乳幼児の脳代謝と血行動態の非侵襲的光計測

我々は、酸素代謝の指標を推定する脳血流指数の拡散相関分光法対策に脳内ヘモグロビンの酸素化の周波数領域から近赤外分光法対策を組み合わせる。我々は、新生児の脳の健康と発達を評価するためのベッドサイドスクリーニングツールとしてこの測定の有用性を検証した。

周産期の脳損傷は、乳児死亡率と罹患率の重要な原因のままですが、正確には、脳損傷のためのスクリーニング傷害の進化を監視したり、治療に対する反応を評価することができる効果的なベッドサイドのツールはまだありません。ニューロンによって使用されるエネルギーは、主に組織の酸化的代謝に由来しており、神経活動亢進と細胞死が脳酸素代謝の対応する変化（CMRO _2）で反映されます。したがって、CMRO ₂の措置は、ニューロン生存能力を反映しているとCMRO ₂脳の健康の枕元の測定のための理想的なターゲットを作成し、重要な診断情報を提供します。

脳イメージング、陽電子放射断層撮影法（PET）や脳グルコースと酸素代謝の単一光子放出コンピュータ断層撮影（SPECT）収対策などの技術が、これらの技術は、放射性ヌクレオチドの投与を必要とするので、彼らは唯一の最も深刻な例で使用されている。

連続波の近赤外分光法（CWNIRS）は脳の酸素消費量の代用としてヘモグロビンの酸素飽和度の非侵襲的および非電離放射線対策（SO _2）を提供_しています。しかし、SO _2は、それが酸素運搬と消費の両方に影響されるように脳酸素代謝のための代理として理想的とは言えません。酸素消費量と配信が急性過渡^3の後、平衡に達するので、さらに、SO ₂の測定は、陵辱^1,2後の脳損傷の時間を検出するのに十分な小文字は区別されません。私たちは、健康と脳障害新生児の枕元で脳酸素代謝を定量化するために、より洗練された放医研の光学的方法を使用する可能性を検討した。具体的には、yielに拡散相関分光法（DCS）は血流指数の指標（CBF _i）と周波数領域の_{NIRS（FDNIRS）2} SOの尺度を組み合わせたD CMRO _{2（CMRO ^2I）4,5}のインデックス。

複合FDNIRS / DCSシステムで、私たちは脳代謝や血行動態を定量化することができます。これは、脳の健康、脳の発達、および新生児の治療への反応を検出するためのCWNIRS上の改善を表しています。さらに、この方法は、感染制御とレーザーの安全性に関する制度政策上のすべての新生児集中治療室（NICU）のポリシーに準拠しています。将来の仕事はベッドサイドで取得時間を削減し、データ棄却率を低減するために、データ品質のリアルタイムのフィードバックを実装する2つの測定器を統合していきます。

FDNIRSデバイスは、660から830 nmの範囲8つの波長で発光する8レーザダイオード、および2つの光電子増倍管（PMT）検出器の2つの同一のセットを使用して、ISS社からカスタマイズされた周波数領域のシステムです。源と検出器はヘテロダイン検波^6を達成するために^は 、それぞれ、110 MHzおよび110 MHzのプラス5 kHzで変調される。各レーザダイオードは、サイクル当たり160ミリ秒総取得時間のために、順番に10ミリに対して有効になっています。源と検出器は光ファイバに結合され、光プローブで一列に配置されている。プローブ上の繊維の配列は、それが4つの異なる光源 - 検出器分離を作り出すようなものである。複数の距離で伝送された光（振幅減衰および位相シフト）を測定することにより、我々は観察下組織の吸収（μA）と散乱秒（μs '）係数を定量化することができる。複数の波長での吸収係数から、我々はそれから酸素（HBO）の絶対値を推定し、脱酸素化（HBR）ヘモグロビン濃度^7、脳血液量（CBV）とヘモグロビンの酸素飽和度（SO _2）。

