JoVE Journal > Medicine
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Medicine

Real-time monitoring van neurokritische patiënten met diffuse optische spectroscopieën

Published: November 19, 2020
doi:
10.3791/61608
, , , , , , , , ,
1Institute of Physics,University of Campinas, 2Brazilian Institute of Neuroscience and Neurotechnology, 3Clinical Hospital,University of Campinas, 4Department of Emergency Medicine,Albert Einstein College of Medicine, 5School of Medical Sciences,University of Campinas

Summary

Hier wordt een protocol gepresenteerd voor het niet-invasief monitoren van cerebrale hemodynamiek van neurokritische patiënten in realtime en aan het bed met behulp van diffuse optica. In het bijzonder maakt het voorgestelde protocol gebruik van een hybride diffuus optisch systeem om real-time informatie over cerebrale oxygenatie, cerebrale bloedstroom en cerebrale metabolisme te detecteren en weer te geven.

Abstract

Neurofysiologische monitoring is een belangrijk doel bij de behandeling van neurokritische patiënten, omdat het secundaire schade kan voorkomen en rechtstreeks van invloed kan zijn op morbiditeit en sterftecijfers. Er is momenteel echter een gebrek aan geschikte niet-invasieve, real-time technologieën voor continue monitoring van de cerebrale fysiologie aan het bed. Diffuse optische technieken zijn voorgesteld als een potentieel hulpmiddel voor bedside metingen van cerebrale bloedstroom en cerebrale oxygenatie in het geval van neurokritische patiënten. Diffuse optische spectroscopieën zijn eerder onderzocht om patiënten te volgen in verschillende klinische scenario’s, variërend van neonatale monitoring tot cerebrovasculaire interventies bij volwassenen. De haalbaarheid van de techniek om clinici te helpen door real-time informatie aan het bed te verstrekken, blijft echter grotendeels onbesproken. Hier rapporteren we de vertaling van een diffuus optisch systeem voor continue real-time monitoring van de cerebrale bloedstroom, cerebrale oxygenatie en cerebrale zuurstofmetabolisme tijdens intensieve zorg. De real-time functie van het instrument zou behandelingsstrategieën mogelijk kunnen maken op basis van patiëntspecifieke cerebrale fysiologie in plaats van te vertrouwen op surrogaatstatistieken, zoals arteriële bloeddruk. Door real-time informatie te verstrekken over de cerebrale circulatie op verschillende tijdschalen met relatief goedkope en draagbare instrumentatie, kan deze aanpak vooral nuttig zijn in low-budget ziekenhuizen, in afgelegen gebieden en voor monitoring in open velden (bijv. Defensie en sport).

Introduction

De meeste complicaties die leiden tot slechte resultaten voor ernstig zieke neurologische patiënten zijn gerelateerd aan secundaire verwondingen veroorzaakt door cerebrale hemodynamische stoornissen. Daarom kan het monitoren van de cerebrale fysiologie van deze patiënten rechtstreeks van invloed zijn op morbiditeits- en sterftecijfers 1,2,3,4,5,6,7. Momenteel is er echter geen gevestigde klinische tool voor de continue real-time niet-invasieve monitoring van cerebrale fysiologie bij neurokritische patiënten aan het bed. Onder de potentiële kandidaten zijn onlangs diffuse optische technieken voorgesteld als een veelbelovend hulpmiddel om deze leemteop te vullen 8,9,10,11. Door de langzame veranderingen (d.w.z. in de orde van tientallen tot honderden ms) van het diffuus verstrooide nabij-infrarode licht (~ 650-900 nm) van de hoofdhuid te meten, kan diffuse optische spectroscopie (DOS) concentraties van de belangrijkste chromoforen in de hersenen meten, zoals cerebrale oxy- (HbO) en deoxy-hemoglobine (HbR)12,13. Daarnaast is het mogelijk om de cerebrale bloedstroom (CBF) te meten met diffuse correlatiespectroscopie (DCS)10,14,15,16,17 door de snelle fluctuaties in lichtintensiteit (d.w.z. van enkele μs tot enkele ms) te kwantificeren. In combinatie kunnen DOS en DCS ook een schatting geven van de cerebrale stofwisseling van zuurstof (CMRO2)18,19,20.

