Оптическая техника мониторинга мозговой активности

Введение

Оптическая техника для мониторинга активности мозга

Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) – это оптическая методика мониторинга мозга, использующая ближнюю инфракрасную спектроскопию для функциональной нейровизуализации. С помощью fNIRS активность мозга измеряется путем оценки корковой гемодинамической активности, возникающей в ответ на нейронную активность, с использованием ближнего инфракрасного света. Наряду с ЭЭГ, fNIRS является одним из наиболее распространенных неинвазивных методов нейровизуализации, который можно использовать в портативных условиях. Сигнал часто сравнивают с BOLD-сигналом, измеряемым с помощью фМРТ, и он способен измерять изменения как в концентрации оксигемоглобина, так и дезоксигемоглобина, но позволяет проводить измерения только в областях, близких к поверхности коры. fNIRS также может называться оптической топографией (OT) и иногда просто NIRS.

Описание

fNIRS оценивает концентрацию гемоглобина по изменениям в поглощении ближнего инфракрасного света. Когда свет распространяется через голову, он попеременно рассеивается или поглощается тканями, через которые проходит. Поскольку гемоглобин является значительным поглотителем ближнего инфракрасного света, изменения в поглощенном свете могут быть использованы для надежного измерения изменений концентрации гемоглобина. Различные методы fNIRS также могут использовать особенности распространения света для оценки объема крови и степени ее насыщения кислородом. Метод безопасен, неинвазивен и может использоваться совместно с другими методами визуализации. fNIRS – это неинвазивный метод визуализации, основанный на количественном определении концентрации хромофоров, вычисляемой на основе измерения затухания ближнего инфракрасного (NIR) света или временных/фазовых изменений. Метод использует оптическое окно, в котором (а) кожа, ткани и кости преимущественно прозрачны для NIR-света (спектральный интервал 700–900 нм) и (b) гемоглобин (Hb) и дезоксигемоглобин (дезокси-Hb) являются сильными поглотителями света. Существует шесть различных способов взаимодействия инфракрасного света с тканями мозга: прямое прохождение, диффузное прохождение, зеркальное отражение, диффузное отражение, рассеяние и поглощение. fNIRS фокусируется главным образом на поглощении: различия в спектрах поглощения дезокси-Hb и окси-Hb позволяют измерять относительные изменения концентрации гемоглобина, используя ослабление света на нескольких длинах волн. Выбираются две или более длины волн, одна из которых выше, а другая ниже изосбестической точки 810 нм, где дезокси-Hb и окси-Hb имеют одинаковые коэффициенты поглощения. С помощью модифицированного закона Бира-Ламберта (mBLL) относительные изменения концентрации могут быть рассчитаны как функция общей длины пути фотона. Обычно излучатель и детектор света размещаются ипсилатерально (каждая пара излучатель/детектор – на одной стороне) на черепе обследуемого, поэтому зарегистрированные измерения обусловлены обратно рассеянным (отраженным) светом, движущимся по эллиптическим траекториям. fNIRS наиболее чувствителен к гемодинамическим изменениям, происходящим вблизи кожи головы, и эти поверхностные артефакты часто корректируются с помощью дополнительных световых детекторов, расположенных ближе к источнику света (детекторы с коротким расстоянием между ними).

США и Великобритания

В 1977 году Джобсис сообщил, что прозрачность ткани мозга для ближнего инфракрасного света (NIR) позволяет использовать неинвазивный и непрерывный метод определения насыщения тканей кислородом методом транскраниальной иллюминации. Транскраниальная иллюминация (прямое рассеяние) имела ограниченную применимость у взрослых из-за затухания света и была быстро заменена методами, основанными на измерении отраженного сигнала, что привело к быстрому развитию систем NIRS. К 1985 году М. Феррари провел первые исследования церебральной оксигенации. Позже, в 1989 году, после сотрудничества с Дэвидом Дельпи в Университетском колледже Лондона, компания Hamamatsu разработала первую коммерческую систему NIRS: монитор церебральной оксигенации NIR 1000. Методы NIRS первоначально использовались для церебральной оксиметрии в 1990-х годах. В 1993 году четыре публикации, выполненные Chance et al. (PNAS), Hoshi & Tamura (J Appl Physiol), Kato et al. (JCBFM), Villringer et al. (Neurosci. Lett.), продемонстрировали возможность применения fNIRS у взрослых людей. Методы NIRS были далее расширены благодаря работам Рэндалла Барбора, Бриттона Ченса, Арно Виллингера, М. Коупа, Д. Т. Дельпи, Энрико Граттона и других. В настоящее время разрабатываются носимые системы fNIRS.

