Ny teknologi til at måle hjernens blodgennemstrømning med lys

Biomedicinske ingeniører ved University of California, Davis, har udviklet en ny teknik til at måle blodgennemstrømningen i den menneskelige hjerne, som kan bruges til patienter med slagtilfælde eller traumatisk hjerneskade, for eksempel. Den nye teknik, baseret på konventionel digitalkamerateknologi, kunne være væsentligt billigere og mere robust end tidligere metoder.

Arbejdet er beskrevet i et papir offentliggjort 26. april i tidsskriftet Optica .

"Vores setup er meget lovende, og omkostningerne skal være lavere, " sagde Wenjun Zhou, en postdoktor, der arbejder med Vivek Srinivasan, lektor ved UC Davis Institut for Biomedicinsk Teknik.

Hvis du kaster lys ind i en uklar opløsning, lette partikler, eller fotoner, vil blive spredt i forskellige retninger. En eksperimentel teknik kaldet diffus korrelationsspektroskopi, eller DCS, bruger i det væsentlige denne tilgang til at se ind i en andens kranium. Laserlys skinner på hovedet; når fotoner fra laseren passerer gennem kraniet og hjernen, de er spredt af blod og væv. En detektor placeret et andet sted på hovedet, hvor fotonerne kommer ud igen, opfanger lyssvingningerne på grund af blodbevægelser. Disse udsving giver information om blodgennemstrømningen.

Lyssignalet er meget svagt, og jo længere den passerer gennem kraniet og hjernevævet, jo svagere bliver det. Så DCS kræver en række meget følsomme, dyre enkeltfotontællingsdetektorer. Forøgelse af lyset, der går ind, risikerer at brænde patientens hud.

Interferens for at forstærke signalet

Zhou og Srinivasan tog en anden tilgang, baseret på det faktum, at overlappende lysbølger vil forstærke eller ophæve hinanden, som overlappende krusninger på en dam.

De opdelte først lysstrålen i "prøve" og "reference" stier. Prøvestrålen går ind i patientens hoved og en anden, stærkere, referencestrålen dirigeres, så den genforbindes med prøvestrålen, før den går til detektoren. Dette øger signalet, hvilket betyder, at i stedet for at have brug for omkring 20 foton-tællende detektorer, der koster et par tusinde dollars hver, forskerne kunne bruge en enkelt CMOS-baseret digitalkamerachip til en brøkdel af prisen.

"Det stærke referencelys forstærker det svagere signal fra prøven, " sagde Zhou.

De kalder metoden interferometrisk diffuserende bølgespektroskopi, eller iDWS. En ekstra fordel er, at de ikke behøver at slukke for lyset i rummet, mens de foretager målinger med iDWS, sagde Zhou. Til sidst, de kan endda være i stand til at overvåge hjernens blodgennemstrømning udendørs, under skarpt sollys.

Indtil nu, holdet har testet deres enhed ved at lave hjerneoptagelser fra frivillige i laboratoriet. De arbejder sammen med Dr. Bruce Lyeth og Dr. Lara Zimmermann i UC Davis Department of Neurological Surgery for at validere og tilpasse teknologien til eventuel brug i neurokritisk behandling. UC Davis har ansøgt om et foreløbigt patent på teknologien.