De combinatie van DOS en DCS is onderzocht om patiënten in verschillende preklinische en klinische scenario’s te monitoren. Er is bijvoorbeeld aangetoond dat diffuse optica relevante klinische informatie biedt voor ernstig zieke pasgeborenen 21,22,23,24, inclusief tijdens hartoperaties om hartafwijkingen te behandelen 23,25,26,27,28 . Daarnaast hebben verschillende auteurs het gebruik van diffuse optica onderzocht om de cerebrale hemodynamiek te beoordelen tijdens verschillende cerebrovasculaire interventies, zoals carotis endarterectomie 29,30,31, trombolytische behandelingen voor beroerte 32, head-of-bed manipulaties 33,34,35, cardiopulmonale reanimatie 36, en anderen37,38, 39. Wanneer continue bloeddrukmonitoring ook beschikbaar is, kan diffuse optica worden gebruikt om cerebrale autoregulatie te controleren, zowel bij gezonde als bij ernstig zieke proefpersonen 11,40,41,42, evenals om de kritische sluitdruk van de cerebrale circulatie te beoordelen 43. Verschillende auteurs hebben CBF-metingen met DCS gevalideerd tegen verschillende gouden standaard CBF-metingen 18, terwijl CMRO2 gemeten met diffuse optica een nuttige parameter is gebleken voor neurokritische monitoring 8,18,23,24,28,43,44,45 . Bovendien hebben eerdere studies de optisch afgeleide cerebrale hemodynamische parameters gevalideerd voor langetermijnmonitoring van neurokritische patiënten 8,9,10,11, inclusief voor de voorspelling van hypoxische 46,47,48 en ischemische gebeurtenissen 8.

De betrouwbaarheid van de diffuse optische technieken om waardevolle real-time informatie te leveren tijdens longitudinale metingen en tijdens klinische interventies blijft grotendeels onbesproken. Het gebruik van een stand-alone DOS-systeem werd eerder vergeleken met invasieve zuurstofspanningsmonitoren van hersenweefsel en DOS werd geacht niet voldoende gevoelig te zijn om de invasieve monitoren te vervangen. Afgezien van het gebruik van relatief kleine populaties, kan de directe vergelijking van de invasieve en niet-invasieve monitoren echter misleidend zijn, omdat elke techniek verschillende volumes onderzoekt die verschillende delen van de cerebrale vasculatuur bevatten. Hoewel deze studies uiteindelijk concludeerden dat diffuse optica geen vervanging is voor de invasieve monitoren, bereikte DOS in beide studies een matige tot goede nauwkeurigheid, die voldoende kan zijn voor gevallen en/of plaatsen waar invasieve monitoren niet beschikbaar zijn.

Ten opzichte van andere benaderingen is het belangrijkste voordeel van diffuse optica het vermogen om tegelijkertijd de bloedstroom en weefselbloedoxygenatie niet-invasief (en continu) aan het bed te meten met behulp van draagbare instrumentatie. In vergelijking met Transcraniële Doppler-echografie (TCD) heeft DCS een bijkomend voordeel: het meet perfusie op weefselniveau, terwijl TCD de cerebrale bloedstroomsnelheid meet in grote slagaders aan de basis van de hersenen. Dit onderscheid kan met name van belang zijn bij de evaluatie van steno-occlusieve ziekten waarbij zowel proximale grote slagaderstroom als leptomeningeale collateralen bijdragen aan perfusie. Optische technieken hebben ook voordelen in vergelijking met andere traditionele beeldvormingsmodaliteiten, zoals positronemissietomografie (PET) en magnetische resonantiebeeldvorming (MRI). Naast gelijktijdige directe metingen van zowel CBF- als HbO/HbR-concentraties, wat niet mogelijk is met MRI of PET alleen, biedt optische monitoring ook een significant betere temporele resolutie, waardoor bijvoorbeeld de beoordeling van dynamische cerebrale autoregulatie40,41,42 en de beoordeling dynamisch evoluerende hemodynamische veranderingen mogelijk zijn. Bovendien is diffuse optische instrumentatie goedkoop en draagbaar in vergelijking met PET en MRI, wat een cruciaal voordeel is gezien de hoge last van vaatziekten in landen met lagere en middeninkomens.