組み込みシステム博士によって開発されたものと同様の- DCSデバイスはhomeです。ペンシルベニア大学の^8,9アルジュンユッドとトルグトDurduran。固体から構成されていDCSシステム- 785 nmでの状態、長いコヒーレンスレーザー、4光子計数アバランシェフォトダイオード（APD）は、低ダークカウント（<50カウント/秒）を搭載検出器（EG＆GパーキンエルマーSPCM-AQRH）と高量子収率（785 nmで> 40％）、200ナノ秒の分解能を持つ4チャネル、256ビンマルチタウ相関器、。 DCSと我々は、赤血球を移動させることによって製造さドップラーシフトから生じる多重散乱光の時間的な強度変動を定量化することによって大脳皮質における微小血管の血流を測定します。レーザードップラー血流計と同様の手法では、（ すなわち、それらは、フーリエTrのアール0.5秒 - ansform類縁体）は、200ナノ秒の遅延時間範囲にわたってデジタル相関器によって計算され、各々の検出器チャンネルの強度変動の自己相関関数を測定します。相関器は、組織からの再出現する光の時間的な強度の自己相関を計算します。次に、測定された自己相関関数に拡散相関式に合わせて毎秒約一回、連続して取得し、血流指標（CBF _i）が^10,11を取得する。血流変化のDCS対策は広範囲に^12,13を検証されています。 _私は CBFのDCSの措置とSO ₂のFDNIRS対策を組み合わせることで、我々は、脳酸素代謝（CMRO _2I）の推定値を達成しています。

1。ベッドサイド対策のための準備

1. FDNIRSとDCSのシステムは、病院で乳児の枕元（ 図1）に小さなカートで移動する、コンパクトで簡単です。
2. 枕元にデバイスとカートを移動した後、システムの電源をオンにしFDNIRSおよびDCSデバイスに光プローブを接続します。楽器やコンピュータを管理するために、もう一方は、プローブを保持するために、二つの実験者はすべての測定のために存在することを確認します。
3. 乳児の月経（PMA）に応じて適切なプローブを選択してください。 1、1.5、2、2.5 cmのFDNIRS光源-検出器分離による光プローブは乳児のために使用されている<37週PMAとFDNIRS分離1.5、2、2.5、3 cmのプローブの乳児（図2に使用され）。短い光源 - 検出器分離の選択は、早産児 '小さいサイズと大きい頭部曲率によって決定される。早産児でより大きなプローブを用いて、relat赤ちゃんの頭とその重要曲のively小さいサイズが一緒に乳児の頭とすべての源と検出器との間の効果的な接触を妨げる。このような理由から、1、1.5、2、2.5 cmのFDNIRS光源 - 検出器分離とプローブは早産児で使用するための継手です。我々の研究は、選択された光源-検出器分離が早産と長期の両方の¹⁴の大脳皮質の光学特性を測定するのに十分であることを確認しました。 DCSの源と検出器繊維が光源 - 検出器間の距離は1.5（1検出器）との両方の時期尚早と正期産児プローブで2cm（3検出器）とFDNIRS繊維に平行に一列に配置されている。
4. シングルユースポリプロピレンプラスチックスリーブにプローブと繊維を拭いて挿入消毒サニ布で光プローブをサニタイズする。

