近紅外光譜有助于新生兒腦損傷的診斷

介紹

在過(guò)去的幾年里，在世界各地的實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)院和大學(xué)工作的生物醫(yī)學(xué)研究人員和工程師開發(fā)了一套廣泛的基于光譜的方法，包括利用近紅外光譜 (NIRS) 的新型非侵入性體內(nèi)技術(shù) ) — 促進(jìn)疾病和損傷的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)和診斷。

最近，隸屬于倫敦大學(xué)學(xué)院醫(yī)學(xué)物理和生物工程系以及倫敦大學(xué)學(xué)院婦女健康研究所和倫敦大學(xué)學(xué)院醫(yī)院信托基金會(huì)新生兒科的英國(guó)研究小組設(shè)計(jì)并測(cè)試了 NIRS 系統(tǒng)，以幫助診斷新生兒腦損傷。

倫敦研究人員建立的新型床邊系統(tǒng)通過(guò)估計(jì)血紅蛋白濃度的變化來(lái)同時(shí)測(cè)量大腦組織氧合和血流動(dòng)力學(xué)的變化。該便攜式系統(tǒng)還通過(guò)測(cè)量細(xì)胞色素 c 氧化酶 (CCO) 的氧化態(tài)來(lái)跟蹤氧氣利用率，細(xì)胞色素 c 氧化酶 (CCO) 負(fù)責(zé)體內(nèi) 95% 以上的氧代謝。

倫敦團(tuán)隊(duì)基于透鏡的寬帶 NIRS 系統(tǒng)(稱為CYRIL(“細(xì)胞色素研究?jī)x器和應(yīng)用程序”的縮寫))的使用在新生兒重癥監(jiān)護(hù)病房 (NICU) 的六名患有新生兒腦病的新生兒中進(jìn)行了持續(xù)研究測(cè)量周期長(zhǎng)達(dá)五天;獲得父母同意后立即開始 NIRS 測(cè)量。

CYRIL設(shè)置

CYRIL 系統(tǒng)(見(jiàn)圖 1)采用兩個(gè)離散通道，每個(gè)通道均采用帶有四個(gè)探測(cè)器的單個(gè)光源。每個(gè)通道均使用具有熱穩(wěn)定寬帶白光源的光纖照明器，非球面透鏡準(zhǔn)直燈的高強(qiáng)度 NIR 輸出，將其聚焦到光纖輸入上。快門和光圈控制進(jìn)入光纖的光量。在準(zhǔn)直區(qū)域使用長(zhǎng)通 (610 nm) 和短通 (950 nm) 濾光片可將光譜縮小到檢測(cè)到的波長(zhǎng)。

*倫敦大學(xué)學(xué)院醫(yī)院信托基金 (UCLH) 的嬰兒大腦研究獲得了西北研究倫理中心的倫理批準(zhǔn)(REC 參考號(hào)：13/LO/0106)。在 UCLH 出生或轉(zhuǎn)入 UCLH 治療急性腦損傷的足月嬰兒有資格接受調(diào)查;僅考慮沒(méi)有先天畸形并被認(rèn)為有可能存活的嬰兒。

圖 1：(a) 帶有實(shí)驗(yàn)設(shè)置的儀器圖。(b) 帶有光極支架的探測(cè)器光極。(c) 用于垂直輸入攝譜儀的探測(cè)器光纖套圈。(d) 光極支架設(shè)計(jì)，具有光纖直徑尺寸(所有探測(cè)器光纖具有相同的直徑)和源探測(cè)器距離。(e) NICU 中 CYRIL 系統(tǒng)的圖像。(f) CYRIL 光極在對(duì)象上的圖像。圖片由倫敦大學(xué)學(xué)院 Ilias Tachtsidis 博士提供。改編自首次發(fā)表于 Biomedical Optic Express 5(10), 3450–3466 (2014) 的材料。

