभव नहीं है, ऑप्टिकल निगरानी भी काफी बेहतर अस्थायी संकल्प प्रदान करती है, उदाहरण के लिए, गतिशील सेरेब्रल ऑटोरेग्यूलेशन 40,41,42 का मूल्यांकन और गतिशील रूप से विकसित हेमोडायनामिक परिवर्तनों का मूल्यांकन। इसके अलावा, पीईटी और एमआरआई की तुलना में डिफ्यूज ऑप्टिकल इंस्ट्रूमेंटेशन सस्ती और पोर्टेबल है, जो निम्न और मध्यम आय वाले देशों में संवहनी रोग के उच्च बोझ को देखते हुए एक महत्वपूर्ण लाभ है।
यहां प्रस्तावित प्रोटोकॉल गहन देखभाल इकाई (आईसीयू) में रोगियों के वास्तविक समय बेडसाइड न्यूरोमॉनिटरिंग के लिए एक वातावरण है। प्रोटोकॉल रोगियों की जांच के लिए नैदानिक-अनुकूल ग्राफिकल यूजर इंटरफेस (जीयूआई) और अनुकूलित ऑप्टिकल सेंसर के साथ एक हाइब्रिड ऑप्टिकल डिवाइस का उपयोग करता है (चित्रा 1)। इस प्रोटोकॉल को प्रदर्शित करने के लिए नियोजित हाइब्रिड सिस्टम स्वतंत्र मॉड्यूल से दो डिफ्यूज ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोस्कोपी को जोड़ती है: एक वाणिज्यिक आवृत्ति-डोमेन (एफडी-) डॉस मॉड्यूल और एक होममेड डीसीएस मॉड्यूल (चित्रा 1 ए)। एफडी-डॉस मॉड्यूल49,50 में 4 फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब (पीएमटी) और 32 लेजर डायोड होते हैं जो चार अलग-अलग तरंग दैर्ध्य (690, 704, 750 और 850 एनएम) पर उत्सर्जित होते हैं। डीसीएस मॉड्यूल में 785 एनएम पर एक दीर्घकालिक सुसंगतता लेजर उत्सर्जक, डिटेक्टरों के रूप में 16 एकल-फोटॉन काउंटर और एक सहसंबंध बोर्ड शामिल हैं। एफडी-डॉस मॉड्यूल के लिए नमूना आवृत्ति 10 हर्ट्ज है, और डीसीएस मॉड्यूल के लिए अधिकतम नमूना आवृत्ति 3 हर्ट्ज है। एफडी-डॉस और डीसीएस मॉड्यूल को एकीकृत करने के लिए, प्रत्येक मॉड्यूल के बीच स्वचालित रूप से स्विच करने के लिए हमारे नियंत्रण सॉफ्टवेयर के अंदर एक माइक्रोकंट्रोलर प्रोग्राम किया गया था। माइक्रोकंट्रोलर एफडी-डॉस और डीसीएस लेजर को चालू और बंद करने के लिए जिम्मेदार है, साथ ही एफडी-डॉस डिटेक्टरों को प्रत्येक मॉड्यूल के इंटरलेव्ड माप की अनुमति देने के लिए। कुल मिलाकर, प्रस्तावित प्रणाली सिग्नल-टू-शोर अनुपात (एसएनआर) आवश्यकताओं के आधार पर हर 0.5 से 5 एस में एक संयुक्त एफडी-डॉस और डीसीएस नमूना एकत्र कर सकती है (लंबे संग्रह समय से बेहतर एसएनआर होता है)। माथे पर प्रकाश को जोड़ने के लिए, हमने एक 3 डी-मुद्रित ऑप्टिकल जांच विकसित की जिसे प्रत्येक रोगी (चित्रा 1 बी) के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, जिसमें स्रोत-डिटेक्टर पृथक्करण 0.8 और 4.0 सेमी के बीच भिन्न होता है। यहां प्रस्तुत उदाहरणों में उपयोग किए जाने वाले मानक स्रोत-डिटेक्टर पृथक्करण डीसीएस के लिए 2.5 सेमी और एफडी-डॉस के लिए 1.5, 2.0, 2.5 और 3.0 सेमी हैं।
इस अध्ययन में प्रस्तुत प्रोटोकॉल की मुख्य विशेषता एक वास्तविक समय इंटरफ़ेस का विकास है जो हार्डवेयर को एक दोस्ताना जीयूआई के साथ नियंत्रित कर सकता है और विभिन्न अस्थायी खिड़कियों (चित्रा 1 सी) के तहत वास्तविक समय में मुख्य सेरेब्रल फिजियोलॉजी मापदंडों को प्रदर्शित कर सकता है। प्रस्तावित जीयूआई के भीतर विकसित वास्तविक समय विश्लेषण पाइपलाइन तेज है और ऑप्टिकल मापदंडों की गणना करने में 50 एमएस से कम समय लेती है (अधिक विवरण के लिए पूरक सामग्री देखें)। जीयूआई न्यूरो-आईसीयू में पहले से ही उपलब्ध वर्तमान नैदानिक उपकरणों से प्रेरित था, और इसे न्यूरो-आईसीयू में सिस्टम के अनुवाद के दौरान नैदानिक उपयोगकर्ताओं द्वारा व्यापक प्रतिक्रिया के माध्यम से अनुकूलित किया गया था। नतीजतन, वास्तविक समय जीयूआई नियमित अस्पताल के कर्मचारियों, जैसे न्यूरोइंटेंसिविस्ट और नर्सों द्वारा ऑप्टिकल सिस्टम को अपनाने की सुविधा प्रदान कर सकता है। नैदानिक अनुसंधान उपकरण के रूप में डिफ्यूज ऑप्टिक्स को व्यापक रूप से अपनाने से शारीरिक रूप से सार्थक डेटा की निगरानी करने की क्षमता बढ़ने की क्षमता है और अंततः यह प्रदर्शित कर सकता है कि डिफ्यूज ऑप्टिक्स वास्तविक समय में न्यूरोक्रिटिकल रोगियों की गैर-आक्रामक निगरानी के लिए एक अच्छा विकल्प है।
इस पेपर ने एक हाइब्रिड ऑप्टिकल सिस्टम प्रस्तुत किया जो बगल में न्यूरोक्रिटिकल रोगियों के सेरेब्रल रक्त प्रवाह, सेरेब्रल ऑक्सीजनेशन और सेरेब्रल ऑक्सीजन चयापचय के बारे में वास्तविक समय की जानकारी प्?…
The authors have nothing to disclose.
हम प्रोक 2012/02500-8 (आरएम), 2014/25486-6 (आरएफ) और 2013/07559-3 के माध्यम से साओ पाउलो रिसर्च फाउंडेशन (एफएपीईएसपी) द्वारा समर्थन को स्वीकार करते हैं। अध्ययन डिजाइन, डेटा संग्रह और विश्लेषण, प्रकाशित करने का निर्णय, या पांडुलिपि की तैयारी में फंडर्स की कोई भूमिका नहीं थी।
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 |