Krew, światło i kwestia czasu. ICTER bada krążenie

Jak wydajnie zbierać światło wracające z tkanek i jednocześnie rozpoznać, co mówi ono o głębszym krążeniu? Klasyczna interferometryczna spektroskopia bliskiej podczerwieni pozwala rozdzielać sygnał według czasu wędrówki światła, ale zbiera niewiele fotonów. Układy z kamerą rejestrują ich znacznie więcej, lecz przy szybkich zmianach zachodzących w żywej tkance nie zapewniają takiego rozróżnienia. Badacze związani z ICTER połączyli oba podejścia w układzie hybrydowym. Pokazali, kiedy odpowiednio analizowany sygnał z kamery może odtworzyć odpowiedź przepływu obserwowaną dla późnych fotonów w iNIRS, bardziej czułych na głębsze tkanki.

Przy optycznym badaniu przepływu krwi na czole detektor odbiera mieszaninę informacji. Część dotyczy krążenia w skórze głowy, część pochodzi z głębiej położonych tkanek. To utrudnia ocenę, czy obserwowana zmiana rzeczywiście mówi coś o ukrwieniu mózgu.

Problem zbadali Marcin Marzejon, wcześniej pracujący w Międzynarodowym Centrum Badań Oka (ICTER) przy Instytucie Chemii Fizycznej PAN, oraz dr hab. Dawid Borycki, lider grupy PICO. Ich artykuł "Hybrid interferometric near infrared spectroscopy (hybrid iNIRS) enables time-of-flight–resolved non-invasive blood flow monitoring in humans in vivo" ukazał się w "Scientific Reports".

Autorzy zbudowali hybrydowy system, który pozwala zestawić informację o ruchu krwinek z czasem wędrówki światła przez tkankę. Następnie sprawdzili jego działanie na przedramieniu i czole. Pokazali, że rozdzielanie światła według czasu przelotu pomaga zwiększać udział informacji z głębszych obszarów. Była to demonstracja możliwości metody z udziałem dwóch zdrowych ochotników.

Co krwinki robią ze światłem?

W badaniu wykorzystano laser o długości fali około 780 nanometrów, z zakresu bliskiej podczerwieni. Światło przechodzi przez tkankę i wielokrotnie się rozprasza. Na detektorze tworzy ziarnisty wzór jasnych i ciemnych plamek (ang. speckles). Ruch czerwonych krwinek sprawia, że ten wzór się zmienia. Analiza tempa zmian pozwala obliczyć wskaźnik przepływu krwi - wielkość opisującą dynamikę krążenia w badanej tkance.

Czas przelotu dostarcza innej informacji. Fotony, czyli porcje światła, docierające później przebyły zwykle dłuższe trasy. Ich sygnał ma większy udział głębszych tkanek. Wybierając grupy o różnych czasach przelotu, badacze mogą zmieniać czułość pomiaru na głębokość. Każda grupa nadal obejmuje jednak światło z wielu tras, przebiegających przez obszary powierzchowne i głębsze.

"Czas przelotu pomaga nam wybierać światło, które ma większy udział głębszych tkanek. Gdy połączymy tę informację ze zmianami wywołanymi ruchem krwinek, możemy lepiej rozróżniać sygnały powierzchownego i głębszego krążenia" - mówi dr hab. Dawid Borycki.

Mankiet zatrzymuje dopływ, opaska sprawdza powierzchnię

W badaniu uczestniczyli dwaj zdrowi mężczyźni w wieku 33 i 43 lat. Światło wprowadzano do tkanki i odbierano światłowodami oddalonymi od siebie o jeden centymetr. W doświadczeniu na przedramieniu porównano trzy stany: przed napompowaniem mankietu ciśnieniomierza, podczas zablokowania dopływu krwi i po zwolnieniu ucisku. Każda rejestracja trwała sekundę.

Po napompowaniu mankietu zmiany wzoru światła wyraźnie zwolniły, co odpowiadało ograniczeniu ruchu krwinek. Po zwolnieniu ucisku przyspieszyły. Był to sygnał reaktywnego przekrwienia - przejściowego zwiększenia dopływu krwi po okresie jego zahamowania. Późne grupy fotonów dawały większą odpowiedź po zwolnieniu mankietu niż grupy wczesne, co jest zgodne z większą czułością na głębsze krążenie.

Na czole wykorzystano elastyczną opaskę. Jej zaciśnięcie ograniczało przepływ w skórze głowy. Ze względu na sztywność czaszki badacze oczekiwali, że krążenie wewnątrz niej pozostanie w dużej mierze niezmienione. Sygnały o krótszych i pośrednich czasach przelotu reagowały inaczej niż sygnały późne. W tych ostatnich dynamika była bardziej zachowana, co jest zgodne z większym udziałem głębszych tkanek.

Ten eksperyment pokazał, że czas przelotu pomaga rozpoznawać wpływ powierzchownego krążenia. Nie stanowi jednak niezależnego potwierdzenia przepływu w konkretnym obszarze mózgu. W każdej grupie fotonów pozostaje mieszanina informacji z różnych głębokości.

"Zaciskając opaskę, zmienialiśmy przede wszystkim krążenie w skórze głowy. Porównanie reakcji różnych grup fotonów pozwoliło sprawdzić, jak silnie wpływa ono na pomiar. Późne fotony były mniej wrażliwe na ten powierzchowny ucisk" - mówi dr inż. Marcin Marzejon, pierwszy autor pracy.

