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May 25, 2024

Medindo o fluxo sanguíneo cerebral humano e a função cerebral com fibra

Biologia das Comunicações volume 6, Número do artigo: 844 (2023) Cite este artigo 609 Acessos 2 Detalhes das métricas altmétricas O fluxo sanguíneo cerebral (FSC) é crucial para a saúde do cérebro. Contraste de manchas ópticas

Biologia das Comunicações, volume 6, número do artigo: 844 (2023) Citar este artigo

609 Acessos

2 Altmétrico

Detalhes das métricas

O fluxo sanguíneo cerebral (FSC) é crucial para a saúde do cérebro. A espectroscopia óptica de contraste speckle (SCOS) é uma técnica que foi desenvolvida recentemente para medir o FSC, mas o uso de SCOS para medir a função cerebral humana em grandes separações fonte-detector com sensibilidade comparável ou maior ao fluxo sanguíneo cerebral em vez do extracerebral não foi demonstrado. Descrevemos um sistema SCOS baseado em fibra capaz de medir alterações de CBF induzidas pela ativação do cérebro humano em separações de detectores de fonte de 33 mm usando detectores CMOS. O sistema implementa uma estratégia de pulsação para melhorar o fluxo de fótons e usa um pipeline de processamento de dados para melhorar a precisão da medição. Mostramos que o SCOS supera a atual modalidade óptica líder para medição de CBF, ou seja, espectroscopia de correlação difusa (DCS), alcançando mais de 10x de melhoria de SNR a um custo financeiro semelhante. SCOS baseado em fibra fornece uma abordagem alternativa à neuroimagem funcional para aplicações em neurociência cognitiva e ciências da saúde.

O fluxo sanguíneo cerebral (FSC) é um indicador importante da saúde do cérebro, pois regula o fornecimento de oxigênio ao cérebro e remove resíduos metabólicos, como o dióxido de carbono. Alterações no FSC correlacionam-se com condições clínicas graves, como acidente vascular cerebral isquêmico1,2, traumatismo cranioencefálico3 e doença de Alzheimer4,5. O FSC também fornece informações sobre a função cerebral6,7,8,9, pois a ativação neural induz alterações hemodinâmicas via acoplamento neurovascular10. Assim, o monitoramento do FSC é importante para estudos de neurociência cognitiva, bem como para aplicações clínicas. A espectroscopia de correlação difusa (DCS) é uma técnica óptica que mede o FSC humano a partir da luz coerente reemitida do tecido11,12,13,14,15. O índice de fluxo sanguíneo (BFi), uma métrica correlacionada linearmente com o fluxo sanguíneo subjacente, é calculado a partir do tempo de decorrelação da função de autocorrelação do curso de tempo de intensidade de manchas. Ele oferece uma maneira conveniente de monitorar de forma não invasiva e contínua o FSC à beira do leito, o que não pode ser realizado com outras técnicas, como tomografia por emissão de pósitrons e ressonância magnética com marcação de spin arterial. No entanto, os sistemas DCS tradicionais sofrem de uma relação sinal-ruído (SNR) relativamente baixa, e os detectores de diodo de avalanche de fóton único (SPAD) usados ​​nesses sistemas são geralmente caros, tornando-se um desafio para geometrias de alta densidade que cobrem grandes regiões cerebrais. , ou para calcular a média de vários pontos/canais para melhorar o SNR. Recentemente, vários grupos tentaram melhorar o SNR DCS através da geração de imagens de múltiplos speckles em um array SPAD ou melhorando a detecção de fluxo de fótons por speckle. Por exemplo, um trabalho publicado recentemente sobre DCS multi-speckle com 1.024 canais de detecção paralelos mostrou melhorias promissoras no SNR e demonstrou variações de CBF na testa humana em uma separação curta do detector de fonte (SDS) de ρ = 15 mm. Mas em ρ = 15 mm, a sensibilidade do cérebro é baixa e não é viável para medir a função cerebral17. Em outro exemplo, foi demonstrado que a implementação da interferometria melhora o SNR do DCS, alcançando o desempenho do ruído de disparo , mas às custas do aumento da complexidade do sistema, que não é preferido para o desenvolvimento futuro de dispositivos vestíveis. Finalmente, o uso de um comprimento de onda mais longo de 1064 nm como fonte de luz de entrada também demonstrou aumentar o SNR DCS aumentando o fluxo de fótons, graças à maior exposição máxima permitida (MPE) e menor energia por fóton do que comprimentos de onda mais curtos, mas isso O método requer detectores de fóton único de nanofios supercondutores ainda mais caros .

Outra categoria de técnicas ópticas para medir o FSC é a imagem com contraste de manchas a laser (LSCI)21,22,23,24. Em vez de analisar as estatísticas temporais, ou seja, a função de autocorrelação das intensidades de manchas, como feito no DCS, o LSCI explora as estatísticas espaciais calculando o contraste espacial dos padrões de intensidade de manchas medidos dentro de um determinado tempo de exposição da câmera. Os padrões de intensidade de manchas são obtidos usando câmeras semicondutoras de óxido metálico complementar (CMOS) de custo relativamente baixo que podem capturar milhões de manchas com milhões de pixels para melhorar o SNR, em oposição aos SPADs usados ​​​​em DCS tradicionais que utilizam algumas manchas. No entanto, o LSCI tradicional tem sido usado principalmente para obter imagens bidimensionais de FSC superficial com iluminação de campo amplo, principalmente para pequenos animais, como camundongos com janelas cranianas ou crânios adelgaçados. Recentemente, uma técnica derivada do LSCI denominada espectroscopia óptica de contraste speckle (SCOS) e sua tomografia óptica de contraste speckle de expansão tomográfica (SCOT) foram demonstradas para imagens de espaço livre com SDSs maiores, permitindo medições não invasivas do fluxo sanguíneo em regiões mais profundas em fantasmas, braços e testa humanos e cérebros de pequenos animais25,26,27,28,29,30. No entanto, generalizar técnicas de espaço livre para medições da função cerebral humana em uma grande área é um desafio devido à presença de cabelo, à suscetibilidade ao movimento devido ao alcance limitado de foco e ao campo de visão limitado da câmera. Sistemas baseados em fibras foram propostos e utilizados para realizar medições de formas de onda de pulso cardíaco31,32,33, mas a medição da função cerebral humana em uma grande separação fonte-detector (>30 mm) com sensibilidade comparável ou maior à sensibilidade cerebral em vez da extracerebral o fluxo sanguíneo ainda não foi alcançado. Além disso, várias fontes de ruído induzirão viés no contraste espacial medido no SCOS, o que apresenta desafios para quantificar alterações no fluxo sanguíneo no regime de baixo fluxo de fótons normalmente encontrado para medições de FSC humano . Trabalhos pioneiros na correção de ruído escuro e de tiro foram modelados e utilizados experimentalmente , mas existem mais fontes de ruído, como falta de homogeneidade na iluminação e ruído de quantização, que precisam ser corrigidas. Além disso, o esquema de correção de ruído para medições do cérebro humano não foi validado experimentalmente.