介紹

在過去的幾年里，在世界各地的實驗室、醫院和大學工作的生物醫學研究人員和工程師開發了一套廣泛的基于光譜的方法，包括利用近紅外光譜 (NIRS) 的新型非侵入性體內技術 ) — 促進疾病和損傷的快速、準確檢測和診斷。

最近，隸屬于倫敦大學學院醫學物理和生物工程系以及倫敦大學學院婦女健康研究所和倫敦大學學院醫院信托基金會新生兒科的英國研究小組設計并測試了 NIRS 系統，以幫助診斷新生兒腦損傷。

倫敦研究人員建立的新型床邊系統通過估計血紅蛋白濃度的變化來同時測量大腦組織氧合和血流動力學的變化。該便攜式系統還通過測量細胞色素 c 氧化酶 (CCO) 的氧化態來跟蹤氧氣利用率，細胞色素 c 氧化酶 (CCO) 負責體內 95% 以上的氧代謝。

倫敦團隊基于透鏡的寬帶 NIRS 系統(稱為CYRIL(“細胞色素研究儀器和應用程序”的縮寫))的使用在新生兒重癥監護病房 (NICU) 的六名患有新生兒腦病的新生兒中進行了持續研究測量周期長達五天;獲得父母同意后立即開始 NIRS 測量。

CYRIL設置

CYRIL 系統(見圖 1)采用兩個離散通道，每個通道均采用帶有四個探測器的單個光源。每個通道均使用具有熱穩定寬帶白光源的光纖照明器，非球面透鏡準直燈的高強度 NIR 輸出，將其聚焦到光纖輸入上。快門和光圈控制進入光纖的光量。在準直區域使用長通 (610 nm) 和短通 (950 nm) 濾光片可將光譜縮小到檢測到的波長。

*倫敦大學學院醫院信托基金 (UCLH) 的嬰兒大腦研究獲得了西北研究倫理中心的倫理批準(REC 參考號：13/LO/0106)。在 UCLH 出生或轉入 UCLH 治療急性腦損傷的足月嬰兒有資格接受調查;僅考慮沒有先天畸形并被認為有可能存活的嬰兒。

圖 1：(a) 帶有實驗設置的儀器圖。(b) 帶有光極支架的探測器光極。(c) 用于垂直輸入攝譜儀的探測器光纖套圈。(d) 光極支架設計，具有光纖直徑尺寸(所有探測器光纖具有相同的直徑)和源探測器距離。(e) NICU 中 CYRIL 系統的圖像。(f) CYRIL 光極在對象上的圖像。圖片由倫敦大學學院 Ilias Tachtsidis 博士提供。改編自首次發表于 Biomedical Optic Express 5(10), 3450–3466 (2014) 的材料。

光纖和光極支架將光源連接到組織，并將組織連接到光譜儀。每個 3 米長的光纖束由多根直徑為 30 μm 的高數值孔徑光纖 (NA = 0.57) 組成。在組織處，源纖維束分支成一對纖維頭(束直徑 = 2.8 mm)。同時，探測器由八個單獨的光纖束(直徑 = 1 毫米)組成。探測器光纖可以任意組合排列，從而實現多距離測量、空間分辨光譜 (SRS) 和/或圖像采集。光纖垂直排列在插芯中，將光輸入光譜儀，從而可以在二維 CCD 上單獨或同時檢測每根光纖的光譜。

由于基于透鏡的光譜儀的光通量優于基于鏡面的光譜儀 ( >99% )，因此 CYRIL 系統采用Teledyne Princeton Instruments 的Acton 系列 LS-785 基于透鏡的光譜儀(見圖 2)。CYRIL 的檢測器光纖從組織表面收集光后，將其輸入 LS-785 中的光纖適配入口，并通過可變狹縫以防止過度曝光。本研究中最佳狹縫開口確定為 20 μm。為了減少損耗，光線經過準直，然后引導至衍射光柵(閃耀波長為 1000 nm;每毫米 830 個凹槽)，產生0.7 nm的波長分辨率和136 nm的帶寬。由于衍射光柵安裝在 LS-785 內的旋轉平臺上，因此 CYRIL 用戶可以輕松選擇要解析的波長范圍(本研究中為 770 – 906 nm)。最后，光線通過 f/2 聚焦透鏡聚焦到 CCD 上。將光聚焦在 y 方向可減少檢測器通道之間的串擾。

