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【卓知小课堂】通过近红外光谱对新生儿脑损伤的诊断

作者:卓小知     发布时间:2020年10月16日     阅读次数:200

卓知小课堂系列文章好久不曾与各位粉丝相见,在全国各地高校恢复上课后,卓知小课堂正式回归。本次小编为诸位带来关乎新生儿童脑损伤诊断检测的一篇文章,文章采自美国普林斯顿仪器公司。

为了便于快速、准确检测和诊断疾病和伤害,世界各地的实验室、医院、大学中的生物医学研究人员及工程师已经开发了一套通过使用近红外光谱(Near-InfraRed Spectroscopy ,NIRS)的体内非侵入性创新技术。近红外光谱(NIRS)是一种非侵入性、非电离技术,可在体内床边监测组织发色团浓度的变化的技术,已广泛应用于成人和新生儿的大脑研究。

隶属于伦敦大学医学物理和生物工程系,以及伦敦大学妇女健康研究所和伦敦大学医院信托新生儿部的一个英国研究小组,设计和测试了一套近红外成像系统,以帮助诊断新生儿脑损伤。研究人员建立一种新型的床边CYRIL系统(本文后半段将介绍该系统),通过估算血红蛋白浓度的变化,测量大脑组织氧合和血流动力学的变化。

CYRIL系统通过测量CCO(cytochrome-c-oxidase)的氧化状态来跟踪氧的利用情况。该研究小组利用CYRIL系统针对新生儿重症监护病房NICU(Neonatal Intensive Care Unit)中的6名患有新生儿脑病的新生儿队列中进行了长达5天的连续测量(在经其父母同意后进行监测)。

以下记录的是强度谱数据采集和分析示例(a)以及其之间相应的衰减变化(b)。组织中血红蛋白生色团浓度变化通过强度谱的形状变化来反映。在全身氧去饱和(SpO₂)过程中,在~780nm至~785nm区间,由于Δ[oxCCO](即代谢酶细胞色素-c-氧化酶的氧化状态)和Δ[HbO₂]的减少,导致Δ[HHb]的减少。

本研究中确定的最佳狭缝宽度20μm。为了减少损失,光被准直,然后引导到衍射光栅(1000nm闪耀;830刻线),产生0.7nm的波长分辨率和136nm的带宽。由于衍射光栅安装在Acton LS-785内部的旋转平台上,CYRIL用户可以很容易地选择需要解决的波长范围(本次研究中为770-906nm)。最后,光线通过f/2聚焦透镜聚焦在CCD上。聚焦光在y方向减少了探测器通道之间的串扰。

在研究中,记录的光强度在> 60000计数/秒处达到峰值。对于距离源1cm的探测器,典型的光子计数>50000;对于距离源1.5cm的探测器,光子计数>35000;对于距离源2.0cm的探测器,光子计数>30000;对于距离源2.5cm的探测器,光子计数>24000。暗计数降低了2个数量级(〜400个计数)。使用MATLAB®软件进行数据分析,并使用自动消噪功能处理NIRS数据,该功能可以在保持趋势信息的同时降低高频噪声。

CYRIL系统组成结构
CYRIL系统利用两个离散通道,每个通道使用一个带四个探测器的单一光源。每个通道使用带有热稳定宽带白光源的光纤光源,非球面透镜准直高强度近红外(NIR)输出,将其聚焦在光纤输入端。快门和光圈控制进入光纤的光量。在准直区域使用长通(610nm)和短通(950nm)滤光片将光谱缩小到检测波长。

光纤和光电支架将光源连接到组织,以及将组织连接到光谱仪。每根3米长的光纤束由多根直径为30μm的高数值孔径纤维(NA = 0.57)组成。在组织中,源纤维束分枝成一对纤维头(束直径= 2.8mm)。与此同时,探测器由八束独立的纤维束组成(直径= 1mm)。探测器光纤可以任意组合排列,从而实现多距离测量、空间分辨光谱(SRS)或图像采集。这些纤维被垂直地排列在一个套圈中,套圈将光输入到分光计中,分光计允许在二维CCD上分别或同时地检测每根纤维的光谱。

光谱仪的选择
基于透镜光谱仪的光通量(> 99%)优于反射镜光谱仪,CYRIL系统采用了美国普林斯顿仪器公司Acton Ls-785系列光谱仪。CYRIL的检测器光纤从组织表面收集光后,将其输入到LS-785中适合光纤的入口,并通过可变缝隙以防止过度曝光。
相关产品链接:高光通量Acton LS 785光谱仪(点击查看)

CCD的选择
CYRIL系统选择了美国普林斯顿仪器公司的PIXIS相机,PIXIS具有高度集成化、低噪声、一个光敏阵列等特点,其峰值量子效率在近红外区域,应用独有的XP制冷技术,全金属密封设计,终身真空质保。

CYRIL中8种检测器光纤都可以在传感器上同时探测到,其正面发光的结构对于近红外光谱相关的中低光子信号水平非常理想。为降低暗噪声,在摄像操作过程中,CCD被热电冷却至-70℃(热稳定性为±0.05℃);在这个温度下,暗电流为0.002电子/像素/秒。当相机运行在1000Hz时,读取噪声为5电子有效值。研究人员使用LightField®软件(与IntelliCal®校准包协同使用)在x方向上对每个像素进行相应波长库的校准。校准后,CCD分辨率为0.27nm。因此CYRIL的波长分辨率为0.27±0.70nm。

Lab VIEW系统操作软件
使用Lab VIEW软件控制PIXIS,收集原始数据并计算相应的浓度。程序可在床边实时提供每个通道检测到的强度光谱和生色团浓度变化的实时视图,每个用户定义设置,让用户可以获取CCD阵列显示的强度图像,并为每个水平条带选择感兴趣的区域(ROI)。每个条带对应于输入到Acton LS-785光谱仪中,所有的条带可以调整,以强化每个通道的光谱而不发生饱和,并最小化通道之间的串扰。软件使PIXIS可以从ROI单独获取数据,并可以根据用户定义的设置按波长对数据进行分类存储。

通过提供独特的实时体内患者数据,新的基于床边光谱的测量系统(如CYRIL系统),不仅有助于疾病和损伤诊断,而且有助于指导治疗。高精度光谱仪和科研级相机将在生物医学研究人员和工程师在研究过程中扮演重要角色。

参考文献:
1] In-Vivo Measurements of Cerebral Changes in Cytochrome-c-Oxidase using;
Gemma Bale1 , Subhabrata Mitra2 , Judith Meek2 , Nicola Robertson2 , 
Ilias Tachtsidis1
1、Department of Medical Physics and Bioengineering, Malet Place Engineering Building, University College London, WC1E 6BT, UK
2] A new broadband near-infrared spectroscopy system for in-vivo measurements of cerebral cytochrome-c-oxidase changes in neonatal brain injury Broadband Near-Infrared Spectroscopy in Perinatal Hypoxic-Ischaemic Encephalopathy.
Gemma Bale, 1*  Subhabrata Mitra, 2  Judith Meek, 2  Nicola Robertson, 2  and Ilias Tachtsidis1 
1、Department of Medical Physics and Bioengineering, Malet Place Engineering Building, University College London,UK 
2、 Institute for Women’s Health, University College London and Neonatal Unit, University College London Hospitals Trust, London, UK

本期卓知小课堂就结束了,如需了解更多该项研究及产品资料,欢迎联系本公司。期待卓知小课堂给大家带来更多内容吧。

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