Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия

Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия ( fNIRS ) - это метод оптического мониторинга мозга, который использует ближнюю инфракрасную спектроскопию для функциональной нейровизуализации . ^[1] Используя fNIRS, активность мозга измеряется с помощью ближнего инфракрасного света для оценки гемодинамической активности коры головного мозга, которая возникает в ответ на нейронную активность. Наряду с ЭЭГ , fNIRS является одним из наиболее распространенных неинвазивных методов нейровизуализации, который можно использовать в портативных средах. Этот сигнал часто сравнивают с жирным сигналом, измеренным с помощью фМРТ, и он позволяет измерять изменения как в концентрации оксигемоглобина, так и в концентрации дезоксигемоглобина ^[2].но может измерять только в областях вблизи кортикальной поверхности. fNIRS также может называться оптической топографией (OT), а иногда просто NIRS.

fNIRS с системой Gowerlabs NTS

Оксигенированный и деоксигенированный гемоглобин

fNIRS оценивает концентрацию гемоглобина по изменению поглощения ближнего инфракрасного света. Когда свет движется или распространяется через голову, он попеременно рассеивается или поглощается тканью, через которую проходит. Поскольку гемоглобин является значительным поглотителем ближнего инфракрасного света, изменения поглощенного света можно использовать для надежного измерения изменений концентрации гемоглобина. Различные методы fNIRS также могут использовать способ распространения света для оценки объема крови и оксигенации. Этот метод безопасен, неинвазивен и может использоваться с другими методами визуализации.

fNIRS - это неинвазивный метод визуализации, включающий количественную оценку концентрации хромофора, полученную при измерении ослабления света в ближней инфракрасной области (NIR) или временных или фазовых изменений. Метод использует преимущество оптического окна, в котором (а) кожа, ткани и кости в основном прозрачны для ближнего инфракрасного излучения (спектральный интервал 700–900 нм) и (б) гемоглобин (Hb) и деоксигенированный гемоглобин (дезокси-Hb). являются сильными поглотителями света.

Спектры поглощения окси-гемоглобина и дезокси-гемоглобина для длин волн ближнего инфракрасного диапазона

Существует шесть различных способов взаимодействия инфракрасного света с тканями мозга: прямая передача, диффузная передача, зеркальное отражение, диффузное отражение, рассеяние и поглощение. fNIRS фокусируется в первую очередь на поглощении: различия в спектрах поглощения дезокси-Hb и окси-Hb позволяют измерять относительные изменения концентрации гемоглобина за счет использования ослабления света на нескольких длинах волн . Выбираются две или более длины волны, одна длина волны выше и одна ниже изобестической точки 810 нм, при которой дезокси-Hb и окси-Hb имеют одинаковые коэффициенты поглощения . Используя модифицированный закон Бера-Ламберта (mBLL), относительные изменения концентрации можно рассчитать как функцию от общей длины пути фотона. ^[3]

Обычно излучатель и детектор света размещаются ипсилатерально (каждая пара излучатель / детектор на одной стороне) на черепе пациента, поэтому записанные измерения происходят из-за обратно рассеянного (отраженного) света, следующего по эллиптическим путям. ^[4] fNIRS наиболее чувствителен к гемодинамическим изменениям, которые происходят ближе всего к коже черепа ^[5], и эти поверхностные артефакты часто устраняются с помощью дополнительных световых детекторов, расположенных ближе к источнику света (детекторы с коротким разделением). ^[6]

Модифицированный закон Бера – Ламберта

Изменения интенсивности света могут быть связаны с изменениями относительных концентраций гемоглобина с помощью модифицированного закона Бера – Ламберта (mBLL). Закон Бера-Ламберта касается концентрации гемоглобина. Этот метод также измеряет относительные изменения в ослаблении света, а также использует mBLL для количественной оценки изменений концентрации гемоглобина. ^[7]

