Echtzeit-Monitoring neurokritischer Patienten mit diffuser optischer Spektroskopie

Summary

Hier wird ein Protokoll zur nicht-invasiven Überwachung der zerebralen Hämodynamik neurokritischer Patienten in Echtzeit und am Krankenbett mittels diffuser Optik vorgestellt. Insbesondere verwendet das vorgeschlagene Protokoll ein hybrides diffuses optisches System, um Echtzeitinformationen über die zerebrale Sauerstoffversorgung, den zerebralen Blutfluss und den zerebralen Stoffwechsel zu erkennen und anzuzeigen.

Abstract

Die neurophysiologische Überwachung ist ein wichtiges Ziel bei der Behandlung neurokritischer Patienten, da sie Folgeschäden verhindern und sich direkt auf die Morbiditäts- und Mortalitätsraten auswirken kann. Derzeit fehlt es jedoch an geeigneten nicht-invasiven Echtzeittechnologien für die kontinuierliche Überwachung der zerebralen Physiologie am Krankenbett. Diffuse optische Techniken wurden als potenzielles Werkzeug für Messungen des zerebralen Blutflusses und der zerebralen Sauerstoffversorgung bei neurokritischen Patienten am Krankenbett vorgeschlagen. Die diffuse optische Spektroskopie wurde bereits zur Überwachung von Patienten in verschiedenen klinischen Szenarien untersucht, die von der Überwachung von Neugeborenen bis hin zu zerebrovaskulären Eingriffen bei Erwachsenen reichen. Die Machbarkeit der Technik, Kliniker durch die Bereitstellung von Echtzeitinformationen am Krankenbett zu unterstützen, bleibt jedoch weitgehend ungeklärt. In dieser Arbeit berichten wir über die Translation eines diffusen optischen Systems zur kontinuierlichen Echtzeitüberwachung des zerebralen Blutflusses, der zerebralen Oxygenierung und des zerebralen Sauerstoffstoffwechsels während der Intensivmedizin. Die Echtzeitfunktion des Instruments könnte Behandlungsstrategien ermöglichen, die auf der patientenspezifischen zerebralen Physiologie basieren, anstatt sich auf Surrogatmetriken wie den arteriellen Blutdruck zu verlassen. Durch die Bereitstellung von Echtzeitinformationen über die zerebrale Durchblutung auf verschiedenen Zeitskalen mit relativ billigen und tragbaren Instrumenten kann dieser Ansatz besonders in Low-Budget-Krankenhäusern, in abgelegenen Gebieten und für die Überwachung auf offenem Feld (z. B. Verteidigung und Sport) nützlich sein.

Introduction

Die meisten Komplikationen, die bei kritisch kranken neurologischen Patienten zu schlechten Ergebnissen führen, stehen im Zusammenhang mit sekundären Verletzungen, die durch zerebrale hämodynamische Beeinträchtigungen verursacht werden. Daher kann sich die Überwachung der zerebralen Physiologie dieser Patienten direkt auf die Morbiditäts- und Mortalitätsraten^auswirken 1,2,3,4,5,6,7. Derzeit gibt es jedoch kein etabliertes klinisches Werkzeug für die kontinuierliche nicht-invasive Echtzeitüberwachung der zerebralen Physiologie bei neurokritischen Patienten am Krankenbett. Unter den potenziellen Kandidaten wurden kürzlich diffuse optische Techniken als vielversprechendes Werkzeug vorgeschlagen, um diese Lücke zu schließen 8,9,10,11. Durch die Messung der langsamen Veränderungen (d. h. in der Größenordnung von zehn bis Hunderten von ms) des diffus gestreuten Nahinfrarotlichts (~650-900 nm) von der Kopfhaut kann die diffuse optische Spektroskopie (DOS) die Konzentrationen der Hauptchromophore im Gehirn messen, wie z. B. zerebrales Oxy- (HbO) und Desoxy-Hämoglobin (HbR)^12,13. Darüber hinaus ist es möglich, den zerebralen Blutfluss (CBF) mit diffuser Korrelationsspektroskopie (DCS) zu messen10,14,15,16,17 durch Quantifizierung der schnellen Schwankungen der Lichtintensität (d. h. von einigen μs bis zu einigen ms). In Kombination können DOS und DCS auch eine Schätzung der zerebralen Sauerstoffstoffwechselrate (CMRO₂)^18,19,20 liefern.

