CC BY
112
44
Биотехнические системы и технологии (201000)
УДК 615.822.3 + 612.6.65 + 612.789
Э. В. Крыжановский, канд. техн. наук, А. Г. Григорян, ст. науч. сотр., К. А. Живихин, мл. науч. сотр., А. В. Чистов, аспирант,
Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, Санкт-Петербург,
К. В. Квашнева, аспирант,
Институт мозга человека РАН, Санкт-Петербург
Новая многоканальная система ближней инфракрасной спектроскопии для функционального исследования головного мозга
Ключевые слова: спектроскопия, головной мозг, опторитмограф, омегаметрия, фотодатчик, кислородонасыщение, ИК-излучения.
Key words: spectroscopy, brain, NIRS, optorhythmograf, omegametry, photosensor, oxygenation.
Рассматривается проблема создания компактной и недорогой системы, позволяющей осуществлять спектроскопию ближней ИК-области с поверхности головы человека. Приведены результаты эксперимента с использованием разработанного программно-аппаратного комплекса, согласующиеся с данными, полученными при помощи классических спектроскопических методик. Дальнейшее расширение возможностей программно-аппаратного комплекса позволит регистрировать активность мозговых процессов на всем оптическом диапазоне (УФ, видимый и ИК).
Введение
Более трети века назад неинвазивный метод спектроскопии ближней инфракрасной (ИК) области был впервые применен для исследования кислородной недостаточности и циркуляции крови в головном мозгу человека [1]. Свои открытия автор описал только спустя 22 года, после продолжительного клинического применения данной методики для исследования процессов мозгового кислородонасыщения
[2] . С начала 1990-х г. метод спектроскопии ближней ИК-области начал применяться более широко, так как инструменальная часть стала более совершенной. Подробное описание по применению методики в различных областях медицины дано в работе
[3]. В работе [4] сообщается о возможности мониторинга церебральной оксигенации с помощью данного метода, что позволяет повысить точность диагностики и оптимизировать терапию при нарушениях кислородного насыщения головного мозга в целях профилактики неврологических осложнений.
С помощью метода спектроскопии ближней ИК-области были исследованы особенности функциональной активности коры головного мозга у взрослых и у новорожденных. Обзор работ, посвященных изучению картирования мозговой активности представлен в [3]. Возможность картирования мозговой активности, а также создание относительно компактного оборудования (тем не менее весьма дорогого) компанией Hitachi привели к серии работ японских исследователей в психологии и психиатрии [5]. Картирование мозговой активности при помощи спектроскопии ближней ИК-области получило название оптическая топография.
Тем не менее современное приборное обеспечение метода спектроскопии ближней ИК-области имеет ряд недостатков — трудоемкость, громоздкость и высокая стоимость измеряющих приборов.
Кроме того, используемые на сегодня методы спектроскопии в медицине и психологии ограничиваются только ИК-областью спектра (в силу наибольшей мощности излучения в данной области спектра) и пренебрегат информативностью видимой и УФ-областей спектра излучения мозга.
Настоящая разработка нашего центра направлена на решение упомянутых проблем с учетом более полной реализации метода оптической топографии, а именно:
1) создание компактного программно-аппаратного комплекса для неинвазивной регистрации мозговой активности (посредством оптических датчиков) в ближней ИК-области; в начальном периоде информация о мозговой активности будет изучаться посредством исследования гемодинамики головного мозга;
2) обеспечение простоты эксплуатации программно-аппаратного комплекса;
3) обеспечение низкой себестоимости прибора;
4) расширение возможности программно-аппаратного комплекса для регистрации мозговой активности на весь оптический диапазон (УФ, видимый и ИК).
Сейчас нами достигнут существенный прогресс в решении первых трех задач. Настоящая работа демонстрирует предварительные результаты исследований, полученных при помощи развиваемой технологии.
