频域光学测量在高碳酸血症期间脑血流动力学的模拟和人体探究

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研究背景

大脑血流调节对维持正常的大脑功能和组织活力至关重要。在高碳酸血症过程中测量CBF可得出脑血管反应性(CVR)， CVR的定义是动脉血二氧化碳压力单位变化中CBF的变化百分比。这种CVR的测量显示了脑血管在高碳酸血症反应中扩张的能力，是一个成熟的生物标志物，用于诱发脑血流动力学反应和评估脑血管功能。
 

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研究方法
 

2.1、实验被试

实验一中，被试为年龄范围为23-55岁的3女5男健康被试。
 

实验二中，被试为实验一中八位被试中的2，3和5号，于另一天回来做额外测量。此外，还有一位新被试，于是实验二中共有4名被试。
 

2.2、实验材料

无
 

2.3、实验流程

受试者呼吸医疗空气时5分钟正常碳酸基线，吸入掺有5%二氧化碳的医疗空气时3分钟高碳酸血症，以及吸入医疗空气后5分钟的正常碳酸恢复。在实验过程中，气体混合物被从气罐运送到一个可变体积的储气罐(以允许循环呼吸)，然后通过面罩运送至受试者。使用气体流量控制器保持空气流量在10L/min。
 

实验一：光学探针被放置在受试者前额的右侧。探头由两个源光纤对的线性阵列和两个探测器光纤束围绕两个源之间的中线对称组成。这种安排允许两个单距离测量在35毫米，两个单斜率测量25和35毫米，和一个双斜率测量与两个25毫米和两个35毫米的距离。近红外数据采样率9.93Hz。
 

实验二：光学探针被放置在与实验一探针所感知的前额区域大致相同的位置。该光学探头有两个双斜率布置，横向间距为10毫米：一只直接接触头皮，另一只接触一个5mm厚的层，该层由散射像置于纤维与头皮之间。
 

2.4 数据采集和处理

FD-NIRS数据是用商业仪器采集的(Imagent, ISS, Inc.， Champaign, IL)，工作波长为690和830 nm，调制频率为140.625MHz。
 

检测并去除原始SDI和SDϕ数据中的运动伪影。直观地检测出类步进运动伪影(特征时间< 1 s的信号中的任何快速瞬态步进变化)，并通过在该步改变后的信号中添加偏移量来校正它们。然后我们应用了一种基于离散小波的运动伪影校正方法来去除信号中的任何尖波。
 

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研究结果

对于两个个体SD测量值的比较，对所有受试者进行配对t检验，结果显示，两个个体SD测量值的log2[CVRSDI/CVRSDφ]之间没有显著差异(p>0.1)。另一方面，在对SS数据进行类似配对t检验时，两个体SS测量值的log2[CVRSSI/CVRSSφ]存在显著差异(p<0.05)。
 

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实验结论

FD-NIRS测量的CVR与理论模拟使用两层介质比使用均匀介质预测的大脑Sc吸收变化的敏感性更一致。结果表明，双层模型比均匀模型更能准确地预测实验数据。我们的结果表明，在存在较薄的脑外组织层(小于8-13 mm)的情况下，比其下方的大脑组织散射更大，斜率强度测量(SSI, DSI)可能比斜率相位测量对大脑更敏感。

Sensitivity of frequency-domain optical measurements to brain hemodynamics: simulations and human study of cerebral blood flow during hypercapnia

DOI：10.1364/BOE.412766