頻域光學(xué)測量對腦血流動力學(xué)的靈敏度:高碳酸血癥期間腦血流的模擬和人體研究

1.研究背景

大腦血流調(diào)節(jié)對維持正常的大腦功能和組織活力至關(guān)重要。在高碳酸血癥過程中測量CBF可得出腦血管反應(yīng)性(CVR)， CVR的定義是動脈血二氧化碳壓力單位變化中CBF的變化百分比。這種CVR的測量顯示了腦血管在高碳酸血癥反應(yīng)中擴(kuò)張的能力，是一個成熟的生物標(biāo)志物，用于誘發(fā)腦血流動力學(xué)反應(yīng)和評估腦血管功能。

2.研究方法

2.1 實驗被試

實驗一中，被試為年齡范圍為23-55歲的3女5男健康被試。

實驗二中，被試為實驗一中八位被試中的2，3和5號，于另一天回來做額外測量。此外，還有一位新被試，于是實驗二中共有4名被試。

2.2 實驗材料

無

2.3 實驗流程

受試者呼吸醫(yī)療空氣時5分鐘正常碳酸基線，吸入摻有5%二氧化碳的醫(yī)療空氣時3分鐘高碳酸血癥，以及吸入醫(yī)療空氣后5分鐘的正常碳酸恢復(fù)。在實驗過程中，氣體混合物被從氣罐運(yùn)送到一個可變體積的儲氣罐(以允許循環(huán)呼吸)，然后通過面罩運(yùn)送至受試者。使用氣體流量控制器保持空氣流量在10L/min。

實驗一：光學(xué)探針被放置在受試者前額的右側(cè)。探頭由兩個源光纖對的線性陣列和兩個探測器光纖束圍繞兩個源之間的中線對稱組成。這種安排允許兩個單距離測量在35毫米，兩個單斜率測量25和35毫米，和一個雙斜率測量與兩個25毫米和兩個35毫米的距離。近紅外數(shù)據(jù)采樣率9.93Hz。

實驗二：光學(xué)探針被放置在與實驗一探針?biāo)兄那邦~區(qū)域大致相同的位置。該光學(xué)探頭有兩個雙斜率布置，橫向間距為10毫米：一只直接接觸頭皮，另一只接觸一個5mm厚的層，該層由散射像置于纖維與頭皮之間。

2.4 數(shù)據(jù)采集和處理

FD-NIRS數(shù)據(jù)是用商業(yè)儀器采集的(Imagent, ISS, Inc.， Champaign, IL)，工作波長為690和830 nm，調(diào)制頻率為140.625MHz。

檢測并去除原始SDI和SD?數(shù)據(jù)中的運(yùn)動偽影。直觀地檢測出類步進(jìn)運(yùn)動偽影(特征時間< 1 s的信號中的任何快速瞬態(tài)步進(jìn)變化)，并通過在該步改變后的信號中添加偏移量來校正它們。然后我們應(yīng)用了一種基于離散小波的運(yùn)動偽影校正方法來去除信號中的任何尖波。

3.研究結(jié)果

對于兩個個體SD測量值的比較，對所有受試者進(jìn)行配對t檢驗，結(jié)果顯示，兩個個體SD測量值的log2[CVRSDI/CVRSDφ]之間沒有明顯差異(p>0.1)。另一方面，在對SS數(shù)據(jù)進(jìn)行類似配對t檢驗時，兩個體SS測量值的log2[CVRSSI/CVRSSφ]存在明顯差異(p<0.05)。

4.實驗結(jié)論

FD-NIRS測量的CVR與理論模擬使用兩層介質(zhì)比使用均勻介質(zhì)預(yù)測的大腦Sc吸收變化的敏感性更一致。結(jié)果表明，雙層模型比均勻模型更能準(zhǔn)確地預(yù)測實驗數(shù)據(jù)。我們的結(jié)果表明，在存在較薄的腦外組織層(小于8-13 mm)的情況下，比其下方的大腦組織散射更大，斜率強(qiáng)度測量(SSI, DSI)可能比斜率相位測量對大腦更敏感。

5.參考文獻(xiàn)及DOI號

Sensitivity of frequency-domain optical measurements to brain hemodynamics: simulations and human study of cerebral blood flow during hypercapnia

DOI：10.1364/BOE.412766