Jan 30, 2024
Портативные высокоскоростные измерения кровотока с помощью длинноволновой интерферометрической диффузно-корреляционной спектроскопии (LW
Научные отчеты, том 13,
Том 13 научных докладов, Номер статьи: 8803 (2023) Цитировать эту статью
368 Доступов
Подробности о метриках
Диффузная корреляционная спектроскопия (DCS) — это оптический метод, который можно использовать для характеристики кровотока в тканях. Измерение церебральной гемодинамики стало многообещающим вариантом использования DCS, хотя традиционные реализации DCS демонстрируют неоптимальное соотношение сигнал/шум (SNR) и церебральную чувствительность, что позволяет проводить надежные измерения мозгового кровотока у взрослых. В этой работе мы представляем длинноволновую интерферометрическую DCS (LW-iDCS), которая сочетает в себе использование более длинной волны освещения (1064 нм), мультиспекл и интерферометрического обнаружения для улучшения как церебральной чувствительности, так и отношения сигнал-шум. Путем прямого сравнения с длинноволновой DCS на основе сверхпроводящих нанопроволочных детекторов одиночных фотонов мы демонстрируем примерно 5-кратное улучшение отношения сигнал/шум по сравнению с одним каналом LW-DCS в измеренных сигналах кровотока у людей. Мы показываем эквивалентность извлеченного кровотока между LW-DCS и LW-iDCS и демонстрируем возможность измерения LW-iDCS при частоте 100 Гц при расстоянии источник-детектор 3,5 см. Такое улучшение производительности может позволить обеспечить надежные измерения церебральной гемодинамики и открыть новые варианты использования диффузной корреляционной спектроскопии.
Диффузная корреляционная спектроскопия (ДКС) — это признанный оптический метод, позволяющий неинвазивно измерять тканевый кровоток1. Посредством измерения диффузно рассеянного света DCS связывает временные колебания собранных сигналов с движением клеток крови через сосудистую сеть. Клинический мониторинг кровотока у постели больного2, особенно мониторинг мозгового кровотока3, стал широко использоваться в качестве варианта использования DCS, при этом DCS использовалась для оценки показателей церебральной перфузии во время хирургических процедур4,5,6,7,8, церебральной ауторегуляции9,10, цереброваскулярной реактивность11, внутричерепное давление12,13,14 и критическое давление закрытия15,16. Хотя ряд исследований, включающих мониторинг DCS, был продемонстрирован на взрослых популяциях, из-за ограничений церебральной чувствительности и соотношения сигнал/шум17 стандартный метод DCS лучше подходит для измерения кровотока у новорожденных и детей, где экстрацеребральная ткань скальп и череп) значительно тоньше, чем у взрослых18,19. Чтобы улучшить работу DCS во взрослой популяции, многие группы разработали модификации DCS, которые обеспечивают улучшение церебральной чувствительности, соотношения сигнал/шум или того и другого. Эти методы включают интерферометрическое обнаружение20,21,22,23,24,25, параллельное обнаружение спеклов26,27,28, акустооптическую модуляцию29,30,31, методы разрешения длины пути32,33,34,35,36,37, методы контрастирования спеклов38 ,39,40 и длинноволновые подходы41,42. Недавняя работа нашей группы показала полезность использования длинноволновой DCS, применяемой при 1064 нм, хотя на практике для клинических измерений доступные в настоящее время коммерческие детекторы либо не обладают приемлемыми шумовыми характеристиками для измерений, чувствительных к глубоким потокам (одиночные InGaAs/InP). -фотонные лавинные диоды (SPAD))43 или слишком громоздки для клинического применения (сверхпроводящие однофотонные детекторы на нанопроволоке (SNSPD)). Чтобы устранить этот пробел в технологии детекторов, мы разработали длинноволновую интерферометрическую DCS (LW-iDCS), которая использует все преимущества работы на длине волны 1064 нм и обходит отрицательные аспекты технологий детекторов, чувствительных к свету с длиной волны 1064 нм с использованием интерферометрического обнаружение вместе с датчиком камеры с высокопараллельным линейным сканированием (вдохновленным работой, проделанной на более коротких волнах Чжоу и др.21,44). В этой работе мы напрямую сравниваем производительность LW-DCS и LW-iDCS в пилотном исследовании на людях, чтобы проверить эквивалентность оценки кровотока с помощью нового метода LW-iDCS и сравнить качество измеренных сигналов.
