UMO-2011/03/D/ST7/02522

Kierownik projektu: dr Michał Kacprzak

Cel projektu
Badanie procesu autoregulacji krążenia mózgowego daje potencjalne możliwości oceny stanu chorego po przebytym urazie mózgowo-czaszkowym. Brak autoregulacji i ponowne jej z czasem odnawianie się w trakcie leczenia pourazowego może dawać bardzo cenną informację diagnostyczną o dalszym przebiegu postępowania z chorym. Autoregulacja krążenia mózgowego, która oznacza zdolność organizmu do utrzymywania stałego przepływu krwi w pewnym zakresie zmian ciśnienia perfuzyjnego opisana jest orientacyjną zależnością przedstawioną na rys. 1 (Paulson 1990, Cieślicki 2001).

Rys. 1. Zależność pomiędzy przepływem mózgowym, a średnim ciśnieniem tętniczym, w warunkach prawidłowej autoregulacji (linia ciągła) oraz przy jej braku (linia przerywana). Autoregulacja przepływów mózgowych przy średnim ciśnieniu tętniczym wahającym się od wartości P1 (~60mmHg) do wartości P2 (~150mmHg) zmienia ich zakres od wielkości Q1AR do Q2AR, gdzie przy braku autoregulacji te same zmiany ciśnienia wywołują zmianę o dużo większym zakresie od wielkości Q10 do Q20.

W praktyce klinicznej przy diagnostyce urazów mózgowo-czaszkowych proces autoregulacji badany jest przy pomocy metod ultrasonograficznych przy podawaniu środków podnoszących ciśnienie krwi. Metody te nie pozwalają jednak na długotrwałe monitorowanie pacjenta oraz badają opisane powyżej zjawisko wyłącznie w dużych naczyniach poprzez ręczne usytuowanie sondy ultrasonograficznej ponad nimi. Wady te mogą być zniwelowane poprzez zaproponowaną przez autorów metodę optoelektroniczną.
Autorzy wniosku postulują, że zaproponowana nowoczesna metoda optoelektroniczna, jaką jest czasowo rozdzielcza spektroskopia w bliskiej podczerwieni umożliwi ocenę autoregulacji mikroprzepływów mózgowych w sposób nieinwazyjny, przyłóżkowo, gdzie wymuszeniem zmian ciśnienia będą naturalne czynniki, które okresowo zmieniają ciśnienie tętnicze: rytm serca oraz oddychanie. Pozwoli to na całkowicie nieinwazyjny i unikalny sposób monitorować to zjawisko fizjologiczne w sposób długotrwały zarówno na grupie zdrowych ochotników jak i grupie pacjentów Oddziału Intensywnej Opieki Medycznej.

Hipotezy badawcze
Czasowo-rozdzielcza spektroskopia w bliskiej podczerwieni, jest nowoczesną i stale rozwijającą się techniką pomiarową. Dzięki zastosowaniu impulsowych źródeł promieniowania z zakresu bliskiej podczerwieni o bardzo krótkim czasie trwania impulsu (<100ps) oraz wyrafinowanej techniki detekcyjnej, pozwalającej wyznaczyć czas przelotu pojedynczych fotonów od punktu emisji do oddalonego o kilka centymetrów punktu detekcji, można za jej pomocą wyznaczyć zmiany współczynnika absorpcji badanej tkanki w funkcji głębokości. Podstawowy, jednokanałowy układ pomiarowy do czasowo rozdzielczej spektroskopii w bliskiej podczerwieni przedstawiony jest na rys 2.

