Nowy laserowy zestaw słuchawkowy może mierzyć przepływ krwi i oceniać ryzyko udaru

Teraz zespół inżynierów i naukowców z Caltech i Keck School of Medicine na USC opracował urządzenie oparte na zestawach słuchawkowych, które można wykorzystać do nieinwazyjnej oceny ryzyka udaru u pacjenta poprzez monitorowanie zmian w przepływie i objętości krwi, gdy uczestnik wstrzymuje oddech. Urządzenie zawiera system oparty na laserze i wykazało obiecujące wyniki w zakresie różnicowania osób z niskim i wysokim ryzykiem udaru.

Udar dotyka każdego roku prawie 800 000 Amerykanów i jest główną przyczyną poważnej, długotrwałej niepełnosprawności w Stanach Zjednoczonych. Jest to spowodowane zablokowaniem lub pęknięciem tętnicy w mózgu, co powoduje zmniejszenie przepływu krwi. Pozbawione tlenu komórki mózgowe umierają szybko – podczas udaru około 2 milionów na minutę.

„Dzięki temu urządzeniu po raz pierwszy będziemy mogli określić, na podstawie pomiaru fizjologicznego, czy ryzyko wystąpienia udaru mózgu w przyszłości jest znaczące, czy też nie,” – mówi Simon Mahler, współautor artykułu opisującego nową technikę i urządzenie w czasopiśmie Ekspres Optyki Biomedycznej oraz stypendysta ze stopniem doktora w laboratorium Changhuei Yanga, profesora inżynierii elektrycznej, bioinżynierii i inżynierii medycznej Thomasa G. Myersa w Caltech oraz badacz Heritage Medical Research Institute. „Uważamy, że może to naprawdę zrewolucjonizować sposób oceny ryzyka udaru i ostatecznie pomoże lekarzom określić, czy ryzyko pacjenta jest stabilne, czy się pogarsza”.

„Oczekuje się, że nasza technologia optyczna do nieinwazyjnego pomiaru przepływu krwi będzie przydatna w wielu zastosowaniach w chorobach mózgu” – mówi Yang, który jest także dyrektorem wykonawczym ds. elektrotechniki w Caltech. Zauważył, że projekt ten stanowi część szerszej współpracy z dr Charlesem Liu, profesorem klinicznej chirurgii neurologicznej, chirurgii, psychiatrii oraz nauk behawioralnych i inżynierii biomedycznej w Keck School of Medicine na Uniwersytecie Kalifornijskim, oraz jego zespołem.

Spektroskopia optyczna z kontrastem plamkowym do oceny ryzyka udaru

Ogólnie rzecz biorąc, naczynia krwionośne stają się sztywniejsze wraz z wiekiem, co oznacza, że ​​trudniej jest im się rozszerzyć, aby umożliwić przepływ krwi. To z kolei oznacza, że ​​dana osoba jest bardziej podatna na udar.

Zespół Caltech opracował kompaktowe urządzenie, które przepuszcza podczerwone światło lasera przez czaszkę do mózgu w jednym miejscu, a następnie za pomocą specjalnej kamery znajdującej się w pobliżu zbiera światło, które odbija się po rozproszeniu przez krew przepływającą w naczyniach krwionośnych. Metoda ta, zwana spektroskopią optyczną z kontrastem plamkowym (SCOS), mierzy spadek intensywności światła od miejsca, w którym dociera ono do czaszki, do miejsca, w którym odbite światło jest gromadzone w celu określenia objętości krwi w naczyniach krwionośnych mózgu. analizuje także sposób, w jaki światło rozprasza się i tworzy plamki w polu widzenia aparatu. Plamki zmieniają się na obrazach w zależności od szybkości przepływu krwi w naczyniach krwionośnych. Im szybciej przepływa krew, tym szybciej zmienia się pole plamkowe.

Naukowcy mogą wykorzystać te pomiary do obliczenia stosunku przepływu do objętości krwi przepływającej przez naczynie, aby poznać ryzyko udaru u danego pacjenta.