Het hier voorgestelde protocol is een omgeving voor real-time neuromonitoring aan het bed van patiënten op de intensive care (ICU). Het protocol maakt gebruik van een hybride optisch apparaat samen met een klinisch-vriendelijke grafische gebruikersinterface (GUI) en aangepaste optische sensoren om de patiënten te onderzoeken (figuur 1). Het hybride systeem dat wordt gebruikt voor de presentatie van dit protocol combineert twee diffuse optische spectroscopieën van onafhankelijke modules: een commerciële frequentiedomein (FD-) DOS-module en een zelfgemaakte DCS-module (figuur 1A). De FD-DOS module49,50 bestaat uit 4 fotomultiplicatorbuizen (PMT’s) en 32 laserdiodes die uitzenden op vier verschillende golflengten (690, 704, 750 en 850 nm). De DCS-module bestaat uit een lange-coherentie laser die uitzendt bij 785 nm, 16 single-photon tellers als detectoren en een correlatorkaart. De bemonsteringsfrequentie voor de FD-DOS-module is 10 Hz en de maximale bemonsteringsfrequentie voor de DCS-module is 3 Hz. Om de FD-DOS- en DCS-modules te integreren, werd in onze besturingssoftware een microcontroller geprogrammeerd om automatisch tussen elke module te schakelen. De microcontroller is verantwoordelijk voor het in- en uitschakelen van de FD-DOS- en DCS-lasers, evenals de FD-DOS-detectoren om interleaved-metingen van elke module mogelijk te maken. In totaal kan het voorgestelde systeem elke 0,5 tot 5s één gecombineerd FD-DOS- en DCS-monster verzamelen, afhankelijk van de signaal-ruisverhouding (SNR) -vereisten (langere verzameltijden leiden tot een betere SNR). Om het licht aan het voorhoofd te koppelen, ontwikkelden we een 3D-geprinte optische sonde die voor elke patiënt kan worden aangepast (figuur 1B), met brondetectorscheidingen variërend tussen 0,8 en 4,0 cm. De standaard bron-detectorscheidingen die in de hier gepresenteerde voorbeelden worden gebruikt, zijn 2,5 cm voor DCS en 1,5, 2,0, 2,5 en 3,0 cm voor FD-DOS.

Het belangrijkste kenmerk van het protocol dat in deze studie wordt gepresenteerd, is de ontwikkeling van een real-time interface die zowel de hardware met een vriendelijke GUI kan besturen als de belangrijkste cerebrale fysiologieparameters in realtime kan weergeven onder verschillende temporele vensters (figuur 1C). De real-time analysepijplijn die binnen de voorgestelde GUI is ontwikkeld, is snel en duurt minder dan 50 ms om de optische parameters te berekenen (zie het aanvullende materiaal voor meer informatie). De GUI is geïnspireerd op de huidige klinische instrumenten die al beschikbaar zijn op de neuro-ICU, en het werd aangepast door uitgebreide feedback van klinische gebruikers tijdens de vertaling van het systeem naar de neuro-ICU. Bijgevolg kan de real-time GUI de adoptie van het optische systeem door regulier ziekenhuispersoneel, zoals neuro-intensivisten en verpleegkundigen, vergemakkelijken. De brede acceptatie van diffuse optica als een klinisch onderzoeksinstrument heeft het potentieel om het vermogen om fysiologisch zinvolle gegevens te monitoren te verbeteren en kan uiteindelijk aantonen dat diffuse optica een goede optie is voor niet-invasieve monitoring van neurokritische patiënten in realtime.