2。 FDNIRSゲイン設定とキャリブレーション

1. FDNIRSグラフィカルユーザインタフェース（GUI）を開き、プログラムの設定ファイルを選択プローブに対応するキャリブレーションブロックが使用されている。
2. 検出器のゲインを調整するには、優しく髪（できれば額の左側）を使用せずに被験者の頭部の領域にプローブを配置し、任意の圧力を適用することなく、同じ位置にそれを維持する。源と検出器の電源をオンにして、ソースレーザーの任意の振幅が20,000カウントに達するまでPMT電圧を調整します。 32000カウントは、デジタル·アクイジション·カードにアナログの最大デジタル化であり、利得は、データ集録中に飽和を避けるために、そのしきい値より低く設定する必要があります。この領域は、一般的にレーザ光の最小吸収を有し、したがって、飽和に最も発生しやすいため利益を前頭に設定する必要があります。
3. 源と検出器の電源をオフにして、キャリブレーション·ブロックへのプローブを返します。レーザーは目の安全のためにプローブを移動させるときにオフにする必要があります; PMTには非常に敏感で、任意の明るい光iへの曝露であるため、検出器はオフにする必要バックグラウンドノイズをncreasesと永久に損傷することがあります。
4. バックリブレーション·ブロック上のプローブを用いて、中立密度（ND）フィルターを使用し、任意の光源 - 検出器ペアが飽和します。異なるNDフィルターは、さまざまな肌のトーンに起因する乳児の最適ゲインに選択することができ、キャリブレーションの手順を実行しているときに16秒のためにまだプローブを保持します。我々は物理的に多距離スキームを達成するために、単一の検出器からの距離が異なる1つのソースを移動するのではなく、2つの独立したソースと2つの独立した検出器の4つの組み合わせを使用していないので、我々は2つ​​のソースの異なるパワーを校正する必要があり、 2つの検出器の異なるゲイン。既知の光学特性のキャリブレーション·ブロックを測定することにより、我々は、キャリブレーションブロックの吸収と散乱係数を回復するために必要な振幅と位相補正係数を推定する。
5. キャリブレーション後、ブロックにデータの16秒以上を取得して、視覚的に目の妥当性を評価社内のMATLAB GUIを備えた電子校正。測定μAおよびμsの 'は、すべての波長のキャリブレーション·ブロックの実際の係数と一致する必要があります。フィット感が悪い場合に校正します。
6. 検出器のゲインを変更する必要がある、または光源と検出器の繊維が測定中に切断する必要がある場合は、FDNIRSデバイスのキャリブレーション手順を繰り返します。
7. 測定セッションの終了時に、キャリブレーションをテーマに測定中に維持されたかどうかを確認するためにキャリブレーション·ブロック上のデータの別の16秒を獲得。キャリブレーションが維持されていない場合は、測定終了時第2のキャリブレーションを取って、取得したデータに適用されます。

3。 DCS設定

1. 社内のDCSデータ収集GUIを開いて、使用されている光プローブに対応した設定ファイルを読み込む。
2. 測定を開始する前に、DCSの光源のレーザパワーがtを測定することにより、肌の露出のために適切であるかどうかを確認パワーメータとIRの視野カード（レーザーが表示されていない785 nmで発光する）でのスポットサイズをチェックすると、DCSソースの彼はレーザーパワー。 DCSのレーザー出力は約60 mWであり、比較的小さな直径のファイバー（400〜600ミクロン）に結合されている。肌の露出のためのANSI規格を満たすためには、プローブの光は減衰し、大面積にわたって拡散しなければなりません。これは、直径3mmの白いテフロンシート（ 図2-a）とファイバの先端をカバーすることによって達成される。テフロンは非常に飛散し、広くレーザービームを拡散されています。枕元で、プローブでのレーザパワーが25未満mWで、スポットサイズは​​直径3ミリメートル以上であることを確認します。光プローブを移動するときFDNIRSについては、常に情報源と検出器をオフにします。
3. DCSの検出は、フォトンカウンティングあり、FDNIRSデバイスに対して要求されるように全くAPDのゲイン調整はありません。あまりにも多くの光が検出された場合に収集ソフトウェアのフラグは、光がEITに結合その場合には、ことを示し彼女の源や検出器の繊維が光ファイバコネクタを回して小さくする必要がある。十分な光検出が200,000-4,000,000検出された光子（コンピュータ·ディスプレイ上の-26〜0 dBに相当）の範囲にある。バックグラウンドノイズを低減するために、過剰な部屋の明かりを避けてください。
4. DCSは、キャリブレーションがCBFの_iを測定する必要はありません。血流は相関を失うのにかかる時間に比例します。は可動散乱粒子が存在しないため、固体ブロックは崩壊を引き起こすために信号品質をチェックするのに十分ではありません。速い血流、急峻な減衰 - 実験者の腕ではなく、減衰を示す。

