Thông tin trực quan hóa oxy não trong mổ sử dụng dữ liệu ảnh đa phổ: một phương pháp lập bản đồ hai chiều

Springer Science and Business Media LLC - Tập 9 - Trang 1059-1072 - 2014
Megumu Mori1, Toru Chiba2, Akira Nakamizo1, Ryuichi Kumashiro3, Masaharu Murata4, Tomohiko Akahoshi5, Morimasa Tomikawa3, Yuichiro Kikkawa1, Koji Yoshimoto1, Masahiro Mizoguchi1, Tomio Sasaki1, Makoto Hashizume5
1Department of Neurosurgery, Graduate School of Medical Sciences, Kyushu University, Fukuoka, Japan
2PENTAX Lifecare Division Medical Instrument SBU, HOYA Corporation, Tokyo, Japan
3Department of Advanced Medicine and Innovative Technology, Kyushu University Hospital, Fukuoka, Japan
4Innovation Center for Medical Redox Navigation, Kyushu University, Fukuoka, Japan
5Department of Advanced Medical Initiatives, Graduate School of Medical Sciences, Kyushu University, Fukuoka, Japan

Tóm tắt

Đường nối động mạch thái dương nông (STA) - động mạch não giữa (MCA) là một kỹ thuật quan trọng cho việc tái tạo mạch máu não. Hình ảnh huyết động học trong quá trình phẫu thuật là cần thiết để thực hiện tái tạo mạch máu não một cách an toàn và hiệu quả. Hình ảnh tín hiệu nội tại quang học (OIS) thường được sử dụng để đánh giá huyết động học não trong các nghiên cứu thực nghiệm, vì nó có thể cung cấp hình ảnh bản đồ phân giải cao. Tuy nhiên, OIS không được sử dụng trong lâm sàng do hạn chế về thuật toán, thiết bị và phân giải quang phổ. Chúng tôi đã kiểm tra tính khả thi của một camera đa phổ (HSC) cho việc đánh giá huyết động học vỏ não thông qua hình ảnh quang phổ của vỏ não ở chuột và người trong điều kiện sống. Một camera đa phổ (HSC) đã được thử nghiệm trên mô hình chuột thiếu máu não (tắc động mạch não giữa) và trong phẫu thuật tái tưới máu ở người (nối STA–MCA). Những thay đổi trong độ bão hòa oxy vỏ não được rút ra từ dữ liệu hình ảnh quang phổ (400–800 nm) thu được bằng cách chiếu sáng vỏ não bằng ánh sáng Xenon. Ánh sáng phản xạ được lấy mẫu bằng HSC. Hệ thống sau đó được thử nghiệm trong quá trình mổ nối động mạch thái dương nông với động mạch não giữa. So sánh với dữ liệu hình ảnh chụp cắt lớp phát xạ đơn photon (SPECT) đã được thực hiện. Trong quá trình tắc động mạch não giữa ở chuột, kỹ thuật HSC cho thấy sự giảm đáng kể trong độ bão hòa oxy vỏ não ở bán cầu thiếu máu. Trong các trường hợp lâm sàng, độ bão hòa oxy vỏ não đã tăng lên sau khi nối STA–MCA, điều này đồng ý với dữ liệu hình ảnh SPECT. Việc thu thập liên tục dữ liệu hình ảnh quang phổ là khả thi và có thể cung cấp định lượng đáng tin cậy về phản ứng huyết động học trong não. Hệ thống HSC có thể hữu ích cho việc theo dõi những thay đổi trong huyết động học bề mặt vỏ não trong quá trình tái tưới máu ở người.

