Миниатюрный датчик для функциональной визуализации мозга

Источник: phys.org

Исследователи из Японии представили зонд NIRS, достаточно миниатюрный для имплантированного использования при функциональной визуализации мозга человека. А так как зонд изготовлен на основе технологии гибкой печати, он намного дешевле и проще в производстве, чем обычные микрооптоволоконные устройства. Ближняя инфракрасная спектроскопия (Near infrared spectroscopy, NIRS) — это спектроскопический метод измерения объема крови и насыщения ее кислородом в мозге и мышечной ткани. Методика NIRS позволяет отслеживать поглощение оксигемоглобина и (O₂Hb) и деоксигемоглобина (HHB). Концентрация гемоглобина и оксигенация крови являются полезными показателями активности внутри тканей и их метаболизма. Эти показатели используются в широком диапазоне медицинских исследований, включая анализ состояния мышц в спортивной медицине и изучение функций мозга на основе карты активных областей.

В настоящее время применяется несколько типов NIRS систем. Точечные системы могут измерять изменения в концентрации O2Hb и HHB. Системы с пространственным и временным разрешением и фазовой модуляцией могут измерять абсолютные значения концентрации гемоглобина, насыщения кислородом и объема крови. Функциональная визуализация Брайана стала возможной благодаря появлению многоканальных систем NIRS. Зонды NIRS должны включать источник света и датчик, считывающий взаимодействие света с тканями. Зонды существующих NIRS систем предназначены для неинвазивного использования, то есть они прикладываются к поверхности тела. Современные зонды, как правило, имеют размеры около 10*30*5 мм. Объем зонда, равный 1 500 мм3, не позволяет использовать устройства для имплантации в головном мозге мелких животных, а также для оценки эпилептогенного фокуса в коре головного мозга.

Объем зонда, сконструированного в Университете Сидзуока, в 100 раз меньше — всего 15 мм³. Новое устройство также проще в изготовлении, так как оно построено на основе технологии гибкой печати, а не с помощью микроволоконной оптики. Как отмечает автор проекта доктор Масацуту Ниваяма, при использовании микроволоконной оптики требуются сложные методики для подключения двух ядер к волокну. Хрупкость волокна также увеличивает сложность сборки зонда. Технология гибкой печати позволяет размещать ядра на гибкой подложке с проводниковым соединением. Такие устройства могут производиться на фабриках, выпускающих печатные платы, в громадном количества. В будущем зонды могут даже стать одноразовыми изделиями, и это позволит предотвратить развитие инфекций. Стоит отметить, что ранее команда доктора Ниваямы уже представляла зонд аналогичного размера, но он мог только измерять изменения в концентрации гемоглобина, и была проблема с оценкой чувствительности прибора для разных типов ткани.

В новом проекте эти два недостатка были устранены. Теперь зонд может измерять абсолютное значение концентрации гемоглобина на основе методики пространственного разрешения. Также предусмотрен анализ разницы в чувствительности измерений для мозга и кожи головы. Это означает, что прибор можно размещать как на поверхности головы, так и внутри черепа (имплантация в кору мозга). Ученые уже провели ряд испытаний зонда «in vivo», на мелких животных. Поэтому они уверены, что его можно использовать для краткосрочных исследований NIRS-ECoG (электрокортикографии) головного мозга у людей, а также для измерения активности мозга у пациентов во время нейрохирургических вмешательств. В ближайшее время предстоит провести испытания биосовместимости зонда в качестве долгосрочного имплантата на крупных животных. Это позволит доказать безопасность и надежность устройства для длительного использования у людей. Одновременно ученые будут продолжать работу над улучшением зонда и расширением его функций.