Неинвазивные оптические измерения церебрального метаболизма и гемодинамики у детей грудного возраста

Мы объединили в частотной области ближней инфракрасной спектроскопии меры церебральной оксигенации гемоглобина с диффузным корреляционной спектроскопии меры мозгового кровотока индекс для оценки индекса кислородного обмена. Мы протестировали полезности этой меры, как прикроватные скрининга для оценки здоровья и развития новорожденного мозг.

Perinatal brain injury remains a significant cause of infant mortality and morbidity, but there is not yet an effective bedside tool that can accurately screen for brain injury, monitor injury evolution, or assess response to therapy. The energy used by neurons is derived largely from tissue oxidative metabolism, and neural hyperactivity and cell death are reflected by corresponding changes in cerebral oxygen metabolism (CMRO₂). Thus, measures of CMRO₂ are reflective of neuronal viability and provide critical diagnostic information, making CMRO₂ an ideal target for bedside measurement of brain health.

Brain-imaging techniques such as positron emission tomography (PET) and single-photon emission computed tomography (SPECT) yield measures of cerebral glucose and oxygen metabolism, but these techniques require the administration of radionucleotides, so they are used in only the most acute cases.

Continuous-wave near-infrared spectroscopy (CWNIRS) provides non-invasive and non-ionizing radiation measures of hemoglobin oxygen saturation (SO₂) as a surrogate for cerebral oxygen consumption. However, SO₂ is less than ideal as a surrogate for cerebral oxygen metabolism as it is influenced by both oxygen delivery and consumption. Furthermore, measurements of SO₂ are not sensitive enough to detect brain injury hours after the insult ^1,2, because oxygen consumption and delivery reach equilibrium after acute transients ³. We investigated the possibility of using more sophisticated NIRS optical methods to quantify cerebral oxygen metabolism at the bedside in healthy and brain-injured newborns. More specifically, we combined the frequency-domain NIRS (FDNIRS) measure of SO₂ with the diffuse correlation spectroscopy (DCS) measure of blood flow index (CBF_i) to yield an index of CMRO₂ (CMRO_2i) ^4,5.

With the combined FDNIRS/DCS system we are able to quantify cerebral metabolism and hemodynamics. This represents an improvement over CWNIRS for detecting brain health, brain development, and response to therapy in neonates. Moreover, this method adheres to all neonatal intensive care unit (NICU) policies on infection control and institutional policies on laser safety. Future work will seek to integrate the two instruments to reduce acquisition time at the bedside and to implement real-time feedback on data quality to reduce the rate of data rejection.

Устройство FDNIRS является настраиваемым частотной области системы от МКС Инк с двумя одинаковыми наборами 8 лазерных диодов, излучающих в восемь диапазоне длин волн от 660 до 830 нм, а два фотоумножителя (ФЭУ) детекторами. Источники и детекторы модулируются на 110 МГц и 110 МГц плюс 5 кГц, соответственно, для достижения гетеродинного детектирования ^6. Каждый лазерный диод включен в течение 10 мс в последовательности, 160 мс общее время приобретения за цикл. Источники и детекторы связаны с волоконной оптикой и расположены в ряд в оптический зонд. Расположение волокон на зонде такова, что она производит четыре различных источников детектор увольнений. Путем измерения проходящего света (амплитуда ослабления и фазового сдвига) на нескольких расстояниях, мы можем количественно поглощения (мкА) и рассеяния (мкс) коэффициенты тканей под наблюдением. С коэффициентами поглощения на разных длинах волн, мы затем оценить абсолютные значения кислородом (ГБО) ивенозная (HBR) гемоглобина ^7, церебральный объем крови (ОЦК) и насыщения гемоглобина кислородом (SO _2).