Япония

Между тем, в середине 80-х годов японские исследователи из центральной исследовательской лаборатории Hitachi Ltd. приступили к разработке системы мониторинга мозга на основе NIRS, используя импульс излучения длительностью 70 пикосекунд. Эта работа получила известность, когда команда, вместе с их ведущим экспертом, доктором Хидэаки Коидзуми (小泉 英明), провела открытый симпозиум в январе 1995 года, чтобы представить принцип "оптической топографии". Фактически, термин "оптическая топография" происходит от концепции использования света для создания "двумерной карты, объединенной с одномерной информацией", то есть топографии. Эта идея была успешно реализована в 2001 году с выпуском их первого устройства fNIRS (или оптической топографии, как они его называют) на основе частотного доменного анализа: Hitachi ETG 100. Позже, Харуми Оиси (大石 晴美), аспирантка Нагойского университета, опубликовала свою докторскую диссертацию в 2003 году на тему "модели корковой активации у изучающих язык, измеренные с помощью ETG 100" под руководством профессора Тору Киношита (木下 微) – представив новый взгляд на возможности применения fNIRS. С тех пор компания продолжает совершенствовать серию ETG.

Частотность

Система частотной области (FD) состоит из источников NIR-лазеров, генерирующих амплитудно-модулированную синусоиду на частотах около 100 МГц. FD fNIRS измеряет затухание, фазовый сдвиг и среднюю длину пути света в ткани. Метод Multi Distance, являющийся частью FD fNIRS, нечувствителен к различиям в цвете кожи, обеспечивая стабильные результаты независимо от индивидуальных особенностей. Изменения амплитуды и фазы сигнала обратного рассеяния позволяют напрямую измерять коэффициенты поглощения и рассеяния света в ткани, что исключает необходимость в информации о длине пути фотона; на основе этих коэффициентов определяется изменение концентрации гемодинамических параметров. В связи с необходимостью использования модулированных лазеров и фазовых измерений, приборы на основе системы FD более технически сложны (следовательно, дороже и значительно менее портативны), чем приборы на основе CW. Однако система способна предоставлять абсолютные значения концентраций HbO и HbR.

Временная область

Система, работающая во временной области (TD), генерирует короткий импульс ближнего инфракрасного излучения (NIR) с длительностью импульса, обычно порядка пикосекунд – около 70 пс. Путем измерения времени пролета фотона можно напрямую определить длину его пути, разделив измеренное время на скорость света. Информация о гемодинамических изменениях содержится в затухании, спаде и временном профиле рассеянного сигнала. Для этого используется технология счета фотонов, регистрирующая 1 фотон на каждые 100 импульсов для обеспечения линейности. TD fNIRS характеризуется низкой частотой дискретизации и ограниченным числом длин волн. В связи с необходимостью использования счетчика фотонов, высокоскоростной детекции и высокоскоростных излучателей, методы с временным разрешением являются наиболее дорогостоящими и технически сложными. Устройства на основе TD обладают наибольшей глубинной чувствительностью и способны предоставлять наиболее точные значения исходной концентрации гемоглобина и насыщения кислородом.

Диффузная корреляционная спектроскопия

Диффузная корреляционная спектроскопия (DCS) – это неинвазивная оптическая методика визуализации, использующая когерентный ближний инфракрасный свет для измерения локального микрососудистого кровотока мозга путем количественной оценки временных флуктуаций интенсивности света, возникающих в результате динамического рассеяния движущихся эритроцитов. Это динамическое рассеяние от движущихся клеток вызывает временные колебания регистрируемой интенсивности. Эти колебания могут быть оценены по кривой временной автокорреляции интенсивности одиночного спекла. Затухание кривой автокорреляции аппроксимируется решением уравнения корреляционной диффузии для получения показателя мозгового кровотока.

HOMER3

HOMER3 позволяет пользователям получать оценки и карты активации мозга. Это набор скриптов MATLAB, предназначенных для анализа данных fNIRS. Этот набор скриптов развивался с начала 1990-х годов, начиная с инструментария визуализации миграции фотонов (Photon Migration Imaging toolbox), затем HOMER1 и HOMER2, и теперь HOMER3.

НИРС инструментарий

Этот инструментарий представляет собой набор инструментов на базе MATLAB для анализа функциональной ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS). Этот инструментарий определяет пространство имен +nirs и включает в себя ряд инструментов для обработки, визуализации и статистического анализа данных fNIRS. Этот инструментарий разработан на основе объектно-ориентированной структуры классов и пространств имен MATLAB.

AtlasViewer (показатель)

AtlasViewer позволяет визуализировать данные fNIRS на модели мозга. Кроме того, он позволяет пользователю разрабатывать зонды, которые впоследствии можно будет разместить на испытуемом.

Интерфейс мозг-компьютер

fNIRS успешно применяется в качестве управляющего сигнала для систем интерфейса "мозг-компьютер".

Гипоксии и высоты исследования

Поскольку мы постоянно нуждаемся в кислороде, наш организм разработал множество механизмов для определения уровня кислорода, которые, в свою очередь, могут активировать соответствующие реакции для борьбы с гипоксией и увеличения снабжения кислородом. Более того, понимание физиологических механизмов, лежащих в основе реакции организма на недостаток кислорода, имеет первостепенное значение, и устройства NIRS показали себя как отличный инструмент в этой области исследований.

