Espectroscopia de infravermelho próximo funcional - Functional near-infrared spectroscopy

fNIRS com um sistema Gowerlabs NTS

A espectroscopia de infravermelho próximo funcional ( fNIRS ) é uma técnica de monitoramento óptico do cérebro que usa espectroscopia de infravermelho próximo para fins de neuroimagem funcional . Usando fNIRS, a atividade cerebral é medida usando luz infravermelha próxima para estimar a atividade hemodinâmica cortical que ocorre em resposta à atividade neural. Juntamente com o EEG , o fNIRS é uma das técnicas de neuroimagem não invasivas mais comuns que pode ser usada em contextos portáteis. O sinal é freqüentemente comparado com o sinal BOLD medido por fMRI e é capaz de medir mudanças na concentração de oxi e desoxihemoglobina, mas só pode medir em regiões próximas à superfície cortical. O fNIRS também pode ser referido como Topografia Ótica (OT) e às vezes é referido simplesmente como NIRS.

Descrição

Hemoglobina oxigenada e desoxigenada

O fNIRS estima a concentração de hemoglobina das mudanças na absorção da luz infravermelha próxima. Conforme a luz se move ou se propaga pela cabeça, ela é alternadamente espalhada ou absorvida pelo tecido através do qual viaja. Como a hemoglobina é um absorvedor significativo de luz infravermelha próxima, as alterações na luz absorvida podem ser usadas para medir com segurança as alterações na concentração de hemoglobina. Diferentes técnicas de fNIRS também podem usar a forma como a luz se propaga para estimar o volume sanguíneo e a oxigenação. A técnica é segura, não invasiva e pode ser usada com outras modalidades de imagem.

O fNIRS é um método de imagem não invasivo que envolve a quantificação da concentração de cromóforo resolvida a partir da medição da atenuação da luz no infravermelho próximo (NIR) ou mudanças temporais ou fásicas. A técnica aproveita a janela óptica na qual (a) pele, tecido e osso são principalmente transparentes à luz NIR (intervalo espectral de 700–900 nm) e (b) hemoglobina (Hb) e hemoglobina desoxigenada (desoxi-Hb) são fortes absorvedores de luz.

Espectros de absorção para oxi-Hb e desoxi-Hb para comprimentos de onda do infravermelho próximo

Existem seis maneiras diferentes de a luz infravermelha interagir com o tecido cerebral: transmissão direta, transmissão difusa, reflexão especular, reflexão difusa, espalhamento e absorção. O fNIRS se concentra principalmente na absorção: diferenças nos espectros de absorção de desoxi-Hb e oxi-Hb permitem a medição de mudanças relativas na concentração de hemoglobina por meio do uso de atenuação de luz em vários comprimentos de onda . Dois ou mais comprimentos de onda são selecionados, com um comprimento de onda acima e outro abaixo do ponto isosbéstico de 810 nm - no qual a desoxi-Hb e a oxi-Hb têm coeficientes de absorção idênticos . Usando a lei de Beer-Lambert modificada (mBLL), as mudanças relativas na concentração podem ser calculadas como uma função do comprimento total do caminho do fóton.

Normalmente, o emissor de luz e o detector são colocados ipsilateralmente (cada par emissor / detector do mesmo lado) no crânio do sujeito, de modo que as medições registradas são devidas à luz retroespalhada (refletida) seguindo caminhos elípticos. O fNIRS é mais sensível às alterações hemodinâmicas que ocorrem mais próximo ao couro cabeludo e esses artefatos superficiais são frequentemente tratados com detectores de luz adicionais localizados mais perto da fonte de luz (detectores de separação curta).

Lei modificada de Beer-Lambert

Mudanças na intensidade da luz podem estar relacionadas a mudanças nas concentrações relativas de hemoglobina por meio da lei de Beer-Lambert modificada (mBLL). A lei de Beer Lambert trata da concentração de hemoglobina. Essa técnica também mede as mudanças relativas na atenuação da luz, bem como usa o mBLL para quantificar as mudanças na concentração de hemoglobina.