4。データ収集

1. FDNIRSとDCSの測定が連続して素早く行うことができますが、最初の一つのデバイスとすべての場所を測定し、各々に対応する独立したアクイジション·ソフトウェアを使用して、他のデバイスと同じ進行を繰り返す。
2. カバー7の位置を測定し、前頭側頭、パリエット10-20システム（FP1、FPZ、FP2、C3、C4、P3、P4）によるとアル·エリア、シーケンス内（ 図2-B）。部分が光源 - 検出線に沿っ髪と頭のその領域にプローブを配置します。
3. FDNIRSレーザーや検出器の電源をオンにし、信号品質を確認してください。振幅数は2000と20,000と位相シフトのSNR <2度の間でなければなりません。これらの範囲外で、プローブの位置を変更した場合、確実に髪が別れ、すべての源と検出器は、皮膚と接触しているされています。
4. 16秒間のデータを取得する。髪を別れ、それぞれの取得のためのわずかに異なる場所にプローブの位置を変更し、それぞれの場所で3回（ 図2-C）に測定を繰り返します。これは、髪と浅大型船などのローカル不均一性の影響を最小限にすると値領域の代表ではなく、単一のスポットを提供するために行われる。
5. DCSのレーザーや検出器の電源をオンにして、10秒間のデータを取得する。プローブとrepの位置を変更（FDNIRS対策と同様に）買収を食べる。
6. 場所の間にプローブを移動するときに、すべてのレーザーをオフにします。すべての7つの場所でのデータ収集は、常に可能とは限りません。被験者が苦痛または運動の兆候を明示する場合、測定を中止してください。可能であれば取得を再試行してください。脳波電極や呼吸装置はまた、いくつかの場所で測定できない場合があります。

5。全身パラメータの測定

1. CMRO _2iの計算、2全身のパラメータ、動脈血酸素化（SAO _2）と、血液中のヘモグロビン（HGB）については、取得する必要があります。 HGBもCBVを計算するために必要とされる。従来のパルスオキシメトリは、Sao ₂の措置を提供していますが、商法典は、従来の血液検査で測定されます。マシモ社によって開発された新たなパルスオキシメータは、複数の波長を用いて非侵襲的にHGB測定することができます。デバイスは、乳幼児> 3キロのためのFDAの承認を受けており、迅速な枕元measを可能にするSAO ₂とHGBの両方のURE。
2. マシモパルスオキシメータ（プロントスポットチェックパルスオキシメータ共）を使用してレコードSAO ₂およびHGB。これらの測定では、赤ちゃんの足の親指に接着シングルユースセンサーを取り付けます。 HGBは、数秒以内にモニターに表示されます。
3. それは他のFDAの承認を受けたパルスオキシメータとマシモパルスオキシメータの共同、メジャーSAO _2を使用することができないとき。 HGBはどちら患者の臨床チャートから回収または規範の値を用いて推定することができる。