Protocol

Het protocol werd goedgekeurd door het lokale comité van de Universiteit van Campinas (protocolnummer 56602516.2.0000.5404). Voorafgaand aan de metingen werd schriftelijke geïnformeerde toestemming verkregen van de patiënt of een wettelijke vertegenwoordiger. We volgden patiënten die werden opgenomen in het Clinics Hospital aan de Universiteit van Campinas met een diagnose van ischemische beroerte of een subarachnoïdale bloeding die de voorste circulatie beïnvloedde. Patiënten met ischemische beroertes die de post…

Representative Results

Idealiter zouden de genormaliseerde autocorrelatiecurven verkregen met de DCS-module ongeveer 1,5 moeten zijn bij de nulvertragingstijdextrapolatie (bij gebruik van single-mode vezels14), en de curven zouden moeten vervallen tot 1 bij langere vertragingstijden. De curve moet glad zijn en een sneller verval hebben voor de langere bron-detectorscheidingen. Een voorbeeld van een goede autocorrelatie is weergegeven in figuur 2A. Figuur 2B too…

Discussion

Dit artikel presenteerde een hybride optisch systeem dat real-time informatie kan bieden over de cerebrale bloedstroom, cerebrale oxygenatie en cerebrale zuurstofmetabolisme van neurokritische patiënten aan de zijkant. Het gebruik van diffuse optische technieken was eerder behandeld als een potentiële marker voor niet-invasieve monitoring aan het bed in klinische scenario’s. Een eerdere studie richtte zich op de klinische aspecten en de haalbaarheid van optische monitoring tijdens ziekenhuisopname op de neuro-ICU door …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We erkennen de steun van de São Paulo Research Foundation (FAPESP) via Proc. 2012/02500-8 (RM), 2014/25486-6 (RF) en 2013/07559-3. De financiers hadden geen rol in het ontwerp van de studie, het verzamelen en analyseren van gegevens, de beslissing om te publiceren of de voorbereiding van het manuscript.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Papanikolaou, J., et al. Cardiac and central vascular functional alterations in the acute phase of aneurysmal subarachnoid hemorrhage. Critical Care Medicine. 40 (1), 223-232 (2012).
  2. Sarrafzadeh, A. S., Vajkoczy, P., Bijlenga, P., Schaller, K. Monitoring in neurointensive care – The challenge to detect delayed cerebral ischemia in high grade aneurysmal SAH. Frontiers in Neurology. 5 (134), (2014).
  3. Messerer, M., Daniel, R. T., Oddo, M. Neuromonitoring after major neurosurgical procedures. Minerva Anestesiologica. 78 (7), 810-822 (2012).
  4. Le Roux, P., et al. Consensus summary statement of the International Multidisciplinary Consensus Conference on Multimodality Monitoring in Neurocritical Care: A statement for healthcare professionals from the Neurocritical Care Society and the European Society of Intensive Care Medicine. Intensive Care Medicine. 40 (9), 1189-1209 (2014).
  5. Roh, D., Park, S. Brain Multimodality Monitoring: Updated Perspectives. Current Neurology and Neuroscience Reports. 16 (6), 1-10 (2016).
  6. Oddo, M., Villa, F., Citerio, G. Brain multimodality monitoring: An update. Current Opinion in Critical Care. 18 (2), 111-118 (2012).
  7. Sandsmark, D. K., Kumar, M. A., Park, S., Levine, J. M. Multimodal Monitoring in Subarachnoid Hemorrhage. Stroke. 43 (5), 1440-1445 (2012).
  8. Baker, W. B., et al. Continuous non-invasive optical monitoring of cerebral blood flow and oxidative metabolism after acute brain injury. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 39 (8), 1469-1485 (2019).
  9. Menezes Forti, R., et al. Real-time non-invasive assessment of cerebral hemodynamics with diffuse optical spectroscopies in a neuro intensive care unit: an observational study. Frontiers in Medicine. 7 (147), (2020).