Устройство DCS является дом - встроенная система похожий на тот, разработанной докторами. Arjun Yodh и Тургут Durduran в Университете Пенсильвании ^8,9. Система DCS, которая состоит из твердой - государство, лазер для согласования на длине волны 785 нм, четыре счета фотонов лавинный фотодиод (APD) Детекторы (EG & G Perkin Elmer SPCM-AQRH) с участием низких темных импульсов (<50 имп / сек) и высоким квантовым выходом (> 40% при длине волны 785 нм) и четыре канала, 256-бен мульти-тау коррелятор, с 200 разрешение нсек. С DCS мы измеряем микрососудистых кровоток в коре головного мозга путем количественного временные флуктуации интенсивности многократно рассеянного света, которая возникает из доплеровские сдвиги производится путем перемещения красных кровяных клеток. Техники, похожие на кровь лазерной доплеровской флоуметрии (т.е. они Фурье Transform аналогов), меры автокорреляционной функции флуктуаций интенсивности каждого детектора канала вычисляется с помощью цифрового коррелятора в диапазоне времени задержки до 200 нс - 0,5 сек. Коррелятор вычисляет временную интенсивность автокорреляции света снова выходит из ткани. Мы тогда соответствует уравнение диффузии корреляцию измеренных автокорреляционной функции, приобретенные последовательно, примерно один раз в секунду, чтобы получить индекс кровотока (CBF _я) ^10,11. DCS меры изменения кровотока были тщательно проверены ^12,13. Объединив FDNIRS меры SO ₂ с мерами, ДКС CBF _я, мы достигаем оценка церебрального метаболизма кислорода (CMRO _2i).

1. Подготовка к ночной меры

1. FDNIRS и DCS системы компактны и легко перемещаться на тележке к постели ребенка в больницу (рис. 1).
2. После переезда в корзину с устройствами к постели, включите систем и подключить оптический зонд к FDNIRS и DCS устройств. Убедитесь, что два экспериментаторов имеются для каждого измерения: один для управления документами и компьютером, и один для хранения зонда.
3. Выберите подходящий зонд в соответствии с постменструального возраста ребенка (PMA). Оптический датчик с FDNIRS источник-детектор разделение на 1, 1,5, 2 и 2,5 см используется для младенцев <37 недель PMA и зонд с FDNIRS разделения 1,5, 2, 2,5 и 3 см используются для детей более старшего возраста (рис. 2-А ). Выбор короче источник-детектор разделение продиктовано недоношенных младенцев небольшие размеры и большую голову кривизны. При использовании большего зонд с недоношенного ребенка, Relatively меньший размер головы ребенка и его значительную кривизну вместе препятствующих эффективному контакта между головой ребенка и все источники и детекторы. По этой причине, зонд с FDNIRS источник-детектор разделение на 1, 1,5, 2 и 2,5 см уместно для использования с недоношенными младенцами. Наши исследования подтвердили, что выбранный источник-детектор расстояния достаточно для измерения оптических свойств коры головного мозга и преждевременных и срочных ^14. DCS источник и детектор волокна расположены в один ряд параллельно FDNIRS волокон источник-детектор расстоянии 1,5 (один датчик) и 2 см (трех детекторов) как преждевременное и доношенных детей зондов.
4. Sanitize оптических датчиков с Sani-дезинфекции протрите тканью и вставьте датчик и волокон в одноразовой пластиковой втулкой полипропилена.