США и Великобритания

В 1977 году Джобсис ^[8] сообщил, что прозрачность ткани мозга для ближнего инфракрасного излучения позволяет использовать неинвазивный и непрерывный метод насыщения тканей кислородом с помощью трансиллюминации . Просветление (прямое рассеяние) имело ограниченное применение у взрослых из-за ослабления света и было быстро заменено методами, основанными на отражении, что привело к быстрому развитию систем NIRS. Затем, к 1985 году, М. Феррари провел первые исследования оксигенации мозга. Позже, в 1989 году, после работы с Дэвидом Делпи в Университетском колледже Лондона, Хамамацу разработал первую коммерческую систему NIRS: Монитор церебральной оксигенации NIR-1000. Методы NIRS первоначально использовались для церебральной оксиметрии в 1990-х годах. В 1993 г. четыре публикации Chance et al. PNAS , Hoshi & Tamura J. Appl Physiol , Kato et al. JCBFM, Villringer et al Neuros. Lett. продемонстрировали возможность применения fNIRS у взрослых людей. Техники NIRS были дополнительно расширены работами Рэндалла Барбура, Бриттона Чанса , Арно Виллингера, М. Коупа, Д. Т. Делпи, Энрико Граттона и других. В настоящее время разрабатываются носимые fNIRS.

Hitachi ETG-4000

Япония

Тем временем в середине 80-х японские исследователи из центральной исследовательской лаборатории Hitachi Ltd решили создать систему мониторинга мозга на основе NIRS с использованием импульса 70-пикосекундных лучей. Эти усилия проявились, когда группа вместе со своим ведущим экспертом доктором Хидеаки Коидзуми (小泉 英明) провела открытый симпозиум, чтобы объявить о принципе «оптической топографии» в январе 1995 года. Фактически, термин «оптическая топография» происходит от термина. от концепции использования света к «2-мерному картированию в сочетании с 1-мерной информацией» или топографии . Идея была успешно реализована при запуске их первого устройства fNIRS (или «Оптическая топография», как они его называют) на основе частотной области в 2001 году: Hitachi ETG-100. Позже Харуми Оиси (大石 晴美), кандидат наук в Университете Нагоя, опубликовала в 2003 году свою докторскую диссертацию на тему «Паттерны корковой активации изучающих язык, измеренные с помощью ETG-100» под руководством профессора Тору Киношита (木 下 微) - представляя новую перспективу использования fNIRS. С тех пор компания продвигает серию ETG.

В настоящее время существует три режима спектроскопии fNIR:

1. Непрерывная волна

2. Частотная область

3. Временная область

Непрерывная волна

Система непрерывной волны (CW) использует источники света с постоянной частотой и амплитудой. Фактически, чтобы измерить абсолютные изменения концентрации HbO с помощью mBLL, нам нужно знать длину пути фотона. Однако CW-fNIRS не дает никаких сведений о длине пути фотона, поэтому изменения в концентрации HbO связаны с неизвестной длиной пути. Многие коммерческие системы CW-fNIRS используют оценки длины пути фотонов, полученные на основе компьютерных симуляций Монте-Карло и физических моделей, для приблизительной абсолютной количественной оценки концентраций гемоглобина.

${\ displaystyle {\ text {OD}} = \ operatorname {log} _ {10} (I_ {0} / I) = \ epsilon \ cdot [X] \ cdot l \ cdot {\ text {DPF}} + G }$

Где ${\ displaystyle {\ text {OD}}}$ оптическая плотность или затухание, ${\ displaystyle I_ {0}}$ интенсивность излучаемого света, ${\ displaystyle I}$ измеряется сила света, ${\ displaystyle \ epsilon}$- коэффициент затухания ,${\ displaystyle [X]}$ - концентрация хромофоморов, ${\ displaystyle l}$ расстояние между источником и детектором и ${\ displaystyle {\ text {DPF}}}$ - коэффициент дифференциальной длины пути, а ${\ displaystyle G}$ - геометрический фактор, связанный с рассеянием.

Когда коэффициенты затухания ${\ displaystyle \ epsilon}$известны, предполагаются постоянные потери на рассеяние и измерения обрабатываются по-разному во времени, уравнение сводится к:

${\ displaystyle \ Delta [X] = \ Delta {\ frac {\ text {OD}} {\ epsilon d}}}$

Где ${\ displaystyle d}$ - полный скорректированный путь фотона.

Используя систему с двумя длинами волн, измерения HbO ₂ и Hb могут быть решены с помощью матричного уравнения: ^[9]

${\ displaystyle {\ begin {pmatrix} \ Delta {\ text {OD}} _ {\ lambda _ {1}} \\\ Delta {\ text {OD}} _ {\ lambda _ {2}} \ end { pmatrix}} = {\ begin {pmatrix} \ epsilon _ {\ lambda _ {1}} ^ {\ text {Hb}} d & \ epsilon _ {\ lambda _ {1}} ^ {{\ text {HbO}} _ {2}} d \\\ epsilon _ {\ lambda _ {2}} ^ {\ text {Hb}} d & \ epsilon _ {\ lambda _ {2}} ^ {{\ text {HbO}} _ { 2}} d \ end {pmatrix}} {\ begin {pmatrix} \ Delta [X] ^ {\ text {Hb}} \\\ Delta [X] ^ {{\ text {HbO}} _ {2}} \ end {pmatrix}}}$