  10. Kim, M. N., et al. Noninvasive measurement of cerebral blood flow and blood oxygenation using near-infrared and diffuse correlation spectroscopies in critically brain-injured adults. Neurocritical Care. 12 (2), 173-180 (2010).
  11. Selb, J., et al. Prolonged monitoring of cerebral blood flow and autoregulation with diffuse correlation spectroscopy in neurocritical care patients. Neurophotonics. 5 (04), 1 (2018).
  12. Durduran, T., Choe, R., Baker, W. B., Yodh, A. G. Diffuse optics for tissue monitoring and tomography. Reports on Progress in Physics. 73 (7), 76701 (2010).
  13. Jacques, S. L. Optical properties of biological tissues: a review. Physics in Medicine and Biology. 58 (11), 37-61 (2013).
  14. Durduran, T., Yodh, A. G. Diffuse correlation spectroscopy for non-invasive, micro-vascular cerebral blood flow measurement. NeuroImage. 85, 5163 (2014).
  15. Durduran, T., et al. Diffuse optical measurement of blood flow, blood oxygenation, and metabolism in a human brain during sensorimotor cortex activation. Optics Letters. 29 (15), 1766 (2004).
  16. Selb, J., et al. Sensitivity of near-infrared spectroscopy and diffuse correlation spectroscopy to brain hemodynamics: simulations and experimental findings during hypercapnia. Neurophotonics. 1 (1), 15005 (2014).
  17. Shang, Y., Li, T., Yu, G. Clinical applications of near-infrared diffuse correlation spectroscopy and tomography for tissue blood flow monitoring and imaging. Physiological Measurement. 38 (4), 1-26 (2017).
  18. Mesquita, R. C., et al. Direct measurement of tissue blood flow and metabolism with diffuse optics. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 369 (1955), 4390-4406 (2011).
  19. Culver, J. P., et al. Diffuse optical tomography of cerebral blood flow, oxygenation, and metabolism in rat during focal ischemia. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 23 (8), 911-924 (2003).
  20. Valabrègue, R., Aubert, A., Burger, J., Bittoun, J., Costalat, R. Relation between Cerebral Blood Flow and Metabolism Explained by a Model of Oxygen Exchange. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 23 (5), 536-545 (2003).
  21. Farzam, P., et al. Shedding light on the neonatal brain: probing cerebral hemodynamics by diffuse optical spectroscopic methods. Scientific Reports. 7 (1), 15786 (2017).
  22. Wong, F. Cerebral blood flow measurements in the neonatal brain. Prenatal and Postnatal Determinants of Development. 109, 69-87 (2016).
  23. Busch, D. R., et al. Noninvasive optical measurement of microvascular cerebral hemodynamics and autoregulation in the neonatal ECMO patient. Pediatric Research. , 1-9 (2020).
  24. Dehaes, M., et al. Cerebral oxygen metabolism in neonatal hypoxic ischemic encephalopathy during and after therapeutic hypothermia. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 34 (1), 87-94 (2014).
  25. Ferradal, S. L., et al. Non-invasive assessment of cerebral blood flow and oxygen metabolism in neonates during hypothermic cardiopulmonary bypass: Feasibility and clinical implications. Scientific Reports. 7 (1), 44117 (2017).
  26. Busch, D. R., et al. Continuous cerebral hemodynamic measurement during deep hypothermic circulatory arrest. Biomedical Optics Express. 7 (9), 3461 (2016).
  27. Wang, D., et al. Fast blood flow monitoring in deep tissues with real-time software correlators. Biomedical Optics Express. 7 (3), 776 (2016).
  28. Ko, T. S., et al. Non-invasive optical neuromonitoring of the temperature-dependence of cerebral oxygen metabolism during deep hypothermic cardiopulmonary bypass in neonatal swine. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 40 (1), 187-203 (2018).
