Neues tragbares „Helm“-Gerät ermöglicht nicht-invasive optische Bildgebung des Gehirns

Jüngste Fortschritte bei Bildgebungstechniken des Gehirns erleichtern genaue, hochauflösende Beobachtungen des Gehirns und seiner Funktionen. Beispielsweise ist die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) eine weit verbreitete nicht-invasive Bildgebungstechnik, die Nahinfrarotlicht (Wellenlänge > 700 nm) verwendet, um die relative Konzentration von Hämoglobin im Gehirn über Unterschiede in den Lichtabsorptionsmustern zu bestimmen von Hämoglobin.

Die meisten nicht-invasiven Gehirn-Scanning-Systeme verwenden Dauerstrich-fNIRS, bei dem das Gewebe mit einem konstanten Strom von Photonen bestrahlt wird. Diese Systeme können jedoch nicht zwischen gestreuten und absorbierten Photonen unterscheiden. Ein neuer Fortschritt bei dieser Technik ist Time-Domain (TD) -fNIRS, das Pikosekunden-Lichtpulse und schnelle Detektoren verwendet, um die Photonenstreuung und -absorption in Geweben abzuschätzen. Solche Systeme sind jedoch teuer und komplex und haben einen großen Formfaktor, was ihre weitverbreitete Akzeptanz einschränkt.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwickelten Forscher von Kernel, einem Neurotechnologieunternehmen, ein tragbares Headset auf Basis der TD-fNIRS-Technologie. Dieses Gerät namens „Kernel Flow“ wiegt 2,05 kg und enthält 52 Module, die in vier Platten angeordnet sind, die auf beiden Seiten des Kopfes passen. Die Spezifikationen und Leistung des Kernel Flow Systems wird im berichtet Zeitschrift für biomedizinische Optik (JBO).

Die Kopfhörermodule verfügen über zwei Laserquellen, die Laserpulse von weniger als 150 Pikosekunden Breite erzeugen. Die Photonen werden dann von einem Prisma reflektiert und zu einer Quellenlichtröhre kombiniert, die den Strahl auf die Kopfhaut richtet. Nach Passieren der Kopfhaut werden die Laserpulse von sechs federbelasteten Detektor-Lichtröhren mit einem Durchmesser von 2 mm erfasst und dann zu sechs sechseckig angeordneten Detektoren in 10 mm Entfernung von der Laserquelle übertragen. Die Detektoren zeichnen die Photonenankunftszeiten in Histogrammen auf und sind in der Lage, hohe Photonenzählraten (über 1 × 10) zu verarbeiten.9 zählt pro Sekunde).

Um seine Leistungsfähigkeit zu demonstrieren, wurde das Kernel-Flow-System verwendet, um die Gehirnsignale von zwei Teilnehmern aufzuzeichnen, die eine Fingertipp-Aufgabe ausführten. Während der Testsitzung wurden Histogramme von mehr als 2.000 Kanälen im gesamten Gehirn gesammelt, um die Änderungen der Konzentrationen von Oxyhämoglobin und Desoxyhämoglobin zu messen.

Es wurde festgestellt, dass das System mit herkömmlichen TD-fNIRS-Systemen kompatibel ist. „Wir haben mit unserem miniaturisierten Gerät eine ähnliche Leistung wie Banksysteme demonstriert, da es durch standardisierte Gewebe- und optische Phantomprotokolle für TD-fNIRS- und menschliche neurowissenschaftliche Ergebnisse gekennzeichnet ist“, erklärt Ryan Field, Chief Technology Officer bei Kernel und korrespondierender Autor der Studie.

Obwohl die Ergebnisse vielversprechend sind, erkennt Field die Notwendigkeit weiterer Tests an, da Nahinfrarotlicht von bestimmten Haar- und Hauttypen unterschiedlich absorbiert wird. „Wir sammeln derzeit Daten mit Kernel Flow, um weitere Anwendungen in der Human-Neurowissenschaft zu demonstrieren. Wir sind auch dabei, die Leistung des Systems bei verschiedenen Haar- und Hauttypen zu evaluieren“, sagt er.

Kernel Flow packt große TD-fNIRS-Systeme in eine tragbare Form und liefert nicht-invasive optische Gehirnbildgebungsgeräte der nächsten Generation. Systeme wie Kernel Flow werden die Neurobildgebung viel zugänglicher machen und weitreichende Vorteile für Gesundheit und Wissenschaft ermöglichen. Beispielsweise hat die FDA kürzlich eine Studie genehmigt, bei der das Kernel-Flow-System verwendet wurde, um die psychedelische Wirkung von Ketamin auf das Gehirn zu messen.

JBO-Gastredakteur Dimitris Gorpas vom Deutschen Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt sagt: „Dies ist das weltweit erste tragbare flächendeckende TD-fNIRS-System, das die Leistung bestehender Bankensysteme aufrechterhält oder verbessert und das Potenzial hat, seine Mission zur Herstellung von Neurometern zu rationalisieren Ich bin sehr gespannt, was das Gehirn noch zu enthüllen hat.“

Bezug: Ban HY, Barrett GM, Borisevich A, et al. Kernel Flow: ein skalierbares zeitbereichsfunktionales Nahinfrarot-Spektroskopiesystem mit hoher Kanalzahl. JBO. 2022; 27 (7): 074710. doi:10.1117 / 1.JBO.27.7.074710

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