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Medicine

Surveillance en temps réel des patients neurocritiques par spectroscopies optiques diffuses

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

Un protocole de surveillance non invasive de l’hémodynamique cérébrale des patients neurocritiques en temps réel et au chevet du patient à l’aide d’optiques diffuses est présenté ici. Plus précisément, le protocole proposé utilise un système optique diffus hybride pour détecter et afficher des informations en temps réel sur l’oxygénation cérébrale, le flux sanguin cérébral et le métabolisme cérébral.

Abstract

La surveillance neurophysiologique est un objectif important dans le traitement des patients neurocritiques, car elle peut prévenir les dommages secondaires et avoir un impact direct sur les taux de morbidité et de mortalité. Cependant, il existe actuellement un manque de technologies appropriées non invasives et en temps réel pour la surveillance continue de la physiologie cérébrale au chevet du patient. Des techniques optiques diffuses ont été proposées comme outil potentiel pour les mesures au chevet du chevet du débit sanguin cérébral et de l’oxygénation cérébrale chez les patients neurocritiques. Les spectroscopies optiques diffuses ont déjà été explorées pour surveiller les patients dans plusieurs scénarios cliniques allant de la surveillance néonatale aux interventions cérébrovasculaires chez les adultes. Cependant, la faisabilité de la technique pour aider les cliniciens en fournissant des informations en temps réel au chevet du patient reste largement ignorée. Ici, nous rapportons la traduction d’un système optique diffus pour la surveillance continue en temps réel du flux sanguin cérébral, de l’oxygénation cérébrale et du métabolisme cérébral de l’oxygène pendant les soins intensifs. La fonction en temps réel de l’instrument pourrait permettre des stratégies de traitement basées sur la physiologie cérébrale spécifique au patient plutôt que sur des mesures de substitution, telles que la pression artérielle. En fournissant des informations en temps réel sur la circulation cérébrale à différentes échelles de temps avec une instrumentation relativement bon marché et portable, cette approche peut être particulièrement utile dans les hôpitaux à petit budget, dans les régions éloignées et pour la surveillance dans les champs ouverts (par exemple, la défense et le sport).

Introduction

La plupart des complications qui entraînent de mauvais résultats pour les patients neurologiques gravement malades sont liées à des blessures secondaires causées par des déficiences hémodynamiques cérébrales. Par conséquent, la surveillance de la physiologie cérébrale de ces patients peut avoir un impact direct sur les taux de morbidité et de mortalité 1,2,3,4,5,6,7. Actuellement, cependant, il n’existe aucun outil clinique établi pour la surveillance continue non invasive en temps réel de la physiologie cérébrale chez les patients neurocritiques au chevet du patient. Parmi les candidats potentiels, les techniques d’optique diffuse ont récemment été proposées comme un outil prometteur pour combler cette lacune 8,9,10,11. En mesurant les changements lents (c’est-à-dire de l’ordre de dizaines à des centaines de ms) de la lumière proche infrarouge diffusée de manière diffuse (~650-900 nm) du cuir chevelu, la spectroscopie optique diffuse (DOS) peut mesurer les concentrations des principaux chromophores dans le cerveau, tels que l’oxy- cérébral (HbO) et la désoxy-hémoglobine (HbR)12,13. De plus, il est possible de mesurer le débit sanguin cérébral (CBF) avec la spectroscopie de corrélation diffuse (DCS)10,14,15,16,17 en quantifiant les fluctuations rapides de l’intensité lumineuse (c’est-à-dire de quelques μs à quelques ms). Lorsqu’ils sont combinés, DOS et DCS peuvent également fournir une estimation du taux métabolique cérébral d’oxygène (CMRO2)18,19,20.

