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

Diffüz Optik Spektroskopilerle Nörokritik Hastaların Gerçek Zamanlı İzlenmesi

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

Burada, nörokritik hastaların serebral hemodinamiğini gerçek zamanlı olarak ve yatak başında diffüz optik kullanılarak invaziv olmayan bir şekilde izlemek için bir protokol sunulmuştur. Spesifik olarak, önerilen protokol, serebral oksijenasyon, serebral kan akışı ve serebral metabolizma hakkında gerçek zamanlı bilgileri tespit etmek ve görüntülemek için hibrit bir yaygın optik sistemler kullanır.

Abstract

Nörofizyolojik monitörizasyon, sekonder hasarı önleyebileceği ve morbidite ve mortalite oranlarını doğrudan etkileyebileceği için nörokritik hastaların tedavisinde önemli bir hedeftir. Bununla birlikte, şu anda yatak başında serebral fizyolojinin sürekli izlenmesi için uygun non-invaziv, gerçek zamanlı teknolojilerin eksikliği vardır. Diffüz optik teknikler, nörokritik hastalarda serebral kan akımı ve serebral oksijenasyonun yatak başı ölçümleri için potansiyel bir araç olarak önerilmiştir. Diffüz optik spektroskopiler, yenidoğan monitörizasyonundan yetişkinlerde serebrovasküler müdahalelere kadar çeşitli klinik senaryolarda hastaları izlemek için daha önce araştırılmıştır. Bununla birlikte, tekniğin klinisyenlere yatak başında gerçek zamanlı bilgi sağlayarak yardımcı olma fizibilitesi büyük ölçüde ele alınmamıştır. Burada, yoğun bakım sırasında serebral kan akışının, serebral oksijenasyonun ve serebral oksijen metabolizmasının sürekli gerçek zamanlı izlenmesi için yaygın bir optik sistemin çevirisini sunuyoruz. Cihazın gerçek zamanlı özelliği, arteriyel kan basıncı gibi vekil metriklere güvenmek yerine hastaya özgü serebral fizyolojiye dayalı tedavi stratejilerini mümkün kılabilir. Nispeten ucuz ve taşınabilir enstrümantasyonla farklı zaman ölçeklerinde serebral dolaşım hakkında gerçek zamanlı bilgi sağlayarak, bu yaklaşım özellikle düşük bütçeli hastanelerde, uzak bölgelerde ve açık alanlarda (örneğin, savunma ve spor) izleme için yararlı olabilir.

Introduction

Kritik nörolojik hastalarda kötü sonuçlara yol açan komplikasyonların çoğu serebral hemodinamik bozuklukların neden olduğu sekonder yaralanmalarla ilişkilidir. Bu nedenle bu hastaların serebral fizyolojisinin izlenmesi morbidite ve mortalite oranlarını doğrudan etkileyebilir1,2,3,4,5,6,7. Bununla birlikte, günümüzde, yatak başındaki nörokritik hastalarda serebral fizyolojinin sürekli gerçek zamanlı noninvaziv izlenmesi için kurulmuş bir klinik araç yoktur. Potansiyel adaylar arasında, yaygın optik teknikler son zamanlarda bu boşluğu doldurmak için umut verici bir araç olarak önerilmiştir 8,9,10,11. Kafa derisinden gelen dağınık olarak dağılmış yakın kızılötesi ışığın (~ 650-900 nm) yavaş değişimlerini (yani, onlarca ila yüzlerce ms mertebesinde) ölçerek, dağınık optik spektroskopi (DOS), beyindeki serebral oksi- (HbO) ve deoksi-hemoglobin (HbR) 12,13 gibi ana kromoforların konsantrasyonlarını ölçebilir. Ek olarak, serebral kan akışını (CBF) diffüz korelasyon spektroskopisi (DCS) 10,14,15,16,17 ile ışık yoğunluğundaki hızlı dalgalanmaları (yani birkaç μs’den birkaç ms’ye) ölçerek ölçmek mümkündür. Kombine edildiğinde, DOS ve DCS, oksijenin serebral metabolik hızının (CMRO 2) bir tahminini de sağlayabilir (CMRO2)18,19,20.

DOS ve DCS kombinasyonu, hastaları çeşitli klinik öncesi ve klinik senaryolarda izlemek için araştırılmıştır. Örneğin, diffüz optiklerin, kalp kusurlarını tedavi etmek için kalp ameliyatları sırasında da dahil olmak üzere, kritik hasta yenidoğanlar için 21,22,23,24 ilgili klinik bilgileri sağladığı gösterilmiştir 23,25,26,27,28 . Ek olarak, birkaç yazar, karotis endarterektomi 29,30,31, inme 32 için trombolitik tedaviler, yatak başı manipülasyonları 33,34,35, kardiyopulmoner resüsitasyon 36 ve diğerleri 37,38 gibi farklı serebrovasküler girişimler sırasında serebral hemodinamiği değerlendirmek için diffüz optiklerin kullanımını araştırmıştır. 39. Sürekli kan basıncı izlemesi de mevcut olduğunda, hem sağlıklı hem de kritik derecede hasta deneklerde 11,40,41,42 ve serebral dolaşımın kritik kapanış basıncını değerlendirmek için serebral otoregülasyonu izlemek için yaygın optikler kullanılabilir 43. Birçok yazar, DCS ile CBF ölçümlerini farklı altın standart CBF ölçümleri 18’e karşı doğrularken, yaygın optiklerle ölçülen CMRO2’nin nörokritik izleme için yararlı bir parametre olduğu gösterilmiştir 8,18,23,24,28,43,44,45 . Ek olarak, önceki çalışmalar, hipoksik46,47,48 ve iskemikolayların tahmini 8 de dahil olmak üzere, nörokritikhastaların 8,9,10,11 uzun süreli izlenmesi için optik olarak türetilmiş serebral hemodinamik parametreleri doğrulamıştır.

