Кіріспе

Ми белсенділігін бақылаудың оптикалық әдісі. Функционалдық жақын инфрақызыл спектроскопия (fNIRS) – функциялық нейросуреттеу мақсатында жақын инфрақызыл спектроскопияны қолданатын миды бақылаудың оптикалық әдісі. fNIRS арқылы ми белсенділігі, нейрондық белсенділікке жауап ретінде пайда болатын кортикальды гемодинамикалық белсенділікті бағалау үшін жақын инфрақызыл сәулелерді пайдалану арқылы өлшенеді. ЭЭГ-мен қатар, fNIRS портативті жағдайларда қолданылатын ең көп таралған инвазивті емес нейросуреттеу техникаларының бірі болып табылады. Сигнал көбінесе fMRI арқылы өлшенген BOLD сигналымен салыстырылады және оксигемоглобин мен дезоксигемоглобин концентрациясының өзгеруін өлшеуге қабілетті, бірақ тек ми қабығының бетіне жақын орналасқан аймақтардан ғана өлшеу мүмкіндігі бар. fNIRS оптикалық топография (OT) деп те аталуы мүмкін және кейде жай ғана NIRS деп те айтылады.

Сипаттама

fNIRS инфрақызыл сәулелердің сіңірілуінің өзгеруінен гемоглобин концентрациясын бағалайды. Жарық бас арқылы қозғалғанда немесе тарағанда, ол тіндер арқылы өте келе шашырайды немесе сіңіріледі. Гемоглобин инфрақызыл сәулелерді күшті сіңіретіндіктен, сіңірілген жарықтағы өзгерістер гемоглобин концентрациясының өзгеруін сенімді түрде өлшеуге мүмкіндік береді. Әртүрлі fNIRS техникалары қан көлемін және қанның оттегімен қанығуын бағалау үшін жарықтың таралу жолын да пайдалана алады. Бұл техника қауіпсіз, инвазивті емес және басқа бейнелеу әдістерімен бірге қолданылуы мүмкін. fNIRS – жақын инфрақызыл (NIR) сәулелердің әлсіреуін немесе уақыт бойынша немесе фазалық өзгерістерді өлшеу арқылы хромофор концентрациясын анықтайтын инвазивті емес бейнелеу әдісі. Бұл техника оптикалық терезеден пайдаланады, онда (а) тері, тіндер және сүйек NIR сәулесіне (700–900 нм спектрлік аралық) көбінесе өткізгіш болады және (b) гемоглобин (Hb) және дезоксигемоглобин (deoxy Hb) жарықтың күшті сіңірушілері болып табылады. Инфрақызыл сәулелердің ми тіндерімен өзара әрекеттесуінің алты түрі бар: тікелей берілу, диффузиялық берілу, көкжиектік шағылысу, диффузиялық шағылысу, шашырау және сіңіру. fNIRS негізінен сіңіруге назар аударады: дезокси Hb және окси Hb сіңіру спектрлерінің айырмашылығы бірнеше толқын ұзындығындағы жарық әлсіреуін пайдалану арқылы гемоглобин концентрациясының салыстырмалы өзгерістерін өлшеуге мүмкіндік береді. Екі немесе одан көп толқын ұзындығы таңдалады, олардың біреуі 810 нм-ден жоғары, ал екіншісі 810 нм-ден төмен – осы нүктеде дезокси Hb және окси Hb бірдей сіңіру коэффициенттеріне ие. Модификацияланған Бир-Ламберт заңы (mBLL) арқылы концентрацияның салыстырмалы өзгерістерін фотонның жалпы жол ұзындығының функциясы ретінде есептеуге болады. Әдетте, жарық шығаратын құрылғы мен детекторы субъектінің бас сүйегіне іпсилатеральды орналастырылады (әрбір шығаратын құрылғы/детектор жұбы бір жақта), сондықтан тіркелген өлшемдер эллипстік жолдармен кері шашыраған (шағылысқан) жарыққа байланысты болады. fNIRS ең жақын бас терісіне орналасқан гемодинамикалық өзгерістерге сезімтал, ал бұл беткі артефактілер көбінесе жарық көзіне жақын орналасқан қосымша жарық детекторларын (қысқа аралықтағы детекторлар) пайдалану арқылы қарастырылады.

