Optické zařízení rozlišuje signály průtoku krve z mozku a pokožky hlavy

Měření průtoku krve v mozku je zásadní pro reakci na řadu neurologických problémů, včetně mrtvice, traumatického poranění mozku (TBI) a vaskulární demence. Ale stávající techniky, včetně zobrazování magnetickou rezonancí a počítačové tomografie, jsou drahé, a proto nejsou široce dostupné.

Výzkumníci z USC Neurorestoration Center a California Institute of Technology (Caltech) vytvořili jednoduchou, neinvazivní alternativu. Zařízení využívá techniku, která se v současnosti používá ve studiích na zvířatech, známá jako tečkovaný kontrast optická spektroskopie (SCOS) a přizpůsobuje jej pro potenciální klinické použití u lidí. Funguje tak, že zachycuje obrázky rozptýlených laserové světlo s dostupnou kamerou s vysokým rozlišením.

„Je to opravdu tak jednoduché. Drobné krvinky procházejí laserovým paprskem a způsob, jakým se světlo rozptyluje, nám umožňuje měřit průtok krve a objem v mozku,“ řekl Charles Liu, MD, Ph.D., profesor klinické neurologické chirurgie, urologie a chirurgie na Keck School of Medicine v USC, ředitel USC Neurorestoration Center a spoluautor nového výzkumu.

Zařízení již bylo testováno na lidech v malém důkazu koncepčních studií demonstrujících užitečnost tohoto nástroje posouzení rizika mrtvice a detekce poranění mozku.

V současné studii se Liu a jeho tým snažili potvrdit, že SCOS skutečně měří průtok krve v mozku, spíše než ve vlasové pokožce, která také obsahuje mnoho krevních cév. Tato otázka již dlouho sužuje výzkumníky, kteří používají technologii na bázi světla k vizualizaci mozku.

Liuův tým zvolil inovativní přístup: Dočasným blokováním průtoku krve do pokožky hlavy potvrdil, že hodnoty SCOS skutečně měří signály z krevní cévy v mozku.

Údaje od 20 účastníků ukázaly, že umístění detektoru alespoň 2,3 centimetru od laserového zdroje poskytlo nejjasnější měření průtoku krve mozkem. Studie je publikována v časopise Bioinženýrství APL.

„Poprvé u lidí tento experimentální důkaz ukazuje, že optické zařízení s laserovými skvrnami může sondovat za vrstvami pokožky hlavy, aby získalo přístup k mozkovým signálům,“ řekl Simon Mahler, Ph.D., který je nyní odborným asistentem na katedře biomedicínského inženýrství na Stevens Institute of Technology a jedním ze spoluautorů článku.

„Toto je důležitý krok k použití SCOS k neinvazivnímu měření průtoku krve v mozku.“

Sledování průtoku krve mozkem

Po celá léta vědci měřili mozkové signály pomocí technologie založené na světle, jako jsou lasery a vláknová optikapoužili statistické simulace k odhadu, které signály pocházejí z mozku oproti pokožce hlavy.

Tým USC Neurorestoration Center našel přímý způsob, jak otestovat rozdíl, díky spolupráci mezi chirurgy, inženýry a neurology.

„Provádím operace ke zvýšení průtoku krve v mozku a mnohé z nich zahrnují dočasné zastavení průtoku krve v pokožce hlavy,“ řekl Jonathan Russin, MD, nyní profesor a šéf neurochirurgie na University of Vermont, který nadále spolupracuje s USC Neurorestoration Center.

„To nám poskytlo jednoduchý způsob, jak otestovat technologii – vytvořením změny, která ovlivnila pouze oběh pokožky hlavy, zatímco průtok krve mozkem zůstal nedotčen.“

U 20 účastníků výzkumníci dočasně zastavili průtok krve do pokožky hlavy a poté shromáždili řadu hodnot SCOS. Postupným posouváním detektoru dále od hlavy zachytili signály zasahující postupně hlouběji do mozku.

Zjistili, že umístění detektoru 2,3 ​​centimetru od hlavy jim umožňuje měřit průtok krve mozkem a zároveň minimalizovat rušení z pokožky hlavy.

Zjištění potvrzují užitečnost SCOS pro neinvazivní detekci průtoku krve mozkem a poskytují důležité vodítko pro další výzkumníky pracující s technologií založenou na světle, řekl Liu.

Přinášení SCOS pacientům

Kromě pokroku ve výzkumu pomáhá studie potvrdit klinický potenciál SCOS pro detekci a reakci na mrtvici, poranění mozku a demenci. Protože veškerý výzkum týmu byl proveden s lidmi, je nástroj připraven pro rychlý překlad z laboratoře na kliniku.

„Díváme se přímo na lidi v podstatě stejným způsobem, jakým bude nástroj použit, takže v překladu není nic ztraceno,“ řekl Liu. „Nikdy nejsme více než jeden krok od problému, který se snažíme vyřešit.“

Tuto techniku ​​již používají někteří spolupracovníci týmu k diagnostice mrtvice a TBI. Dále budou výzkumníci pokračovat ve zdokonalování technologie a softwaru a pracovat na zlepšení rozlišení obrázků a kvality dat extrahovaných z naměřených hodnot.

„S vědomím, že nyní měříme přesně to, co máme v úmyslu měřit, také rozšíříme naše testování této techniky s pacienty v klinických podmínkách,“ řekl Liu.