6。データ解析

1. 社内後処理データ解析MATLABを使用してGUIを開きます。このソフトウェアは、すべての血行動態パラメータを推定するだけでなく、自動的に測定品質を評価し、結果を制約するために、データの冗長性を使用していないだけ。
2. 場合、品質管理のための自動客観的な基準がFDNIRSためのデータを破棄で構成されています：R2は<実験データのモデル適合のための0.98、p値> 0波長（ 図3-B）を¹⁵対縮小散乱係数の線形フィットのための8つの測定吸収係数とヘモグロビン収まる（ 図3-A）間のピアソンの積率相関係数0.02、p値> 0.02。データのメリットを捨てるの33％以上ある場合、セット全体が破棄されます。 DCSは、データが破棄された場合：フィッティングカーブの尾以上0.02 1と異なる点は、曲線の3点のうちの第一の累積変動が0.1以上である、または3の最初のポイントの平均値はもっとある1.6（ 図4）より。曲線の50％以上が捨てたり、フィットの値は変動係数> 15パーセントを持っている場合、セット全体は¹⁵破棄されます。
3. Hbの絶滅係数¹⁶の文献値を使用して、すべての波長の吸収係数を当てはめることによって、絶対HBOとHBrの濃度を計算し、¹⁷組織内の水の75パーセントの濃度。 HBOとHBR濃度から総ヘモグロビン濃度（HBT = HBO + HBR）およびSO _2（HBO / HBT）を導出する。
4. 伊地知ら ¹⁸に記載の式を用いて脳血液量を見積もります。 CBV =（HBT×MW _Hb値 ）/（HGB×D _BT）、MWの_Hbは = 64500 [g /モル] Hbの分子量であり、D _BT = 1.05グラム/ mlの脳組織の密度である。
5. 拡散相関式に測定された時間的な自己相関関数をフィッティングすることによりCBF _iを計算する。 CBFを計算するための詳細な理論的枠組みは、 _私はボアズらとボアスとユッド^10,11になっています。方程式では、FDNIRS、全体人口全体の散乱係数の平均値から測定された個々の吸収係数を使用しています。
6. SOのFDNIRS尺度を用いて、脳酸素消費量の指標を算出 2とCBFiのDCS尺度：CMRO _2I =（HGB CBFi××（SAO ₂ - 、SO _{2））/（4×MWのHb×β）}と第4因子は4 O ₂分子を反映している^15、各ヘモグロビンに結合し、βはヘモグロビンの酸素化の測定は^19〜静脈コンパートメントの寄与率です。

過去5年間で、我々は提案手法の実現可能性と臨床的有用​​性を実証している。特に、我々は、SO ₂よりも脳の健康と開発のより代表的であることがCMRO _2を示し_ている。

50種類以上の健康な乳児で横断的研究では、我々が発見したCBVは、人生の最初の年の間に（ 図5）、SO ⁴ ₂遺体定数倍以上である間。 70健康な新生児に関する研究において、我々はまた、CMRO _2iは 、CBVとCBFは、PETグルコース取り込みと一貫している前頭領域（ 図6）が^20日よりも時間的にも頭頂部の地域で高くなっている一方、SO _2は脳領域にわたって一定であることがわかっ所見^21。私たちの研究では、SO ₂定数の両方で、60から70パーセント以内の範囲には、CBV、CBFとCMRO ₂カ月している間の酸素運搬が密接に、地産地消と一致していることを示し再度しっかりと神経系の発達と相まって。

CMRO _2iは新生児の脳損傷を検出中のSO ₂より良いスクリーニングツールであることを確認するために、我々は数ヶ月損傷後慢性期（数乳児の）急性期⁵中に脳負傷した乳児を測定します。 図7の結果はCMRO _2iは 、急性および慢性の両方の段階で、通常よりも著しく異なっている間にSO _2が著しく、両方の初期（侮辱後1から15日）と慢性（月受傷後）の段階で脳損傷によって変更されていない方法を示しています。具体的には、CMRO _2iは 、脳損傷後のために発作活動の急性期に上昇し、ニューロンの喪失に起因する慢性期中に、通常よりも低くなっています。

低酸素性虚血性損傷を持つ乳児は現在、脳の代謝を低下させ、低酸素イン後のダメージを減らすために低体温療法（TH）で処理されるULT。低体温療法を3日間維持されていると我々は治療中に11の乳児（ 図8）を監視することができました。我々はCMRO _2iは大幅TH中に正常以下のレベルに減少することが分かっており、この減少は、治療や発達転帰への応答に関連すると思われる。これらの予備的な結果はFDNIRS-DCS法は低体温療法を指導し、最適化することができるかもしれないことを示唆している。

図1。 FDNIRSおよびDCSデバイスとのカートの絵。2つの楽器は、NICUでの幼児のベッドサイドに移動させることができます小さなカートに収まるほどコンパクトです。

図2（a）光プローブ構成。 （B）の測定位置スキーム（C）幼児の典型的なFDNIRS-DCS測定の写真。

図3測定（）の吸収係数とヘモグロビンフィット（B）は散乱係数と線形フィットの良い点、悪いフィットの代表例。 P値> 0.02は悪いフィットを指す。 拡大図を表示するには、ここをクリックしてください 。