  29. Pennekamp, C. W. A. A., et al. Near-infrared spectroscopy can predict the onset of cerebral hyperperfusion syndrome after carotid endarterectomy. Cerebrovascular Diseases. 34 (4), 314-321 (2012).
  30. Pennekamp, C. W. A. A., Bots, M. L., Kappelle, L. J., Moll, F. L., de Borst, G. J. The Value of Near-Infrared Spectroscopy Measured Cerebral Oximetry During Carotid Endarterectomy in Perioperative Stroke Prevention. A Review. European Journal of Vascular and Endovascular Surgery. 38 (5), 539-545 (2009).
  31. Shang, Y., et al. Cerebral monitoring during carotid endarterectomy using near-infrared diffuse optical spectroscopies and electroencephalogram. Physics in Medicine and Biology. 56 (10), 3015-3032 (2011).
  32. Delgado-Mederos, R., et al. Transcranial diffuse optical assessment of the microvascular reperfusion after thrombolysis for acute ischemic stroke. Biomedical Optics Express. 9 (3), 1262 (2018).
  33. Favilla, C. G., et al. Optical Bedside Monitoring of Cerebral Blood Flow in Acute Ischemic Stroke Patients During Head-of-Bed Manipulation. Stroke. 45 (5), 1269-1274 (2014).
  34. Gregori-Pla, C., et al. Early microvascular cerebral blood flow response to head-of-bed elevation is related to outcome in acute ischemic stroke. Journal of Neurology. 266 (4), 990-997 (2019).
  35. Kim, M. N., et al. Continuous optical monitoring of cerebral hemodynamics during head-of-bed manipulation in brain-injured adults. Neurocritical Care. 20 (3), 443-453 (2014).
  36. Ko, T., et al. Prediction of Return of Spontaneous Circulation During Cardiopulmonary Resuscitation using Frequency-Domain Diffuse Optical Spectroscopy in a Pediatric Swine Model of Asphyxial Cardiac Arrest. Biophotonics Congress: Biomedical Optics Congress 2018 (Microscopy/Translational/Brain/OTS). , (2018).
  37. Favilla, C. G., et al. Non-invasive respiratory impedance enhances cerebral perfusion in healthy adults. Frontiers in Neurology. 8, (2017).
  38. Favilla, C. G., et al. Perfusion Enhancement with Respiratory Impedance After Stroke (PERI-Stroke). Neurotherapeutics. 16 (4), 1296-1303 (2019).
  39. Ritzenthaler, T., et al. Cerebral near-infrared spectroscopy a potential approach for thrombectomy monitoring. Stroke. 48 (12), 3390-3392 (2017).
  40. Fantini, S., Sassaroli, A., Tgavalekos, K. T., Kornbluth, J. Cerebral blood flow and autoregulation: current measurement techniques and prospects for noninvasive optical methods. Neurophotonics. 3 (3), 31411 (2016).
  41. Parthasarathy, A. B., et al. Dynamic autoregulation of cerebral blood flow measured non-invasively with fast diffuse correlation spectroscopy. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 38 (2), 230-240 (2018).
  42. Kainerstorfer, J. M., Sassaroli, A., Tgavalekos, K. T., Fantini, S. Cerebral autoregulation in the microvasculature measured with near-infrared spectroscopy. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 35 (6), 959-966 (2015).
  43. Baker, W. B., et al. Noninvasive optical monitoring of critical closing pressure and arteriole compliance in human subjects. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 37 (8), 2691-2705 (2017).
  44. Lin, P. Y., et al. Non-invasive optical measurement of cerebral metabolism and hemodynamics in infants. Journal of Visualized Experiments. (73), e4379 (2013).
  45. Wintermark, P., Hansen, A., Warfield, S. K., Dukhovny, D., Soul, J. S. Near-infrared spectroscopy versus magnetic resonance imaging to study brain perfusion in newborns with hypoxic-ischemic encephalopathy treated with hypothermia. NeuroImage. 85, 287-293 (2014).