La combinaison de DOS et de DCS a été explorée pour surveiller les patients dans plusieurs scénarios précliniques et cliniques. Par exemple, il a été démontré que l’optique diffuse fournit des informations cliniques pertinentes pour les nouveau-nés gravement malades 21,22,23,24, y compris lors de chirurgies cardiaques pour traiter des malformations cardiaques 23,25,26,27,28 . En outre, plusieurs auteurs ont exploré l’utilisation de l’optique diffuse pour évaluer l’hémodynamique cérébrale au cours de différentes interventions cérébrovasculaires, telles que l’endartériectomie carotidienne 29,30,31, les traitements thrombolytiques pour l’AVC 32, les manipulations de tête de lit 33,34,35, la réanimation cardiorespiratoire 36, et d’autres37,38, 39. Lorsque la surveillance continue de la pression artérielle est également disponible, l’optique diffuse peut être utilisée pour surveiller l’autorégulation cérébrale, tant chez les sujets sains que chez les sujets gravement malades 11,40,41,42, ainsi que pour évaluer la pression de fermeture critique de la circulation cérébrale 43. Plusieurs auteurs ont validé les mesures de CBF avec DCS par rapport à différentes mesures de CBF de référence 18, tandis que CMRO2 mesuré avec l’optique diffuse s’est avéré être un paramètre utile pour la surveillance neurocritique 8,18,23,24,28,43,44,45 . De plus, des études antérieures ont validé les paramètres hémodynamiques cérébraux dérivés optiquement pour la surveillance à long terme des patients neurocritiques 8,9,10,11, y compris pour la prédiction des événements hypoxiques 46,47,48 et ischémiques 8.

La fiabilité des techniques d’optique diffuse pour fournir des informations précieuses en temps réel lors des mesures longitudinales ainsi que pendant les interventions cliniques reste largement ignorée. L’utilisation d’un système DOS autonome a déjà été comparée à des moniteurs invasifs de tension d’oxygène dans les tissus cérébraux, et le DOS a été jugé ne pas avoir une sensibilité suffisante pour remplacer les moniteurs invasifs. Cependant, en plus d’utiliser des populations relativement petites, la comparaison directe des moniteurs invasifs et non invasifs peut être erronée car chaque technique sonde différents volumes contenant différentes parties du système vasculaire cérébral. Même si ces études ont finalement conclu que l’optique diffuse ne remplace pas les moniteurs invasifs, dans les deux études, DOS a atteint une précision modérée à bonne, ce qui peut être suffisant pour les cas et / ou les endroits où les moniteurs invasifs ne sont pas disponibles.

Par rapport à d’autres approches, le principal avantage de l’optique diffuse est sa capacité à mesurer simultanément le débit sanguin et l’oxygénation du sang des tissus de manière non invasive (et continue) au chevet du patient à l’aide d’instruments portables. Par rapport à l’échographie Doppler transcrânienne (DCD), la MDD présente un avantage supplémentaire : elle mesure la perfusion au niveau tissulaire, tandis que la DTC mesure la vitesse du flux sanguin cérébral dans les grosses artères à la base du cerveau. Cette distinction peut être particulièrement importante lors de l’évaluation des maladies sténo-occlusives dans lesquelles l’écoulement proximal des grosses artères et les collatéraux leptoméningés contribuent à la perfusion. Les techniques optiques présentent également des avantages par rapport à d’autres modalités d’imagerie traditionnelles, telles que la tomographie par émission de positrons (TEP) et l’imagerie par résonance magnétique (IRM). En plus de fournir simultanément des mesures directes des concentrations de CBF et d’HbO/HbR, ce qui n’est pas possible avec l’IRM ou la TEP seules, la surveillance optique fournit également une résolution temporelle nettement meilleure, permettant, par exemple, l’évaluation de l’autorégulation cérébrale dynamique40,41,42 et l’évaluation des changements hémodynamiques évolutifs dynamiquement. En outre, l’instrumentation optique diffuse est peu coûteuse et portable par rapport à la TEP et à l’IRM, ce qui constitue un avantage essentiel compte tenu de la charge élevée des maladies vasculaires dans les pays à revenu faible et intermédiaire.