Từ khóa

#động mạch thái dương nông #động mạch não giữa #hình ảnh quang phổ #huyết động học #oxy vỏ não #tái tưới máu

Tài liệu tham khảo

Mendelowitsch A, Sekhar LN, Clemente R, Shuaib A (1997) EC-IC bypass improves chronic ischemia in a patient with moyamoya disease secondary to sickle cell disease: an in vivo microdialysis study. Neurol Res 19(1):66–70 Ishikawa T, Houkin K, Kamiyama H, Abe H (1997) Effects of surgical revascularization on outcome of patients with pediatric moyamoya disease. Stroke; J Cereb Circul 28(6):1170–1173 Rajamani K, Chaturvedi S (2007) Prevention of ischemic stroke: surgery. Curr Drug Targets 8(7):860–866 Hongo K, Kobayashi S, Okudera H, Hokama M, Nakagawa F (1995) Noninvasive cerebral optical spectroscopy—depth-resolved measurements of cerebral hemodynamics using indocyanine green. Neurolog Res 17(2):89–93 Towle EL, Richards LM, Shams Kazmi S, Fox DJ, Dunn AK (2012) Comparison of indocyanine green angiography and laser speckle contrast imaging for the assessment of vasculature perfusion. Neurosurgery 71(5):1023–1030; discussion 1030–1021. doi:10.1227/NEU.0b013e31826adf88. Paul JS, Luft AR, Yew E, Sheu FS (2006) Imaging the development of an ischemic core following photochemically induced cortical infarction in rats using Laser Speckle Contrast Analysis (LASCA). Neuroimage 29(1):38–45. doi:10.1016/j.neuroimage.2005.07.019 Dunn AK, Bolay H, Moskowitz MA, Boas DA (2001) Dynamic imaging of cerebral blood flow using laser speckle. J Cereb Blood Flow Metab 21(3):195–201. doi:10.1097/00004647-200103000-00002 Sheth SA, Prakash N, Guiou M, Toga AW (2009) Validation and visualization of two-dimensional optical spectroscopic imaging of cerebral hemodynamics. Neuroimage 47(Suppl 2):T36–T43. doi:10.1016/j.neuroimage.2008.09.060 Prakash N, Uhlemann F, Sheth SA, Bookheimer S, Martin N, Toga AW (2009) Current trends in intraoperative optical imaging for functional brain mapping and delineation of lesions of language cortex. Neuroimage 47(Suppl 2):T116–126. doi:10.1016/j.neuroimage.2008.07.066 Casasent D, Chen XW (2004) Feature reduction and morphological processing for hyperspectral image data. Appl Opt 43(2):227–236 Bannon D (2009) Hyperspectral imaging: cubes and slices. Nat Photon 3(11):627–629. doi:10.1038/nphoton.2009.205 Akbari H, Halig LV, Schuster DM, Osunkoya A, Master V, Nieh PT, Chen GZ, Fei B (2012) Hyperspectral imaging and quantitative analysis for prostate cancer detection. J Biomed Opt 17(7):076005. doi:10.1117/1.JBO.17.7.076005 Goetz AF, Vane G, Solomon JE, Rock BN (1985) Imaging spectrometry for Earth remote sensing. Science 228(4704):1147–1153. doi:10.1126/science.228.4704.1147 Jobsis FF, Keizer JH, LaManna JC, Rosenthal M (1977) Reflectance spectrophotometry of cytochrome aa3 in vivo. J Appl Physiol 43(5):858–872 Sylvia AL, Rosenthal M (1979) Effects of age on brain oxidative metabolism in vivo. Brain Res 165(2):235–248 Wolf T, Lindauer U, Obrig H, Dreier J, Back T, Villringer A, Dirnagl U (1996) Systemic nitric oxide synthase inhibition does not affect brain oxygenation during cortical spreading depression in rats: a noninvasive near-infrared spectroscopy and laser-Doppler flowmetry study. J Cereb Blood Flow Metab 16(6):1100–1107. doi:10.1097/00004647-199611000-00003 Yin C, Zhou F, Wang Y, Luo W, Luo Q, Li P (2013) Simultaneous detection of hemodynamics, mitochondrial metabolism and light scattering changes during cortical spreading depression in rats based on