Функциональная связь

Для расчета функциональной связности могут быть использованы измерения fNIRS. Многоканальные измерения fNIRS создают топографическую карту нейронной активации, позволяющую анализировать временную корреляцию между пространственно разделенными событиями. Функциональная связность обычно оценивается на основе корреляций между гемодинамическими откликами различных пространственно обособленных областей интереса (ROI). В исследованиях мозга измерения функциональной связности обычно проводятся для данных пациентов в состоянии покоя, а также для данных, полученных при использовании стимульных парадигм. Низкая стоимость, портативность и высокое временное разрешение fNIRS по сравнению с fMRI оказались весьма полезными в подобных исследованиях.

Оксиметрия мозга

Мониторинг с помощью NIRS полезен во многих отношениях. Он позволяет контролировать недоношенных младенцев, снижая риск церебральной гипоксии и гипероксии при различных видах активности. Это эффективный инструмент при проведении кардиопульмонального шунтирования, который, как считается, улучшает результаты лечения пациентов и снижает затраты, а также продолжительность госпитализации. Результаты использования NIRS у пациентов с травматическим повреждением головного мозга остаются неоднозначными, поэтому было принято решение, что он должен оставаться исследовательским инструментом.

Диффузная оптическая томография

Диффузная оптическая томография – это трехмерная версия диффузной оптической визуализации. Диффузные оптические изображения получают с использованием методов ближней инфракрасной спектроскопии (NIRS) или методов, основанных на флуоресценции. Эти изображения могут быть использованы для создания трехмерной объемной модели, известной как диффузная оптическая томография.

Крышка fNIRS

Расположение электродов fNIRS может быть определено с использованием различных схем, включая названия и координаты, указанные в международной системе 10–20, а также другие схемы, специально оптимизированные для поддержания постоянного расстояния 30 мм между каждой точкой. Помимо стандартного расположения электродов, можно добавлять каналы с малым расстоянием между датчиками. Каналы с малым расстоянием между датчиками позволяют измерять сигналы от кожи головы. Поскольку эти каналы измеряют сигнал, приходящий от кожи головы, они позволяют исключить сигнал от поверхностных слоев, оставляя только фактический отклик мозга. Детекторы каналов с малым расстоянием между датчиками обычно располагаются на расстоянии 8 мм от источника. Они не обязаны быть направлены в определенном направлении или совпадать по направлению с детектором.

Виртуальная и дополненная реальность

Современные системы fNIRS используются в сочетании с виртуальной или дополненной реальностью в исследованиях, посвященных интерфейсам "мозг-компьютер", нейрореабилитации или социальному восприятию.

Музыка и мозг

fNIRS может использоваться для мониторинга мозговой активности музыкантов во время игры на музыкальных инструментах.

Преимущества и недостатки

Преимущества fNIRS включают в себя, помимо прочего: неинвазивность, низкую стоимость оборудования, полную безопасность, высокое временное разрешение, совместимость с другими методами нейровизуализации и возможность измерения множества гемодинамических показателей. Однако ни одна система не лишена ограничений. Для fNIRS к ним относятся: низкая чувствительность к активности мозга, низкое пространственное разрешение и небольшая глубина проникновения.

Будущие направления

Несмотря на некоторые ограничения, устройства fNIRS относительно небольшие, легкие, портативные и носимые. Благодаря этим характеристикам, спектр применения этих устройств поразителен, что делает их легкодоступными в самых разных сценариях. Например, их можно использовать в клиниках, в сфере глобального здравоохранения, в естественной среде и в качестве трекера здоровья. В конечном итоге, пациенты групп риска в больницах могут получить пользу от нейромониторинга и нейрореабилитации, которые предлагает fNIRS. В ходе военных операций и операций экстренного реагирования может быть полезен мониторинг когнитивных функций в реальном времени и соотнесение их с текущей задачей, результатами деятельности и динамикой поведения персонала. В настоящее время на рынке представлены полностью беспроводные исследовательские системы fNIRS.

fNIRS по сравнению с другими методами нейровоспроизводства

При сравнении и сопоставлении устройств нейровизуализации важно учитывать временное разрешение, пространственное разрешение и степень необходимой неподвижности. В частности, ЭЭГ (электроэнцефалография) и МЭГ (магнитоэнцефалография) обладают высоким временным разрешением, но низким пространственным разрешением. ЭЭГ также обеспечивает большую свободу движений, чем МЭГ. fNIRS (функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия) схожа с ЭЭГ: она также характеризуется высокой степенью мобильности и временным разрешением, но имеет низкое пространственное разрешение. ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) и фМРТ (функциональная магнитно-резонансная томография) объединяются в одну группу, однако существенно отличаются от других методов нейровизуализации. Они требуют высокой степени неподвижности, обеспечивают среднее или высокое пространственное разрешение, но имеют низкое временное разрешение. Все эти методы нейровизуализации обладают важными характеристиками и ценны, однако имеют свои особенности. Помимо прочего, особенный интерес представляет fNIRS благодаря своей совместимости с некоторыми из этих методов, включая МРТ, ЭЭГ и МЭГ.