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美国研究人员利用扩散波光谱技术测量人脑血流量

发布:HPLSElaser    |    2018-05-09 23:22    阅读:1566
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美国加利福尼亚大学戴维斯分校的工程师开发的外差系统可用于测量人脑血流量,入射到头部的光线返回到仪器中与参考光束干涉后进入CMOS芯片。图片来源:Srinivasan实验室/加利福尼亚大学戴维斯分校。

美国加利福尼亚大学戴维斯分校的一个研究团队由工程学教授Vivek Srinivasan领导,他利用干涉技术提高了评估大脑血流量的常用技术的分辨能力。研究人员表示,该团队的方法是使用多模光纤提高用于提供信号的光子计数通道的数量,并使用传统的CMOS相机芯片采集数据,可能会提高现有仪器的性能并降低成本。该仪器能够依靠经大脑散射的微弱的单光子信号来评估中风和脑外伤患者的大脑血流量。

DCS:高效但成本高昂

近十年以来,散射光波动作为一种实用的测量血流量的方法已经存在。该技术称为扩散波光谱(DWS)或扩散相关光谱(DCS)技术,通过将红外光源放置在患者颅骨上的一个点,并将探测器放置在距离不远的另一点上。包括流动血细胞在内的生物组织多次散射入射光,然后由检测器获取出射光信号。散射光强度的波动,通过适当的光传输模型可用来解释隐藏组织的血液流动状况。

DCS的工作存在一些缺点,由于它是一个零差系统,即测量与单个多散射光场相关的强度波动。由于DCS返回的信号非常微弱,因此系统需要昂贵的单光子计数器(如雪崩光电二极管阵列)才能读取返回的光信号。

由于美国国家标准协会制订的安全标准对人体允许照射的最大激光功率有限制,所以通过增强光源的激光功率来改善信号强度并不可行。而且,原则上多模光纤(MMF)可能会提高吞吐量并在收集端提供更强的信号,但DCS一般只使用单模光纤(SMF)或少模光纤(FMF),以增强可读信号的散斑对比度。

利用外差检测

Srinivasan教授领导的戴维斯分校研究团队注意到了利用外差检测改进DCS的方法,并重新考虑了收集方案中多模光纤的可能性。在理论工作和随后的数值模拟中,研究小组发现,通过将外差方法与适当的探测器阵列相结合,可以利用多模光纤的更好的吞吐量而不会失去良好的相干性和散斑对比度。这反过来又可以充分提高检测器处的光子数量以降低对昂贵的单光子检测器的需求,即使用非科学级的CMOS照相机。


研究团队领导者Vivek Srinivasan教授。图片来源:美国加利福尼亚大学戴维斯分校

为了测试理论和数值结果,该团队开始使用连接到少模光纤的852nm分布式布拉格反射激光器,并将激光分成两个光纤通道:参考臂用作外差方案中的本地振荡器,以及样品臂将激光向下送至样品处(或患者头骨)。另一个多模光纤在距离大约2.5厘米处聚集散射的信号光,并将光线引入耦合器中,并与参考臂进行激光干涉。线扫描CMOS相机读取来自多模耦合器的输出作为干涉图案。

弱散射信号光与参考信号之间的干涉产生可由CMOS相机读取的二维散斑图案,多模光纤来自需要单光子探测器阵列的零差方案的稀疏数据。并且,通过仔细建模多模光纤使用的探测器几何形状,该方案使用了多个探测通道,以进一步提升信号强度,在今后可能用于在更深的组织深度下进行测量。

从布朗运动到血液流动

Srinivasan教授的研究团队在距离光源1~4mm处使用“脂质模型”进行测试,并能够在溶液中获取布朗运动的信号。研究人员还进行了一项实验,测量健康人体的血流量,使用针对受试者前额但实际上未与其接触的光源和探测光纤,并将其分开2.5cm的距离。该方案能够获取脉搏血流,该团队通过与连接到测试者指尖的脉搏血氧仪的信号进行比较验证了这一实验结果。

研究小组认为,被称之为干涉扩散波光谱(iDWS)的系统不再依赖昂贵的单光子探测器中,因此将扩大DCS在临床中的使用范围,并且由于手机和自动驾驶应用的推进,该系统得以使用更便宜的CMOS摄像头技术。该团队现在正在努力将设备的测试扩展到更大量的测试对象,而加利福尼亚大学戴维斯分校已经申请了关于该技术的临时专利。

来源:https://www.osa-opn.org/home/newsroom/2018/may/a_better_view_of_brain_blood_flow/

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