Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8803 (2023) Citare questo articolo
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La spettroscopia di correlazione diffusa (DCS) è una tecnica ottica che può essere utilizzata per caratterizzare il flusso sanguigno nei tessuti. La misurazione dell'emodinamica cerebrale si è rivelata un caso d'uso promettente per la MDD, sebbene le implementazioni tradizionali della DCS mostrino un rapporto segnale-rumore (SNR) e una sensibilità cerebrale non ottimali per effettuare misurazioni affidabili del flusso sanguigno cerebrale negli adulti. In questo lavoro, presentiamo la DCS interferometrica a lunghezza d'onda lunga (LW-iDCS), che combina l'uso di una lunghezza d'onda di illuminazione più lunga (1064 nm), multi-speckle e rilevamento interferometrico, per migliorare sia la sensibilità cerebrale che l'SNR. Attraverso il confronto diretto con DCS a lunga lunghezza d'onda basato su rilevatori di fotoni singoli nanofili superconduttori, dimostriamo un miglioramento di circa 5 volte dell'SNR su un singolo canale di LW-DCS nei segnali di flusso sanguigno misurati in soggetti umani. Mostriamo l'equivalenza del flusso sanguigno estratto tra LW-DCS e LW-iDCS e dimostriamo la fattibilità di LW-iDCS misurata a 100 Hz con una separazione sorgente-rivelatore di 3,5 cm. Questo miglioramento delle prestazioni ha il potenziale per consentire una misurazione affidabile dell’emodinamica cerebrale e sbloccare nuovi casi d’uso per la spettroscopia di correlazione diffusa.
La spettroscopia a correlazione diffusa (DCS) è una tecnica ottica consolidata che consente la misurazione non invasiva del flusso sanguigno nei tessuti1. Attraverso la misurazione della luce diffusamente retrodiffusa, la DCS mette in relazione le fluttuazioni temporali dei segnali raccolti con il movimento delle cellule del sangue attraverso il sistema vascolare. Il monitoraggio clinico del flusso sanguigno al letto del paziente2, in particolare il monitoraggio del flusso sanguigno cerebrale3, è esploso come caso d'uso per la MDD, poiché la DCS è stata utilizzata per stimare i parametri di perfusione cerebrale durante le procedure chirurgiche4,5,6,7,8, l'autoregolazione cerebrale9,10, il monitoraggio cerebrovascolare reattività11, pressione intracranica12,13,14 e pressione critica di chiusura15,16. Sebbene numerosi studi comprendenti il monitoraggio della DCS siano stati dimostrati nelle popolazioni adulte, a causa delle limitazioni nella sensibilità cerebrale e nel rapporto segnale-rumore17, la tecnica DCS standard è più adatta per misurare il flusso sanguigno nei neonati e nei bambini, dove il tessuto extracerebrale ( cuoio capelluto e cranio) è significativamente più sottile che negli adulti18,19. Per migliorare le prestazioni della MDD nelle popolazioni adulte, molti gruppi hanno sviluppato modifiche sulla MDD che forniscono miglioramenti alla sensibilità cerebrale, al rapporto segnale-rumore o entrambi. Questi metodi includono il rilevamento interferometrico20,21,22,23,24,25, il rilevamento di macchioline parallelizzate26,27,28, la modulazione acusto-ottica29,30,31, metodi risolti in lunghezza del percorso32,33,34,35,36,37, metodi di contrasto delle macchioline38 ,39,40 e approcci a lunghezza d'onda lunga41,42. Un recente lavoro svolto nel nostro gruppo ha dimostrato l'utilità dell'uso di DCS a lunghezza d'onda lunga applicato a 1064 nm, sebbene in pratica per misurazioni cliniche, i rilevatori commerciali attualmente disponibili non abbiano prestazioni di rumore ragionevoli per misurazioni sensibili al flusso profondo (InGaAs/InP singolo -diodi a valanga di fotoni (SPAD))43 o sono troppo ingombranti per essere applicati clinicamente (rilevatori di fotoni singoli a nanofili superconduttori (SNSPD)). Per colmare questa lacuna nella tecnologia dei rilevatori, abbiamo sviluppato un DCS interferometrico a lunghezza d'onda lunga (LW-iDCS), che sfrutta tutti i vantaggi del funzionamento a 1064 nm ed evita gli aspetti negativi delle tecnologie di rilevamento sensibili alla luce a 1064 nm utilizzando l'interferometria rilevamento insieme a un sensore della fotocamera a scansione lineare altamente parallela (ispirato al lavoro svolto a lunghezze d'onda più corte da Zhou et al.21,44). In questo lavoro, confrontiamo direttamente le prestazioni di LW-DCS e LW-iDCS in uno studio pilota su soggetto umano per verificare l'equivalenza della stima del flusso sanguigno mediante la nuova tecnica LW-iDCS e confrontare la qualità dei segnali misurati.
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>
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