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Medicine

びまん性光学分光法による神経クリティカル患者のリアルタイムモニタリング

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

ここに提示されるのは、びまん性光学を使用して、神経クリティカル患者の脳血行動態をリアルタイムおよびベッドサイドで非侵襲的に監視するためのプロトコルです。具体的には、ハイブリッド拡散光学系を用いて、脳酸素化、脳血流、脳代謝に関するリアルタイム情報を検出・表示するプロトコルを提案します。

Abstract

神経生理学的モニタリングは、二次損傷を防ぎ、罹患率と死亡率に直接影響を与える可能性があるため、神経クリティカル患者の治療における重要な目標です。しかし、現在、ベッドサイドで脳生理学を継続的に監視するための適切な非侵襲的なリアルタイム技術が不足しています。神経クリティカルな患者の場合の脳血流および脳酸素化のベッドサイド測定のための潜在的なツールとして、びまん性光学技術が提案されている。拡散光分光法は、新生児モニタリングから成人の脳血管介入に至るまで、いくつかの臨床シナリオで患者を監視するために以前に検討されてきました。しかし、ベッドサイドでリアルタイムの情報を提供することによって臨床医を支援する技術の実現可能性は、ほとんど対処されていないままです。本稿では,集中治療中の脳血流,脳酸素化,脳酸素代謝の連続リアルタイムモニタリングのための拡散光学系の変換について報告する.この装置のリアルタイム機能により、動脈血圧などの代理指標に依存するのではなく、患者固有の脳生理学に基づく治療戦略が可能になります。比較的安価でポータブルな機器を使用して、さまざまな時間スケールで脳循環に関するリアルタイムの情報を提供することにより、このアプローチは、低予算の病院、遠隔地、およびオープンフィールド(防衛やスポーツなど)でのモニタリングに特に役立つ可能性があります。

Introduction

重症の神経学的患者の転帰不良につながる合併症のほとんどは、脳血行動態障害によって引き起こされる二次損傷に関連しています。したがって、これらの患者の脳生理機能を監視することは、罹患率および死亡率に直接影響を与える可能性がある1、2、3、4、5、6、7。しかし、現在、ベッドサイドでの神経クリティカル患者の脳生理学の継続的なリアルタイム非侵襲的モニタリングのための確立された臨床ツールはありません。潜在的な候補の中で、拡散光学技術は、このギャップを埋めるための有望なツールとして最近提案されています8,9,10,11。拡散光分光法(DOS)は、頭皮からの拡散散乱近赤外光(~650-900 nm)のゆっくりとした変化(数十〜数百ミリ秒程度)を測定することにより、脳オキシ(HbO)やデオキシヘモグロビン(HbR)などの脳内の主要な発色団の濃度を測定することができます12,13。さらに、拡散相関分光法(DCS)10,14,15,16,17を用いて、光強度の急激な変動(数μsから数ms)を定量化することにより、脳血流(CBF)を測定することができます。DOSとDCSを組み合わせると、脳の酸素代謝率(CMRO2)の推定値も提供できます18,19,20。

DOSとDCSの組み合わせは、いくつかの前臨床および臨床シナリオで患者を監視するために検討されています。例えば、びまん性光学系は、心臓欠損を治療するための心臓手術中を含む、重症の新生児21,22,23,24に関連する臨床情報を提供することが示されている23,25,26,27,28。.さらに、何人かの著者は、頸動脈内膜剥離術29,30,31、脳卒中の血栓溶解治療32、ベッド頭操作33,34,35、心肺蘇生法36、その他37,38など、さまざまな脳血管介入中の脳血行動態を評価するためのびまん性光学の使用を調査しました37,38、39。継続的な血圧モニタリングも利用可能な場合、びまん性光学系を使用して、健康な被験者と重症の被験者の両方における脳の自己調節を監視し11、40、41、42、および脳循環の臨界閉鎖圧を評価することができます43。何人かの著者は、異なるゴールドスタンダードCBF測定値18に対してDCSによるCBF測定を検証しましたが、拡散光学系で測定されたCMRO2は、神経臨界モニタリングに有用なパラメータであることが示されています8,18,23,24,28,43,44,45.さらに、以前の研究では、低酸素46,47,48および虚血性イベントの予測を含む、神経クリティカル患者8,9,10,11の長期モニタリングのための光学的に導出された脳血行動態パラメータを検証しています8。

縦断的測定中および臨床介入中に貴重なリアルタイム情報を提供する拡散光学技術の信頼性は、ほとんど対処されていないままです。スタンドアロンのDOSシステムの使用は、以前は侵襲性脳組織酸素圧モニターと比較されており、DOSは侵襲的モニターを置き換えるのに十分な感度がないと見なされていました。ただし、比較的小さな集団を使用することは別として、侵襲的モニターと非侵襲的モニターの直接比較は、各技術が脳血管系の異なる部分を含む異なるボリュームをプローブするため、誤った方向に導かれる可能性がある。これらの研究は最終的に拡散光学系が侵襲的モニターの代替品ではないと結論付けたが、両方の研究において、DOSは中程度から良好な精度を達成し、侵襲的モニターが利用できない症例および/または場所には十分である可能性がある。

