Как диффузная оптическая томография помогает обследовать детей

В последние годы в области медицинской физики и биомедицинской инженерии возник ряд новых методов визуализации мозга, которые позволили учёным получать гораздо более точные данные о строении и организации головного мозга человека, как здорового, так и при ряде заболеваний. Одним из таких методов стала функциональная спектроскопия в ближней инфракрасной области (functional near-infrared spectroscopy, fNIRS). Это неинвазивный, относительно дешёвый и простой метод, который позволяет обследовать мозг новорождённых без необходимости их транспортировки.

Логическим продолжением fNIRS стала диффузная оптическая томография (diffuse optical tomography, DOT). Она позволяет с помощью инфракасного излучения измерить оптическую абсорбцию (светопоглощение) гемоглобина, основываясь на его спектре поглощения в зависимости от насыщения кислородом.

DOT — метод визуализации мозга, позволяющий создавать трёхмерные изображения. Его основное преимущество перед остальными методами — возможность отслеживать динамику кровотока в тканях мозга на разной глубине, при этом исключая изменения насыщаемости кислородом в других тканях, например, черепе или скальпе. Кроме того, так как при DOT используется инфракрасное излучение, она безвредна в отличие от, например, компьютерной томографии, при которой изображение формируется из послойных рентгеновских снимков.

Качество изображений, полученных с помощью DOT, зависит от источников инфракрасного излучения. Обычно используются приборы с 10-20 источниками.

Впервые для визуализации мозга младенцев DOT стала применяться в конце 1990-х годов. Так, в 1998 году группа исследователей продемонстрировала работоспособность метода, измерив с его помощью гемодинамические изменения в коре головного мозга у новорождённых.

Использоваться повсеместно DOT стала лишь недавно и быстро зарекомендовала себя как хороший метод диагностики патологий у новорождённых. Например, она лучше, чем электроэнцефалография справлялась с выявлением перинатальной гипоксической ишемической энцефалопатии — поражения мозга ребёнка, возникшего до или во время родов и приводящего к нарушениям развития и гибели.

Впрочем, ни один метод не совершенен, и DOT – не исключение. На сегодняшний день существует несколько проблем, которые исследователям приходится решать при работе с DOT.

Так, из-за размера и веса оптических волокон их максимальное количество ограничено, особенно при работе с детьми. Поэтому исследователям приходится выбирать между расположением их по всей голове на большом расстоянии друг от друга и сосредоточением в какой-то одной области для более тщательного её изучения.

Сравнение с фМРТ

Кроме того, движения головы могут влиять на качество исследования — при них возникают кратковременные высокоамплитудные всплески интенсивности. Они сразу же исчезают по окончании движения, но при работе с маленькими детьми, которых невозможно заставить лежать неподвижно, это может сильно мешать. В таких ситуациях обычно приходится сначала убаюкать ребёнка и обследовать его мозг во время сна. Если это невозможно, то исследователи используют акселерометр, который позволяет зафиксировать данные о движениях и не учитывать их при формировании результата.

Могут повлиять на конечный результат и гемодинамические изменения как в головном мозге, так и в тканях головы. Они возникают из-за дыхания, сердцебиения, изменения артериального давления. Для того, чтобы результат был корректным, исследователи используют специальные фильтры, позволяющие отделить определённые сигналы от общей картины.

Основным фактором, не позволяющим улучшить результаты DOT, пока что остаётся ограниченное число оптических волокон. Тем не менее, технология быстро развивается и, возможно, волокна уже не понадобятся. Учёные уже предпринимают попытки работать без них. Пока такие системы рассчитаны на взрослых, но в теории их можно применять и для обследования детей.

Но преимуществ у метода все же намного больше, чем недостатков. Активное внедрение DOT в клиническую диагностику позволит, например, непрерывно наблюдать за активностью коры головного мозга у недоношенных детей. Дальнейшее усовершенствование технологии сделает аппаратуру для исследований дешевле и компактнее.

Текст: Алла Салькова

Chuen Wai Lee, Robert J Cooper, Topun Austin,

Diffuse optical tomography to investigate the newborn brain,

Pediatric Research accepted article preview 18 April 2017; doi: 10.1038/pr.2017.107.