Методы
Система «Опторитмограф». Разработанная нами система, названная «Опторитмограф», представляет собой четырехканальный (в перспективе — многоканальный) прибор — персональный компьютер со специализированным программным обеспечением. Четыре полностью идентичных оптических канала замеряют отраженное излучение в ИК-диапа-зоне исследуемой области головы человека.
Прибор состоит из оптических сенсоров и процессорного блока, расположенных на эластичном ремне. Вся конструкция закрепляется на голове испытуемого, подобно повязке с обхватом лобных и височных областей (рис. 1). Оптические сенсоры представляют собой конструкцию с широкополосным фотодиодом и ИК-светодиодами, расположенными таким образом, чтобы эффективно регистрировать данные с площади примерно 1 см2, сам сенсор занимает площадь порядка 6 см2.
Суть метода заключается в следующем. Исследуемые ткани биологического объекта (в данной методике — лобные и височные области поверхности головы человека) просвечиваются пучком ИК-излуче-ния с помощью источника (светодиода, создающего ИК-излучение с длиной волны 940 нм, имеющее глубину проникновения в ткани организма до 4 см), которое, частично проходя через ткань и частично отражаясь от ее внутренних структур, воспринимается фотоприемниками.
Сигнал посылается путем генерации излучения со светодиода с длиной волны 940 нм с шириной полосы излучателя фотосенсора по уровню 0,5-(±20) нм,
Рис. 1
Расположение прибора «Опторитмограф» на голове
суммарной импульсной мощностью ИК-излучателей одного фотосенсора не более 250 мВт. Регистрируется отраженное оптическое излучение при помощи фотодиода приемника, расположенного конструкционно в непосредственной близости (5 мм) от оптического излучателя.
Сигналы с датчиков после усиления поступают на входы АЦП микроконтроллера, который с частотой дискретизации 25 Гц преобразует каждый из сигналов в цифровой код и передает в ОЗУ компьютера.
Специализированное программное обеспечение реализовано в виде диалоговой интерактивной системы, позволяющей выполнять следующие функции:
• просмотр сигналов всех каналов в режиме осциллографа на экране цветного монитора компьютера;
• запись сигналов одновременно со всех каналов в ОЗУ компьютера;
• измерение амплитудно-временных параметров сигнала;
• статистический анализ основных параметров сигнала.
При помощи инфракрасного излучения хорошо определяются количество проходящего по сосудам гемоглобина (с кислородом и без него) и объем крови в тех или иных участках мозга. Объем крови зависит от параметров сердечно-сосудистой системы (мощности сердечного выброса, величины артериального давления, периферического сопротивления артериальной системы, упругости стенок сосудов) и отражает физиологическое состояние организма человека или животного. Пульсации периферических сосудов, возникающие за счет прохождения пульсовой волны, вызывают колебания оптической плотности живой ткани, поэтому поток ИК-излучения, прошедший и отраженный от тканей, модулируется по амплитуде и наводит в фотоприемнике электрический сигнал, пропорциональный этому потоку. Таким образом, прибор позволяет вести неинвазив-ную запись.
При активации зон мозга (например, при выполнении исследуемым психофизиологических тестов или других заданий) изменяется потребление кислорода и кровообращение в указанной зоне активизируется. Таким образом, опосредованно изменяется амплитуда ИК-излучения, что регистрируется фотодатчиком. Благодаря высокой скорости регистрации сигнала — мы получаем динамическую картину изменения амплитуды регистрируемого ИК-излуче-ния во времени. Один цикл измерений кровотока, вычислений и выдачи команды занимает у системы 40 мс, поэтому можно сказать, что «она реагирует на мысли» подключенного к датчикам человека в реальном времени. Полученный сигнал обрабатывается и калибруется с помощью персонального компьютера, и мы получаем динамическую кривую определенной формы, регистрируемую с определен-
биотехносфера
| № 3(15)/2Ш
ного участка области головы. Программное обеспечение помогает убрать «шумы», выделить фоновые колебания кривой и специфические (связанные с выполнением тестов) динамические изменения регистрируемых данных.
