用于监测创伤性脑损伤患者大脑健康的新型无创光学成像方法

Mohammed N. Islam 教授领导的一组研究人员开发了一种新的经济高效、便携、无创的方法，可以同时监测大脑、组织和器官的新陈代谢和血液动力学。该工具是一种非侵入性超连续谱细胞色素 C 氧化酶红外光谱 (SCISCCO) 系统，可以帮助早期检测脑损伤或神经元功能障碍，并可以持续监测大脑健康状况，以帮助指导治疗和治疗损伤。

“外伤引起的内出血是可预防死亡的主要原因，”伊斯拉姆说。“我们用于监测组织新陈代谢的无创方法可以帮助改善脑震荡、中风、创伤性脑损伤和其他疾病等疾病的诊断和监测。”

创伤性脑损伤 (TBI) 会导致大脑结构性损伤。患者需要立即进行医疗干预、后送和重症监护，许多人在康复后需要终身帮助。虽然 TBI 可能发生在任何人身上，但它被称为伊拉克和阿富汗战争退伍军人的标志性伤口。美国国防部报告称，从 2010 年到 2015 年，超过 320,000 名士兵遭受了 TBI。但是，军方仍然没有客观的方法在战场上进行诊断。

此外，四分之三的创伤性脑损伤幸存者经历过轻度创伤性脑损伤(mTBI) 或脑震荡。脑震荡的诊断具有挑战性，因为它涉及精神状态的短暂变化，但对大脑没有任何可观察到的结构损伤。然而，患有脑震荡的人可能仍会遭受终生的认知或心理挑战，例如记忆力问题和创伤后应激障碍。

目前监测大脑血流变化的方法依赖于血液动力学神经成像系统，但这些系统无法检测神经组织本身的变化。这可能导致疾病或伤害未被发现，因此未得到治疗。为了解决这个问题，Islam 的团队专注于测量细胞功能的光学活性标记，例如细胞色素。

细胞色素 C-氧化酶 (CCO) 是一种光敏酶，负责体内 95% 以上的氧代谢。大脑中的 CCO 浓度也明显高于脑外组织。因此，可以通过捕获 CCO 的变化来测量神经代谢，同时测量 CCO 和血红蛋白氧化还原状态可以提供有关大脑新陈代谢和血液动力学的更多信息，这有助于神经损伤或疾病的诊断和管理。

测量 CCO 的传统方法依赖于基于灯的光源提供照明，但这些系统普遍存在较差的信噪比问题。相比之下，Islam 的团队使用全光纤集成超连续光源进行无创光学成像方法。这种方法极大地提高了信噪比，并导致更明确的 CCO 测量。结果是细胞色素 C-氧化酶 (SCISCCO) 系统的超连续谱红外光谱。

“与通常用于 CCO 测量的钨卤素灯相比，我们的系统可以提供几乎一个数量级的亮度改进，”Islam 说。

SCISCCO 系统也非常通用。

“SCISCCO 系统可以应用于多种用途，从作为筛查脑震荡患者的新工具——例如用于认知注意力测试结果——到在重症监护室使用以衡量患者的器官对治疗的反应， “伊斯兰说。

具体来说，它可以测量 CCO、氧合血红蛋白 (HbO) 和脱氧血红蛋白 (HbR)，以确定任何器官(例如肝脏、肾脏、心脏和肺)的代谢功能。它还可用于测量和监测组织的代谢功能，如肌肉组织、神经组织和上皮组织。

Islam 的团队目前正在密歇根大学神经外科部门的重症监护病房 (ICU) 中进行人体研究。

该论文“使用细胞色素 C 氧化酶 (SCISCCO) 仪器的超连续红外光谱对代谢和血液动力学进行无创监测”发表在Applied Sciences上。