光纖和光極支架將光源連接到組織，并將組織連接到光譜儀。每個(gè) 3 米長(zhǎng)的光纖束由多根直徑為 30 μm 的高數(shù)值孔徑光纖 (NA = 0.57) 組成。在組織處，源纖維束分支成一對(duì)纖維頭(束直徑 = 2.8 mm)。同時(shí)，探測(cè)器由八個(gè)單獨(dú)的光纖束(直徑 = 1 毫米)組成。探測(cè)器光纖可以任意組合排列，從而實(shí)現(xiàn)多距離測(cè)量、空間分辨光譜 (SRS) 和/或圖像采集。光纖垂直排列在插芯中，將光輸入光譜儀，從而可以在二維 CCD 上單獨(dú)或同時(shí)檢測(cè)每根光纖的光譜。

由于基于透鏡的光譜儀的光通量?jī)?yōu)于基于鏡面的光譜儀 ( >99% )，因此 CYRIL 系統(tǒng)采用Teledyne Princeton Instruments 的Acton 系列 LS-785 基于透鏡的光譜儀(見(jiàn)圖 2)。CYRIL 的檢測(cè)器光纖從組織表面收集光后，將其輸入 LS-785 中的光纖適配入口，并通過(guò)可變狹縫以防止過(guò)度曝光。本研究中最佳狹縫開口確定為 20 μm。為了減少損耗，光線經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直，然后引導(dǎo)至衍射光柵(閃耀波長(zhǎng)為 1000 nm;每毫米 830 個(gè)凹槽)，產(chǎn)生0.7 nm的波長(zhǎng)分辨率和136 nm的帶寬。由于衍射光柵安裝在 LS-785 內(nèi)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，因此 CYRIL 用戶可以輕松選擇要解析的波長(zhǎng)范圍(本研究中為 770 – 906 nm)。最后，光線通過(guò) f/2 聚焦透鏡聚焦到 CCD 上。將光聚焦在 y 方向可減少檢測(cè)器通道之間的串?dāng)_。

圖 2：Acton 系列 LS-785 攝譜儀的剖視圖。圖表由倫敦大學(xué)學(xué)院 Ilias Tachtsidis 博士提供。首次發(fā)表于《生物醫(yī)學(xué)光學(xué)快報(bào)》5(10), 3450–3466 (2014)。

CCD 是 CYRIL 系統(tǒng)的 Teledyne Princeton Instruments PIXIS:512F 相機(jī)所使用的科學(xué)級(jí)傳感器，具有峰值量子效率位于NIR 區(qū)域的光敏陣列。這個(gè) 512 x 512 像素的二維陣列尺寸為 12.3 x 12.3 毫米，每個(gè)像素尺寸為 24 x 24 微米。來(lái)自 CYRIL 全部八根檢測(cè)器光纖的光可以在傳感器上同時(shí)檢測(cè)，其前照式架構(gòu)非常適合與近紅外光譜相關(guān)的低至中等光子信號(hào)水平。為了減少暗噪聲，在相機(jī)運(yùn)行期間將 CCD 熱電冷卻至–70°C (熱穩(wěn)定至 ± 0.05°C);該溫度下的暗電流為0.002 電子/像素/秒。當(dāng)相機(jī)以 1000 kHz 運(yùn)行時(shí)，讀取噪聲為5 個(gè)電子 RMS。研究人員使用 Teledyne Princeton Instruments LightField? 采集軟件(與IntelliCal? 校準(zhǔn)包配合)將 x 方向上的每個(gè)像素校準(zhǔn)到其相應(yīng)的波長(zhǎng)箱。校準(zhǔn)后，CCD分辨率為0.27 nm。因此，CYRIL 的波長(zhǎng)分辨率為 0.27 ± 0.70 nm。

數(shù)據(jù)采集與分析

下面介紹了記錄的強(qiáng)度光譜的示例(圖 3a)以及它們之間相應(yīng)的衰減變化(圖 3b)。組織中血紅蛋白發(fā)色團(tuán)濃度水平的變化通過(guò)強(qiáng)度譜形狀的變化反映出來(lái)。在全身氧飽和度 (SpO2) 期間，由于 Δ[oxCCO](即代謝酶細(xì)胞色素 c 氧化酶的氧化態(tài))和 Δ[ 的減少，光譜峰值從~780 nm 移動(dòng)到 ~785 nm生色團(tuán) HbO2]，以及 Δ[生色團(tuán) HHb] 的增加。