Zespół przeprowadził badanie z udziałem 50 uczestników. Wykorzystali obecnie używany kwestionariusz ryzyka udaru, Kalkulator Ryzyka Udaru Cleveland, aby podzielić uczestników na dwie grupy: jedną o niskim ryzyku i jedną o wysokim ryzyku. Następnie mierzyli przepływ krwi u każdego ochotnika przez trzy minuty, określając ilościowo natężenie przepływu i objętość krwi docierającej do mózgu. Po minucie poprosili uczestników, aby wstrzymali oddech.

Wstrzymywanie oddechu obciąża mózg, ponieważ zaczyna zauważać, że pobiera za dużo dwutlenku węgla, a za mało tlenu. Wchodzi w coś, co Mahler nazywa „trybem paniki” i zaczyna pompować tlen z reszty ciała do siebie. To znacznie zwiększa przepływ krwi w mózgu. Gdy przestaniesz wstrzymywać oddech, poziom tlenu powróci do wartości wyjściowych. Chociaż zdarza się to zarówno u osób z niskim, jak i wysokim ryzykiem udaru, naukowcy odkryli, że istnieją różnice między grupami pod względem sposobu, w jaki krew przepływa przez naczynia.

Technika SCOS pozwala badaczom zmierzyć, jak bardzo naczynia krwionośne rozszerzają się, gdy osoba badana wstrzymuje oddech, oraz o ile szybciej krew przepływa przez naczynia w odpowiedzi. „Te pomiary reaktywne wskazują na sztywność statku” – mówi Yang. „Nasza technologia po raz pierwszy umożliwia nieinwazyjne wykonywanie tego typu pomiarów”.

Ustalenia

„To, co odkryliśmy, stanowi wyraźny, uderzający dowód na odmienną reakcję przepływu i objętości krwi w obu grupach” – mówi Yu Xi Huang, współautor nowego artykułu i absolwent w laboratorium Yanga.

W grupie niskiego ryzyka udaru naukowcy zaobserwowali mniejszy wzrost przepływu krwi podczas ćwiczeń wstrzymujących oddech w porównaniu z grupą wysokiego ryzyka udaru, ale większy wzrost objętości krwi – co wskazuje, że więcej krwi jest w stanie przepływać przez rozszerzone naczynia krwionośne.

„Wyraźnie widzimy, że grupa wyższego ryzyka ma wyższy stosunek przepływu do objętości, gdzie przepływ jest szybszy, ale mniejsza objętość krwi podczas wstrzymywania oddechu” – mówi Mahler. Jest to spowodowane sztywnością naczyń krwionośnych i wskazuje na większe ryzyko ich pęknięcia. „Jeśli ktoś zgłosiłby się z wyjątkowo wysokim stosunkiem przepływu do objętości, moglibyśmy podejrzewać, że w najbliższej przyszłości ta osoba będzie miała udar”.

Obiecująca przyszłość

Zespół prowadzi dodatkowe badania z wykorzystaniem obecnego prototypu urządzenia do obrazowania na pacjentach szpitala w Visalia w Kalifornii, aby zebrać dodatkowe dane od większej i bardziej zróżnicowanej populacji. Naukowcy planują także włączyć uczenie maszynowe do procesu gromadzenia danych przez urządzenie i przeprowadzić badanie kliniczne obejmujące śledzenie pacjenta przez ponad dwa lata, aby ulepszyć tę technologię. Mają nadzieję, że urządzenie będzie ostatecznie szeroko stosowane nie tylko do wstępnej oceny ryzyka udaru, ale także do pomocy w wykrywaniu, gdzie dokładnie w mózgu mógł już wystąpić udar.

Dodatkowymi autorami artykułu „Korelowanie ryzyka udaru z nieinwazyjną dynamiką perfuzji naczyń mózgowych przy użyciu przenośnego urządzenia laserowego ze spektroskopią optyczną z kontrastem plamkowym” są Julian Michael Tyszka, zastępca dyrektora Caltech Brain Imaging Center; oraz dr Aidin Abedi, Yu Tung Lo, Patrick D. Lyden i dr Jonathan Russin z Keck School of Medicine na USC. Prace były wspierane przez Narodowy Instytut Zdrowia i Centrum Neurorestoracji USC.