図4計算強度変動の自己相関関数の良い点、悪いフィットの代表例0.5秒 - 200ナノ秒の遅延時間の範囲で相関器による。悪いフィットの図で近似曲線の尾が0.02を超えて1とは異なり、3の最初のポイントの変動が0.1以上のものです。 拡大図を表示するには、ここをクリックしてください 。

図5。誕生から一歳までの乳幼児で、前頭側頭と頭頂皮質領域にわたるCBVとSO ₂の変化。

図6。 CBFは、SO _2、CBV、前頭葉のCMRO _2iは 、TE70健康な新生児でmporalと頭頂領域。

図7。 SO _2は通常から大きな違いはありませんしながら異常な酸素消費量の例と通常のSO ₂乳児の脳損傷後の脳損傷は法線に対してCMRO ₂の変化によってマークされています。 DCSの措置は、それらの測定時に使用できなかったため、これら2つの図では、CMRO _2は 、グラブの関係を用いて計算されますのでご注意ください。

図8。治療的低体温対年齢をマッチさせた健常対照群の間に11の乳児のrCMRO _2。酸素代謝を強く体温療法を持つすべての乳児に低減されます。

我々は、新生児集団におけるFDNIRSとDCSと脳血行動態および代謝の定量的測定を示した。プローブ構成は、新生児の大脳皮質^14を測定^するため^に最適化されています。 DCSにより測定血流変化は、広範囲の動物およびヒトでの研究^22,23で他の技術と比較して検証されています。血流の直接DCSの尺度を使用することにより、我々はCMRO _2iの ²⁴の計算で差異を削減することができます。反復測定の分散は、脳領域と²⁰歳との間の変更よりも小さかった。

我々の以前の結果から、CBFiとCMRO _2iは健康な早産新生児のPMAとの有意な変化が認められた。 CMRO _2iの尺度は良いSO ₂の測定よりも、脳の損傷を検出することができます。これは、血管および代謝パラメータのその複合対策をより堅牢bとして役立つ示唆酸素飽和度だけの場合よりも新生児の脳の健康と開発のiomarkers。技術的な改善は、廃棄された措置の頻度を減らすために、データの質に35から40セッションあたり％とリアルタイムフィードバックの実装を取得時間を短縮するために、2つの楽器の統合に焦点を当てます。近い将来、このシステムが変更された脳酸素代謝の新規ベッドサイドモニターなどの臨床エンドユーザーに配信することができます。時間をかけてCMRO ₂の軌道を測定することにより、また、臨床的意義を高め、結果を予測することができる。このツールは、最終的には新生児の脳損傷の経営改善に向けた重要な貢献をする可能性があります。

マリアアンジェラ·フランチェスキーニ、夫デビッド·ボアス、とベニアミーノバルビエリ（ISS社）は、この技術の特許を保持しています。

著者らは、新生児ICU、スペシャルケア保育園、小児神経、およびマサチューセッツ総合病院、ブリガム·アンド·ウィメンズ病院とボストン小児病院の産科単位ですべての本研究への参加のために、家族や看護師、医師、スタッフに感謝彼らの助けとサポートのため。特に、我々は、リンダ·J·ヴァンMarter、ロバートM. Insoft、ジョナサン·H·クローニン、ジュリアンMazzawi、およびスティーブンA.リンガーに感謝します。著者はまた、測定中に彼らの支援のためのマーシャKocienski·フィリップ、イヴォンヌシェルドン、Alpna Aggarwall、マディArtunguadaとジュヌビエーブ身廊に感謝します。このプロジェクトは、NIH R01-HD042908、R21-HD058725、P41-RR14075およびR43-HD071761でサポートされています。マーシャKocienski·フィリップとイヴォンヌ·シェルドンは、臨床トランスレーショナル科学のハーバード大学ブリガムに賞UL1RR025758と研究資源のための国民の中心からの女性の病院でサポートされています。内容は唯一の責任であるuthors、必ずしも研究資源や米国立衛生研究所（NIH）のためのナショナルセンターの公式見解を示すものではありません。