Die Nahinfrarotspektroskopie kann eine kostengünstige Möglichkeit bieten, den intrakraniellen Druck nichtinvasiv zu überwachen
Ein Anstieg des intrakraniellen Drucks (ICP) ist ein gefährlicher Zustand, der durch Hirnblutungen, einen Hirntumor, ein Hirnödem, eine traumatische Hirnverletzung und einen Hydrozephalus verursacht werden kann. Die ICP-Überwachung ist daher ein Schlüsselaspekt der Patientenversorgung bei Patienten mit diesen Erkrankungen. Darüber hinaus sind ICP-Messungen relevant, wenn der zerebrale Perfusionsdruck (CPP) geschätzt wird, ein Indikator für die zerebrale Autoregulation (CA).
CPP ist mit neuronaler Funktion und neurovaskulärer Kopplung verbunden, und CA definiert, wie das Gehirn einen konstanten Blutfluss aufrechterhält. Angesichts dieser weitreichenden Implikationen und Anwendungen in der klinischen Entscheidungsfindung ist eine präzise ICP-Überwachung ein wichtiges Instrument für das Patientenmanagement. Während aktuelle Tools für die ICP-Überwachung präzise sind, können sie Blutungen oder Infektionen verursachen und sind zeitaufwändig.
Obwohl es nichtinvasive Alternativen gibt, haben sie Einschränkungen wie schlechte Verallgemeinerbarkeit, geringe Vorhersagekapazität und mangelnde Zuverlässigkeit. Daher entwickeln sich die diffuse Korrelationsspektroskopie (DCS) und die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) als vielversprechende nichtinvasive Lösungen. Insbesondere hat NIRS gegenüber anderen nicht-invasiven Methoden mehrere Vorteile: niedrige Kosten, Kompatibilität am Krankenbett für eine langfristige und kontinuierliche Überwachung sowie Benutzerunabhängigkeit.
In einer neuen Studie, die in Neurophotonics veröffentlicht wurde, setzten Forscher der Carnegie Mellon University (CMU) erfolgreich ein NIRS-Gerät ein, um Änderungen der Hämoglobinkonzentration kontinuierlich zu überwachen. Das Team baute auf früheren Forschungsergebnissen auf, bei denen es den ICP aus Herzwellenformmerkmalen schätzte, die mit DCS gemessen wurden, und identifizierte auch die Korrelation zwischen relativen Änderungen der Oxyhämoglobinkonzentration und dem ICP. Aber wie konnten sie den ICP anhand der NIRS-Daten messen? Der Erstautor der Studie, Filip Relander, erklärt: „Wir haben einen Random Forest (RF)-Regressionsalgorithmus entwickelt und trainiert, um die Morphologie der durch NIRS erhaltenen Herzpulswellenformen mit dem intrakraniellen Druck zu korrelieren.“
Um ihren Algorithmus zu validieren, führten sie Vorversuche in einem präklinischen Modell durch. Sie maßen Schwankungen des invasiven ICP und des arteriellen Blutdrucks, während sie die Änderungen der Hämoglobinkonzentrationen profilierten. Anschließend untersuchten sie die Leistung von Signalen, die von der Hämoglobinkonzentration und CBF abgeleitet wurden, um die Genauigkeit ihres Algorithmus genau zu überprüfen.
Aus Sicht des Proof-of-Concept waren die Ergebnisse sehr vielversprechend. Es bestand eine hohe Korrelation zwischen dem mit dem RF-Algorithmus geschätzten ICP und dem mit invasiven Techniken gemessenen tatsächlichen ICP.
Wir haben durch die Validierung der Ergebnisse mit invasiven ICP-Daten gezeigt, dass der trainierte HF-Algorithmus, der auf NIRS-basierte Herzwellenformen angewendet wird, verwendet werden kann, um den ICP mit einem hohen Grad an Präzision zu schätzen.“
Jana Kainerstorfer, außerordentliche Professorin für Biomedizinische Technik an der CMU und leitende Autorin der Studie
Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse, dass der HF-Algorithmus Wellenformmerkmale interpretieren konnte, die sowohl aus NIRS als auch aus DCS extrahiert wurden, was seine Verwendbarkeit hervorhob.
Die im Algorithmus verwendeten Parameter können aus NIRS-Messungen erhalten werden, kombiniert mit Elektrokardiogrammen und dem mittleren arteriellen Blutdruck, die regelmäßig für die klinische Bewertung verwendet werden. Wenn also diese HF-basierte Plattform in späteren Studien am Menschen robuste ICP-Messungen liefern kann, wäre ihr Potenzial für den klinischen Einsatz enorm. Laut Rickson C. Mesquita, Mitherausgeber von Neurophotonics, Professor an der University of Campinas, „ist die nicht-invasive Beurteilung von ICP von großem Wert für die Überwachung von Patienten in einem kritischen Zustand, wie z. B. Patienten auf der Intensivstation. Die Zukunft von NIRS in diesem Bereich ist aufregend!“
Quelle:
SPIE – Internationale Gesellschaft für Optik und Photonik
Referenz:
Relander, FAJ, et al. (2022) Verwendung von Nahinfrarot-Spektroskopie und einem Random-Forest-Regressor zur Schätzung des intrakraniellen Drucks. Neurophotonik. doi.org/10.1117/1.NPh.9.4.045001.
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