АҚШ және Ұлыбритания

1977 жылы Жёбсис жақын инфроқызыл сәулеге ми тінінің мөлдірлігі тіндік қанықтандыруды қадағалаудың инвазивті емес және үздіріссіз әдісін мүмкін ететінін хабарлады. Трансмиссия (алға қарай шашырау) ересектерде жарық сіңірілуіне байланысты шектеулі пайдалы болды және тез арада рефлексиялық режимге негізделген әдістермен алмастырылды, нәтижесінде NIRS жүйелерінің дамуы қарқынды жүрді. 1985 жылға қарай М. Феррари мидың оттегімен қамтамасыз етілуін зерттеуді бастады. Кейін, 1989 жылы Лондон университетінің колледжінде Дэвид Дельпимен жұмыс істегеннен кейін, Хамаматсу алғашқы коммерциялық NIRS жүйесін: NIR 1000 мидың оттегімен қамтамасыз етілуін бақылау құрылғысын жасады. NIRS әдістері алғашқыда 1990 жылдары мидың оксиметриясы үшін қолданылды. 1993 жылы Чанс және авторлар PNAS, Хоси және Тамура J Appl Physiol, Като және авторлар JCBFM, Виллингер және авторлар Neuros. Lett. төрт мақала жариялады, олар ересек адамдарда fNIRS-тің қолданылу мүмкіндігін көрсетті. NIRS техникаларын Рэндалл Барбор, Бритон Чанс, Арно Виллингер, М. Коуп, Д. Т. Дельпи, Энрико Граттон және басқалардың жұмыстары одан әрі кеңейтті. Қазіргі уақытта киілетін fNIRS құрылғылары жасалып жатыр.

Жапония

Сол уақытта 80-жылдардың ортасында Hitachi Ltd компаниясының орталық зерттеу зертханасындағы жапон ғалымдары 70 пикосекундтік сәулелер импульсін қолдана отырып, NIRS негізіндегі миды бақылау жүйесін құруға кірісті. Бұл жұмыс 1995 жылдың қаңтар айында команданың жетекші сарапшысы, доктор Хидэаки Койдзуми (小泉 英明) қатысуымен «Оптикалық топография» принципін жариялау үшін өткізілген ашық симпозиумда көпке танылды. Шындығында, «Оптикалық топография» термині «екі өлшемді картаға бір өлшемді ақпаратты қосу» немесе топографияға жарықты қолдану идеясынан туындаған. Бұл идея 2001 жылы олардың алғашқы fNIRS (немесе олар атағандай, оптикалық топография) құрылғысын – Hitachi ETG 100 іске қосу арқылы сәтті іске асырылды. Кейіннен, 2003 жылы Нагоя университетінде докторант Харуми Оиши (大石 晴美) профессор Тору Киношита (木下 微) жетекшілігімен «ETG 100 арқылы өлшенген тіл үйренушілердің кортикальдық белсенділік үлгілері» тақырыбында докторлық диссертациясын қорғады, бұл fNIRS-ті пайдалануға жаңа көзқарас ұсынды. Компания содан бері ETG сериясын жетілдіріп келеді.