В последние годы в области медицинской физики и биомедицинской инженерии возник ряд новых методов визуализации мозга, которые позволили учёным получать гораздо более точные данные о строении и организации головного мозга человека, как здорового, так и при ряде заболеваний. Одним из таких методов стала функциональная спектроскопия в ближней инфракрасной области (functional near-infrared spectroscopy, fNIRS). Это неинвазивный, относительно дешёвый и простой метод, который позволяет обследовать мозг новорождённых без необходимости их транспортировки.

Логическим продолжением fNIRS стала диффузная оптическая томография (diffuse optical tomography, DOT). Она позволяет с помощью инфракасного излучения измерить оптическую абсорбцию (светопоглощение) гемоглобина, основываясь на его спектре поглощения в зависимости от насыщения кислородом.

DOT — метод визуализации мозга, позволяющий создавать трёхмерные изображения. Его основное преимущество перед остальными методами — возможность отслеживать динамику кровотока в тканях мозга на разной глубине, при этом исключая изменения насыщаемости кислородом в других тканях, например, черепе или скальпе. Кроме того, так как при DOT используется инфракрасное излучение, она безвредна в отличие от, например, компьютерной томографии, при которой изображение формируется из послойных рентгеновских снимков.

Качество изображений, полученных с помощью DOT, зависит от источников инфракрасного излучения. Обычно используются приборы с 10-20 источниками.

Впервые для визуализации мозга младенцев DOT стала применяться в конце 1990-х годов. Так, в 1998 году группа исследователей продемонстрировала работоспособность метода, измерив с его помощью гемодинамические изменения в коре головного мозга у новорождённых.

Использоваться повсеместно DOT стала лишь недавно и быстро зарекомендовала себя как хороший метод диагностики патологий у новорождённых. Например, она лучше, чем электроэнцефалография справлялась с выявлением перинатальной гипоксической ишемической энцефалопатии — поражения мозга ребёнка, возникшего до или во время родов и приводящего к нарушениям развития и гибели.

Впрочем, ни один метод не совершенен, и DOT – не исключение. На сегодняшний день существует несколько проблем, которые исследователям приходится решать при работе с DOT.

Так, из-за размера и веса оптических волокон их максимальное количество ограничено, особенно при работе с детьми. Поэтому исследователям приходится выбирать между расположением их по всей голове на большом расстоянии друг от друга и сосредоточением в какой-то одной области для более тщательного её изучения.

Сравнение с фМРТ

Кроме того, движения головы могут влиять на качество исследования — при них возникают кратковременные высокоамплитудные всплески интенсивности. Они сразу же исчезают по окончании движения, но при работе с маленькими детьми, которых невозможно заставить лежать неподвижно, это может сильно мешать. В таких ситуациях обычно приходится сначала убаюкать ребёнка и обследовать его мозг во время сна. Если это невозможно, то исследователи используют акселерометр, который позволяет зафиксировать данные о движениях и не учитывать их при формировании результата.

Могут повлиять на конечный результат и гемодинамические изменения как в головном мозге, так и в тканях головы. Они возникают из-за дыхания, сердцебиения, изменения артериального давления. Для того, чтобы результат был корректным, исследователи используют специальные фильтры, позволяющие отделить определённые сигналы от общей картины.

Основным фактором, не позволяющим улучшить результаты DOT, пока что остаётся ограниченное число оптических волокон. Тем не менее, технология быстро развивается и, возможно, волокна уже не понадобятся. Учёные уже предпринимают попытки работать без них. Пока такие системы рассчитаны на взрослых, но в теории их можно применять и для обследования детей.

Но преимуществ у метода все же намного больше, чем недостатков. Активное внедрение DOT в клиническую диагностику позволит, например, непрерывно наблюдать за активностью коры головного мозга у недоношенных детей. Дальнейшее усовершенствование технологии сделает аппаратуру для исследований дешевле и компактнее.

Текст: Алла Салькова

Chuen Wai Lee, Robert J Cooper, Topun Austin,

Diffuse optical tomography to investigate the newborn brain,

Pediatric Research accepted article preview 18 April 2017; doi: 10.1038/pr.2017.107.