Yaygın optik tekniklerin, uzunlamasına ölçümler sırasında ve klinik müdahaleler sırasında değerli gerçek zamanlı bilgiler sağlamak için güvenilirliği büyük ölçüde ele alınmamıştır. Bağımsız bir DOS sisteminin kullanımı daha önce invaziv beyin dokusu oksijen gerilim monitörleriyle karşılaştırıldı ve DOS’un invaziv monitörlerin yerini almak için yeterli duyarlılığa sahip olmadığı düşünüldü. Bununla birlikte, nispeten küçük popülasyonların kullanılmasının yanı sıra, invaziv ve invaziv olmayan monitörlerin doğrudan karşılaştırılması, her teknik serebral vaskülatürün farklı kısımlarını içeren farklı hacimleri araştırdığı için yanlış yönlendirilebilir. Her ne kadar bu çalışmalar sonuçta diffüz optiğin invaziv monitörlerin yerini almadığı sonucuna varmış olsa da, her iki çalışmada da DOS, invaziv monitörlerin bulunmadığı vakalar ve / veya yerler için yeterli olabilecek orta-iyi bir doğruluk elde etmiştir.

Diğer yaklaşımlara göre, diffüz optiğin en önemli avantajı, taşınabilir enstrümantasyon kullanarak yatak başında kan akışını ve doku kan oksijenasyonunu aynı anda invaziv olmayan (ve sürekli) olarak ölçebilmesidir. Transkraniyal Doppler ultrason (TCD) ile karşılaştırıldığında, DCS’nin ek bir avantajı vardır: doku düzeyinde perfüzyonu ölçerken, TCD beynin tabanındaki büyük arterlerde serebral kan akış hızını ölçer. Bu ayrım, hem proksimal büyük arter akımının hem de leptomeningeal kollaterallerin perfüzyona katkıda bulunduğu steno-tıkayıcı hastalıkların değerlendirilmesinde özellikle önemli olabilir. Optik teknikler, Pozitron-Emisyon Tomografisi (PET) ve Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRG) gibi diğer geleneksel görüntüleme yöntemlerine kıyasla da avantajlara sahiptir. Tek başına MRG veya PET ile mümkün olmayan hem CBF hem de HbO / HbR konsantrasyonlarının doğrudan ölçümlerini aynı anda sağlamanın yanı sıra, optik izleme aynı zamanda önemli ölçüde daha iyi zamansal çözünürlük sağlar, örneğin, dinamik serebral otoregülasyon40,41,42’nin değerlendirilmesine ve dinamik olarak gelişen hemodinamik değişikliklerin değerlendirilmesine izin verir. Ayrıca, yaygın optik enstrümantasyon, düşük ve orta gelirli ülkelerde yüksek vasküler hastalık yükü göz önüne alındığında kritik bir avantaj olan PET ve MRG’ye kıyasla ucuz ve portatiftir.

Burada önerilen protokol, yoğun bakım ünitesindeki (YBÜ) hastaların gerçek zamanlı yatak başı nöromonitörizasyonu için bir ortamdır. Protokol, hastaları araştırmak için klinik dostu bir grafik kullanıcı arayüzü (GUI) ve özelleştirilmiş optik sensörler ile birlikte hibrit bir optik cihaz kullanır (Şekil 1). Bu protokolü sergilemek için kullanılan hibrit sistem, bağımsız modüllerden iki dağınık optik spektroskopiyi birleştirir: ticari frekans etki alanı (FD-) DOS modülü ve ev yapımı DCS modülü (Şekil 1A). FD-DOS modülü49,50, 4 fotoçarpan tüpü (PMT) ve dört farklı dalga boyunda (690, 704, 750 ve 850 nm) yayılan 32 lazer diyottan oluşur. DCS modülü, 785 nm’de yayılan uzun tutarlılıklı bir lazer, dedektör olarak 16 tek foton sayacı ve bir korelatör kartından oluşur. FD-DOS modülü için örnekleme frekansı 10 Hz’dir ve DCS modülü için maksimum örnekleme frekansı 3 Hz’dir. FD-DOS ve DCS modüllerini entegre etmek için, kontrol yazılımımızın içinde her modül arasında otomatik olarak geçiş yapacak bir mikrodenetleyici programlanmıştır. Mikrodenetleyici, FD-DOS ve DCS lazerlerini açıp kapatmanın yanı sıra her modülün ara yapraklı ölçümlerine izin vermek için FD-DOS dedektörlerini açmaktan sorumludur. Toplamda, önerilen sistem, sinyal-gürültü oranı (SNR) gereksinimlerine bağlı olarak her 0,5 ila 5 saniyede bir kombine FD-DOS ve DCS örneği toplayabilir (daha uzun toplama süreleri daha iyi SNR’ye yol açar). Işığı alnına bağlamak için, her hasta için özelleştirilebilen 3D baskılı bir optik prob geliştirdik (Şekil 1B), kaynak-dedektör ayrımları 0,8 ila 4,0 cm arasında değişiyor. Burada sunulan örneklerde kullanılan standart kaynak-dedektör ayrımları DCS için 2,5 cm ve FD-DOS için 1,5, 2,0, 2,5 ve 3,0 cm’dir.