Жиілік доманы

Жиілік доменді (FD) жүйе 100 МГц-ке жуық жиіліктерде амплитудалық модуляцияланған синусоиданы қамтамасыз ететін NIR лазерлік көздерден тұрады. FD fNIRS ұлпа арқылы өтетін жарықтың әлсіреуін, фазалық өзгерісін және орташа жол ұзындығын өлшейді. Multi Distance, FD fNIRS құрамына кіретін технология, тері түсінің айырмашылықтарына төзімді, қатысушының ерекшеліктеріне қарамастан тұрақты нәтижелер береді. Кері шашыраған сигналдың амплитудасы мен фазасының өзгеруі тіндердің сіңіру және шашырату коэффициенттерін тікелей өлшеуге мүмкіндік береді, бұл фотонның жол ұзындығы туралы қосымша ақпарат қажеттігін жояды; ал осы коэффициенттерден гемодинамикалық параметрлердің концентрациясының өзгерісін анықтаймыз. Модуляцияланған лазерлерді және фазалық өлшемдерді қажет ететіндіктен, FD жүйесіне негізделген құрылғылар CW жүйесіне негізделгендерге қарағанда техникалық тұрғыдан күрделірек (соответственно, қымбатқа түседі және тасымалдау қиын). Дегенмен, жүйе HbO және HbR-дің абсолютті концентрациясын анықтауға қабілетті.

Уақыт аумағы

Уақыт доменінің (TD) жүйесі қысқа NIR импульсын қолданады, импульсының ұзындығы әдетте пикосекундтармен өлшенетін 70 пс шамасында болады. Ұшу уақытын өлшеу арқылы фотонның жүріс жолының ұзындығын, анықталған уақытты жарық жылдамдығына бөліп тікелей анықтауға болады. Гемодинамикалық өзгерістер туралы ақпарат артқа шашыраған сигналдың әлсіреуі, жойылуы және уақыт бойынша өзгеруінен табуға болады. Осы үшін фотон санау технологиясы қолданылады, ол сызықтылықты сақтау үшін әр 100 импульсқа 1 фотонды есептейді. TD fNIRS-тің дискретизация жылдамдығы төмен, сондай-ақ қолданылатын толқын ұзындықтарының саны шектеулі. Фотондарды санау құрылғысының, жоғары жылдамдықты анықтаудың және жоғары жылдамдықты сәуле шығарушылардың қажеттілігіне байланысты, уақыт бойынша шешілетін әдістер ең қымбат әрі техникалық тұрғыдан күрделі болып табылады. TD негізіндегі құрылғылар ең жоғары тереңдікке сезімталдыққа ие және гемоглобиннің бастапқы концентрациясы мен қанығу деңгейінің ең дәл мәндерін ұсынуға қабілетті.

Диффузиялық корреляциялық спектроскопия

Диффузиялық корреляциялық спектроскопия (ДКС) – қозғалатын қызыл қан жасушаларының динамикалық шашырауынан туындайтын жарық қарқындылығының уақытша өзгеруін өлшеу арқылы жергілікті микроқантамырлардың миға қан ағынын анықтайтын инвазивті емес оптикалық бейнелеу әдісі. Қозғалатын жасушалардың динамикалық шашырауы, анықталған қарқындылықтың уақыт бойынша өзгеруіне себеп болады. Бұл өзгерулерді бір ғана дақтың уақытша қарқындылық автокорреляция қисығы арқылы өлшеуге болады. Автокорреляция қисығының төмендеуі, миға қан ағынының көрсеткішін алу үшін корреляциялық диффузия теңдеуінің шешімімен сәйкестендіріледі.

HOMER3

HOMER3 пайдаланушыларға мидың белсенділігінің бағалауларын және карталарын алуға мүмкіндік береді. Бұл fNIRS деректерін талдауға арналған Matlab скрипттерінің жиынтығы. Бұл скрипттер жиынтығы 1990-шы жылдардың басынан бері дамып келеді, бастапқыда «Фотон миграциясын бейнелеу құралдары» ретінде, содан кейін HOMER1 және HOMER2, ал енді HOMER3 ретінде өзгерістерге ұшырады.

NIRS құралдар жиынтығы

Бұл құралдар жиынтығы функционалдық жақын инфрақызыл спектроскопияны (fNIRS) талдауға арналған Matlab-қа негізделген құралдар жинағы. Бұл құралдар жинағы +nirs атау кеңістігін анықтайды және fNIRS деректерінің сигналды өңдеу, көрсету және статистикалық талдауы үшін бірқатар құралдарды қамтиды. Бұл құралдар жинағы Matlab кластары мен атау кеңістіктерінің объектіге бағытталған құрылымдық негізінде құрылған.

