Correlates of cerebral vasoreactivity measured by non-invasive diffuse optical measurements as biomarkers of brain injury risk

Abstract

I have used and developed a practical new platform in the clinics for the noninvasive estimation of cerebral hemodynamics. The latform combines two diffuse optical techniques: near-infrared spectroscopy and diffuse correlation spectroscopy. To study patients at a high risk of cerebrovascular accidents, and those who have recently suffered an ischemic stroke, several protocols were devised and carried out. This set of multi-disciplinary studies was performed in close collaboration with the Stroke Unit and the Sleep Unit at Hospital de la Santa Creu i Sant Pau (Barcelona, Spain) with the ultimate goal to identify new biomarkers for the assessment of cerebral autoregulation and cerebral vasoreactivity, and, ultimately, cerebral well-being. The bulk of the studies on these patients focused on the investigation of microvascular cerebral physiology in response to a non-invasive and benign challenge, without the need of patient collaboration nor any additional equipment. This challenge involved an alteration of the patient head-of-bed positioning. Interestingly, the head-of-bed challenge with the measurement of microvascular cerebral blood ow has been shown as a potential protocol to tell us about the status of cerebral autoregulation in these patients. This in turn was shown to track impairments over time, and the patients' response to treatments, and to predict long-term outcome. Overall, this thesis pushes the limits of the clinical translation of hybrid diffuse optics, paving the way for new clinical applications at the point-of-care and in the neurocritical care.

En aquest treball he utilitzat i desenvolupat una nova plataforma d'ús clínic per a l'estimació no invasiva de l'hemodinàmica de teixits que combina dues tècniques híbrides d'òptica difusa: l'espectroscòpia de l'infraroig proper i l'espectroscòpia de correlació difusa. S'han ideat i dut a terme diferents protocols per estudiar pacients amb un alt risc d'accidents cerebrovasculars i pacients que han patit recentment un accident cerebrovascular isquèmic. Aquest conjunt d'estudis multidisciplinars s'han pogut dur a terme gràcies a l'estreta col·laboració amb la Unitat d'Ictus i la Unitat de Trastorns Respiratoris del Son de l'Hospital de la Santa Creu i Sant Pau (Barcelona, Espanya), amb la finalitat d'identificar nous biomarcadors per a l'avaluació del funcionament de l'autoregulació cerebral i la vasorreactivitat cerebral, i globalment, del bon funcionament cerebral. Aquests estudis s'han centrat en la investigació de la fisiologia cerebral microvascular en resposta a un estímul no invasiu, sense la necessitat de la col·laboració dels pacients, ni tampoc de cap material addicional; aquest estímul és un simple canvi de posició de la capçalera del llit. Curiosament, el dit canvi de posició de la capçalera del llit, juntament amb la mesura del flux sanguini cerebral de la microvasculatura, han demostrat ser un protocol amb potencial per aportar informació sobre l'estat de l'autoregulació cerebral. A més a més, a través d'aquest protocol s'han pogut estudiar l'estat del benestar cerebral al llarg del temps, els canvis deguts possiblement al tractament, així com les correlacions amb el pronòstic d'aquests pacients. En resum, aquesta tesi amplia els límits de l'òptica difusa, obrint camí a noves aplicacions clíniques en els hospitals