Abreviações de espectroscopia de infravermelho próximo funcional básico (fNIRS) BFi = índice de fluxo sanguíneo CBF = fluxo sanguíneo cerebral CBV = volume de sangue cerebral CMRO ₂ = taxa metabólica de oxigênio CW = onda contínua DCS = espectroscopia de correlação difusa FD = domínio da frequência Hb, HbR = hemoglobina desoxigenada HbO, HbO ₂ = hemoglobina oxigenada HbT = concentração total de hemoglobina HGB = hemoglobina sangüínea SaO ₂ = saturação arterial SO ₂ = saturação de hemoglobina SvO ₂ = saturação venosa TD = domínio do tempo

História

EUA e Reino Unido

Em 1977, Jöbsis relatou que a transparência do tecido cerebral à luz NIR permitiu um método não invasivo e contínuo de saturação de oxigênio do tecido usando transiluminação . A transiluminação (espalhamento direto) era de utilidade limitada em adultos por causa da atenuação da luz e foi rapidamente substituída por técnicas baseadas no modo de refletância - resultando no desenvolvimento de sistemas NIRS avançando rapidamente. Então, em 1985, os primeiros estudos sobre oxigenação cerebral foram conduzidos por M. Ferrari. Mais tarde, em 1989, após trabalhar com David Delpy na University College London, Hamamatsu desenvolveu o primeiro sistema NIRS comercial: Monitor de Oxigenação Cerebral NIR-1000. Os métodos NIRS foram inicialmente usados para oximetria cerebral na década de 1990. Em 1993, quatro publicações de Chance et al. PNAS , Hoshi & Tamura J. Appl Physiol , Kato et al. JCBFM, Villringer et al Neuros. Lett. demonstraram a viabilidade de fNIRS em humanos adultos. As técnicas de NIRS foram posteriormente expandidas pelo trabalho de Randall Barbour, Britton Chance , Arno Villringer, M. Cope, DT Delpy, Enrico Gratton e outros. Atualmente, fNIRS vestíveis estão sendo desenvolvidos.

Hitachi ETG-4000

Japão

Enquanto isso, em meados dos anos 80, pesquisadores japoneses no laboratório de pesquisa central da Hitachi Ltd começaram a construir um sistema de monitoramento cerebral baseado em NIRS usando um pulso de raios de 70 picossegundos. Esse esforço veio à tona quando a equipe, junto com seu principal especialista, o Dr. Hideaki Koizumi (小泉英明), realizou um simpósio aberto para anunciar o princípio da "Topografia Ótica" em janeiro de 1995. Na verdade, o termo "Topografia Ótica" deriva do conceito de uso de luz em "mapeamento bidimensional combinado com informações unidimensionais", ou topografia . A ideia foi implementada com sucesso no lançamento de seu primeiro dispositivo fNIRS (ou Topografia Ótica, como eles o chamam) baseado em Domínio de Freqüência em 2001: Hitachi ETG-100. Mais tarde, Harumi Oishi (大石晴美), futura PhD na Universidade de Nagoya, publicou sua tese de doutorado em 2003 com o tema "padrões de ativação cortical de alunos de linguagem medidos por ETG-100" sob a supervisão do Professor Toru Kinoshita (木下微) - apresentar um novo cliente potencial sobre o uso de fNIRS. A empresa tem avançado a série ETG desde então.

Técnicas espectroscópicas

Atualmente, existem três modalidades de espectroscopia fNIR:

1. Onda Contínua

2. Domínio de frequência

3. Domínio do tempo

Onda continua

O sistema de onda contínua (CW) usa fontes de luz com frequência e amplitude constantes. Na verdade, para medir as mudanças absolutas na concentração de HbO com o mBLL, precisamos saber o comprimento do caminho do fóton. No entanto, CW-fNIRS não fornece nenhum conhecimento do comprimento do caminho do fóton, então as mudanças na concentração de HbO são relativas a um comprimento do caminho desconhecido. Muitos sistemas comerciais CW-fNIRS usam estimativas de comprimento de caminho de fótons derivado de simulações de Monte-Carlo computadorizadas e modelos físicos, para quantificação aproximada absoluta das concentrações de hemoglobina.

