使用扩散相关光谱法测量人体脑血流量

摘要

来源：Menezes Forti, R. 等．利用漫射光谱技术对神经重症患者进行实时监测．J. Vis. Exp. (2020)

本视频演示了使用扩散相关光谱法（DCS）测量人体脑血流量的方法。内容包括系统准备、探头校准、将探头放置于受试者前额、采集散射光数据，以及分析光强波动以解读脑部血流动力学信息。

方案

所有涉及人类受试者的操作均按照机构、国家及国际有关人类福祉的指南进行，并已通过当地机构审查委员会的审核。

1. 将系统转移至重症监护室（ICU）前的准备工作

1. 将所有光纤连接到相应的激光器和探测器，并确保它们已正确固定在光学探头上（图1B）。
2. 检查光学探头是否已用黑色布料覆盖，以避免激光在室内散射。
3. 将系统电源开关拨至“开启”位置。系统通电后，等待30秒，然后将扩散相关光谱（DCS）激光器的钥匙开关转至“开启”位置。频率域扩散光学光谱（FD-DOS）激光器在系统通电时会自动启动。
4. 在系统准备过程中，需获得受试者或其法定代理人签署的知情同意书。获得同意后，将设备推车推至患者病房。
   注意： 由于该混合系统内置电池可持续供电长达45分钟，因此在转运过程中无需关闭系统。

DOS 系统的校准与增益设置

1. 到达ICU后，将DCS激光器的钥匙开关转至“OFF”位置以关闭设备。
2. 使用标记为“Calibrate”的固体模体，按照以下步骤在FD-DOS软件（BOXY, ISS）上执行校准程序。
   1. 在“File”菜单中，通过点击“Load settings file”选项，加载所用探头的相应设置文件。
   2. 将探头放置在模体的曲面一侧，确保与表面良好接触，然后在FD-DOS软件中点击“Optimize All Detectors”按钮，优化光电倍增管（PMT）的偏置电压。
   3. 在“Calibrate”菜单中选择“Calc. Waveform Calib. Values for Optical Props. and Multiple Distances”选项，对多个源-探测器间距执行校准。
   4. 从“Text-Mon”菜单中打开“User-defined Calculations”选项，检查测得的光学参数是否与模体上标注的预设值一致，并确认拟合的R²值接近1。
3. 重复上述步骤（除步骤2.2.3外），测量标记为“Check”的模体的光学参数，以验证校准的充分性。测得的光学参数应与模体标注值在10%以内相符。CAUTION：每次移动探头时，务必点击“All Detectors OFF”按钮关闭PMT，以避免环境光直接照射损坏光电倍增管。
4. 若校准不充分，请重新执行校准程序（步骤2.2和2.3）。确保FD-DOS系统的良好校准对于FD-DOS测量结果的有效性至关重要。

3. 床旁参与者的准备

1. 使用消毒湿巾清洁探头和患者前额。
2. 将双面胶带贴在探头上（图1B），确保胶带不与光纤尖端直接接触。
3. 为受试者佩戴激光安全护目镜。
4. 将探头放置于目标区域（ROI），并将弹性绑带绕至受试者头部固定。尽管对频域扩散光学光谱（FD-DOS）和扩散相关光谱（DCS）而言并非绝对必要，但建议用黑色布料或黑色绷带覆盖光学探头，以减少环境光引起的噪声。
   注意：应确保弹性绑带松紧适中。若绑带过紧，可能引起患者明显不适；若绑带过松，则可能导致数据质量下降，因为双面胶带的粘附力不足以维持探头的稳定位置。
5. 在探头牢固固定于患者前额后，将钥匙开关转至“ON”位置，开启DCS激光器。
   警告： DCS系统采用3B类激光，对眼睛暴露具有危害性。必须确保仅在探头正确固定于患者前额后方可开启激光器。