AtlasViewer (Атлас көруші)

AtlasViewer fNIRS деректерін ми моделінде визуализациялауға және пайдаланушыға ақырындап пациентке орналастырылатын зондтарды жобалауға мүмкіндік береді.

Ми-компьютер интерфейсі

fNIRS ми-компьютер интерфейсі жүйелерінде басқару сигналы ретінде сәтті қолданылды.

Гипоксия және биіктік зерттеулері

Біздің ағзамыздың үнемі оттегіге қажеттілігіне байланысты, ол оттегі деңгейін анықтайтын көптеген механизмдерді дамытты. Бұл механизмдер өз кезегінде гипоксияны жеңілдету үшін тиісті жауаптарды белсендіріп, оттегімен жабдықтауды арттырады. Ағзаның оттегі жетіспеуіне реакция жасайтын физиологиялық механизмдерін түсіну өте маңызды, ал NIRS құрылғылары осы зерттеу саласында өте пайдалы құрал екенін көрсетті.

Функционалдық қосылым

fNIRS өлшеулері функционалдық байланысты есептеу үшін қолданылуы мүмкін. Көп арналы fNIRS өлшеулері нейрондық белсенділіктің топографиялық картасын құрайды, соның арқасында кеңістікте бөлек орналасқан оқиғалар арасындағы уақыттық корреляция талданады. Функционалдық байланыс әдетте кеңістіктегі қызығушылық нысандарының (ROI) гемодинамикалық жауаптары арасындағы корреляциялар арқылы бағаланады. Миды зерттеуде функционалдық байланыс өлшемдері көбінесе пациенттердің тыныш күйдегі деректері үшін, сондай-ақ стимул парадигмалары бойынша жазылған деректер үшін жүргізіледі. fMRI-мен салыстырғанда fNIRS-тің төмен құны, тасымалдануы және жоғары уақыттық ажыратымдылығы осы сипаттағы зерттеулерде өте пайдалы болып табылды.

Мидың оксиметриясы

NIRS мониторингі бірнеше жағынан көмектеседі. Ерте туған нәрестелерді әртүрлі іс-әрекет үлгілерімен мидың гипоксиясы мен гипероксиясын азайту үшін мониторингтеуге болады. Ол жүрек-өкпе айналымдық байпас кезінде тиімді көмекші құрал болып табылады, пациенттердің жағдайын жақсартуға және шығындарды азайтуға, сондай-ақ ауруханада жату мерзімін қысқартуға ықпал етеді. Бас жарақаты алған науқастарда NIRS қолданудың нәтижелері әлі нақты емес, сондықтан оны зерттеу құралы ретінде пайдалануды жалғастыру керек деген шешімге келді.

Диффузиялық оптикалық томография

Диффузиялық оптикалық томография — диффузиялық оптикалық бейнелеудің 3D нұсқасы. Диффузиялық оптикалық бейнелер NIRS немесе флуоресценциялық әдістерді қолдану арқылы алынады. Осы бейнелерді 3D көлемдік модельді құру үшін пайдалануға болады, бұл модель диффузиялық оптикалық томография деп аталады.

fNIRS қалқасы

fNIRS электродының орналасуы әр түрлі схемалар бойынша анықталуы мүмкін, оның ішінде Халықаралық 10–20 жүйесімен белгіленген атаулар мен орналасулар, сондай-ақ әрбір орналасу арасындағы 30 мм қашықтықты сақтау үшін арнайы оптимизацияланған басқа схемалар да бар. Электродтардың стандартты орналасуынан өзге, қысқа аралықтағы каналдар қосылуы мүмкін. Қысқа аралықтағы каналдар бас терісінің сигналдарын өлшеуге мүмкіндік береді. Осы каналдар бас терісінен келетін сигналды өлшегендіктен, беткі қабаттардың сигналын жоюға болады. Бұл мидың нақты жауабын анықтауға көмектеседі. Қысқа аралықтағы каналдың детекторы көзінен әдетте 8 мм қашықтықта орналасады. Олар нақты бағытта немесе детектордың бағытымен сәйкес болуы міндетті емес.

