Представлен протокол неинвазивного мониторинга церебральной гемодинамики нейрокритических пациентов в режиме реального времени и у постели больного с использованием диффузной оптики. В частности, предлагаемый протокол использует гибридные диффузные оптические системы для обнаружения и отображения в режиме реального времени информации о церебральной оксигенации, мозговом кровотоке и церебральном метаболизме.
Нейрофизиологический мониторинг является важной целью лечения нейрокритических пациентов, поскольку он может предотвратить вторичное повреждение и напрямую повлиять на показатели заболеваемости и смертности. Однако в настоящее время не хватает подходящих неинвазивных технологий в режиме реального времени для непрерывного мониторинга физиологии головного мозга у постели больного. Диффузные оптические методы были предложены в качестве потенциального инструмента для прикроватных измерений мозгового кровотока и церебральной оксигенации у нейрокритических пациентов. Диффузная оптическая спектроскопия ранее изучалась для наблюдения за пациентами в нескольких клинических сценариях, начиная от неонатального мониторинга и заканчивая цереброваскулярными вмешательствами у взрослых. Тем не менее, возможность использования этого метода для оказания помощи клиницистам путем предоставления информации в режиме реального времени у постели больного остается в значительной степени нерешенной. Здесь мы сообщаем о трансляции диффузной оптической системы для непрерывного мониторинга мозгового кровотока в режиме реального времени, церебральной оксигенации и церебрального метаболизма кислорода во время интенсивной терапии. Функция инструмента в режиме реального времени может позволить использовать стратегии лечения, основанные на специфической для пациента физиологии головного мозга, а не полагаться на суррогатные показатели, такие как артериальное давление. Предоставляя информацию о мозговом кровообращении в режиме реального времени в различных временных масштабах с помощью относительно дешевых и портативных инструментов, этот подход может быть особенно полезен в малобюджетных больницах, в отдаленных районах и для мониторинга на открытых полях (например, оборона и спорт).
Большинство осложнений, которые приводят к неблагоприятным исходам у критически больных неврологических пациентов, связаны с вторичными травмами, вызванными нарушениями церебральной гемодинамики. Таким образом, мониторинг физиологии головного мозга этих пациентов может напрямую влиять на показатели заболеваемости и смертности 1,2,3,4,5,6,7. Однако в настоящее время не существует установленного клинического инструмента для непрерывного неинвазивного мониторинга физиологии головного мозга в режиме реального времени у нейрокритических пациентов у постели больного. Среди потенциальных кандидатов недавно были предложены диффузные оптические методы в качестве перспективного инструмента для заполнения этого пробела 8,9,10,11. Измеряя медленные изменения (т.е. порядка десятков и сотен мс) диффузно рассеянного ближнего инфракрасного света (~ 650-900 нм) от кожи головы, диффузная оптическая спектроскопия (DOS) может измерять концентрации основных хромофоров в головном мозге, таких как церебральный окси- (HbO) и дезоксигемоглобин (HbR)12,13. Кроме того, можно измерить мозговой кровоток (CBF) с помощью диффузной корреляционной спектроскопии (DCS)10,14,15,16,17 путем количественной оценки быстрых колебаний интенсивности света (т.е. от нескольких мкс до нескольких мс). В сочетании DOS и DCS также могут дать оценку скорости метаболизма кислорода в головном мозге (CMRO2)18,19,20.
Комбинация DOS и DCS была изучена для наблюдения за пациентами в нескольких доклинических и клинических сценариях. Например, было показано, что диффузная оптика предоставляет актуальную клиническую информацию для новорожденных в критическом состоянии 21,22,23,24, в том числе во время операций на сердце для лечения пороков сердца 23,25,26,27,28 . Кроме того, несколько авторов исследовали использование диффузной оптики для оценки церебральной гемодинамики при различных цереброваскулярных вмешательствах, таких как каротидная эндартерэктомия 29,30,31, тромболитическое лечение инсульта 32, манипуляции с изголовьем кровати 33,34,35, сердечно-легочная реанимация 36 и другие 37,38, 39. Когда также доступен непрерывный мониторинг артериального давления, диффузная оптика может быть использована для мониторинга церебральной ауторегуляции как у здоровых, так и у критически больных субъектов 11,40,41,42, а также для оценки критического закрывающего давления мозгового кровообращения 43. Несколько авторов подтвердили измерения CBF с помощью DCS по сравнению с различными показателями CBFзолотого стандарта 18, в то время как было показано, что CMRO2, измеренный с помощью диффузной оптики, является полезным параметром для нейрокритического мониторинга 8,18,23,24,28,43,44,45 . Кроме того, в предыдущих исследованиях были подтверждены оптические параметры церебральной гемодинамики для долгосрочного мониторинга нейрокритических пациентов 8,9,10,11, в том числе для прогнозирования гипоксических 46,47,48 и ишемических событий 8.
Надежность диффузных оптических методов для предоставления ценной информации в режиме реального времени во время продольных измерений, а также во время клинических вмешательств остается в значительной степени нерешенной. Использование автономной системы DOS ранее сравнивалось с инвазивными мониторами напряжения кислорода в тканях головного мозга, и считалось, что DOS не обладает достаточной чувствительностью для замены инвазивных мониторов. Однако, помимо использования относительно небольших популяций, прямое сравнение инвазивных и неинвазивных мониторов может быть ошибочным, поскольку каждый метод исследует разные объемы, содержащие разные части сосудистой сети головного мозга. Несмотря на то, что эти исследования в конечном итоге пришли к выводу, что диффузная оптика не является заменой инвазивным мониторам, в обоих исследованиях DOS достиг умеренной или хорошей точности, которая может быть достаточной для случаев и / или мест, где инвазивные мониторы недоступны.
