Mesurer le flux sanguin cérébral humain et la fonction cérébrale avec des fibres

Biologie des communications volume 6, Numéro d'article : 844 (2023) Citer cet article

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Le flux sanguin cérébral (CBF) est crucial pour la santé du cerveau. La spectroscopie optique à contraste speckle (SCOS) est une technique qui a été récemment développée pour mesurer le CBF, mais l'utilisation du SCOS pour mesurer la fonction cérébrale humaine à de grandes séparations source-détecteur avec une sensibilité comparable ou supérieure au flux sanguin cérébral plutôt qu'extracérébral n'a pas été démontré. Nous décrivons un système SCOS à base de fibre capable de mesurer les modifications du CBF induites par l'activation du cerveau humain à des séparations de détecteurs de source de 33 mm à l'aide de détecteurs CMOS. Le système met en œuvre une stratégie d'impulsion pour améliorer le flux de photons et utilise un pipeline de traitement de données pour améliorer la précision des mesures. Nous montrons que SCOS surpasse la principale modalité optique actuelle pour mesurer le CBF, à savoir la spectroscopie à corrélation diffuse (DCS), obtenant une amélioration du SNR supérieure à 10 fois pour un coût financier similaire. Le SCOS à base de fibres offre une approche alternative à la neuroimagerie fonctionnelle pour les applications en neurosciences cognitives et en sciences de la santé.

Le flux sanguin cérébral (CBF) est un indicateur important de la santé du cerveau car il régule l’apport d’oxygène au cerveau et élimine les déchets métaboliques tels que le dioxyde de carbone. Les altérations du CBF sont en corrélation avec des pathologies cliniques graves telles qu'un accident vasculaire cérébral ischémique1,2, un traumatisme crânien3 et la maladie d'Alzheimer4,5. Le CBF fournit également des informations sur la fonction cérébrale6,7,8,9, car l'activation neuronale induit des changements hémodynamiques via le couplage neurovasculaire10. Ainsi, la surveillance du CBF est importante pour les études en neurosciences cognitives ainsi que pour les applications cliniques. La spectroscopie de corrélation diffuse (DCS) est une technique optique qui mesure le CBF humain à partir de la lumière cohérente réémise par les tissus11,12,13,14,15. L'indice de flux sanguin (BFi), une métrique linéairement corrélée au flux sanguin sous-jacent, est calculé à partir du temps de décorrélation de la fonction d'autocorrélation de l'évolution temporelle de l'intensité du speckle. Il offre un moyen pratique de surveiller le CBF de manière non invasive et continue au chevet du patient, ce qui ne peut être réalisé avec d'autres techniques telles que la tomographie par émission de positons et l'imagerie par résonance magnétique par marquage de spin artériel. Cependant, les systèmes DCS traditionnels souffrent d'un rapport signal/bruit (SNR) relativement faible et les détecteurs à diode à avalanche à photon unique (SPAD) utilisés dans ces systèmes sont généralement coûteux, ce qui rend la tâche difficile pour les géométries à haute densité couvrant de grandes régions du cerveau. , ou faire la moyenne sur plusieurs taches/canaux pour améliorer le SNR. Récemment, plusieurs groupes ont tenté d'améliorer le DCS SNR soit en imaginant plusieurs taches sur un réseau SPAD, soit en améliorant la détection du flux de photons par tache. Par exemple, un travail récemment publié sur le DCS multi-speckle avec 1 024 canaux de détection parallèles9,16 a montré des améliorations prometteuses du SNR et a démontré des variations du CBF du front humain à une courte séparation du détecteur de source (SDS) de ρ = 15 mm. Mais à ρ = 15 mm, la sensibilité du cerveau est faible et impossible à mesurer la fonction cérébrale17. Dans un autre exemple, il a été démontré que la mise en œuvre de l'interférométrie améliore le DCS SNR en obtenant des performances en matière de bruit de tir18,19, mais au détriment d'une complexité accrue du système qui n'est pas préférée pour le développement futur de dispositifs portables. Enfin, il a également été démontré que l'utilisation d'une longueur d'onde plus longue de 1064 nm comme source de lumière d'entrée augmente le DCS SNR en augmentant le flux de photons, grâce à l'exposition maximale autorisée (MPE) plus élevée et à une énergie par photon plus faible que celle des longueurs d'onde plus courtes, mais cela Cette méthode nécessite des détecteurs à photons uniques à nanofils supraconducteurs encore plus coûteux20.

Une autre catégorie de techniques optiques pour mesurer le CBF est l’imagerie par contraste de taches laser (LSCI)21,22,23,24. Au lieu d'analyser les statistiques temporelles, c'est-à-dire la fonction d'auto-corrélation des intensités de speckle comme le fait le DCS, LSCI exploite les statistiques spatiales en calculant le contraste spatial des modèles d'intensité de speckle mesurés dans un certain temps d'exposition de la caméra. Les modèles d'intensité de taches sont obtenus à l'aide de caméras CMOS (complémentaires métal-oxyde-semi-conducteur) relativement peu coûteuses, capables de capturer des millions de taches avec des millions de pixels pour améliorer le SNR, par opposition aux SPAD utilisés dans les DCS traditionnels qui utilisent quelques taches. Cependant, le LSCI traditionnel a principalement été utilisé pour obtenir des images bidimensionnelles de CBF superficiel avec un éclairage à large champ, principalement pour les petits animaux tels que les souris dotées de fenêtres crâniennes ou de crânes amincis. Récemment, une technique dérivée du LSCI appelée spectroscopie optique à contraste de speckle (SCOS) et sa tomographie optique à contraste de speckle à expansion tomographique (SCOT) ont été démontrées pour l'imagerie en espace libre avec des SDS plus grands, permettant des mesures non invasives du flux sanguin dans des régions plus profondes. fantômes, bras et front humains et cerveaux de petits animaux25,26,27,28,29,30. Cependant, la généralisation des techniques d’espace libre aux mesures de la fonction cérébrale humaine sur une vaste zone est difficile en raison de la présence de cheveux, de la sensibilité au mouvement due à une plage de mise au point limitée et du champ de vision limité de la caméra. Des systèmes à base de fibres ont été proposés et utilisés pour effectuer des mesures des formes d'onde du pouls cardiaque31,32,33, mais la mesure de la fonction cérébrale humaine à une grande séparation source-détecteur (> 30 mm) avec une sensibilité comparable ou supérieure aux signaux cérébraux plutôt qu'extracérébraux. le flux sanguin n’est pas encore atteint. De plus, diverses sources de bruit induiront un biais dans le contraste spatial mesuré dans SCOS, ce qui présente des défis pour quantifier les changements de flux sanguin dans le régime de faible flux de photons généralement rencontré pour les mesures de CBF humain34. Des travaux pionniers sur la correction du bruit de prise de vue et du bruit sombre ont été modélisés et utilisés expérimentalement28,34, mais il existe davantage de sources de bruit telles que l'inhomogénéité de l'éclairage et le bruit de quantification qui doivent être corrigées. De plus, le système de correction du bruit pour les mesures du cerveau humain n’a pas été validé expérimentalement.