NIRS Near infrared spectroscopy

1. NIRSNear infrared spectroscopy Karen-Lise Welling Overlæge, Ph.D. Neurointensiv Terapi Afsnit 2093 Neuroanæstesiologisk Klinik Rigshospitalet 13. Marts 2009

2. NIRS pub med søgning • NIRS - 2181 hits • NIRS and brain – 740 hits • NIRS and circulation – 206 hits • NIRS and muscle – 284 hits • NIRS and oxygenation – 540 hits • NIRS and cerebral oxygenation – 358 hits • RH har en ekspert: Professor, overlæge, dr.med. Niels Henry Secher, Abd. Anæstesi • Near-infrared oxymetry of the brain. Madsen PL, Secher NK. Prog Neurobiol 1999;58(6):541-560 (reveiw)

3. NIRS …øh..hvad er det nu? • FAST sampling (f(s) > 50 Hz) kontinuerlig sample af SaO2 og SvO2 saturation • Hz ?? = antal per sekund (10 Hz = 10 målinger/s) • Near-infrared lys – penetrerer nemt biologisk vandfyldt væv • Near- infrared spectroskopi – er blot en høj tidsmæssig opløsning af in vivo måling af cerebral oxygenering

4. NIRS …øh.. ScO2 • Iltbindende pigmenter, hæmoglobin og cytochrom C oxidase har veldefinerede absorptionsspektre, som influeres af oxygen-bindingen • Analyse af svækkelsen af sådanne spektre = Spectroscopi • Analyse af lysabsorptionen ved udvalgte bølgelængder (spectrofotometri) • Bruges til at følge oxygenering in vivo

5. NIRS – kort sagt - reflekterer • (Cerebrale) ændringer i • Oxygeneret hæmoglobin, HbO2 • Deoxygeneneret hæmoglobin, Hb • Oxideret cytochrome c (CytO2) • Oxygen saturation (ScO2) ……….....på en bedside basis Målingen ved NIRS betegnes ScO2

6. NIRS reflekterer ScO2 • Da 20% af blodet er i arteriolerne • Og 5% af blodet er i kapillærerne • ..vil 75% af blodet være i venerne • Derfor kan man argumentere, at NIRS (ScO2) determinerer lokal SvO2 snarere end vævs iltindhold. • ScO2 er da også højere end jugularis SvO2

7. NIRS - ScO2 • Funktionelt, kranielt: NIRS er forskellige absorptionsspektre af oxy- og deoxyhæmoglobin i near-infrared region til at måle ændringer i oxygenering og hæmodynamik i kortikalt væv • ….nu har de sidste 5 billeder sagt det samme på forskellig måde…

8. NIRS - ScO2 • ….så hvis de sidste 5 billeder har sagt det samme og I ikke fuldstændig tåger……… • Så hvad er det at NIRS er? • Hvad måles? • Hvor måles? • Hvad siger det noget om?

9. NIRS information og faldgruber • Information: Oxygenering og hæmodynamik • ILT på Hgb som f.eks påvirkes af ilttilbud (FiO2), hæmoglobinindhold, pH • Perfusion – som f.eks påvirkes af hypotension, hypo- og hyperkapni • Faldgrube • Insufficient lys, optode displacering • At sample volume (målevolumen) inkluderer muskel/sene på panden eller slimhinden i frontale sinus (man kan korrigere) • Melatonin og vand: Lille bitte betydning • Bilirubin: Mindsker systematisk ScO2

10. Information eller faldgrube? Information ILT ScO2 Perfusion Hgb, pH, FiO2 Hypotension, hypo- og hyperkapni Adekvat måling ”Tykhovedet” (sample volume) Melatonin, vand Bilirubin Faldgruber

11. Vævsspectroscopy for O2 F.eks.er en anden, men lignende metode • Pulsoxymeter • Oprindeligt øreflip • Finger

12. NIRS i klinisk praksisanvendes til vurdering af • Systemisk og lokal cerebral cirkulatorisk kompromittering • Hjerne • Hjerte • Muskel

13. NIRS fysiologisk validering • Kontrollerede ændringer i den cerebrale cirkulation (tryk, flow) hos patienter og raske kontroller • Relative indflydelse på NIRS af interna og externe carotis arterie (direkte ved kontrol af perfusion og indirekte ved kendte måder at regulere blod flow på) (f.eks. Ballonokklusion) • NIRS kun nyttig hvis den reflekterer PaO2 og cerebrovaskulær reaktivitet til blodtryk og CO2

14. NIRS fysiologisk validering • Eksempel på kontrolleret flow af carotis interna og eksterna og andre manipulationer • Okklusion af carotis communis ved ydre tryk • Okklusion med ballon kateter • Temporal muske kontraktioner (mindsker flow i eksterna) • Kunstig stigning i CBF (medikamentelt) • Kunstig stigning i CO2 eller fald i O2

15. NIRS - resultat af validering • Ventilation: NIRS følger cerebral oxygenering under ventilationsændringer (såvel CO2 som O2) • Tryk: NIRS indikerer, når nedre del af autoregulation er nået (f.eks. Tilt studier) og korrelerer kun nogenlunde med SjvO2 • Flow: NIRS indikerer hypovolæmisk hypotension før MAP og følger MAP idet ScO” falder 10% for hver 10 mm Hg fald i MAP

16. NIRS i klinisk praksis • Systemisk og lokal cerebral cirkulatorisk kompromittering • For eksempel • Systemisk arteriel hypotension (abd. Anæstesi) • Neonatale (meget brugt, også RH) • Lokal cerebral cirkulatorisk kompromittering • Kranie traume • Kirurgi på cerebrale arterier • Orthostase/Excercise (N.H.Sechers forskning) • Akut hjertesvigt • Kognitive undersøgelser – brain cell activation