Bu çalışmada sunulan protokolün temel özelliği, hem donanımı dostça bir GUI ile kontrol edebilen hem de ana serebral fizyoloji parametrelerini farklı zamansal pencereler altında gerçek zamanlı olarak görüntüleyebilen gerçek zamanlı bir arayüzün geliştirilmesidir (Şekil 1C). Önerilen GUI içinde geliştirilen gerçek zamanlı analiz boru hattı hızlıdır ve optik parametreleri hesaplamak için 50 ms’den az sürer (daha fazla ayrıntı için Ek Materyale bakın). GUI, nöro-YBÜ’de halihazırda mevcut olan mevcut klinik araçlardan ilham aldı ve sistemin nöro-YBÜ’ye çevirisi sırasında klinik kullanıcılar tarafından kapsamlı geri bildirimlerle uyarlandı. Sonuç olarak, gerçek zamanlı GUI, optik sistemin nörointensivistler ve hemşireler gibi düzenli hastane personeli tarafından benimsenmesini kolaylaştırabilir. Diffüz optiğin klinik bir araştırma aracı olarak geniş çapta benimsenmesi, fizyolojik olarak anlamlı verileri izleme yeteneğini geliştirme potansiyeline sahiptir ve sonuçta diffüz optiklerin nörokritik hastaları gerçek zamanlı olarak invaziv olmayan bir şekilde izlemek için iyi bir seçenek olduğunu gösterebilir.

Protocol

Protokol, Campinas Üniversitesi yerel komitesi tarafından onaylanmıştır (protokol numarası 56602516.2.0000.5404). Ölçümlerden önce hastadan veya yasal temsilcisinden yazılı bilgilendirilmiş onam alındı. Campinas Üniversitesi Klinik Hastanesi’ne iskemik inme veya ön dolaşımı etkileyen subaraknoid kanama tanısı ile başvuran hastaları izledik. Posterior dolaşımı etkileyen iskemik inme geçiren hastalar, artmış kafa içi basıncına bağlı dekompresif kraniektomisi olan hastalar ve diğer nörod…

Representative Results

İdeal olarak, DCS modülü ile elde edilen normalleştirilmiş otokorelasyon eğrileri, sıfır gecikme süresi ekstrapolasyonunda (tek modlu lifler14 kullanıldığında) yaklaşık 1,5 olmalı ve eğriler daha uzun gecikme sürelerinde 1’e düşmelidir. Eğri pürüzsüz olmalı ve daha uzun kaynak-dedektör ayrımları için daha hızlı bir bozunmaya sahip olmalıdır. İyi bir otokorelasyon örneği Şekil 2A’da gösterilmiştir. Şekil 2B</…

Discussion

Bu yazıda, nörokritik hastaların serebral kan akımı, serebral oksijenasyonu ve serebral oksijen metabolizması hakkında gerçek zamanlı bilgi sağlayabilen hibrid optik sistem sunulmuştur. Diffüz optik tekniklerin kullanımı daha önce klinik senaryolarda non-invaziv, yatak başı monitörizasyonu için potansiyel bir belirteç olarak ele alınmıştı. Önceki bir çalışma, nöro-YBÜ’de hastaneye yatış sırasında optik izlemenin klinik yönlerine ve fizibilitesine bir vaka sunumu ile odaklanmıştır<sup…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

São Paulo Araştırma Vakfı’nın (FAPESP) 2012/02500-8 (RM), 2014/25486-6 (RF) ve 2013/07559-3 sayılı Bildiriler aracılığıyla verdiği desteği kabul ediyoruz. Fon verenlerin çalışma tasarımı, veri toplama ve analizi, yayınlama kararı veya makalenin hazırlanmasında hiçbir rolü yoktu.

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

Keywords: Real-time MonitoringNeurocritical PatientsDiffuse Optical SpectroscopiesBrain PhysiologyPortable InstrumentationDiffuse OpticsBlood FlowOxygenationNeuro ICUOptical ProbeCalibration PhantomOptical PropertiesPatient ForeheadLaser Safety GogglesData Acquisition
check_url/61608?article_type=t

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