他のアプローチと比較して、拡散光学の主な利点は、ポータブル機器を使用してベッドサイドで血流と組織の血液酸素化を同時に非侵襲的に(そして継続的に)測定できることです。経頭蓋ドップラー超音波(TCD)と比較して、DCSには組織レベルで灌流を測定するのに対し、TCDは脳基部の大動脈の脳血流速度を測定するという追加の利点があります。この区別は、近位大動脈流と軟髄膜側副血行路の両方が灌流に寄与する狭窄閉塞性疾患を評価する場合に特に重要になる可能性があります。光学技術は、陽電子放出断層撮影(PET)や磁気共鳴画像法(MRI)などの他の従来のイメージングモダリティと比較した場合にも利点があります。MRIまたはPET単独では不可能なCBF濃度とHbO/HbR濃度の両方の直接測定を同時に提供することに加えて、光学モニタリングは、例えば、動的脳自己調節の評価40,41,42および動的に進化する血行動態変化の評価を可能にする、有意に優れた時間分解能を提供する。さらに、びまん性光学機器は、PETやMRIと比較して安価で持ち運びに便利であり、低中所得国における血管疾患の負担が大きいことを考えると、これは重要な利点です。

ここで提案するプロトコルは、集中治療室(ICU)の患者のリアルタイムのベッドサイドニューロモニタリングのための環境です。このプロトコルは、ハイブリッド光学デバイスと、臨床に適したグラフィカルユーザーインターフェイス(GUI)およびカスタマイズされた光学センサーを使用して、患者を調査します(図1)。このプロトコルを紹介するために採用されたハイブリッドシステムは、独立したモジュールからの2つの拡散光分光法、商用周波数領域(FD-)DOSモジュールと自家製DCSモジュールを組み合わせたものです(図1A)。FD-DOSモジュール49,50は、4つの異なる波長(690、704、750、850nm)で発光する4つの光電子増倍管(PMT)と32個のレーザーダイオードで構成されています。DCSモジュールは、785nmで発光する長コヒーレンスレーザー、検出器としての16個の単一光子カウンター、および相関器ボードで構成されています。FD-DOSモジュールのサンプリング周波数は10Hzで、DCSモジュールの最大サンプリング周波数は3Hzです。FD-DOSモジュールとDCSモジュールを統合するために、制御ソフトウェア内でマイクロコントローラがプログラムされ、各モジュールが自動的に切り替わります。マイクロコントローラは、FD-DOSおよびDCSレーザのオン/オフ、および各モジュールのインターリーブ測定を可能にするFD-DOS検出器のオンとオフを行います。提案システムは、信号対雑音比(SNR)の要件に応じて、合計で0.5〜5秒ごとにFD-DOSとDCSを組み合わせたサンプルを1つ収集できます(収集時間が長いほどSNRが向上します)。光を額に結合するために、患者ごとにカスタマイズできる3Dプリントされた光学プローブを開発し(図1B)、ソース検出器の分離は0.8〜4.0 cmの間で変化します。ここに示す例で使用されている標準的なソース検出器の分離は、DCSの場合は2.5 cm、FD-DOSの場合は1.5、2.0、2.5、および3.0 cmです。

本研究で紹介するプロトコルの主な特徴は、使いやすいGUIでハードウェアを制御し、さまざまな時間窓の下で主要な脳生理学パラメータをリアルタイムで表示できるリアルタイムインターフェイスの開発です(図1C)。提案されたGUI内で開発されたリアルタイム解析パイプラインは高速で、光学パラメータの計算に50ミリ秒未満かかります(詳細については補足 資料 を参照してください)。GUIは、ニューロICUですでに入手可能な現在の臨床機器に触発され、システムをneuro-ICUに変換する際に臨床ユーザーからの広範なフィードバックを通じて適応されました。その結果、リアルタイムGUIは、神経集中症医や看護師などの通常の病院スタッフによる光学システムの採用を容易にすることができます。臨床研究ツールとしての拡散光学の幅広い採用は、生理学的に意味のあるデータを監視する能力を高める可能性があり、最終的には、びまん性光学が神経に重要な患者をリアルタイムで非侵襲的に監視するための優れたオプションであることを実証することができます。

Protocol

プロトコルは、カンピーナス大学の地方委員会(プロトコル番号56602516.2.0000.5404)によって承認されました。書面によるインフォームドコンセントは、測定前に患者または法定代理人から得られました。カンピーナス大学クリニック病院に入院し、虚血性脳卒中または前循環に影響を及ぼすくも膜下出血のいずれかと診断された患者をモニターした。後循環に影響を与える虚血性脳卒中の患者、…

Representative Results

理想的には、DCSモジュールで得られる正規化された自己相関曲線は、ゼロ遅延時間外挿(シングルモードファイバ14を使用する場合)で約1.5であり、曲線はより長い遅延時間で1に減衰する必要があります。曲線は滑らかでなければならず、より長いソース検出器の分離のためにより速い減衰を持つべきです。良好な自己相関の例を 図2Aに示します。 <strong…

Discussion

本稿では,神経臨界患者の脳血流,脳酸素化,脳酸素代謝に関するリアルタイム情報を提供できるハイブリッド光学系について紹介した.びまん性光学技術の使用は、臨床シナリオにおける非侵襲的なベッドサイドモニタリングの潜在的なマーカーとして以前に取り上げられていました。以前の研究では、症例報告9を通じて、神経ICUでの入院中の光学モニタリングの臨床的側面?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

我々は、サンパウロ研究財団(FAPESP)によるProc. 2012/02500-8 (RM)、2014/25486-6 (RF)及び2013/07559-3を通じた支援に感謝する。資金提供者は、研究デザイン、データ収集と分析、出版の決定、または原稿の準備において何の役割も果たしていませんでした。

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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