17. NIRS ved carotis kirurgi • Kirurgi på arterier til hjernen gør monitorering af den cerebrale vævsoxygenering attraktiv • NIRS er en non-invasiv måde • Ved afklemning af carotis faldt ScO2fra 72 til 66% i modsætning til en stabil værdi på 71% på den ikke-afklemte side • NIRS var mere følsom end kontinuerlig EEG • ICA flow – cerebral autoreguleret • ECA flow – reguleres af MAP

18. NIRS ved carotis kirurgi • Test ballon okklusion ved hjælp af NIRS • Procedure: Ballonkateter og 30 min okklusion (AK heparin dække) • Neurologisk vurdering af deficits • Ved NIRS ses signifikant fald i ScO2 os patienter uden neurologisk deficit med > 20% asymmetri eller et bilateralt fald i ScO2 • Konsekvens: Hos patienter med ændring i ScO2 udførtes en bypass, frem for at ”ofre fødekarret” • Armonda RA et al. AANS.org 2001

19. NIRS ved carotis kirurgiCase • Aktuelle patient i seng 1.1. med vertebralis aneurysmet (koldt) • Før operation – ballon okkusion i 25 min fulgt af klinisk neurologisk vurdering af N overlæge • Efter operationen: Tetraplegi

20. NIRS og hjernekirurgi • Intrakranielle hæmatomer: • NIRS viser, at absorptionen over den hemisfære med hæmatom er større – ses før en stigning i ICP, før en neurologisk ændring og før en ændring på CT-C (Gopinath 1995) • TBI • NIRS (ScO2), TCD, SvO2 - N=38 • NIRS relaterer til CPP (N=37). Mens SvO2 kun relaterer til CPP hos N=20 (Kirkpatric, 1995)

21. NIRS – tromber, kramper m.v. • Cerebrale arterielle thromber • ScO2 steg efter rekanalisering (intra-arteriel thrombolyse) (Nagashima 1998) • Kramper • ECT: Fald i ScO2 – afspejler at massiv neuroal aktivering er associeret med begrænset stigning i flow og ScO2 • NIRS afspejler EEG ændringer under anfald (Villringer 1994, Steinhoff 1996) • Arteriel-cavernøs fistel (1 patient) • ScO2 før var eleveret 82%, efter lukning 70% bilateralt

22. NIRS – SAH vasospasmer • NIRS kombineret med TCD x 2 dagligt (anteriore og posteriore cirkulation) • N = 115 • Interventioner registreres (f.eks. HHH, dræn, angiografisk vasodilatation mv) • Korrelation med TCD evidens for vasospasme i 80/87 (91%) patienter • Mest nyttig hos tungt sederede patienter • Duer ikke ved posterior cirkuations vasospasme (7/87) • Kunne ikke måles hos 5/115 • Konklusion: NIRS øger sandsynligheden for at identificere vasospasmer • Armonda RR A, AANS.org 2001

23. NIRS – hjerteinsufficiens • Defekt cerebral autoregulation er demonstreret ved mange tilstande • Kronisk hjerteinsufficiens, diabetes, kronisk leverinsufficiens, meningitis • Fokus kun på tryk og blodmetabolitter er af begrænset værdi hos kritisk syge patienter • Hjertesygdomme: • Ved hypoterm cirkulatorisk arrest reflekterer NIRS neurologisk outcome (>35% ingen neurologisk insult) (Ausman 1993)

24. NIRS – neonatale • NIRS og kontinuerlig EEG (amplitude integreret EEG) • …rings a bell..? Kan I huske det besværlige opsamlingrullebord med bærbar PC på og elektroderne på panden? • Disse to måder er rutine neurologisk monitorering på neonatal enheder • Især børn med hypoxia-iskæmi og børn mistænkt for kramper • Især nyttig som trend-monitor hos kritisk syge børn (patent ductus arteriosus, ventilation med høje luftvejstryk, hypoxi-iskæmi, hjertekirurgi) • Toet MC & Lemmers PM. Early Hum Dev 2009,85,77-84.

25. NIRS og SvO2 • Er NIRS lige så ”godt” som centralvenøs eller jugularis SvO2? • Hos 60 børn – hjertekateterisation- hvor SvO2 og SvjO2 blev målt og sammenlignet med ScO2 kunne hverken trends eller absolutte værdier af ScO2 give et estimat af SvO2 , men kom tættere på centralvenøs end jugularis SvO2 • Lav sammenhæng ved TBI, efter hjertestop, under hjertekirurgi • Knirsch WW et al. Acta Anaesthesiol Scand 2008,52,1370-4.

26. NIRS - anbefalinger • Carotis kirurgi – og okklusionstest • Tilstande med potentiel svær hypovolæmi og samtidig truet cerebral cirkulation • SAH? • TBI – i hvertfald de, der hyperventilerets (tidligere brugte man SvJO2) • Måske ved kramper (når ej EEG) • Måske ved thromber (sinusvenethrombose)

27. PRØV! Og bliv klogere..

28. Bedre Lav et studie

29. NIRS – Review’s • Ferrari M, Mottola L, Quaresima V. Can J Appl Physiol 2004,29(4);463-487. Pinciples, techniques , and limitations of near infrared spectroscopy. • Madsen PL, Secher NK. Near-infrared oxymetry of the brain. Prog Neurobiol 1999:58,541-560.