${\ displaystyle {\ text {OD}} = \ operatorname {log} _ {10} (I_ {0} / I) = \ epsilon \ cdot [X] \ cdot l \ cdot {\ text {DPF}} + G }$

Onde está a densidade óptica ou atenuação, é a intensidade da luz emitida, é a intensidade da luz medida, é o coeficiente de atenuação , é a concentração do cromóforo, é a distância entre a fonte e o detector e é o fator de comprimento do caminho diferencial e é um fator geométrico associado espalhamento. ${\ displaystyle {\ text {OD}}}$ ${\ displaystyle I_ {0}}$ ${\ displaystyle I}$ ${\ displaystyle \ epsilon}$ ${\ displaystyle [X]}$ ${\ displaystyle l}$ ${\ displaystyle {\ text {DPF}}}$ ${\ displaystyle G}$

Quando os coeficientes de atenuação são conhecidos, a perda de espalhamento constante é assumida e as medições são tratadas diferencialmente no tempo, a equação se reduz a: ${\ displaystyle \ epsilon}$

${\ displaystyle \ Delta [X] = \ Delta {\ frac {\ text {OD}} {\ epsilon d}}}$

Onde está o comprimento total do caminho corrigido do fóton. ${\ displaystyle d}$

Usando um sistema de comprimento de onda duplo, as medições de HbO ₂ e Hb podem ser resolvidas a partir da equação da matriz:

${\ displaystyle {\ begin {pmatrix} \ Delta {\ text {OD}} _ {\ lambda _ {1}} \\\ Delta {\ text {OD}} _ {\ lambda _ {2}} \ end { pmatriz}} = {\ begin {pmatrix} \ epsilon _ {\ lambda _ {1}} ^ {\ text {Hb}} d & \ epsilon _ {\ lambda _ {1}} ^ {{\ text {HbO}} _ {2}} d \\\ epsilon _ {\ lambda _ {2}} ^ {\ text {Hb}} d & \ epsilon _ {\ lambda _ {2}} ^ {{\ text {HbO}} _ { 2}} d \ end {pmatriz}} {\ begin {pmatriz} \ Delta [X] ^ {\ text {Hb}} \\\ Delta [X] ^ {{\ text {HbO}} _ {2}} \ end {pmatrix}}}$

Devido à sua simplicidade e custo-benefício, o CW-fNIRS é de longe a forma mais comum de NIRS funcional, pois é o mais barato de fazer, aplicável com mais canais e garante uma alta resolução temporal. No entanto, ele não distingue entre mudanças de absorção e espalhamento, e não pode medir os valores de absorção absolutos: o que significa que ele só é sensível a mudanças relativas na concentração de HbO.

Ainda assim, a simplicidade e o custo-benefício dos dispositivos baseados em CW provam ser os mais favoráveis para uma série de aplicações clínicas: cuidados neonatais, sistemas de monitoramento de pacientes, tomografia óptica difusa e assim por diante. Além disso, graças à sua portabilidade, foram desenvolvidos sistemas CW sem fio, permitindo que os indivíduos sejam monitorados em ambientes ambulatoriais, clínicos e esportivos.

Domínio de Freqüência

O sistema de Domínio de Freqüência (FD) compreende fontes de laser NIR que fornecem uma senoide modulada em amplitude em freqüências próximas a 100 MHz. O FD-fNIRS mede a atenuação, a mudança de fase e o comprimento médio do caminho da luz através do tecido. Multi-Distance, que faz parte do FD-fNIRS, é insensível às diferenças na cor da pele - dando resultados constantes independentemente da variação do assunto.

Mudanças na amplitude e fase do sinal retroespalhado fornecem uma medição direta dos coeficientes de absorção e espalhamento do tecido, evitando assim a necessidade de informações sobre o comprimento do caminho do fóton; e a partir dos coeficientes determinamos as mudanças na concentração dos parâmetros hemodinâmicos.

Devido à necessidade de lasers modulados e também de medições fásicas, os dispositivos baseados em sistema FD são mais complexos tecnicamente (portanto, mais caros e muito menos portáteis) do que os baseados em CW. No entanto, o sistema é capaz de fornecer concentrações absolutas de HbO e HbR.

