Human Brain Interferometers for Better Blood Flow Monitoring

人脑干涉仪可更好地监测血流

基本信息

项目摘要

Abstract: A major goal in the management of traumatic brain injury (TBI) is to optimize cerebral blood flow (CBF) over the days to weeks following injury. Yet, there is currently no well-established, non-invasive method to continuously monitor CBF in adults. Though diffuse optical flowmetry (DOF) methods for monitoring CBF based on dynamic scattering of near-infrared (NIR) light are used in research, these methods suffer from fundamental limitations. First, they require costly photon counting, which strictly constrains achievable speed, brain specificity, and brain coverage. Second, they lack depth discrimination, leading to contamination from blood flow in superficial tissues. Third, they require assumptions about optical properties, which can vary between individuals or across brain regions. Fourth, they are sensitive to noise from ambient light. To address these limitations, we introduce interferometry to human diffuse optics, creating a new class of NIR light-based monitoring tools, called interferometric Diffuse Optical Spectroscopy (iDOS). First, we show that with interferometry, a CMOS sensor can replace photon counting and parallelize measurements of weak diffuse light fluctuations that reveal CBF. This advance improves light throughput-to-cost ratio by ~100x. We can thus take more measurements (improving brain coverage) with larger source collector separations (improving brain specificity). Then, we show that by rapidly tuning the light source wavelength, we also achieve time-of-flight (TOF) resolution. This extra TOF dimension better distinguishes brain from superficial tissue, and also provides estimates of optical properties, improving quantification. Finally, interferometric methods are essentially unaffected by ambient light. Building on our promising results in adult humans, we will develop, optimize, and validate iDOS for quantitative, rapid, and robust CBF monitoring. We will identify the advantages and weaknesses of iDOS relative to conventional methods. Finally, we will perform observational CBF monitoring in severe TBI patients in the neurointensive care unit (neuro-ICU), testing the ability of our non-invasive CBF measurements to predict periods of hypoxia.
抽象的: 治疗创伤性脑损伤 (TBI) 的一个主要目标是优化脑血流 (CBF) 受伤后几天到几周。然而,目前还没有成熟的、非侵入性的方法来持续 监测成人 CBF。通过基于动态的漫射光流计 (DOF) 方法监测 CBF 研究中使用了近红外 (NIR) 光的散射,但这些方法存在根本性的局限性。 首先,它们需要昂贵的光子计数,这严格限制了可实现的速度、大脑特异性和大脑 覆盖范围。其次,它们缺乏深度辨别能力,导致浅表组织血流污染。 第三,它们需要对光学特性的假设,这些假设可能因个体或不同大脑而异 地区。第四,它们对环境光的噪音很敏感。 为了解决这些限制,我们将干涉测量法引入人体漫射光学器件,创建了一类新的近红外光谱 基于光的监测工具,称为干涉漫光谱 (iDOS)。首先,我们证明 干涉测量法,CMOS 传感器可以取代光子计数并并行测量弱漫射光 揭示 CBF 的波动。这一进步将光通量成本比提高了约 100 倍。因此我们可以采取 更多的测量(改善大脑覆盖)和更大的源收集器间隔(改善大脑 特异性)。然后,我们表明,通过快速调整光源波长,我们还实现了飞行时间 (TOF)分辨率。这个额外的 TOF 维度可以更好地区分大脑和浅表组织,并且还提供 光学特性的估计,改进量化。最后,干涉测量方法本质上是 不受环境光的影响。 基于我们在成年人身上取得的有希望的结果,我们将开发、优化和验证 iDOS,以进行定量、 快速、稳健的 CBF 监测。我们将确定 iDOS 相对于其他操作系统的优点和缺点 常规方法。最后,我们将对严重 TBI 患者进行观察性 CBF 监测 神经重症监护病房 (neuro-ICU),测试我们的无创 CBF 测量预测经期的能力 缺氧。

项目成果

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Interferometric diffuse optics: recent advances and future outlook.
干涉漫射光学:最新进展和未来展望。
  • DOI:
  • 发表时间:
    2023-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.3
  • 作者:
    Zhou, Wenjun;Zhao, Mingjun;Srinivasan, Vivek J
  • 通讯作者:
    Srinivasan, Vivek J
Imaging oxygenation of retinal capillaries with depth resolution.
具有深度分辨率的视网膜毛细血管氧合成像。
  • DOI:
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    11.1
  • 作者:
    Srinivasan, Vivek J;Moshiri, Ala
  • 通讯作者:
    Moshiri, Ala
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