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使用扩散相关光谱法测量人体脑血流量

2025年6月17日

本文内容

摘要

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来源:Menezes Forti, R. .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

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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。

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结果

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生物医学光学装置、设备示意图、用于 DOS 和 DCS 光谱分析的实时监测。

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 ...

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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Sethi3DS2用于打印可定制探头的 3D 打印机
Arduino UNOArduinoUNO REV3负责交错执行 DCS 和 FD-DOS 测量的微控制器
DCS 相关器Correlator.comFlex11-16chDCS 模块的组成部分
DCS 探测器 IO 板Excelitas TechnologySPCM-AQ4C-IODCS 模块的组成部分
DCS 探测器Excelitas TechnologySPCM-AQ4CDCS 模块的组成部分
DCS 激光器CrystaLaserDL785-120-SODCS 模块的组成部分
DCS 电源ArtesynUMP10T-S2A-S2A-S2A-S2A-IES-00-ADCS 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ISSImagent supplies用于 FD-DOS 检测和照明的光纤由 ISS 提供
柔性 3D 打印材料Sethi3DNinjaFlex用于打印柔性可定制探头的材料
ImagentISSImagentFD-DOS 模块
激光防护眼镜ThorlabsLG9
多模光纤ThorlabsFT400EMT用于 DCS 照明的多模光纤
中性密度滤光片 1.0 ODEdmund Optics53-705用于短光源-探测器间距的中性密度滤光片
单模光纤Thorlabs780HP用于 DCS 探测器的单模光纤
系统电池SMSNET4用于设备运输的系统电池

重印与许可

申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表

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标签

PMT

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