Domínio do tempo

O sistema de domínio de tempo (TD) introduz um pulso NIR curto com um comprimento de pulso geralmente da ordem de picossegundos - cerca de 70 ps. Por meio de medições de tempo de voo, o comprimento do caminho do fóton pode ser observado diretamente dividindo o tempo resolvido pela velocidade da luz. Informações sobre alterações hemodinâmicas podem ser encontradas na atenuação, decadência e perfil de tempo do sinal retroespalhado. Para esta tecnologia de contagem de fótons é introduzida, que conta 1 fóton para cada 100 pulsos para manter a linearidade. TD-fNIRS tem uma taxa de amostragem lenta, bem como um número limitado de comprimentos de onda. Devido à necessidade de um dispositivo de contagem de fótons, detecção de alta velocidade e emissores de alta velocidade, os métodos resolvidos no tempo são os mais caros e tecnicamente complicados.

Os dispositivos baseados em TD são totalmente imóveis, consomem espaço, são os mais difíceis de fazer, os mais caros, os maiores e os mais pesados. Mesmo assim, eles têm a maior sensibilidade de profundidade e são capazes de apresentar os valores mais precisos da concentração basal de hemoglobina e oxigenação.

Espectroscopia de correlação difusa

Os sistemas de espectroscopia de correlação difusa (DCS) usam gradientes localizados na atenuação de luz para determinar as proporções absolutas de oxi-Hb e desoxi-Hb. Usando uma medição espacial, os sistemas DCS não requerem conhecimento do comprimento do caminho do fóton para fazer este cálculo, no entanto, as concentrações medidas de oxi-Hb e desoxi-Hb são relativas ao coeficiente desconhecido de espalhamento na mídia. Esta técnica é mais comumente usada em sistemas de oximetria cerebral que relatam um Índice de Oxigenação Tecidual (TOI) ou Índice de Saturação Tecidual (TSI).

Projeto de sistema

Pelo menos dois modelos fNIRS de código aberto estão disponíveis online:

Software de análise de dados

HOMER3

O HOMER3 permite que os usuários obtenham estimativas e mapas da ativação cerebral. É um conjunto de scripts matlab usados para analisar dados fNIRS. Este conjunto de scripts evoluiu desde o início dos anos 1990, primeiro como a caixa de ferramentas Photon Migration Imaging, depois HOMER1 e HOMER2 e agora HOMER3.

Caixa de ferramentas NIRS

É o mais recente. Esta caixa de ferramentas é um conjunto de ferramentas baseadas em Matlab para a análise de espectroscopia de infravermelho próximo funcional (fNIRS). Esta caixa de ferramentas define o namespace + nirs e inclui uma série de ferramentas para processamento de sinais, exibição e estatísticas de dados fNIRS. Esta caixa de ferramentas é construída em torno de uma estrutura orientada a objetos de classes Matlab e namespaces.

AtlasViewer

O AtlasViewer permite que os dados do fNIRS sejam visualizados em um modelo do cérebro. Além disso, também permite ao usuário projetar sondas que podem eventualmente ser colocadas em um objeto.

Aplicativo

Interface cérebro-computador

O fNIRS foi implementado com sucesso como um sinal de controle para sistemas de interface cérebro-computador .

Estudos de hipóxia e altitude

Com nossa necessidade constante de oxigênio, nosso corpo desenvolveu vários mecanismos que detectam os níveis de oxigênio, que por sua vez podem ativar respostas adequadas para combater a hipóxia e gerar um suprimento maior de oxigênio. Além disso, compreender o mecanismo fisiológico subjacente à resposta corporal à privação de oxigênio é de grande importância e os dispositivos NIRS têm se mostrado uma grande ferramenta neste campo de pesquisa.