Благодаря своей простоте и рентабельности, CW-fNIRS на сегодняшний день является наиболее распространенной формой функционального NIRS, поскольку он является самым дешевым в изготовлении, применимым с большим количеством каналов и обеспечивает высокое временное разрешение. Однако он не делает различий между изменениями поглощения и рассеяния и не может измерять абсолютные значения поглощения: это означает, что он чувствителен только к относительному изменению концентрации HbO.

Тем не менее, простота и экономическая эффективность устройств на основе непрерывного излучения оказались наиболее подходящими для ряда клинических применений: неонатальная помощь, системы мониторинга пациентов, диффузная оптическая томография и т. Д. Более того, благодаря его портативности были разработаны беспроводные системы CW, позволяющие наблюдать за людьми в амбулаторных, клинических и спортивных условиях. ^{[10] [11] [12]}

Частотная область

Система частотной области (FD) включает в себя лазерные источники ближнего инфракрасного диапазона, которые обеспечивают синусоиду с амплитудной модуляцией на частотах около 100 МГц. FD-fNIRS измеряет затухание, фазовый сдвиг и среднюю длину пути света через ткань. Функция Multi-Distance, входящая в состав FD-fNIRS, нечувствительна к различиям в цвете кожи и дает постоянные результаты независимо от вариации объекта.

Изменения амплитуды и фазы сигнала обратного рассеяния обеспечивают прямое измерение коэффициентов поглощения и рассеяния тканью, что устраняет необходимость в информации о длине пути фотона; а из коэффициентов определяем изменение концентрации гемодинамических параметров.

Из-за необходимости в модулированных лазерах, а также в фазовых измерениях, устройства на основе системы FD технически более сложны (поэтому более дороги и менее портативны), чем устройства на основе непрерывного излучения. Однако система способна обеспечить абсолютные концентрации HbO и HbR.

Область времени

Система Time Domain (TD) вводит короткий NIR-импульс с длительностью импульса обычно порядка пикосекунд - около 70 пс. Посредством измерения времени пролета длину пути фотона можно непосредственно наблюдать, разделив разрешенное время на скорость света. Информацию об изменениях гемодинамики можно найти в затухании, затухании и временном профиле обратно рассеянного сигнала. Для этого введена технология подсчета фотонов, которая считает 1 фотон на каждые 100 импульсов для поддержания линейности. TD-fNIRS имеет низкую частоту дискретизации, а также ограниченное количество длин волн. Из-за необходимости в устройстве счета фотонов, высокоскоростном детектировании и высокоскоростных излучателях методы с временным разрешением являются наиболее дорогими и технически сложными.

Устройства на базе TD совершенно неподвижны, занимают много места, труднее всего изготовить, самые дорогие, огромные и тяжелые. Тем не менее, они обладают высочайшей чувствительностью к глубине и способны отображать наиболее точные значения исходной концентрации гемоглобина и оксигенации.

Системы диффузной корреляционной спектроскопии (DCS) используют локализованные градиенты ослабления света для определения абсолютных соотношений окси-Hb и дезокси-Hb. Используя пространственное измерение, системы DCS не требуют знания длины пути фотона для выполнения этого расчета, однако измеренные концентрации окси-Hb и дезокси-Hb относятся к неизвестному коэффициенту рассеяния в среде. Этот метод чаще всего используется в системах церебральной оксиметрии, которые сообщают индекс оксигенации тканей (TOI) или индекс насыщения тканей (TSI). ^[13]

В сети доступны как минимум две модели fNIRS с открытым исходным кодом:

• http://www.opennirs.org
• https://openfnirs.org/

HOMER3

HOMER3 позволяет пользователям получать оценки и карты активации мозга. Это набор скриптов Matlab, используемых для анализа данных fNIRS. Этот набор скриптов развивался с начала 1990-х годов сначала как набор инструментов Photon Migration Imaging, затем HOMER1 и HOMER2, а теперь HOMER3. ^[14]