2. FDNIRS усиления настройки и калибровки

1. Откройте FDNIRS графический интерфейс пользователя (GUI) и выберите файл настроек программысоответствующего датчика и калибровке блока используется.
2. Чтобы настроить детектор прибыли, осторожно положите датчик на область головы субъекта без волос (желательно левой стороне лба) и поддерживать его в таком же положении без применения давления. Включите источники и детекторы и регулировать напряжение ФЭУ, пока амплитуда любого источника лазера достигает 20000 пунктам. 32000 рассчитывает максимальная оцифровка аналогового на цифровой карте приобретением, и доходы должны быть установлены ниже этого порога, чтобы избежать насыщения во время сбора данных. Доходы должны быть установлены в лобной области, потому что эта область в целом имеет самые низкие поглощения лазерного излучения и, следовательно, наиболее склонны к насыщению.
3. Выключите источники и детекторы и вернуть зонд калибровку блока. Лазеры должны быть выключены при перемещении зонда для глаз безопасности; детекторы должны быть выключены, потому что ФЭУ очень чувствительна и воздействие любого яркого света яncreases фоновый шум и может повредить их.
4. С зонд обратно на калибровку блока, используйте нейтральной плотности (ND) фильтр, если любой источник-детектор насыщения пара. Различные фильтры ND может быть выбрана в связи с оптимизацией прибыли у детей с различными тонами кожи держите зонд еще в течение 16 секунд во время выполнения процедуры калибровки. Так как мы не физически переместить из одного источника на разных расстояниях от одного детектора для достижения нескольких расстоянии схеме, но вместо этого использовать четыре комбинации двух независимых источников и двух независимых детекторов, нам необходимо калибровать для различной мощности из двух источников и различные выгоды из двух детекторов. Измеряя калибровки блока известные оптические свойства, оценим амплитуду и фазу коррекции факторов, необходимых для восстановления коэффициенты поглощения и рассеяния в калибровке блока.
5. После калибровки приобрести еще 16 секунд данных на блоке и визуально оценить адекватность йэлектронной калибровки в доме MATLAB GUI. Измеренные мкА и мкс "должны соответствовать фактическим коэффициентами калибровки блока на всех длинах волн. Перекалибруйте если посадка оставляет желать лучшего.
6. Если детектор доходы должны быть изменены, или источника и приемника волокна должны быть отключены во время измерений, повторите процедуру калибровки прибора FDNIRS.
7. В конце сеанса измерений, приобретают еще 16 секунд данных о калибровке блока для проверки калибровки поддерживается во время измерений по этому вопросу. Если калибровка не было поддержано, взять вторую калибровку в конце измерения и распространяется на полученные данные.

3. DCS Настройки

1. Откройте в доме DCS сбора данных GUI и загрузить файл настроек соответствующего оптического зонда используется.
2. Перед началом измерений убедитесь, что мощность лазерного источника DCS подходит для воздействия на кожу путем измерения тОн мощность лазерного источника DCS с помощью измерителя мощности и проверка размер пятна с карты ИК просмотра (лазер излучает на длине волны 785 нм, которая не видна). Мощность DCS лазера ~ 60 мВт и связаны с относительно небольшой диаметр волокна (400-600 мкм). Для удовлетворения ANSI стандарты воздействия на кожу, свет на датчик должен быть ослаблен и рассеянным по большой территории. Это достигается путем покрытия кончик волокна с диаметром 3 мм белый тефлоновый лист (рис. 2-А). Тефлон сильно рассеивающих и широко распространяет лазерного луча. В постели, убедитесь, что мощность лазера на зонд составляет менее 25 мВт и размер пятна более 3 мм в диаметре. Что касается FDNIRS, всегда выключайте источников и детекторов при перемещении оптического датчика.
3. DCS обнаружения счета фотонов и нет регулировки усиления ЛФД, как это требуется для устройства FDNIRS. Флаг в приобретение программного обеспечения означает, если слишком много света не обнаружено, и в этом случае свет связи с СПЭее источник или детектор волокон должно быть уменьшено путем поворота оптических разъемов. Адекватная свет обнаружения на диапазон 200,000-4,000,000 регистрируемые фотоны (соответствующий до -26 ~ 0 дБ на экране компьютера). Избегайте чрезмерного светлой комнате, чтобы уменьшить фоновый шум.
4. DCS не требует калибровки для измерения CBF _я. Кровоток пропорциональна времени, которое требуется, чтобы потерять корреляции. Твердого блока не хватает, чтобы проверить качество сигнала из-за отсутствия движущихся частиц рассеяние вызывает распад. Рука экспериментатора, а не показывает распад - быстрый приток крови, тем круче распада.