圖 2：Acton 系列 LS-785 攝譜儀的剖視圖。圖表由倫敦大學學院 Ilias Tachtsidis 博士提供。首次發表于《生物醫學光學快報》5(10), 3450–3466 (2014)。

CCD 是 CYRIL 系統的 Teledyne Princeton Instruments PIXIS:512F 相機所使用的科學級傳感器，具有峰值量子效率位于NIR 區域的光敏陣列。這個 512 x 512 像素的二維陣列尺寸為 12.3 x 12.3 毫米，每個像素尺寸為 24 x 24 微米。來自 CYRIL 全部八根檢測器光纖的光可以在傳感器上同時檢測，其前照式架構非常適合與近紅外光譜相關的低至中等光子信號水平。為了減少暗噪聲，在相機運行期間將 CCD 熱電冷卻至–70°C (熱穩定至 ± 0.05°C);該溫度下的暗電流為0.002 電子/像素/秒。當相機以 1000 kHz 運行時，讀取噪聲為5 個電子 RMS。研究人員使用 Teledyne Princeton Instruments LightField? 采集軟件(與IntelliCal? 校準包配合)將 x 方向上的每個像素校準到其相應的波長箱。校準后，CCD分辨率為0.27 nm。因此，CYRIL 的波長分辨率為 0.27 ± 0.70 nm。

數據采集與分析

下面介紹了記錄的強度光譜的示例(圖 3a)以及它們之間相應的衰減變化(圖 3b)。組織中血紅蛋白發色團濃度水平的變化通過強度譜形狀的變化反映出來。在全身氧飽和度 (SpO2) 期間，由于 Δ[oxCCO](即代謝酶細胞色素 c 氧化酶的氧化態)和 Δ[ 的減少，光譜峰值從~780 nm 移動到 ~785 nm生色團 HbO2]，以及 Δ[生色團 HHb] 的增加。

圖 3：記錄了 6 名受試者的 NIRS 信號。總采集時間：212 小時 25 分鐘。(a) 對象 003 的去飽和前 (SpO 2 = 100%) 和去飽和最低點 (SpO 2 = 77%)的強度譜示例，左側通道，距離最長的源-探測器距離。觀察到光譜峰值的移動。(b) (a)所示強度之間的衰減變化;該衰減變化與 Δ[HbO 2 ] = ~ –6 μM、Δ[HHb] = ~3 μM 和 Δ[oxCCO] = ~ –1.5 μM相關。數據由倫敦大學學院 Ilias Tachtsidis 博士提供。首次發表于《生物醫學光學快報》5(10), 3450–3466 (2014)。

National Instruments 的 LabVIEW ? 2011 軟件用于創建自定義程序，允許 CYRIL 用戶控制 PIXIS:512F、收集原始數據并計算相應的濃度。特殊的 LabVIEW 程序可在床邊提供每個通道檢測到的強度光譜和發色團濃度變化的實時視圖。其波長分級功能使 CYRIL 系統用戶能夠獲取并顯示 CCD 512 x 512 陣列的強度加權圖像，并為要分級的每個水平條帶選擇感興趣區域(ROI)。每個條帶對應于輸入到LS-785 光譜儀的檢測器光纖之一。所有條帶都可以調整，以最大化每個通道的強度光譜而不飽和，并最小化通道之間的串擾。倫敦研究人員報告說，該研究的設置中沒有顯著的串擾。