Набор инструментов NIRS

Это самый последний. Этот набор инструментов представляет собой набор инструментов на основе Matlab для анализа функциональной ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS). Этот набор инструментов определяет пространство имен + nirs и включает ряд инструментов для обработки сигналов, отображения и статистики данных fNIRS. Этот набор инструментов построен на объектно-ориентированной структуре классов и пространств имен Matlab. ^[15]

AtlasViewer

AtlasViewer позволяет визуализировать данные fNIRS на модели мозга. Кроме того, это также позволяет пользователю создавать зонды, которые в конечном итоге можно поместить на объект. ^[16]

Интерфейс мозг – компьютер

fNIRS был успешно реализован в качестве управляющего сигнала для систем интерфейса мозг-компьютер . ^{[17] [18] [19] [20] [21]}

Гипоксия и высотные исследования

С нашей постоянной потребностью в кислороде наше тело разработало несколько механизмов, которые определяют уровни кислорода, которые, в свою очередь, могут активировать соответствующие реакции для противодействия гипоксии и генерировать более высокое снабжение кислородом. Более того, понимание физиологического механизма, лежащего в основе реакции организма на кислородное голодание, имеет большое значение, и устройства NIRS оказались отличным инструментом в этой области исследований. ^[22]

Измерение изменений концентрации оксигемоглобина и дезоксигемоглобина в головном мозге при гипоксии, индуцированной на большой высоте, с помощью портативного устройства fNIRS (PortaLite, Artinis Medical Systems)

Картирование мозга

Функциональная связь

Измерения fNIRS можно использовать для расчета функциональной связности . Многоканальные измерения fNIRS создают топографическую карту нейронной активации, на которой может быть проанализирована временная корреляция между пространственно разделенными событиями. Функциональная связность обычно оценивается с точки зрения корреляции между гемодинамическими ответами пространственно различных областей интереса (ROI). В исследованиях мозга измерения функциональной связности обычно проводятся для данных пациента в состоянии покоя, а также данных, записанных по парадигмам стимулов. Низкая стоимость, портативность и высокое временное разрешение fNIRS по сравнению с fMRI оказались очень полезными в исследованиях такого рода. ^[23]

Церебральная оксиметрия

Мониторинг NIRS полезен по-разному. У недоношенных детей можно наблюдать снижение церебральной гипоксии и гипероксии с помощью различных моделей активности. ^[24] Это эффективный помощник при искусственном кровообращении, он настоятельно рекомендуется для улучшения результатов лечения пациентов, снижения затрат и продолжительного пребывания.

Результаты использования NIRS у пациентов с черепно-мозговой травмой неубедительны, поэтому был сделан вывод, что он должен оставаться инструментом исследования.

Диффузная оптическая томография

10-20 система

Кепка fNIRS

Расположение и названия электродов fNIRS указаны в международной системе 10–20 . В дополнение к стандартным позициям электродов могут быть добавлены короткие разделительные каналы. Короткие разделительные каналы позволяют измерять сигналы кожи головы. Поскольку короткие разделительные каналы измеряют сигнал, исходящий от кожи головы, они позволяют удалить сигнал поверхностных слоев. Это оставляет позади реальную реакцию мозга. Детекторы с коротким разделительным каналом обычно размещаются на расстоянии 8 мм от источника. Они не обязательно должны быть в определенном направлении или в том же направлении, что и детектор. ^[25]

Функциональная нейровизуализация

Использование fNIRS в качестве функционального метода нейровизуализации основывается на принципе нейроваскулярного взаимодействия, также известном как гемодинамический ответ или ответ, зависимый от уровня кислорода в крови (BOLD). Этот принцип также составляет основу методов фМРТ . Через нервно-сосудистую связь активность нейронов связана с соответствующими изменениями в локализованном мозговом кровотоке. fNIRS и fMRI чувствительны к сходным физиологическим изменениям и часто являются сравнительными методами. Исследования, посвященные фМРТ и фНИРС, показывают высокую коррелированность результатов в когнитивных задачах. fNIRS имеет ряд преимуществ по стоимости и портативности по сравнению с fMRI, но не может использоваться для измерения корковой активности глубиной более 4 см из-за ограничений мощности светового излучателя и имеет более ограниченное пространственное разрешение. fNIRS включает использование диффузной оптической томографии (DOT / NIRDOT) для функциональных целей. Мультиплексирование каналов fNIRS позволяет создавать двумерные топографические функциональные карты активности мозга (например, с Hitachi ETG-4000, Artinis Oxymon, NIRx NIRScout и т. Д.), А использование нескольких интервалов между излучателями может использоваться для построения трехмерных томографических карт.