  46. Busch, D. R., et al. Detection of brain hypoxia based on noninvasive optical monitoring of cerebral blood flow with diffuse correlation spectroscopy. Neurocritical Care. 30 (1), 72-80 (2019).
  47. Davies, D. J., et al. Cerebral oxygenation in traumatic brain injury: Can a non-invasive frequency domain near-infrared spectroscopy device detect changes in brain tissue oxygen tension as well as the established invasive monitor. Journal of Neurotrauma. 36 (7), 1175-1183 (2019).
  48. Leal-Noval, S. R., et al. Invasive and noninvasive assessment of cerebral oxygenation in patients with severe traumatic brain injury. Intensive Care Medicine. 36 (8), 1309-1317 (2010).
  49. Fantini, S., Franceschini, M. A., Fishkin, J. B., Barbieri, B., Gratton, E. Quantitative determination of the absorption spectra of chromophores in strongly scattering media: a light-emitting-diode based technique. Applied Optics. 33 (22), 5204 (1994).
  50. Fantini, S., et al. Frequency-domain multichannel optical detector for noninvasive tissue spectroscopy and oximetry. Optical Engineering. 34 (1), 32 (1995).
  51. Carpenter, D. A., Grubb, R. L., Tempel, L. W., Powers, W. J. Cerebral oxygen metabolism after aneurysmal subarachnoid hemorrhage. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 11 (5), 837-844 (1991).
  52. Johansen-Berg, H., et al. The role of ipsilateral premotor cortex in hand movement after stroke. Proceedings of the National Academy of Sciences, U.S.A. 99 (22), 14518-14523 (2002).
  53. Hunt, W. E., Hess, R. M. Surgical risk as related to time of intervention in the repair of intracranial aneurysms. Journal of Neurosurgery. 28 (1), 14-20 (1968).
  54. Fisher, C. M., Kistler, J. P., Davis, J. M. Relation of Cerebral Vasospasm to Subarachnoid Hemorrhage Visualized by Computerized Tomographic Scanning. Neurosurgery. 6 (1), 1-9 (1980).
  55. Carey, J. R., et al. Analysis of fMRI and finger tracking training in subjects with chronic stroke. Brain. 125 (4), 773-788 (2002).
  56. Lindenberg, R., Renga, V., Zhu, L. L., Nair, D., Schlaug, G. Bihemispheric brain stimulation facilitates motor recovery in chronic stroke patients. Neurology. 75 (24), 2176-2184 (2010).
  57. Schaechter, J. D., et al. Motor recovery and cortical reorganization after constraint-induced movement therapy in stroke patients: A preliminary study. Neurorehabilitation and Neural Repair. 16 (4), 326-338 (2002).
  58. Dehaes, M., et al. Assessment of the frequency-domain multi-distance method to evaluate the brain optical properties: Monte Carlo simulations from neonate to adult. Biomedical Optics Express. 2 (3), 552 (2011).
  59. Fantini, S., Sassaroli, A. Frequency-domain techniques for cerebral and functional near-infrared spectroscopy. Front Neurosci. 14, 1-18 (2020).
  60. Blaney, G., Sassaroli, A., Pham, T., Fernandez, C., Fantini, S. Phase dual-slopes in frequency-domain near-infrared spectroscopy for enhanced sensitivity to brain tissue: First applications to human subjects. Journal of Biophotonics. 13 (1), 201960018 (2020).
  61. Abdalsalam, O., O’Sullivan, T. D., Howard, S., Zhang, Y. Self-calibrated frequency domain diffuse optical spectroscopy with a phased source array. Optical Tomography and Spectroscopy of Tissue XIII Conference. 1087403, 2 (2019).
  62. Applegate, M. B., Istfan, R. E., Spink, S., Tank, A., Roblyer, D. Recent advances in high speed diffuse optical imaging in biomedicine Recent advances in high speed diffuse optical imaging in biomedicine. APL Photonics. 5, 040802 (2020).
  63. Torricelli, A., et al. Time domain functional NIRS imaging for human brain mapping. NeuroImage. 85, 28-50 (2014).