Характеристики прибора
Количество каналов ....................................4
Номинальная разрешающая способность по уровню фотоЭДС-сенсоров (на длине волны
940 нМ), нВ ........................ Не хуже 50
Рабочий диапазон длин волн для фотосенсора
(по уровню 6 дБ), нМ.................. 570-1000
Номинальная длина волны ИК-излучателя фотосенсора, нМ ....................... 940
Суммарная импульсная мощность ИК-излуча-
телей одного фотосенсора, мВт...........не более 250
Ширина полосы ИК-излучателя фотосенсора, нМ 0,5-(±20) Скорость опроса и съема данных по всем четырем каналам (квазиодновременно) при номинальной разрешающей способности........ Не хуже
1 четырех-канального измерения в секунду
Интерфейс с управляющим ПК .......... USB 1.0
или выше
Напряжение питания, В ..............................5
Средний ток потребления, мА, не более .... 200
Масса, г, не более ........................................180
Диапазон рабочих температур, °С при относительной влажности не более 80 % ........ 0...+40
Метод омегаметрии. Метод является весьма информативным для экспресс-диагностики уровней бодрствования и психической активации, скорости спонтанной релаксации и компенсаторно-приспособительных реакций организма.
Для оценки текущего функционального состояния обследуемого лица, определения уровня бодрствования, адаптационно — компенсаторных возможностей и резервов организма использовался анализ изменений омега-потенциала (омегаметрия) в отведении vertex- thenar [6].
Тест Бине. Была использована модификация теста Бине на запоминание последовательности цифр.
Методика эксперимента. В эксперименте участвовали 26 студентов-добровольцев (22 мужского и 4 женского пола) в возрасте от 18 до 21 года.
Вначале измеряли физиологические показатели (ЧД, ЧСС, АД) и оценивали психоэмоциональный статус (тест Люшера), затем выполняли омегамет-рию (10 мин в покое), измеряли показатели «Опто-ритмографа», регистрируемые с лобных и височных зон головы человека в состоянии покоя (5 мин), артефакты (например, движение рук, разговор), и в конце выполняли тест Бине. Показания «Опто-ритмографа» представляли собой временные серии напряжения, получаемого в процессе регистрации эмиссии ИК-излучения фотодатчиком. Добровольцам предлагали запомнить последовательность из 5-7 двузначных цифр, которые они должны были воспроизвести через 30 с. Тест Бине производился пятикратно.
Результаты и анализ
У 20 добровольцев из 26 временные серии, полученные при помощи омегаметрии и «Опторитмо-графа», имели схожую динамику и высокий коэффициент корреляции (более 0,8).
Примеры приведены на рис. 2-4.
Рис. 2
Динамика изменения функциональной активности, полученная при помощи «Опторитмографа»
5 мин
Рис. 3
Динамика изменения омегапотенциала, зарегистрированного в отведении vertex-thenar левой руки
Scatterplot: NapsR vs. NapsM (Casewise MD deletion) NapsM = 1172,4 - ,5E-3 *Naps_R Correlation: r = -,9637
2,65E6 2,66E6 2,67E6 2,68E6 2,69E6 2,7E6 2,71E6 Naps_R \ \ 95% confidence
Рис. 4
Корреляционный анализ результатов, полученных при помощи двух методов
Биотехнические системы и технологии (201000)
Высокая корреляция объясняется тем, что оба метода довольно чувствительны к изменениям мозгового кислородонасыщения, что детально описано в работах [6, 7] и является хорошей верификацией работы прибора «Опторитмограф».
У 22 добровольцев из 26 временные серии изменения напряжения имеют специфические отклонения, выраженные изменением направления тренда в процессе запоминания последовательности цифр и в процессе воспроизведения данных цифр в тесте Бине
(рис. 5). Причем различные артефакты (например, разговоры, повороты головы и движения рук) имеют другой специфический паттерн на прямой, не характерный для процесса, связанного с тестом Бине (рис. 6).