R Cubed Software 科學成像工具套件中的 LabVIEW 驅動程序使 PIXIS:512F 能夠獨立于 ROI 采集數據，并根據用戶定義的設置按波長對數據進行分類。研究中記錄的光強度峰值超過60000 次/秒。對于距離源 1 厘米的探測器，典型的光子計數為 >50000;對于距離源 1.5 厘米的探測器，>35000;對于距離源 2.0 厘米的探測器，>30000;對于距離源 2.5 厘米的探測器，>24000。暗計數降低了 2 個數量級(約 400 個計數)。使用Mathworks 的 MATLAB?軟件進行數據分析，并使用自動小波去噪功能對 NIRS 數據進行處理，能夠減少高頻噪聲，同時保持趨勢信息。

結果總結

研究人員利用 CYRIL 通過估計血紅蛋白濃度的變化來同時測量腦組織氧合和血流動力學的變化，并通過測量CCO 的氧化態來跟蹤代謝和氧利用。定量近紅外光譜數據與系統數據同時獲取，允許進行多模式數據分析，研究人員研究了響應全局病理生理事件的 NIRS 變量(NIRS 分析側重于自發性氧飽和度降低)。研究表明血紅蛋白氧合變化與CCO氧化變化之間的關系在去飽和事件期間，與磁共振波譜儀測量的損傷嚴重程度的生物標志物顯著相關。

支持技術

Teledyne Princeton Instruments的 CYRIL Acton 系列 LS-785是一款基于透鏡的光譜儀(參見圖 4)，它提供當今市場上任何市售近紅外拉曼光譜儀中最高的吞吐量。LS-785 的性能優勢包括輕松調節750 – 830 nm 激光激發的波長、定制設計的抗反射涂層、獨特的f/2 透鏡(其專有涂層提供 >99% 的吞吐量)、與光纖探頭和顯微鏡的簡單接口，以及5 cm. -1分辨率。

圖 4：Acton 系列 LS-785 基于鏡頭的光譜儀，配有 PIXIS 科學 CCD 相機。

CYRIL 還采用 Teledyne Princeton Instruments PIXIS:512F 科學 CCD相機。這款低噪聲相機專為在定量紫外到近紅外成像和光譜應用中實現最佳性能而設計，采用 Teledyne Princeton Instruments 獨有的 XP 冷卻技術來最大限度地減少熱產生的暗電流(從而保持高信噪比)即使在連續運行多個小時的情況下)。憑借這項經過現場驗證的創新技術，PIXIS 成為唯一一款采用全金屬密封設計提供深度冷卻的科學相機平臺，并提供終身真空保證。為了使用筆記本電腦方便地進行控制和圖像/光譜采集，PIXIS:512F 配備了 USB 2.0 數據接口。

LS-785 基于鏡頭的光譜儀和 PIXIS:512F 科學 CCD 相機均與 Teledyne Princeton Instruments 的 64 位LightField 成像和光譜軟件完全兼容(見圖 5)。LightField 作為一個全功能的“命令中心”，使用戶能夠完全控制光譜儀和相機的操作參數、光譜采集、數據處理等。LightField 具有眾多優勢，例如強大的新型數學引擎，允許將數據直接采集到 National Instruments 的 LabVIEW 和 MathWorks 的 MATLAB 軟件包中。

圖 5：LightField 科學成像和光譜軟件

此外，LightField 支持 Teledyne Princeton Instruments 獨有的IntelliCal 波長和強度校準包(見圖 6)。IntelliCal 是 CYRIL 的創建者利用的另一項取得良好效果的功能，可將波長精度和獨立于儀器的強度校準提高高達 10 倍。

圖 6：IntelliCal 強度和波長校準系統

未來發展方向

通過提供獨特且實時的患者體內數據， CYRIL 等新型床邊光譜測量系統不僅有可能幫助疾病和損傷診斷，而且有可能幫助指導治療。未來幾年，商用高精度光譜儀和科學相機(例如 Teledyne Princeton Instruments 的產品)將繼續為生物醫學研究人員和工程師提供廣泛的易于集成的特性和功能，以滿足不斷變化的靈敏度、速度和分辨率這些新穎系統的要求。

審核編輯 黃宇