По сравнению с другими подходами, ключевым преимуществом диффузной оптики является ее способность одновременно измерять кровоток и оксигенацию тканевой крови неинвазивно (и непрерывно) у постели больного с помощью портативных приборов. По сравнению с транскраниальным допплеровским ультразвуком (ТКД) DCS имеет дополнительное преимущество: он измеряет перфузию на тканевом уровне, тогда как TCD измеряет скорость мозгового кровотока в крупных артериях у основания мозга. Это различие может быть особенно важно при оценке стеноокклюзионных заболеваний, при которых перфузии способствуют как проксимальный кровоток в крупных артериях, так и лептоменингеальные коллатерали. Оптические методы также имеют преимущества по сравнению с другими традиционными методами визуализации, такими как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ). В дополнение к одновременному обеспечению прямых измерений концентраций как CBF, так и HbO/HbR, что невозможно только с помощью МРТ или ПЭТ, оптический мониторинг также обеспечивает значительно лучшее временное разрешение, позволяя, например, оценить динамическую ауторегуляцию головного мозга40,41,42 и оценить динамически развивающиеся гемодинамические изменения. Кроме того, диффузные оптические приборы являются недорогими и портативными по сравнению с ПЭТ и МРТ, что является критическим преимуществом, учитывая высокое бремя сосудистых заболеваний в странах с низким и средним уровнем дохода.
Предлагаемый здесь протокол представляет собой среду для прикроватного нейромониторинга пациентов в отделении интенсивной терапии (ОИТ) в режиме реального времени. Протокол использует гибридное оптическое устройство вместе с клинически удобным графическим пользовательским интерфейсом (GUI) и настраиваемыми оптическими датчиками для зондирования пациентов (рис. 1). Гибридная система, используемая для демонстрации этого протокола, сочетает в себе две диффузные оптические спектроскопии из независимых модулей: коммерческий модуль DOS в частотной области (FD-) и самодельный модуль DCS (рис. 1A). Модуль49,50 FD-DOS состоит из 4 фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) и 32 лазерных диодов, излучающих на четырех различных длинах волн (690, 704, 750 и 850 нм). Модуль DCS состоит из длиннокогерентного лазера, излучающего на длине волны 785 нм, 16 однофотонных счетчиков в качестве детекторов и платы коррелятора. Частота дискретизации модуля FD-DOS составляет 10 Гц, а максимальная частота дискретизации модуля DCS — 3 Гц. Для интеграции модулей FD-DOS и DCS в нашем управляющем программном обеспечении был запрограммирован микроконтроллер для автоматического переключения между каждым модулем. Микроконтроллер отвечает за включение и выключение лазеров FD-DOS и DCS, а также детекторов FD-DOS, позволяющих проводить измерения каждого модуля с чередованием. В общей сложности предлагаемая система может собирать один комбинированный образец FD-DOS и DCS каждые 0,5-5 с, в зависимости от требований к отношению сигнал/шум (SNR) (более длительное время сбора приводит к лучшему SNR). Чтобы соединить свет со лбом, мы разработали оптический зонд, напечатанный на 3D-принтере, который можно настроить для каждого пациента (рис. 1B), с расстоянием между источником и детектором от 0,8 до 4,0 см. Стандартное разделение источника-детектора, используемое в представленных здесь примерах, составляет 2,5 см для DCS и 1,5, 2,0, 2,5 и 3,0 см для FD-DOS.
Главной особенностью протокола, представленного в данном исследовании, является разработка интерфейса реального времени, который может как управлять аппаратным обеспечением с дружественным графическим интерфейсом, так и отображать основные параметры физиологии головного мозга в режиме реального времени при различных временных окнах (рис. 1С). Конвейер анализа в реальном времени, разработанный в рамках предлагаемого графического интерфейса, является быстрым и занимает менее 50 мс для вычисления оптических параметров (см. Дополнительные материалы для получения более подробной информации). Графический интерфейс был вдохновлен текущими клиническими инструментами, уже доступными в нейро-ОИТ, и он был адаптирован на основе обширных отзывов клинических пользователей во время перевода системы в нейро-ОИТ. Следовательно, графический интерфейс реального времени может облегчить внедрение оптической системы штатным персоналом больницы, таким как нейрореаниматологи и медсестры. Широкое внедрение диффузной оптики в качестве инструмента клинических исследований может повысить ее способность контролировать физиологически значимые данные и в конечном итоге может продемонстрировать, что диффузная оптика является хорошим вариантом для неинвазивного мониторинга нейрокритических пациентов в режиме реального времени.
В этой статье представлена гибридная оптическая система, которая может предоставлять информацию в режиме реального времени о мозговом кровотоке, церебральной оксигенации и церебральном метаболизме кислорода у нейрокритических пациентов. Использование диффузных оптических методов …
The authors have nothing to disclose.
Мы выражаем признательность за поддержку со стороны Исследовательского фонда Сан-Паулу (FAPESP) в соответствии с Proc. 2012/02500-8 (RM), 2014/25486-6 (RF) и 2013/07559-3. Спонсоры не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.
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 |