Виртуалды және кеңейтілген шындық

Қазіргі заманғы fNIRS жүйелері ми-компьютер интерфейстері, нейрореабилитация немесе әлеуметтік қабылдау саласындағы зерттеулерде виртуалды немесе толықтырылған шындықпен қолданылады.

Музыка мен ми

fNIRS музыканттар музыкалық аспаптар ойнаған кезде мидың қызметін қадағалауға пайдаланылуы мүмкін.

Артықшылықтары мен кемшіліктері

fNIRS-тің артықшылықтары: инвазивті емес болуы, төмен құнмен қолжетімділік, толық қауіпсіздік, жоғары уақыттық ажыратымдылық, басқа бейнелеу әдістерімен үйлесімділік және көптеген гемодинамикалық биомаркерлерді анықтау мүмкіндігі. Дегенмен, ешбір жүйе шектеулерсіз болмайды. fNIRS үшін бұларға мыналар жатады: мидың төмен сезімталдығы, төмен кеңістіктік ажыратымдылық және беткей тереңдік.

Болашақ бағыттары

Бірнеше шектеулерге қарамастан, fNIRS құрылғылары салыстырмалы түрде кішкентай, жеңіл, тасымалданатын және киілетін. Осы қасиеттерінің арқасында құрылғыларды қолдану саласы өте кең – бұл оларды көптеген жағдайларда қолжетімді етеді. Мысалы, оларды клиникаларда, халықаралық денсаулық сақтауда, табиғи ортада және денсаулықты қадағалау құрылғысы ретінде пайдалануға болады. Соңында, ауруханалардағы тәуекел топтарындағы адамдар fNIRS ұсынатын нейромониторинг пен нейрореабилитациядан пайда көре алады. Әскери және жедел құтқару операцияларында қызметкерлердің когнитивтік функцияларын нақты уақыт режимінде бақылау және оны ағымдағы міндеттермен, орындалу нәтижелерімен және мінез-құлқымен байланыстыру пайдалы болуы мүмкін. Қазіргі таңдағы нарықта зерттеулерге арналған толық сымсыз fNIRS жүйелері қолжетімді.

fNIRS басқа нейросурет техникасымен салыстырғанда

Нейросуретке түсіру құрылғыларын салыстырып, қарама-қарсы қою кезінде уақыттық шешілім, кеңістіктік шешілім және қозғалмаушылық деңгейіне назар аудару маңызды. Атап айтқанда, ЭЭГ (электроэнцефалография) және МЭГ (магнитоэнцефалография) жоғары уақыттық шешілімге ие, бірақ кеңістіктік шешілімі төмен. ЭЭГ-нің қозғалмалылығы МЭГ-ге қарағанда жоғары. fNIRS болса, ЭЭГ-ге ұқсас. Ол жоғары қозғалмалылыққа және уақыттық шешілімге ие, ал кеңістіктік шешілімі төмен. ПЭТ сканерлері мен фМРИ біріктіріліп қарастырылады, алайда олар басқа нейросуретке түсіру сканерлерінен ерекшеленеді. Олардың қозғалмаушылық деңгейі жоғары, кеңістіктік шешілімі орташа/жоғары, ал уақыттық шешілімі төмен. Бұл нейросуретке түсіру сканерлерінің барлығы маңызды сипаттамаларға және құндылыққа ие, бірақ олардың ерекшеліктері бар. Басқа барлық факторлардың арасында fNIRS-ті ерекше қызығушылық тудыратын нәрсе – оның МРТ, ЭЭГ және МЭГ сияқты кейбір модальдықтармен үйлесімді болуы.