  64. Pifferi, A., et al. New frontiers in time-domain diffuse optics , a review. Journal of Biomedical Optics. 21 (9), 091310 (2016).
  65. Gagnon, L., Desjardins, M., Jehanne-Lacasse, J., Bherer, L., Lesage, F. Investigation of diffuse correlation spectroscopy in multi-layered media including the human head. Optics Express. 16 (20), 15514 (2008).
  66. Verdecchia, K., et al. Assessment of a multi-layered diffuse correlation spectroscopy method for monitoring cerebral blood flow in adults. Biomedical Optics Express. 7 (9), 3659 (2016).
  67. Liemert, A., Kienle, A. Light diffusion in a turbid cylinder II Layered case. Optics Express. 18 (9), 9266 (2010).
  68. Hallacoglu, B., Sassaroli, A., Fantini, S. Optical characterization of two-layered turbid media for non-invasive, absolute oximetry in cerebral and extracerebral tissue. PLoS One. 8 (5), 64095 (2013).
  69. Alexandrakis, G., Busch, D. R., Faris, G. W., Patterson, M. S. Determination of the optical properties of two-layer turbid media by use of a frequency-domain hybrid Monte Carlo diffusion model. Applied Optics. 40 (22), 3810 (2001).
  70. Martelli, F., Sassaroli, A., Del Bianco, S., Yamada, Y., Zaccanti, G. Solution of the time-dependent diffusion equation for layered diffusive media by the eigenfunction method. Physical Review E – Statistical Physics, Plasmas, Fluids, and Related Interdisciplinary Topics. 67 (5), 14 (2003).
  71. Mesquita, R. C., et al. Influence of probe pressure on the diffuse correlation spectroscopy blood flow signal: extra-cerebral contributions. Biomedical Optics Express. 4 (7), 978 (2013).
  72. Wang, D., et al. Influence of probe pressure on the pulsatile diffuse correlation spectroscopy blood flow signal on the forearm and forehead regions. Neurophotonics. 6 (03), 1 (2019).
  73. Baker, W. B., et al. Pressure modulation algorithm to separate cerebral hemodynamic signals from extracerebral artifacts. Neurophotonics. 2 (3), 35004 (2015).
  74. He, L., et al. Noninvasive continuous optical monitoring of absolute cerebral blood flow in critically ill adults. Neurophotonics. 5 (04), 1 (2018).
  75. Milej, D., et al. Quantification of cerebral blood flow in adults by contrast-enhanced near-infrared spectroscopy: Validation against MRI. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. , (2019).
  76. Diop, M., Verdecchia, K., Lee, T. Y., St Lawrence, K. Calibration of diffuse correlation spectroscopy with a time-resolved near-infrared technique to yield absolute cerebral blood flow measurements. Biomedical Optics Express. 2 (7), 2068 (2011).
  77. Khalid, M., et al. Development of a stand-alone DCS system for monitoring absolute cerebral blood flow. Biomedical Optics Express. 10 (9), 4607 (2019).
  78. Kohl-Bareis, M., et al. Noninvasive monitoring of cerebral blood flow by a dye bolus method: Separation of brain from skin and skull signals. Journal of Biomedical Optics. 7 (3), 464 (2002).

Tags

Real-time MonitoringNeurocritical PatientsDiffuse Optical SpectroscopiesBrain PhysiologyPortable InstrumentationDiffuse OpticsBlood FlowOxygenationNeuro ICUOptical ProbeCalibration PhantomOptical PropertiesPatient ForeheadLaser Safety GogglesData Acquisition

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Menezes Forti, R., Katsurayama, M., Grisotti Martins, G., Valler, L., Quiroga, A., Simioni, L., Menko, J., Falcão, A. L. E., Li, L. M., Mesquita, R. C. Real-Time Monitoring of Neurocritical Patients with Diffuse Optical Spectroscopies. J. Vis. Exp. (165), e61608, doi:10.3791/61608 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image