Die Kombination von DOS und DCS wurde untersucht, um Patienten in verschiedenen präklinischen und klinischen Szenarien zu überwachen. So hat sich beispielsweise gezeigt, dass diffuse Optiken relevante klinische Informationen für kritisch kranke Neugeborene^liefern 21,22,23,24, auch bei Herzoperationen zur Behandlung von Herzfehlern 23,25,26,27,28 . Darüber hinaus haben mehrere Autoren die Verwendung diffuser Optiken zur Beurteilung der zerebralen Hämodynamik bei verschiedenen zerebrovaskulären Eingriffen untersucht, wie z. B. Carotis-Endarteriektomie 29,30,31, thrombolytische Behandlungen bei Schlaganfall 32, Kopf-des-Bett-Manipulationen 33,34,35, Herz-Lungen-Wiederbelebung 36 und andere ^{37,38, 39}. Der Teufel Wenn auch eine kontinuierliche Blutdrucküberwachung zur Verfügung steht, kann eine diffuse Optik zur Überwachung der zerebralen Autoregulation sowohl bei gesunden als auch bei kritisch kranken Probanden verwendet werden 11,40,41,42 sowie zur Beurteilung des kritischen Schließdrucks des Hirnkreislaufs ⁴³. Mehrere Autoren haben CBF-Messungen mit DCS anhand verschiedener Goldstandard-CBF-Messungen validiert 18, während sich CMRO_2-Messungen mit diffuser Optik als nützlicher Parameter für die neurokritische Überwachung erwiesen haben 8,18,23,24,28,43,44,45 . Darüber hinaus haben frühere Studien die optisch abgeleiteten zerebralen hämodynamischen Parameter für die Langzeitüberwachung neurokritischer Patienten^validiert 8,9,10,11, einschließlich für die Vorhersage von hypoxischen 46,47,48 und ischämischen Ereignissen ⁸.

Die Zuverlässigkeit der diffusen optischen Techniken, wertvolle Echtzeitinformationen sowohl bei Längsschnittmessungen als auch bei klinischen Eingriffen zu liefern, bleibt weitgehend unerforscht. Die Verwendung eines eigenständigen DOS-Systems wurde zuvor mit invasiven Sauerstoffspannungsmonitoren für Hirngewebe verglichen, und DOS wurde als nicht empfindlich genug angesehen, um die invasiven Monitore zu ersetzen. Abgesehen von der Verwendung relativ kleiner Populationen kann der direkte Vergleich der invasiven und nicht-invasiven Monitore jedoch fehlgeleitet sein, da jede Technik unterschiedliche Volumina untersucht, die unterschiedliche Teile des zerebralen Gefäßsystems enthalten. Auch wenn diese Studien letztendlich zu dem Schluss kamen, dass diffuse Optiken kein Ersatz für die invasiven Monitore sind, erreichte DOS in beiden Studien eine mittlere bis gute Genauigkeit, die für Fälle und/oder Orte, an denen invasive Monitore nicht verfügbar sind, ausreichend sein kann.

Im Vergleich zu anderen Ansätzen besteht der Hauptvorteil der diffusen Optik darin, dass sie gleichzeitig den Blutfluss und die Sauerstoffversorgung des Gewebes nicht-invasiv (und kontinuierlich) am Krankenbett mit tragbaren Instrumenten messen kann. Im Vergleich zum transkraniellen Doppler-Ultraschall (TCD) hat die DCS einen weiteren Vorteil: Sie misst die Durchblutung auf Gewebeebene, während die TCD die zerebrale Blutflussgeschwindigkeit in großen Arterien an der Basis des Gehirns misst. Diese Unterscheidung kann besonders wichtig sein, wenn es darum geht, stenookklusive Erkrankungen zu beurteilen, bei denen sowohl der proximale große Arterienfluss als auch leptomeningeale Kollateralen zur Perfusion beitragen. Optische Verfahren haben auch Vorteile im Vergleich zu anderen traditionellen Bildgebungsmodalitäten wie der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und der Magnetresonanztomographie (MRT). Neben der gleichzeitigen direkten Messung von CBF- und HbO/HbR-Konzentrationen, was mit MRT oder PET allein nicht möglich ist, bietet das optische Monitoring auch eine deutlich bessere zeitliche Auflösung, die beispielsweise die Beurteilung der dynamischen zerebralen Autoregulation^40,41,42 und die Beurteilung dynamisch entwickelnder hämodynamischer Veränderungen ermöglicht. Darüber hinaus sind diffuse optische Instrumente im Vergleich zu PET und MRT kostengünstig und tragbar, was angesichts der hohen Belastung durch Gefäßerkrankungen in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen ein entscheidender Vorteil ist.