multi-spectral optical imaging. Neuroimage 76:70–80. doi:10.1016/j.neuroimage.2013.02.079 Ellingsen PG, Nystrom S, Reitan NK, Lindgren M (2013) Spectral correlation analysis of amyloid beta plaque inhomogeneity from double staining experiments. J Biomed Opt 18(10):101313. doi:10.1117/1.JBO.18.10.101313 Ellingsen PG, Reitan NK, Pedersen BD, Lindgren M (2013) Hyperspectral analysis using the correlation between image and reference. J Biomed Opt 18(2):20501. doi:10.1117/1.JBO.18.2.020501 Satori S, Aoyanagi Y, Hara U, Mitsuhashi R, Takeuchi Y (2008) Hyperspectral sensor HSC3000 for nano-satellite ’TAIKI’. 7149:71490M–71490M-71499. doi:10.1117/12.804898. Zhang HF, Maslov K, Sivaramakrishnan M, Stoica G, Wang LV (2007) Imaging of hemoglobin oxygen saturation variations in single vessels in vivo using photoacoustic microscopy. Appl Phys Lett 90(5):053901–053901–053903 Maslov K, Zhang HF, Wang LV (2007) Effects of wavelength-dependent fluence attenuation on the noninvasive photoacoustic imaging of hemoglobin oxygen saturation in subcutaneous vasculature in vivo. Inverse Prob 23(6):S113 Frostig RD, Lieke EE, Ts’o DY, Grinvald A (1990) Cortical functional architecture and local coupling between neuronal activity and the microcirculation revealed by in vivo high-resolution optical imaging of intrinsic signals. Proc Natl Acad Sci 87(16):6082– 6086 Kashani AH, Kirkman E, Martin G, Humayun MS (2011) Hyperspectral computed tomographic imaging spectroscopy of vascular oxygen gradients in the rabbit retina in vivo. PloS One 6(9): e24482 Subramanian NR, Kerekes JP, Kearney K, Schad N (2006) Spectral imaging of near-surface oxygen saturation. In: Medical imaging, 2006. International Society for Optics and Photonics, pp 61423Y–61423Y–61429 Mirkovic J, Lau C, McGee S, Yu CC, Nazemi J, Galindo L, Feng V, Darragh T, de Las Morenas A, Crum C, Stier E, Feld M, Badizadegan K (2009) Effect of anatomy on spectroscopic detection of cervical dysplasia. J Biomed Opt 14(4):044021. doi:10.1117/1.3194142 Ramella-Roman JC, Mathews SA, Kandimalla H, Nabili A, Duncan DD, D’Anna SA, Shah SM, Nguyen QD (2008) Measurement of oxygen saturation in the retina with a spectroscopic sensitive multi aperture camera. Opt Express 16(9):6170–6182 Zhang RL, Chopp M, Zhang ZG, Jiang Q, Ewing JR (1997) A rat model of focal embolic cerebral ischemia. Brain Res 766(1–2):83–92 Kiyota Y, Pahlmark K, Memezawa H, Smith ML, Siesjo BK (1993) Free radicals and brain damage due to transient middle cerebral artery occlusion: the effect of dimethylthiourea. Exp Brain Res 95(3):388–396 Li L, Ke Z, Tong KY, Ying M (2010) Evaluation of cerebral blood flow changes in focal cerebral ischemia rats by using transcranial Doppler ultrasonography. Ultrasound Med Biol 36(4):595–603. doi:10.1016/j.ultrasmedbio.2010.01.005 Powers WJ, Press GA, Grubb RL Jr, Gado M, Raichle ME (1987) The effect of hemodynamically significant carotid artery disease on the hemodynamic status of the cerebral circulation. Ann Intern Med 106(1):27–34 Baron JC, Bousser MG, Rey A, Guillard A, Comar D, Castaigne P (1981) Reversal of focal “misery-perfusion syndrome” by extra-intracranial arterial bypass in hemodynamic cerebral ischemia. A case study with 15O positron emission tomography. Stroke; J Cereb Circul 12(4):454–459 Awano T, Sakatani K, Yokose N, Kondo Y, Igarashi T, Hoshino T, Nakamura S, Fujiwara N, Murata Y, Katayama Y, Shikayama T, Miwa M (2010) Intraoperative EC-IC bypass blood flow assessment with