4. Сбор данных

1. В то время как FDNIRS и DCS измерения можно сделать быстро в последовательности, сначала измерить все места с одного устройства, а затем повторите то же прогрессии с другого устройства, используя независимые приобретение программного обеспечения, соответствующие каждому.
2. Измерьте семи местах покрытие лобной, височной и рабепразолдр. областях, по системе 10-20 (FP1, FPZ, FP2, C3, C4, P3, P4), в последовательности (рис. 2-б). Часть волоса вдоль источник-детектор линии и поместить зонд на эту область головы.
3. Включите FDNIRS лазеров и детекторов и проверить качество сигнала: амплитуды рассчитывает должно быть между 2.000 и 20.000 и фазовые сдвиги SNR <2 градусов. Если за пределами этого диапазона, переместите датчик, обеспечивающий волосы расстались, и все источники и детекторы находятся в контакте с кожей.
4. Получение данных в течение 16 сек. Повторите измерения до трех раз в каждой точке (рис. 2-C), раздвигая волосы и изменение зонда в несколько ином месте для каждого приобретения. Это делается, чтобы свести к минимуму влияние локальных неоднородностей, таких как волосы и поверхностные крупные сосуды и обеспечить значения представитель региона, а не одном месте.
5. Включите DCS лазера и детектора и получать данные на 10 сек. Расположите зонд и репутацияест приобретений (как с FDNIRS меры).
6. Выключите все лазеров при перемещении зонда между локациями. Сбор данных во всех семи местах не всегда возможно. Прекратите измерения, если субъект проявляет никаких признаков стресса или движения. Повторить приобретения, если это возможно. ЭЭГ электродов или средства защиты органов дыхания может также препятствовать измерений в некоторых местах.

5. Мера системных параметров

1. Для расчета CMRO _2i, два системных параметров, артериальной оксигенации (SaO ₂₎ и гемоглобина в крови (HGB), должны быть приобретены. HGB также необходимы для расчета ОЦК. В то время как обычные пульсоксиметрии предусматривает меры _Сан-2, HGB обычно измеряется с помощью анализа крови. Новый пульсоксиметр, разработанный Масимо корпорации, способен измерять HGB неинвазивно с помощью нескольких длинах волн. Устройство FDA одобрены для младенцев> 3 кг, и позволяет быстро измерений постелиЮр, так SaO ₂ и HGB.
2. Запись SaO ₂ и HGB использованием Масимо пульсоксиметр (Pronto месте проверить пульс со-оксиметр). Для этих измерений, прикрепить клеем одноразовых датчиков для большого пальца стопы ребенка. HGB будет отображаться на мониторе в течение нескольких секунд.
3. Когда это не возможно использовать Масимо импульса со-оксиметр, мера SaO ₂ с другими FDA утвержденных пульсоксиметров. HGB может быть либо оправился от клинических графиков пациентов или оценивается с использованием нормативных значений.

6. Анализ данных

1. Открыть в доме пост-обработки данных анализа GUI использованием MATLAB. Это программное обеспечение не только оценивает все гемодинамики, а также использует избыточность данных для автоматической оценки качества измерений и ограничить результаты.
2. Автоматическая объективных критериев для контроля качества состоит из удаления данных для FDNIRS, если: R2 <0,98 для модели подходят экспериментальных данных, значение р> 00,02 для корреляции Пирсона Коэффициент между восемью измеряются коэффициенты поглощения гемоглобина и посадки (рис. 3-А), значение р> 0,02 для линейной аппроксимации приведенных коэффициентов рассеяния от длины волны (рис. 3-B) ^15. Если более 33 процентов данных, отбрасывая существу, весь набор отбрасывается. Для DCS, данные отбрасываются, если: хвост подходящей кривой отличается от 1 более чем на 0,02, совокупное изменение среди 3 первых точек кривой составляет более 0,1, или среднее значение из 3-х первых пунктов больше чем 1,6 (рис. 4). Если более 50 процентов кривые отбрасываются, или подгонки значения имеют коэффициент вариации> 15 процентов, весь набор отбрасывается ^15.
3. Рассчитать абсолютное HBO и HBr концентрации путем установки коэффициента поглощения на всех длинах волн, используя литературу значения Hb экстинкции ¹⁶ и75 процентов концентрации воды в тканях ^17. Вывести общую концентрацию гемоглобина (HBT = HBO + HBr) и SO ₂ (HBO / HBT) от HBO и HBr концентрации.
4. Оценка церебрального объема крови с помощью уравнения описанных в Ijichi и др. ^18. CBV = (HBT × МВт _Hb) / (HGB × D _BT), где МВт _Hb = 64500 [г / моль] является молекулярная масса гемоглобина и D _BT = 1,05 г / мл, плотность ткани головного мозга.
5. Рассчитать CBF _я подгонкой измеренной временной автокорреляционной функции к уравнению корреляции диффузии. Подробные теоретические основы для расчета CBF _я в Боаса и соавт., И Боас и Yodh ^10,11. В уравнениях, использовать индивидуальные коэффициенты поглощения измеряется от FDNIRS и среднего коэффициентов рассеяния по всему населению.
6. Рассчитайте индекс церебрального потребления кислорода с помощью FDNIRS мера SO _{2 и мера ДКС CBFi по следующей формуле: CMRO 2i = (HGB × × CBFi (SaO 2 - SO 2)) / (4 × МВт Hb × β) ^15, где 4 раза отражает четыре молекул O 2 связаны друг с гемоглобином и β является процент вклада венозной отсек для измерения гемоглобина кислородом ^19.}