Спектральные плотности временных рядов изменения напряжения в префронтальной зоне имеют статистически значимые различия в фоновом режиме и в процессе прохождения теста Бине. Для 11 из 14 добровольцев, которые смогли воспроиз-
в
Рис. 5 Динамика изменения функциональной активности в покое и в процессе выполнения теста Бине, полученная при помощи «Опторитмографа»
в
0,62 г
» Лев. —■— Прав.
0,62
0,60
0,60
0,58
C^ CO^LOÎOt^QO1^ О С^ ^ÎOCOCjC^^ÎO ^
îo t^ao^Ci^-HC^CO С^ ^ !û DO N к
Рис. 6 Динамика изменения функциональной активности в покое и в процессе нагрузки, полученная при помощи «Опторитмографа». Тест Бине и артефакты
I № 3(15)/2Ш
биотехносфера
1,2Е8
Рис. 7
Plot of selected variables (series)
1,2Е8
Plot of selected variables (series)
-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 85 80 85 -Kadas fon; ters. (L)---Kadas aft; ters. (R)
-1Е7
Спектральные мощности временных рядов
в покое (-) и в процессе прохождения
теста Бине (---)
-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 85 80 85 -ANDRFON; ters. (L)---ANDRAFT; ters. (R)
-1Е7
Рис.
Спектральные мощности временных рядов
в покое (-) и в процессе прохождения
теста Бине (---)
вести более чем 65 % предложенных цифр, имелось характерное различие в спектрах временных рядов (рис.7). В этом случае мощность спектров временных рядов, полученных в состоянии покоя, превышала значения этого параметра, полученные в процессе прохождения теста Бине. Для 9 из 12 добровольцев, которые воспроизвели менее 65 % предложенных цифр, мощность спектров временных рядов, полученных в состоянии покоя, имела более низкие значения по сравнению с полученными в процессе прохождения теста Бине (рис. 8).
Данные изменения, по-видимому, отражают ге-модинамический отклик на процессы запоминания и воспроизведения информации.
Результаты хорошо согласуются с данными, полученными в работе [5].
Заключение
Создана компактная и недорогая система, позволяющая осуществлять спектроскопию ближней ИК-области с поверхности головы человека. Полученные данные имеют высокую корреляцию с классическими методиками.
При этом результаты в целом повторяют тенденции, выявленные при помощи дорогостоящих и громоздких зарубежных систем.
Дальнейшее развитие системы позволит более широко использовать этот метод, а также получать данные в полевых условиях.
Созданы предпосылки для применения системы в прикладных направлениях медицины, таких как нейрохирургия, эпилептология и неврология, а также для технологии полиграфического тестирования, применяемого в работе спецслужб.
|Л и т е р а т у р а |
1. Jobsis F. F. Noninvasive, infrared monitoring of cerebral and myocardial oxygen sufficiency and circulatory parameters// Science 198 4323. 1264-1267. 1977.
2. Jobsis-VanderVliet F. F., Jobsis P. D. Biochemical and physiological basis of medical near-infrared spectroscopy // J. Biomed.Opt. 4 3. 397-402. 1999.
3. Wolf M., Ferrari M. Quaresima. V. (2007). Progress of near-infrared spectroscopy and topography for brain and muscle clinical applications // Journal of biomedical optics. 12 (6): 062104.
4. Al-Rawi P. G., Kirkpatrick P. J. Tissue oxygen index: Thresholds for cerebral ischemia using near-infrared spectroscopy // Stud.Cercet Endocrinol. 37. 11. 2720-2725. 2006.
5. Hoshi Y., Tamura M. Detection of dynamic changes in cerebral oxygenation coupled to neuronal function during mental work in man // Neurosci. Lett. 150. 1. 5-8. 1993.
6. Илюхина В. А., Заболотских И. Б. Энергодефицитные состояния здорового и больного человека. СПб.: Печатник, 1993. 122 с.
7. Madsen P. L., Secher N. H. Near-infrared oximetry of the brain // Prog. Neurobiol. 58. 6. 541-560. 1999.