Medição da oxihemoglobina cerebral e alterações na concentração de desoxihemoglobina em hipóxia induzida por alta altitude com um dispositivo fNIRS portátil (PortaLite, Artinis Medical Systems)

Mapeamento Cerebral

Conectividade Funcional

As medições fNIRS podem ser usadas para calcular a conectividade funcional . As medições de fNIRS multicanal criam um mapa topográfico de ativação neural, por meio do qual a correlação temporal entre eventos separados espacialmente pode ser analisada. A conectividade funcional é normalmente avaliada em termos de correlações entre as respostas hemodinâmicas de regiões de interesse espacialmente distintas (ROIs). Em estudos do cérebro, as medições de conectividade funcional são comumente tomadas para dados do paciente em estado de repouso, bem como dados registrados sobre paradigmas de estímulo. O baixo custo, portabilidade e alta resolução temporal do fNIRS, com relação ao fMRI , têm se mostrado altamente vantajosos em estudos desta natureza.

Oximetria cerebral

O monitoramento de NIRS é útil de várias maneiras. Bebês prematuros podem ser monitorados reduzindo a hipóxia e hiperóxia cerebrais com diferentes padrões de atividades. É um auxílio eficaz na circulação extracorpórea, é fortemente considerado para melhorar os resultados do paciente e reduzir custos e estadias prolongadas.

Existem resultados inconclusivos para o uso de NIRS em pacientes com traumatismo cranioencefálico, portanto, concluiu-se que deve permanecer uma ferramenta de pesquisa.

Tomografia Óptica Difusa

A tomografia óptica difusa é a versão 3D da imagem óptica difusa. Imagens ópticas difusas são obtidas usando NIRS ou métodos baseados em fluorescência. Essas imagens podem ser usadas para desenvolver um modelo volumétrico 3D que é conhecido como Tomografia Óptica Difusa. [1]

10-20 sistema

FNIRS Cap

Os locais dos eletrodos fNIRS podem ser definidos usando uma variedade de layouts, incluindo nomes e locais que são especificados pelo sistema International 10-20 , bem como outros layouts que são especificamente otimizados para manter uma distância consistente de 30 mm entre cada local. Além das posições padrão dos eletrodos, canais de separação curtos podem ser adicionados. Canais de separação curtos permitem a medição dos sinais do couro cabeludo. Como os canais de separação curtos medem o sinal proveniente do couro cabeludo, permitem a retirada do sinal das camadas superficiais. Isso deixa para trás a resposta real do cérebro. Os detectores de canais de separação curtos são geralmente colocados a 8 mm de distância de uma fonte. Eles não precisam estar em uma direção específica ou na mesma direção de um detector.

Neuroimagem Funcional

O uso de fNIRS como um método de neuroimagem funcional se baseia no princípio de acoplamento neuro-vascular, também conhecido como resposta hemodinâmica ou resposta dependente do nível de oxigênio no sangue (BOLD). Este princípio também forma o núcleo das técnicas de fMRI . Por meio do acoplamento neuro-vascular, a atividade neuronal está ligada a mudanças relacionadas no fluxo sanguíneo cerebral localizado. fNIRS e fMRI são sensíveis a mudanças fisiológicas semelhantes e costumam ser métodos comparativos. Estudos relacionando fMRI e fNIRS mostram resultados altamente correlacionados em tarefas cognitivas. O fNIRS tem várias vantagens em custo e portabilidade em relação ao fMRI, mas não pode ser usado para medir a atividade cortical com mais de 4 cm de profundidade devido às limitações na potência do emissor de luz e tem resolução espacial mais limitada. O fNIRS inclui o uso de tomografia óptica difusa (DOT / NIRDOT) para fins funcionais. A multiplexação de canais fNIRS pode permitir mapas funcionais topográficos 2D da atividade cerebral (por exemplo, com Hitachi ETG-4000, Artinis Oxymon, NIRx NIRScout, etc.) enquanto o uso de espaçamentos de múltiplos emissores pode ser usado para construir mapas tomográficos 3D .

Arquivo: Imaging-Brain-Function-with-Functional-Near-Infrared-Spectroscopy-in-Unconstrained-Environments-Video3.ogv

Tocar mídia

FNIRS hiperscanning com dois violinistas

Hyperscanning

O hiperscanning envolve dois ou mais cérebros monitorados simultaneamente para investigar correlatos neurais interpessoais (entre cérebros) em várias situações sociais, o que prova que o fNIRS é uma modalidade adequada para investigar interações sociais cerebrais vivas.