В последние пять лет мы продемонстрировали возможности и клиническую эффективность предложенного метода. В частности, мы показали, CMRO _{2 должно} быть более представительным здоровье мозга и развития, чем SO _2.

В перекрестном исследовании более чем на 50 здоровых младенцев, мы обнаружили, что в то время как CBV более чем в два раза в течение первого года жизни, SO ₂ остается неизменной ⁴ (рис. 5). В исследовании на 70 здоровых новорожденных, мы также обнаружили, что SO ₂ является постоянной по всей области мозга, в то время как CMRO _2i, ОЦК и CBF выше в височной и теменной областях, чем в лобной области (рис. 6) ^20, что согласуется с ПЭТ усвоения глюкозы Выводы ^21. В обоих наших исследований, постоянное SO _2, в пределах 60-70 процентов диапазона указывает, что доставка кислорода близко соответствует местного потребления, в то время как CBV, CBF и CMRO ₂ являются движенияповторно тесно связана с нервной развития.

Чтобы убедиться, что CMRO _2i является лучшим инструментом отбора, чем SO ₂ в выявлении новорожденных мозговой травмой, мы измерили мозг потерпевшего младенцев во время острой фазы ^5, и (в несколько детей) в хронической фазе через несколько месяцев после травмы. Результат на рисунке 7 показано, как SO ₂ существенно не изменяется черепно-мозговой травмой и в раннем (1-15 дней после инсульта) и хроническую (месяцы после травмы) стадии, в то время как CMRO _2i значительно отличается от нормального как во время острой и хронической стадиях . В частности, CMRO _2i повышается во время острой фазы из-за судорожной активности после травмы головного мозга, и ниже, чем обычно в хронической фазе в связи с потерей нейронов.

Дети с гипоксически-ишемической травмы в настоящее время обрабатывают терапевтической гипотермии (TH), чтобы снизить метаболизм мозга и уменьшить повреждения после гипоксического модулиУльт. Терапевтическая гипотермия сохраняется в течение трех дней, и мы были в состоянии контролировать 11 детей во время лечения (рис. 8). Мы обнаружили, что CMRO _2i значительно снижается до уровня ниже нормы в течение TH, и это снижение кажется, связан с ответом на терапию и развития результата. Эти предварительные результаты показывают, что FDNIRS-DCS метод может быть в состоянии вести и оптимизировать гипотермия терапии.

Рисунок 1. Фото корзину с FDNIRS и DCS устройств. Двух документов достаточно компактны, чтобы поместиться на маленькой тележке, которая может быть перемещена в постели ребенка в отделение интенсивной терапии.

Рисунок 2. (A) Оптический конфигурации зонда. (B) схемы измерения месте. (C) фото типичного FDNIRS-DCS измерений на ребенка.

Рисунок 3. Типичные примеры хорошей и плохой подгонки измерений (A) коэффициенты поглощения гемоглобина и посадки (B) коэффициенты рассеяния и линейной аппроксимации. P-значение> 0,02 относится к плохой форме. Нажмите, чтобы увеличить показатель .