圖 3：記錄了 6 名受試者的 NIRS 信號(hào)。總采集時(shí)間：212 小時(shí) 25 分鐘。(a) 對(duì)象 003 的去飽和前 (SpO 2 = 100%) 和去飽和最低點(diǎn) (SpO 2 = 77%)的強(qiáng)度譜示例，左側(cè)通道，距離最長(zhǎng)的源-探測(cè)器距離。觀察到光譜峰值的移動(dòng)。(b) (a)所示強(qiáng)度之間的衰減變化;該衰減變化與 Δ[HbO 2 ] = ~ –6 μM、Δ[HHb] = ~3 μM 和 Δ[oxCCO] = ~ –1.5 μM相關(guān)。數(shù)據(jù)由倫敦大學(xué)學(xué)院 Ilias Tachtsidis 博士提供。首次發(fā)表于《生物醫(yī)學(xué)光學(xué)快報(bào)》5(10), 3450–3466 (2014)。

National Instruments 的 LabVIEW ? 2011 軟件用于創(chuàng)建自定義程序，允許 CYRIL 用戶控制 PIXIS:512F、收集原始數(shù)據(jù)并計(jì)算相應(yīng)的濃度。特殊的 LabVIEW 程序可在床邊提供每個(gè)通道檢測(cè)到的強(qiáng)度光譜和發(fā)色團(tuán)濃度變化的實(shí)時(shí)視圖。其波長(zhǎng)分級(jí)功能使 CYRIL 系統(tǒng)用戶能夠獲取并顯示 CCD 512 x 512 陣列的強(qiáng)度加權(quán)圖像，并為要分級(jí)的每個(gè)水平條帶選擇感興趣區(qū)域(ROI)。每個(gè)條帶對(duì)應(yīng)于輸入到LS-785 光譜儀的檢測(cè)器光纖之一。所有條帶都可以調(diào)整，以最大化每個(gè)通道的強(qiáng)度光譜而不飽和，并最小化通道之間的串?dāng)_。倫敦研究人員報(bào)告說(shuō)，該研究的設(shè)置中沒(méi)有顯著的串?dāng)_。

R Cubed Software 科學(xué)成像工具套件中的 LabVIEW 驅(qū)動(dòng)程序使 PIXIS:512F 能夠獨(dú)立于 ROI 采集數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶定義的設(shè)置按波長(zhǎng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。研究中記錄的光強(qiáng)度峰值超過(guò)60000 次/秒。對(duì)于距離源 1 厘米的探測(cè)器，典型的光子計(jì)數(shù)為 >50000;對(duì)于距離源 1.5 厘米的探測(cè)器，>35000;對(duì)于距離源 2.0 厘米的探測(cè)器，>30000;對(duì)于距離源 2.5 厘米的探測(cè)器，>24000。暗計(jì)數(shù)降低了 2 個(gè)數(shù)量級(jí)(約 400 個(gè)計(jì)數(shù))。使用Mathworks 的 MATLAB?軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并使用自動(dòng)小波去噪功能對(duì) NIRS 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，能夠減少高頻噪聲，同時(shí)保持趨勢(shì)信息。

結(jié)果總結(jié)

研究人員利用 CYRIL 通過(guò)估計(jì)血紅蛋白濃度的變化來(lái)同時(shí)測(cè)量腦組織氧合和血流動(dòng)力學(xué)的變化，并通過(guò)測(cè)量CCO 的氧化態(tài)來(lái)跟蹤代謝和氧利用。定量近紅外光譜數(shù)據(jù)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)同時(shí)獲取，允許進(jìn)行多模式數(shù)據(jù)分析，研究人員研究了響應(yīng)全局病理生理事件的 NIRS 變量(NIRS 分析側(cè)重于自發(fā)性氧飽和度降低)。研究表明血紅蛋白氧合變化與CCO氧化變化之間的關(guān)系在去飽和事件期間，與磁共振波譜儀測(cè)量的損傷嚴(yán)重程度的生物標(biāo)志物顯著相關(guān)。