indocyanine green angiography in moyamoya and non-moyamoya ischemic stroke. World Neurosurg 73(6):668–674. doi:10.1016/j.wneu.2010.03.027 Nakagawa A, Fujimura M, Arafune T, Sakuma I, Tominaga T (2009) Clinical implications of intraoperative infrared brain surface monitoring during superficial temporal artery-middle cerebral artery anastomosis in patients with moyamoya disease. J Neurosurg 111(6):1158–1164. doi:10.3171/2009.4.JNS08585 Hoshino T, Katayama Y, Sakatani K, Kano T, Murata Y (2006) Intraoperative monitoring of cerebral blood oxygenation and hemodynamics during extracranial-intracranial bypass surgery by a newly developed visible light spectroscopy system. Surg Neurol 65(6):569–576; discussion 576. doi:10.1016/j.surneu.2005.09.028 Sun X, Wang Y, Chen S, Luo W, Li P, Luo Q (2011) Simultaneous monitoring of intracellular pH changes and hemodynamic response during cortical spreading depression by fluorescence-corrected multimodal optical imaging. Neuroimage 57(3):873–884. doi:10.1016/j.neuroimage.2011.05.040 Dunn AK, Devor A, Bolay H, Andermann ML, Moskowitz MA, Dale AM, Boas DA (2003) Simultaneous imaging of total cerebral hemoglobin concentration, oxygenation, and blood flow during functional activation. Opt Lett 28(1):28–30 Eggert HR, Blazek V (1987) Optical properties of human brain tissue, meninges, and brain tumors in the spectral range of 200 to 900 nm. Neurosurgery 21(4):459–464 Hochman DW (2000) Optical monitoring of neuronal activity: brain-mapping on a shoestring. Brain Cogn 42(1):56–59. doi:10.1006/brcg.1999.1161 Haglund MM, Ojemann GA, Hochman DW (1992) Optical imaging of epileptiform and functional activity in human cerebral cortex. Nature 358(6388):668–671. doi:10.1038/358668a0 Toms SA, Lin WC, Weil RJ, Johnson MD, Jansen ED, Mahadevan-Jansen A (2007) Intraoperative optical spectroscopy identifies infiltrating glioma margins with high sensitivity. Neurosurgery 61(1 Suppl):327–335; discussion 335–326. doi:10.1227/01.neu.0000279226.68751.21 Lin WC, Sandberg DI, Bhatia S, Johnson M, Morrison G, Ragheb J (2009) Optical spectroscopy for in-vitro differentiation of pediatric neoplastic and epileptogenic brain lesions. J Biomed Opt 14(1):014028. doi:10.1117/1.3080144 Kayama T, Yoshimoto T, Fujimoto S, Sakurai Y (1991) Intratumoral oxygen pressure in malignant brain tumor. J Neurosurg 74(1):55–59. doi:10.3171/jns.1991.74.1.0055 Jensen RL (2009) Brain tumor hypoxia: tumorigenesis, angiogenesis, imaging, pseudoprogression, and as a therapeutic target. J Neuro-Oncol 92(3):317–335. doi:10.1007/s11060-009-9827-2 Graf BW, Ralston TS, Ko HJ, Boppart SA (2009) Detecting intrinsic scattering changes correlated to neuron action potentials using optical coherence imaging. Opt Express 17(16):13447–13457 Stummer W, Stocker S, Wagner S, Stepp H, Fritsch C, Goetz C, Goetz AE, Kiefmann R, Reulen HJ (1998) Intraoperative detection of malignant gliomas by 5-aminolevulinic acid-induced porphyrin fluorescence. Neurosurgery 42(3):518–525; discussion 525–516 Valdes PA, Leblond F, Jacobs VL, Wilson BC, Paulsen KD, Roberts DW (2012) Quantitative, spectrally-resolved intraoperative fluorescence imaging. Sci Rep 2:798. doi:10.1038/srep00798 Valdes PA, Kim A, Leblond F, Conde OM, Harris BT, Paulsen KD, Wilson BC, Roberts DW (2011) Combined fluorescence and reflectance spectroscopy for in vivo quantification of cancer biomarkers in low- and high-grade glioma surgery. J Biomed Opt 16(11):116007. doi:10.1117/1.3646916