Rys. 2. Czterokanałowy układ pomiarowy do czasowo rozdzielczej spektroskopii w bliskiej podczerwieni. Sterownik diod laserowych LH1 i LH2, które emitują odpowiednio impulsy laserowe o długościach fali 687 i 832 nm z częstotliwością 80 MHz w momencie generowania impulsu wysyła sygnał synchronizujący do układu elektronicznego do skorelowanego w czasie zliczania pojedynczych fotonów (TCSPC – ang. time corellated single photon counting). Impulsy z dwóch głowic, odpowiednio przesunięte względem siebie czasie, wprowadzone zostają do światłowodu emisyjnego, którego drugi koniec umieszczony jest na powierzchni głowy badanej osoby. Część fotonów penetrujących przez rozpraszającą tkankę dociera z powrotem do powierzchni głowy, gdzie zostają poddane detekcji w odległościach od 2, 3, 4 i 5 cm od punktu emisji. Wiązki światłowodowa o średnicy 4 mm doprowadzają reemitowane z tkanki fotony do układu fotopowielaczy, które generują impulsy jednofotonowe. Czas pomiędzy impulsem synchronizującym, a impulsem z fotopowielacza odpowiada czasowi przelotu fotonu przez badaną tkankę. Po emisji w głąb badanej tkanki dużej liczby impulsów w pamięci układu TCSPC budowany jest rozkład czasów przelotu fotonów, który następnie analizowany jest w celu wyznaczenia zmian współczynnika absorpcji w funkcji głębokości badanej tkanki. Częstotliwość próbkowania z jaką wyznaczany jest współczynnik absorpcji przy pomocy tej metody może wynosić nawet 20 Hz, co pozwala na obserwację bardzo szybkich zmian w mikrokrążeniu badanej tkanki.
Znajomość zmian współczynnika absorpcji w funkcji głębokości dla dwóch długości fali pozwala wyznaczyć, także w funkcji głębokości, zmiany stężeń hemoglobiny utlenowanej i zredukowanej, których suma daje sygnał proporcjonalny do wielkości przepływu krwi w badanej tkance. Możliwość monitorowania tego parametru na głębokości odpowiadającej tkankom kory mózgowej pozwala na postawienie hipotezy badawczej mówiącej że dzięki procesowi autoregulacji przepływów mózgowych komponenty częstotliwościowe odpowiadające rytmowi serca oraz fali respiracji powinny być tłumione w mikrokrążeniu mózgowym a uwypuklone w przypadku braku autoregulacji. Również komponenty te powinny być wyraźnie widoczne dla sygnałów, proporcjonalnych do przepływu krwi, wyznaczonych dla zewnątrzmózgowych tkanek okalających i maleć wraz z głębokością dokonywanego pomiaru.
Dodatkowymi, planowanymi eksperymentami, w wyniku których również obserwowane są zmiany średniego ciśnienia krwi są pomiary przy zmianie pozycji ciała np. z pozycji siedzącej do stojącej lub test pochyleniowy, w którym dokonuje się pomiaru w pozycji leżącej przy różnych kątach nachylenia górnej części ciała. Tego typu wymuszenia nie powinny w sposób znaczący zmieniać przepływów mózgowych u osób zdrowych jednak u chorych, u których występuje brak mechanizmu autoregulacji są one wystarczające aby zaobserwować zmiany przepływów (Kim 2010).

Znaczenie oraz wymierny, udokumentowany efekt podjętego problemu
Zaproponowana metoda badawcza oraz postawione hipotezy mogą doprowadzić do dokładniejszego zbadania mechanizmu autoregulacji przepływów mózgowych. Zaplanowane dokładne pomiary, nowoczesną metodą optoelektroniczną pozwolą na eksperymentalną obserwację wpływu rytmu serca oraz oddechu jako bodźców zmieniających ciśnienie krwi, które dzięki mechanizmowi autoregulacji nie obserwuje się w przypadku osób zdrowych, a które mogą dać informację diagnostyczną u chorych po urazach czaszkowo-mózgowych. Za pomocą przedstawionej koncepcji można będzie również monitorować skuteczność terapii i odbudowę mechanizmu autoregulacji w trakcie rehabilitacji pacjentów.
W celu realizacji powyższych zadań eksperymentalnych niezbędne jest uzyskanie zgody odpowiedniej komisji bioetycznej na ich przeprowadzenie. Kierownik oraz wykonawcy projektu mają niezbędne doświadczenie w przygotowywaniu wniosków do komisji bioetycznych i kilkukrotnie w przeszłości otrzymywali taką zgodę na badania kliniczne z zastosowaniem spektroskopii w bliskiej podczerwieni w warunkach oddziału intensywnej opieki medycznej (Liebert 2011) jak również na sali operacyjnej (Kacprzak 2011).
Skuteczność zastosowania czasowo rozdzielczej spektroskopii w bliskiej podczerwieni w badaniach ukrwienia i utlenowania tkanki kory mózgowej została udokumentowana w wielu opublikowanych pracach. Badano za jej pomocą zmiany hemoglobiny utlenowanej i zredukowanej podczas stymulacji funkcjonalnej kory mózgowej (Kacprzak 2007, Koch 2008). Wykorzystywano tą metodę również do oceny perfuzji mózgowej poprzez badanie napływu barwnika do tkanek głowy podawanego dożylnie (Liebert2005, Steinbrink 2001). Stosowana również była śródoperacyjnie do badań stopnia utlenowania kory mózgowej podczas zabiegu endarterektomii tętnicy szyjnej (Kacprzak 2011).
Zastosowanie metody czasowo rozdzielczej spektroskopii w bliskiej podczerwieni w badaniach procesu autoregulacji krążenia mózgowego ma charakter unikalny i nie było jak dotąd doniesień publikacyjnych związanych z tego typu badaniami, co pozwoli na publikację uzyskanych wyników w renomowanych czasopismach naukowych (Journal of Biomedical Optics, NeuroImage, Physics In Medicine and Biology). Planowane jest także prezentowania otrzymanych wynków na konferencjach krajowych i międzynarodowych.