支持技術(shù)

Teledyne Princeton Instruments的 CYRIL Acton 系列 LS-785是一款基于透鏡的光譜儀(參見(jiàn)圖 4)，它提供當(dāng)今市場(chǎng)上任何市售近紅外拉曼光譜儀中最高的吞吐量。LS-785 的性能優(yōu)勢(shì)包括輕松調(diào)節(jié)750 – 830 nm 激光激發(fā)的波長(zhǎng)、定制設(shè)計(jì)的抗反射涂層、獨(dú)特的f/2 透鏡(其專有涂層提供 >99% 的吞吐量)、與光纖探頭和顯微鏡的簡(jiǎn)單接口，以及5 cm. -1分辨率。

圖 4：Acton 系列 LS-785 基于鏡頭的光譜儀，配有 PIXIS 科學(xué) CCD 相機(jī)。

CYRIL 還采用 Teledyne Princeton Instruments PIXIS:512F 科學(xué) CCD相機(jī)。這款低噪聲相機(jī)專為在定量紫外到近紅外成像和光譜應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)最佳性能而設(shè)計(jì)，采用 Teledyne Princeton Instruments 獨(dú)有的 XP 冷卻技術(shù)來(lái)最大限度地減少熱產(chǎn)生的暗電流(從而保持高信噪比)即使在連續(xù)運(yùn)行多個(gè)小時(shí)的情況下)。憑借這項(xiàng)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的創(chuàng)新技術(shù)，PIXIS 成為唯一一款采用全金屬密封設(shè)計(jì)提供深度冷卻的科學(xué)相機(jī)平臺(tái)，并提供終身真空保證。為了使用筆記本電腦方便地進(jìn)行控制和圖像/光譜采集，PIXIS:512F 配備了 USB 2.0 數(shù)據(jù)接口。

LS-785 基于鏡頭的光譜儀和 PIXIS:512F 科學(xué) CCD 相機(jī)均與 Teledyne Princeton Instruments 的 64 位LightField 成像和光譜軟件完全兼容(見(jiàn)圖 5)。LightField 作為一個(gè)全功能的“命令中心”，使用戶能夠完全控制光譜儀和相機(jī)的操作參數(shù)、光譜采集、數(shù)據(jù)處理等。LightField 具有眾多優(yōu)勢(shì)，例如強(qiáng)大的新型數(shù)學(xué)引擎，允許將數(shù)據(jù)直接采集到 National Instruments 的 LabVIEW 和 MathWorks 的 MATLAB 軟件包中。

圖 5：LightField 科學(xué)成像和光譜軟件

此外，LightField 支持 Teledyne Princeton Instruments 獨(dú)有的IntelliCal 波長(zhǎng)和強(qiáng)度校準(zhǔn)包(見(jiàn)圖 6)。IntelliCal 是 CYRIL 的創(chuàng)建者利用的另一項(xiàng)取得良好效果的功能，可將波長(zhǎng)精度和獨(dú)立于儀器的強(qiáng)度校準(zhǔn)提高高達(dá) 10 倍。

圖 6：IntelliCal 強(qiáng)度和波長(zhǎng)校準(zhǔn)系統(tǒng)

未來(lái)發(fā)展方向

通過(guò)提供獨(dú)特且實(shí)時(shí)的患者體內(nèi)數(shù)據(jù)， CYRIL 等新型床邊光譜測(cè)量系統(tǒng)不僅有可能幫助疾病和損傷診斷，而且有可能幫助指導(dǎo)治療。未來(lái)幾年，商用高精度光譜儀和科學(xué)相機(jī)(例如 Teledyne Princeton Instruments 的產(chǎn)品)將繼續(xù)為生物醫(yī)學(xué)研究人員和工程師提供廣泛的易于集成的特性和功能，以滿足不斷變化的靈敏度、速度和分辨率這些新穎系統(tǒng)的要求。

審核編輯 黃宇