Диффузная корреляционная спектроскопия оценивает поток в ткани посредством анализа нормализованной автокорреляционной функции интенсивности, \({g}_{2}\left(\tau \right)\. Автокорреляция обнаруженного сигнала связана с динамикой ткани соотношением Зигерта45, выраженным в уравнении. (1),
3.5 mm center-to-center distance), 1 single mode fiber for short-separation DCS (5 mm) and several co-localized long-separation detection fibers: 4 single mode fibers (LW-DCS), and 7 multimode detection fibers (LW-iDCS). A high coherence (lc > 10 km), fiber (MFD 6.6 µm) laser source emitting ~ 125 mW at 1064 nm (RFLM-125-0-1064, NP Photonics) was fusion spliced (S185HS Fusion Splicer, Fitel) to a 90:10, polarization maintaining fused fiber coupler (MFD 6.6 µm, PN1064R2A1, Thorlabs). The 10% arm of the coupler was used as the input for a fiber amplifier (MAKO-AMP1064, Cybel), and was connected via an FC/APC connector. The amplifier output fiber (MFD 10 µm) was fusion spliced to the input of a 50:50, 105 µm, multimode fused fiber coupler (TW1064R5A1B, Thorlabs). The two outputs of the fiber coupler were spliced to two 105 µm multimode source fibers connected to the probe. The light was amplified to allow for two MPE limited spots54 (1 W/cm2 at 1064 nm, 3.6 mm spot size diameter, 102 mW each spot) to increase the achievable signal-to-noise ratio. The 90% output arm of the polarization maintaining coupler was connected to the reference arm input of the LW-iDCS interferometer. All spliced connections were confirmed by the fusion splicer to have losses less than 0.03 dB./p> 50%. (B) For this maneuver, as expected, the systemic physiology was not significantly affected by the tightening of the tourniquet on the forehead./p> 3.5 mm apart could be used, allowing for an even higher SNR for high quality pulsatile blood flow measurements. The SNR of the LW-iDCS measurement seen in the high-speed pulsatile measurements was 4.5× the SNR of the SNSPD LW-DCS measurement when making single channel comparisons, representing an enabling improvement to the quality of blood flow measured. In the context of the DCS systems currently used for translational research, this improvement is especially significant considering that even the single illumination SNSPD LW-DCS has an SNR gain of 16× over conventional DCS42, and that measurements at 3.5 cm are not feasible with conventional NIR DCS. The use of a camera which is sensitive to light at 1064 nm takes advantage of both the higher number of photons per mode as compared to traditional NIR wavelengths as well as the slower decay of the autocorrelation function. For cerebral blood flow measurements made at long source-detector separations, the autocorrelation decay for traditional NIR DCS can happen in 1–10 s of microseconds, and a significant portion of the decay could be missed if not sampled quickly enough. The use of both heterodyne detection, measuring the slower decaying \({g}_{1}\left(\tau \right)\) as opposed to \({g}_{2}\left(\tau \right)\), and 1064 nm relaxes the sampling rate needed to effectively sample the correlation function. The longer source-detector separation achievable with these advanced DCS systems enables measurements with reduced sensitivity to the upper tissue layers relative to the sensitivity of currently applied DCS systems in the traditional NIR wavelength range (explored in the supplement). The decreased sensitivity to extracerebral signals is greatly beneficial to DCS measurements, especially in clinical applications where systemic physiological fluctuations are more likely to occur and the timing of relevant cerebral hemodynamic changes is not as well defined. We also see good agreement with the estimated noise performance given by Monte Carlo simulation (Figure S3). Additionally, the cost of the system is greatly reduced compared to LW-DCS based on SNSPDs. For this implementation of the LW-iDCS system, the detector used is ~ 7× less expensive (~ $25 k total, camera + frame grabber: ~ $20 k, assorted lenses, opto-mechanics, and fibers: ~ $5 k) as compared to the SNSPDs (~ $180 k total, cryostat: ~ $100 k, individual nanowire detectors: ~ $20 k each). The LW-iDCS cart-based system is also more mobile than the SNSPD based LW-DCS system. These improvements in cost, SNR, and mobility are promising for the clinical usability of LW-iDCS measurements of CBF in adults. The signal processing approach used to extract the correlation function from the raw data stream points to potential pitfalls in the development of iDCS instruments using multimode fiber and free space interferometers though. The motion of fibers and vibrations in the environment have the potential to corrupt the iDCS signals, however, these challenges are manageable, and the use of the custom data analysis pipeline, described in supplementary information, was successful in removing artifacts from the data. The use of a weighted fitting approach allowed for equivalent blood flow indices to be fit from both the LW-DCS and LW-iDCS correlation functions, evidenced by the results shown in Fig. 3C and D. While the results presented matched well, investigation of the generalizability of the weighting factor selected in this study is warranted given the influence that tissue layer thicknesses, optical properties, and ratios of scalp and brain blood flow are known to have on fitting autocorrelation functions67,68. Another challenge posed by the implementation of massively parallel multi-speckle detection is the raw data rate of the instruments. Recent publications on massively parallelized detection have quoted raw data rates between 0.24 GB/s (0.864 TB/hr) and 9.0 GB/s (32.4 TB/hr)22,25,26,27,28,44,69. For clinical blood flow measurements, these data rates could result in untenably large data files, though real time processing utilizing GPUs or FPGAs have been explored as a solution to address this challenge28,69. The increased SNR provided by the LW-iDCS instrument presented here enabled high sensitivity to the cerebral blood flow signal as well as a high rate of BFi calculation. These factors will be highly enabling for the clinical translation of DCS as a noninvasive cerebral blood flow monitor./p>
Русский
English
Français
Deutsch
Español
Italiano
Português
日本語
한국어
Дом