一种监测大脑血液流动的新方法

【字体: 时间:2023年01月11日 来源:Biomedical Optics Express

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  监测大脑的适当血液供应是至关重要的,不仅是为了预防神经疾病,也是为了治疗它们。并行近红外干涉光谱技术(简称πNIRS)可以让全世界的医生和患者的生活更轻松。

  
   

A new way to monitor blood flow in the brain. The πNIRS technique could revolutionize medical diagnostics    

图片来源:Karol Karnowski博士    


监测大脑的适当血液供应是至关重要的,不仅是为了预防神经疾病,也是为了治疗它们。并行近红外干涉光谱技术(简称πNIRS)可以让全世界的医生和患者的生活更轻松。  

血液驱动着我们整个身体,对大脑功能尤其重要。平均而言,大约50毫升/分钟/100克流经脑组织——大约80-90毫升/分钟/100克流经灰质,20-30毫升/分钟/100克流经白质。当缺氧,因此,缺乏适当的血液供应,神经细胞死亡发生-然后我们说中风。波兰每年约有7万人感染此病。

这就是为什么监测脑血流量在疾病预防和治疗中至关重要。神经学知道许多有效的方法,但其中许多都有其弱点。现在,由ICTER研究人员领导的神经科学家团队开发了一种技术,可以显著改善体内脑血流量的监测。

如何监测脑血流?  

脑血流量(CBF)使用约15%的心输出量将必需物质(氧气和葡萄糖)输送到大脑,并带走不必要的物质(新陈代谢的产物)。任何偏离常态的行为都可能导致暂时性的大脑功能障碍,并引发不可逆转的疾病,其中阿尔茨海默病最为突出。这就是为什么CBF的非侵入性监测如此重要——我们有几个实用的工具来做到这一点。

首先想到的是功能磁共振成像(fMRI),它可能是世界上使用最广泛的诊断测试,在这里也很有效。它可以监测脑血供的局部变化和体内神经元活动的相关波动。例如,这项技术可以提供高分辨率的图像,但相当昂贵,而且很难用于幼儿。这就是光学方法派上用场的地方。

脑氧合可以使用功能近红外光谱(fNIRS)进行评估。该技术可以通过人体发色团对660-940 nm范围内电磁波辐射的选择性吸收,实现对区域脑氧合的无创测量。它通常被用作帮助监测患者病情的工具,包括在神经外科手术期间。

另一方面,弥散相关光谱(DCS)可以对血流进行连续监测。他们最先进的改进是基于连续波(CW)激光,这可以防止绝对测量。干涉近红外光谱(iNIRS)可以在这方面提供帮助。尽管如此,之前的研究表明,这种方法太慢,无法检测到血液流动的即时变化,从而转化为神经元活动。这是因为它是一个单通道系统,只测量从样品中收集到的单模光的强度。

创新πNIRS  

ICTER的一组研究人员决定修改iNIRS,依靠并行近红外干涉光谱(πNIRS)进行多通道脑血流检测。为了实现这一点,有必要改变iNIRS探测系统。在π近红外中,采集到的光信号被二维CMOS摄像机以超快帧速率(~1 MHz)记录下来。记录的图像序列中的每个像素有效地成为一个单独的检测通道。使用这种方法,可以获得与iNIRS类似的数据,但速度要快得多——甚至是数量级!

这种改进反过来又转化为系统更高的灵敏度和检测本身的准确性。有可能检测到与神经元激活相关的血液流动的快速变化,例如,对外部刺激或药物的反应。该解决方案可能有助于诊断cbf相关的神经元疾病和评估治疗方法的有效性,例如神经退行性疾病。

  • 该项目将改进快速、无创的人体内脑血监测系统。持续的、无创的血流监测有助于治疗严重的脑部疾病。此外,脑血流的快速检测将使我们更接近开发一种可以帮助残疾人的非侵入性脑机接口(BCI)。最后,我们的项目将加强波兰在扩散光学方面的发展传统,ICTER的Dawid Borycki说。

试验已经证实,该技术可以有效地监测体内前额皮质的活动。此外,由于激光雷达技术的发展和眼睛的超快体积成像,可以进一步改进,降低了CMOS相机的成本。因此,πNIRS技术可以从多个空间位置监测脑血流量和吸收变化。

π近红外光谱技术获得的数据可应用于脑循环疾病的诊断,有助于对患者病情的评估,并可预测早期和长期的治疗结果。

  

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