4. 数据质量评估

1. 在使用图形用户界面（GUI）开始采集数据之前，需在 GUI 的“设置”选项卡中输入 DCS 的光源-探测器间距。注意： DCS 系统无需校准步骤，但必须正确输入光源-探测器间距，以实现实时分析。
2. 在 GUI 中点击“开始”按钮启动采集软件，并在 FD-DOS 软件中检查 DOS 信号：
   1. 在 FD-DOS 软件中点击“优化所有探测器”按钮，以优化光电倍增管（PMT）的偏置电压。
   2. 在“文本-监控”菜单的“用户自定义计算”选项中，检查 DOS 拟合的光学性质和 R² 值。R² 系数应接近 1；根据经验法则，人体受试者的吸收系数应在 0.05 至 0.2 cm^-1 之间，散射系数应在 6 至 13 cm^-1 之间。
3. 在 GUI 的“相关曲线”选项卡中检查 DCS 信号：
   1. 将开关拨至“ON”位置，开启 DCS 探测器。
   2. 确保每个 DCS 探测器测量到足够的光强。根据经验法则，光子计数应高于 10 kHz。
   3. 若测得的光强高于 800 kHz，应使用中性密度滤光片降低光子计数，以避免损坏探测器。此问题通常出现在较短（< 1 cm）的光源-探测器间距情况下。
      注意： 除了可能损坏 DCS 探测器外，光子计数超过 800 kHz 还可能因探测器的非线性效应而引入误差。
   4. 检查自相关曲线，确保探头与皮肤接触良好（见图 2），必要时重新调整光学探头位置。
   5. 若上一步中需要重新定位探头，则重复步骤 4.2 和 4.3。这些步骤可能需要多次重复。
      注意： 每次移动探头时，必须关闭 DCS 和 FD-DOS 探测器。关闭 DCS 探测器需手动将开关拨至“OFF”位置；关闭 FD-DOS 探测器则需在 FD-DOS 软件中点击“所有探测器关闭”按钮。
4. 当探头与皮肤实现良好接触后，点击 GUI 中的“停止”按钮结束数据采集。随后，在“文件夹”文本框中设置实验和患者标识符，并在“文件名”文本框中输入感兴趣区域（ROI）名称。
5. 在 GUI 中点击“开始”按钮，启动数据采集。
6. 根据实验方案要求，在第一个 ROI 中持续采集数据。如有需要，将探头移至其他 ROI 并重复测量。
   注意： 监测时长可能根据研究目标的不同而有所变化。

5. 测量过程中实验人员需考虑的事项

1. 开始测量后，在图形用户界面（GUI）的“实验信息”选项卡中填写相关的患者信息（例如，损伤类型和位置、正在使用的药物、年龄、性别等）。
2. 确保在监测期间发生的任何相关事件均通过点击图形用户界面（GUI）上的“标记”按钮进行标记。每次标记后，务必在图形用户界面（GUI）的“实验信息”选项卡中记录事件描述。

6. 停止数据采集

1. 通过点击图形用户界面中的“停止”按钮来停止数据采集。
2. 在FD-DOS软件中，按下代表数据采集和记录停止的两个红色方块按钮，以关闭FD-DOS软件。
3. 将DCS探测器的开关拨至“OFF”位置以关闭探测器，并将DCS激光器的钥匙旋至“OFF”位置以关闭激光器。
4. 点击“所有探测器关闭”按钮，关闭FD-DOS模块的光电倍增管（PMTs）。
5. 从患者头部取下探头，并移除探头上的双面胶带。然后使用消毒湿巾清洁探头。
6. 应尽快重复测量每个固体模体的光学特性，以确保监测过程中校准始终充分（参见步骤4.2.2）。
   注意：理想情况下，应在从患者头部取下光学探头后立即执行校准步骤（步骤6.6）。但由于时间安排问题，在下一节所展示的示例中，该步骤是在存储设施内完成的。
7. 使用消毒湿巾清洁系统及其附件。
8. 将推车推回存储室。

结果

图1：用于在重症监护室内监测患者的光学环境。（A）该混合式漫反射光学系统结合了一个频域漫反射光学光谱（DOS）模块和一个漫反射相关光谱（DCS）模块。（B）本研究提出的可定制探头默认包含4个DCS的源-探测器间距（0.7、1.5、2.5和3.0 ...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3D 打印机	Sethi3D	S2	用于打印可定制探头的 3D 打印机
Arduino UNO	Arduino	UNO REV3	负责交错执行 DCS 和 FD-DOS 测量的微控制器
DCS 相关器	Correlator.com	Flex11-16ch	DCS 模块的组成部分
DCS 探测器 IO 板	Excelitas Technology	SPCM-AQ4C-IO	DCS 模块的组成部分
DCS 探测器	Excelitas Technology	SPCM-AQ4C	DCS 模块的组成部分
DCS 激光器	CrystaLaser	DL785-120-SO	DCS 模块的组成部分
DCS 电源	Artesyn	UMP10T-S2A-S2A-S2A-S2A-IES-00-A	DCS 模块的组成部分（DCS 探测器电源；提供 2、5 和 30 V 电压）
FD-DOS 光纤	ISS	Imagent supplies	用于 FD-DOS 检测和照明的光纤由 ISS 提供
柔性 3D 打印材料	Sethi3D	NinjaFlex	用于打印柔性可定制探头的材料
Imagent	ISS	Imagent	FD-DOS 模块
激光防护眼镜	Thorlabs	LG9
多模光纤	Thorlabs	FT400EMT	用于 DCS 照明的多模光纤
中性密度滤光片 1.0 OD	Edmund Optics	53-705	用于短光源-探测器间距的中性密度滤光片
单模光纤	Thorlabs	780HP	用于 DCS 探测器的单模光纤
系统电池	SMS	NET4	用于设备运输的系统电池