Bei dem hier vorgeschlagenen Protokoll handelt es sich um eine Umgebung für das Echtzeit-Neuromonitoring von Patienten auf der Intensivstation. Das Protokoll verwendet ein hybrides optisches Gerät zusammen mit einer klinisch freundlichen grafischen Benutzeroberfläche (GUI) und kundenspezifischen optischen Sensoren, um die Patienten zu untersuchen (Abbildung 1). Das Hybridsystem, das zur Demonstration dieses Protokolls verwendet wird, kombiniert zwei diffuse optische Spektroskopien aus unabhängigen Modulen: ein kommerzielles Frequenzbereichsmodul (FD-) DOS-Modul und ein selbstgebautes DCS-Modul (Abbildung 1A). Das FD-DOS-Modul^49,50 besteht aus 4 Photomultiplier-Röhren (PMTs) und 32 Laserdioden, die bei vier verschiedenen Wellenlängen (690, 704^, 750 und ⁸⁵⁰ nm) emittieren. Das DCS-Modul besteht aus einem Langkohärenzlaser, der bei 785 nm emittiert, 16 Einzelphotonenzählern als Detektoren und einer Korrelatorplatine. Die Abtastfrequenz für das FD-DOS-Modul beträgt 10 Hz und die maximale Abtastfrequenz für das DCS-Modul 3 Hz. Um die FD-DOS- und DCS-Module zu integrieren, wurde ein Mikrocontroller in unserer Steuerungssoftware programmiert, der automatisch zwischen den einzelnen Modulen umschaltet. Der Mikrocontroller ist für das Ein- und Ausschalten der FD-DOS- und DCS-Laser sowie der FD-DOS-Detektoren verantwortlich, um verschachtelte Messungen der einzelnen Module zu ermöglichen. Insgesamt kann das vorgeschlagene System alle 0,5 bis 5 s eine kombinierte FD-DOS- und DCS-Probe sammeln, abhängig von den Anforderungen an das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) (längere Erfassungszeiten führen zu einem besseren SNR). Um das Licht an die Stirn anzukoppeln, haben wir eine 3D-gedruckte optische Sonde entwickelt, die für jeden Patienten individuell angepasst werden kann (Abbildung 1B), wobei die Abstände zwischen Quelle und Detektor zwischen 0,8 und 4,0 cm variieren. Die Standard-Quellen-Detektor-Trennungen, die in den hier vorgestellten Beispielen verwendet werden, betragen 2,5 cm für DCS und 1,5, 2,0, 2,5 und 3,0 cm für FD-DOS.

Das Hauptmerkmal des in dieser Studie vorgestellten Protokolls ist die Entwicklung einer Echtzeitschnittstelle, die sowohl die Hardware mit einer benutzerfreundlichen GUI steuern als auch die wichtigsten zerebralen physiologischen Parameter in Echtzeit unter verschiedenen Zeitfenstern anzeigen kann (Abbildung 1C). Die Echtzeit-Analyse-Pipeline, die innerhalb der vorgeschlagenen GUI entwickelt wurde, ist schnell und benötigt weniger als 50 ms, um die optischen Parameter zu berechnen (siehe ergänzendes Material für weitere Details). Die GUI wurde von aktuellen klinischen Instrumenten inspiriert, die bereits auf der Neuro-Intensivstation verfügbar sind, und sie wurde durch umfangreiches Feedback von klinischen Anwendern während der Translation des Systems auf die Neuro-Intensivstation angepasst. Folglich kann die Echtzeit-GUI die Einführung des optischen Systems durch reguläres Krankenhauspersonal, wie z. B. Neurointensivmediziner und Krankenschwestern, erleichtern. Die breite Einführung der diffusen Optik als klinisches Forschungsinstrument hat das Potenzial, die Fähigkeit zur Überwachung physiologisch aussagekräftiger Daten zu verbessern und letztendlich zu zeigen, dass die diffuse Optik eine gute Option für die nicht-invasive Überwachung neurokritischer Patienten in Echtzeit ist.

Protocol

Das Protokoll wurde vom lokalen Komitee der Universität Campinas genehmigt (Protokollnummer 56602516.2.0000.5404). Vor den Messungen wurde eine schriftliche Einverständniserklärung des Patienten oder eines gesetzlichen Vertreters eingeholt. Wir überwachten Patienten, die entweder mit der Diagnose eines ischämischen Schlaganfalls oder einer Subarachnoidalblutung mit der Diagnose eines ischämischen Schlaganfalls oder einer Subarachnoidalblutung im vorderen Kreislauf aufgenommen wurden. Patienten mit ischämischen Sch…

Representative Results

Idealerweise sollten die normalisierten Autokorrelationskurven, die mit dem DCS-Modul erhalten werden, bei der Nullverzögerungszeitextrapolation (bei Verwendung von Singlemode-Fasern14) ungefähr 1,5 betragen, und die Kurven sollten bei längeren Verzögerungszeiten auf 1 abfallen. Die Kurve sollte glatt sein und bei längeren Trennungen zwischen Quelle und Detektor einen schnelleren Abklang aufweisen. Ein Beispiel für eine gute Autokorrelation ist in Abbildung 2A d…

Discussion

In dieser Arbeit wurde ein hybrides optisches System vorgestellt, das Echtzeitinformationen über den zerebralen Blutfluss, die zerebrale Sauerstoffversorgung und den zerebralen Sauerstoffstoffwechsel von neurokritischen Patienten liefern kann. Der Einsatz diffuser optischer Techniken wurde zuvor als potenzieller Marker für das nicht-invasive Monitoring am Krankenbett in klinischen Szenarien diskutiert. Eine frühere Studie konzentrierte sich anhand eines Fallberichts auf die klinischen Aspekte und die Durchführbarkeit…

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