Música e o Cérebro

Arquivo: Imaging-Brain-Function-with-Functional-Near-Infrared-Spectroscopy-in-Unconstrained-Environments-Video2.ogv

Tocar mídia

fNIRS com pianista

O fNIRS pode ser usado para monitorar a atividade cerebral dos músicos enquanto tocam instrumentos musicais.

Prós e contras

As vantagens do fNIRS são, entre outras coisas: não invasividade, modalidades de baixo custo, segurança perfeita, alta resolução temporal, compatibilidade total com outras modalidades de imagem e múltiplos biomarcadores hemodinâmicos.

No entanto, nenhum sistema é sem limitações. Para fNIRS, eles incluem: baixa sensibilidade do cérebro, baixa resolução espacial e profundidade de penetração rasa.

Direções futuras

Apesar de algumas limitações, os dispositivos fNIRS são relativamente pequenos, leves, portáteis e vestíveis. Graças a esses recursos, os aplicativos para os dispositivos são surpreendentes - o que os torna facilmente acessíveis em muitos cenários diferentes. Por exemplo, eles têm o potencial de ser usados em clínicas, uma situação de saúde global, um ambiente natural e como um rastreador de saúde.

Em última análise, futuros indivíduos em risco em hospitais poderiam se beneficiar do neuromonitoramento e neurorreabilitação que o fNIRS pode oferecer.

Agora, existem sistemas fNIRS de nível de pesquisa totalmente sem fio no mercado.

fNIRS em comparação com outras técnicas de neuroimagem

Comparar e contrastar outros dispositivos de neuroimagem é algo importante a se levar em consideração. Ao comparar e contrastar esses dispositivos, é importante observar a resolução temporal, a resolução espacial e o grau de imobilidade. EEG (eletroencefalograma) e MEG (magnetoencefalografia) apresentam alta resolução temporal, mas baixa resolução espacial. EEG também tem um maior grau de mobilidade do que o MEG. Ao olhar para fNIRS, eles são semelhantes a um EEG. Possuem alto grau de mobilidade e também resolução temporal, além de baixa resolução espacial. PETs e fMRIs são agrupados, no entanto, são distintamente diferentes dos outros exames de neuroimagem. Possuem alto grau de imobilidade, resolução espacial média / alta e baixa resolução temporal. Todas essas varreduras de neuroimagem têm características importantes e são valiosas, no entanto, têm características distintas.

Entre todos os outros fatos, o que torna o fNIRS um ponto de interesse especial é que ele é compatível com algumas dessas modalidades, incluindo: ressonância magnética, EEG e MEG.

Veja também

Referências

^ "NIRS / fNIRS" . Soluções Cortech, Inc . Página visitada em 26/11/2019 .

^ "HOMER2" . HOMER2 . Página visitada em 26/11/2019 .
^ Aasted, Christopher M .; Yücel, Meryem A .; Cooper, Robert J .; Dubb, Jay; Tsuzuki, Daisuke; Becerra, Lino; Petkov, Mike P .; Borsook, David; Dan, Ippeita; Boas, David A. (abril de 2015). "Orientação anatômica para espectroscopia de infravermelho próximo funcional: tutorial AtlasViewer" . Neurophotonics . 2 (2): 020801. doi : 10.1117 / 1.NPh.2.2.020801 . ISSN 2329-423X . PMC 4478785 . PMID 26157991 .

[34] "NIRS / fNIRS" . Soluções Cortech, Inc . Página visitada em 26/11/2019 .

[35] "HOMER2" . HOMER2 . Página visitada em 26/11/2019 .

[36] Aasted, Christopher M .; Yücel, Meryem A .; Cooper, Robert J .; Dubb, Jay; Tsuzuki, Daisuke; Becerra, Lino; Petkov, Mike P .; Borsook, David; Dan, Ippeita; Boas, David A. (abril de 2015). "Orientação anatômica para espectroscopia de infravermelho próximo funcional: tutorial AtlasViewer" . Neurophotonics . 2 (2): 020801. doi : 10.1117 / 1.NPh.2.2.020801 . ISSN 2329-423X . PMC 4478785 . PMID 26157991 .

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