Le protocole proposé ici est un environnement pour le neuromonitoring en temps réel des patients à l’unité de soins intensifs (USI). Le protocole utilise un dispositif optique hybride associé à une interface utilisateur graphique (GUI) conviviale et à des capteurs optiques personnalisés pour sonder les patients (Figure 1). Le système hybride utilisé pour présenter ce protocole combine deux spectroscopies optiques diffuses provenant de modules indépendants : un module DOS commercial dans le domaine fréquentiel (FD-) et un module DCS maison (Figure 1A). Le module FD-DOS49,50 se compose de 4 tubes photomultiplicateurs (PMT) et de 32 diodes laser émettant à quatre longueurs d’onde différentes (690, 704, 750 et 850 nm). Le module DCS se compose d’un laser à longue cohérence émettant à 785 nm, de 16 compteurs monophotons comme détecteurs et d’une carte corrélative. La fréquence d’échantillonnage pour le module FD-DOS est de 10 Hz et la fréquence d’échantillonnage maximale pour le module DCS est de 3 Hz. Pour intégrer les modules FD-DOS et DCS, un microcontrôleur a été programmé à l’intérieur de notre logiciel de contrôle pour basculer automatiquement entre chaque module. Le microcontrôleur est responsable de l’allumage et de l’extinction des lasers FD-DOS et DCS, ainsi que des détecteurs FD-DOS pour permettre des mesures entrelacées de chaque module. Au total, le système proposé peut collecter un échantillon FD-DOS et DCS combiné toutes les 0,5 à 5 s, en fonction des exigences du rapport signal sur bruit (SNR) (des temps de collecte plus longs conduisent à un meilleur SNR). Pour coupler la lumière au front, nous avons développé une sonde optique imprimée en 3D qui peut être personnalisée pour chaque patient (Figure 1B), avec des séparations source-détecteur variant entre 0,8 et 4,0 cm. Les séparations source-détecteur standard utilisées dans les exemples présentés ici sont de 2,5 cm pour le DCS et de 1,5, 2,0, 2,5 et 3,0 cm pour le FD-DOS.

La principale caractéristique du protocole présenté dans cette étude est le développement d’une interface temps réel qui peut à la fois contrôler le matériel avec une interface graphique conviviale et afficher les principaux paramètres de physiologie cérébrale en temps réel sous différentes fenêtres temporelles (Figure 1C). Le pipeline d’analyse en temps réel développé dans l’interface graphique proposée est rapide et prend moins de 50 ms pour calculer les paramètres optiques (voir le matériel supplémentaire pour plus de détails). L’interface graphique s’inspire des instruments cliniques actuels déjà disponibles à la neuro-USI, et elle a été adaptée grâce à de nombreux commentaires des utilisateurs cliniques lors de la traduction du système à la neuro-USI. Par conséquent, l’interface graphique en temps réel peut faciliter l’adoption du système optique par le personnel hospitalier régulier, tel que les neurointensivistes et les infirmières. L’adoption généralisée de l’optique diffuse en tant qu’outil de recherche clinique a le potentiel d’améliorer sa capacité à surveiller des données physiologiquement significatives et peut finalement démontrer que l’optique diffuse est une bonne option pour la surveillance non invasive des patients neurocritiques en temps réel.

Protocol

Le protocole a été approuvé par le comité local de l’Université de Campinas (numéro de protocole 56602516.2.0000.5404). Le consentement éclairé écrit a été obtenu du patient ou d’un représentant légal avant les mesures. Nous avons suivi les patients admis à l’hôpital clinique de l’Université de Campinas avec un diagnostic d’accident vasculaire cérébral ischémique ou d’hémorragie sous-arachnoïdienne affectant la circulation antérieure. Les patients ayant subi un AVC ischémique affectant …

Representative Results

Idéalement, les courbes d’autocorrélation normalisées obtenues avec le module DCS devraient être d’environ 1,5 à l’extrapolation du temps de retard nul (en utilisant des fibres monomodes14), et les courbes devraient se désintégrer à 1 à des temps de retard plus longs. La courbe devrait être lisse et avoir une décroissance plus rapide pour les séparations source-détecteur plus longues. Un exemple d’autocorrélation bonne est illustré à la figure 2A</stron…

Discussion

Cet article présentait un système optique hybride capable de fournir des informations en temps réel sur le flux sanguin cérébral, l’oxygénation cérébrale et le métabolisme cérébral de l’oxygène des patients neurocritiques à côté. L’utilisation de techniques d’optique diffuse avait déjà été abordée comme un marqueur potentiel pour la surveillance non invasive au chevet du patient dans des scénarios cliniques. Une étude précédente portait sur les aspects cliniques et la faisabilité d’une …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Nous reconnaissons le soutien de la Fondation de recherche de São Paulo (FAPESP) à travers les Proc. 2012/02500-8 (RM), 2014/25486-6 (RF) et 2013/07559-3. Les bailleurs de fonds n’ont joué aucun rôle dans la conception de l’étude, la collecte et l’analyse des données, la décision de publier ou la préparation du manuscrit.

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
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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).
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