Рисунок 4. Типичный пример хорошей и плохой подгонки автокорреляционной функции флуктуаций интенсивности вычисляетсяна коррелятор в диапазоне времени задержки до 200 нс - 0,5 сек. В плохая фигура подходит хвост подходящей кривой отличается от 1 более чем на 0,02 и изменение первые 3 пункта больше, чем 0,1. Нажмите, чтобы увеличить показатель .

Рисунок 5. Изменения в ОЦК и SO ₂ через лобной, височной и теменной областей коры у детей от рождения до одного года.

Рисунок 6. CBF, SO _2, ОЦК и CMRO _2i лобной, т. е.mporal и теменной областях у 70 здоровых новорожденных.

Рисунок 7. Примеры аномального потребления кислорода и нормальных SO ₂ после черепно-мозговой травмы у детей. Черепно-мозговая травма характеризуется изменениями в CMRO ₂ по отношению к нормальным то время как SO ₂ существенно не отличается от нормального. Обратите внимание, что в этих двух фигур, CMRO ₂ была рассчитана с помощью соотношения Grubb, потому что мера DCS не был доступен во время этих измерений.

Рисунок 8. rCMRO ₂ из 11 детей в терапевтической гипотермии против ровесников из контрольной группой. Кислородный обмен сильно снижается во всех младенцев с гипотермией терапии.

Мы показали, количественное измерение церебральной гемодинамики и метаболизма с FDNIRS и DCS в неонатальном населения. Зонд конфигурация оптимизирована для измерения новорожденных коры головного мозга ^14. Изменения кровотока измеряется DCS были тщательно сверяются с другими методами на животных и исследований на человеке ^22,23. С помощью прямого измерения DCS кровотока, мы можем уменьшить отклонение в расчете CMRO _2i ^24. Отклонение от повторных измерений была также меньше, чем изменения между областями мозга, и с ^{20-летнего} возраста.

Из наших предыдущих результатов, CBFi и CMRO _2i показал значительные изменения с PMA у здоровых недоношенных новорожденных. Мера CMRO _2i лучше в состоянии обнаружить повреждение головного мозга, чем мера SO _2. Это говорит о том, что комбинированные меры сосудистых и метаболических параметров служат более надежной бiomarkers новорожденных здоровье мозга и развития, чем насыщение кислородом в покое. Технические усовершенствования будет сосредоточена на интеграции двух инструментов с целью сокращения времени сбора 35-40% за одну сессию и реализации в реальном времени обратную связь по качеству данных, чтобы уменьшить частоту выброшенных меры. В ближайшем будущем эта система может быть доставлен в клиническую конечных пользователей как новый прикроватный монитор измененной церебрального метаболизма кислорода. Путем измерения траектории CMRO _два с течением времени также может увеличить клиническую значимость и прогнозировать результаты. Этот инструмент может в конечном итоге внести значительный вклад в улучшение управления новорожденных мозговой травмы.

Мария Анхела Franceschini, ее муж Дэвид Boas, и Beniamino Барбьери (МКС Inc) имеют патенты на эту технологию.

Авторы выражают благодарность всем семьям за их участие в этом исследовании и медсестры, врачи и персонал в неонатальном отделении интенсивной терапии, специальный питомник ухода, детской неврологии и родильных отделений в Massachusetts General Hospital, Brigham и женской больницы и больницы Бостона Детский за их помощь и поддержку. В частности, мы благодарим Linda J. Van Marter, Роберт М. Insoft, Jonathan H. Кронин, Джулианна Mazzawi, и Steven A. Ringer. Авторы также благодарят Марсия Kocienski-Филип, Ивонн Шелдон, Alpna Aggarwall, Мэдди Artunguada и Женевьева Неф за их помощь во время измерений. Этот проект поддерживается NIH R01-HD042908, R21-HD058725, P41-RR14075 и R43-HD071761. Марсия Kocienski-Филип и Ивонн Шелдон поддерживаются клинической Поступательное науки UL1RR025758 премии в Гарвардском университете и Бригама и Женской больницы из Национального центра по изучению ресурсов. Этот материал предназначен исключительно ответственностьюuthors и не обязательно отражают официальную точку зрения Национального центра по изучению ресурсов и институтов национального здравоохранения.