Po zaciśnięciu opaski obliczony wskaźnik przepływu mógł rosnąć, chociaż powierzchowne krążenie było ograniczane. Autorzy wyjaśniają to zmianą proporcji sygnałów. Słabł udział wolniej zmieniającego się sygnału ze skóry, a większe znaczenie zyskiwały głębsze obszary. Wskaźnik opisuje tę mieszaninę. Jego wzrostu nie można więc uznać za prosty dowód, że w mózgu zaczęło płynąć więcej krwi.

Jeden foton na milion

Do detektora dociera bardzo mało światła. Według modelu teoretycznego dla konfiguracji zastosowanej przez autorów jest to około jeden foton na milion wysłanych. Klasyczny tor iNIRS zachowuje informację o czasie przelotu światła oraz zmianach wywołanych ruchem krwinek, ale jego jednomodowy światłowód zbiera niewiele fotonów. Tor z kamerą wykorzystuje światłowód wielomodowy i obserwuje wiele plamek światła jednocześnie, dzięki czemu wydajniej zbiera światło i zapewnia lepszą jakość sygnału.

Każde podejście ma jednak inne ograniczenie. Odczyt kamery jest w tym układzie około stu razy wolniejszy niż rejestracja w klasycznym torze iNIRS. Nie wystarcza więc do jednoczesnego rozdzielania czasów przelotu i śledzenia szybkich zmian sygnału w żywej tkance. Dlatego w doświadczeniach u ludzi kamera pracowała bez rozróżniania czasów przelotu, a klasyczny iNIRS dostarczał odniesienia pokazującego, jak zmienia się odpowiedź dla różnych grup fotonów. Połączenie obu torów pozwoliło sprawdzić, ile informacji o głębszym krążeniu można uzyskać z wydajniejszego pomiaru kamerowego. W obu torach słabe światło z tkanki łączy się ze światłem odniesienia, co ułatwia jego wykrycie - stąd określenie "interferometryczny". Cała metoda nosi nazwę hybrydowej interferometrycznej spektroskopii bliskiej podczerwieni (iNIRS).

Przed doświadczeniami u ludzi autorzy testowali układ na światłowodzie i mieszaninie mleka z wodą. Użyli mleka o zawartości 3,2 % tłuszczu, rozcieńczonego w proporcji 1:1. Taki płyn rozprasza światło w sposób zbliżony do tkanki i pozwala badać aparat w kontrolowanych warunkach.

Próby pomogły ustalić szybkość pracy lasera. Przy częstotliwościach do około 10 tysięcy cykli przestrajania na sekundę aparat nie nadążał za szybkimi zmianami sygnału, zwłaszcza dla późnych fotonów. Przy około 100 tysiącach cykli na pojedynczy cykl przypadało mniej fotonów, a szum zawyżał wyliczoną szybkość zmian. Do pomiarów u ludzi wybrano 50 tysięcy cykli na sekundę jako kompromis między szybkością a jakością danych.

Obliczona rozdzielczość czasu przelotu dla tych ustawień wynosiła około 95 pikosekund, czyli 95 bilionowych części sekundy. Tak małe różnice pomagają rozdzielać światło wracające różnymi drogami.

Jak przygotować kamerę?

Połączenie obu technik pozwoliło odpowiedzieć na praktyczne pytanie: kiedy pomiar kamerowy, mimo braku informacji o czasie przelotu, daje odpowiedź podobną do tej uzyskiwanej dla późnych fotonów w iNIRS? Autorzy porównali zmiany względnego wskaźnika przepływu po zwolnieniu mankietu. W danych z kamery zmieniali zakres odstępów czasu uwzględnianych przy analizie korelacji sygnału.

Gdy analiza obejmowała krótsze odstępy, odpowiedź z kamery była zbliżona do odpowiedzi późnych fotonów, bardziej czułych na głębsze krążenie. Przesunięcie analizy ku dłuższym odstępom dawało odpowiedź przypominającą wcześniejsze fotony. Klasyczny iNIRS dostarczył więc punktu odniesienia pozwalającego dobrać analizę wydajniejszego sygnału kamerowego.

To jeden z najważniejszych wyników pracy: układ hybrydowy pokazał, w jakich warunkach odpowiednio przetworzony pomiar kamerowy może odtwarzać wybraną odpowiedź późnych fotonów. Otwiera to możliwość kalibracji czułości przyszłych urządzeń na głębsze krążenie przez dobór sposobu analizy danych.

Co z tego może mieć pacjent?

Celem dalszego rozwoju jest nieinwazyjne monitorowanie ukrwienia mózgu i tkanek obwodowych, docelowo także za pomocą urządzeń przenośnych lub noszonych na ciele. Taki pomiar mógłby dostarczać dodatkowych informacji przy obserwacji pacjentów z urazem głowy, udarem mózgu czy zagrożeniem niedotlenieniem. W tych grupach prototypu jeszcze nie sprawdzano.

Dwie zdrowe osoby to za mało, by ocenić różnice między pacjentami i odporność urządzenia na ruch. W doświadczeniach u ludzi kamera pracowała bez rozróżniania czasów przelotu, a pomiary obu torów wykonywano kolejno. Autorzy planują usprawnienie rejestracji i przetwarzania danych oraz wykorzystanie kilku długości fal do rozróżniania postaci hemoglobiny związanych z utlenowaniem krwi.

Największym osiągnięciem pracy jest pokazanie, jak połączyć wydajne zbieranie światła przez kamerę z informacją o czasie jego przelotu dostępną w klasycznym iNIRS. Dzięki układowi hybrydowemu badacze ustalili, kiedy odpowiednio analizowany sygnał kamerowy odtwarza zmiany wskaźnika przepływu obserwowane dla późnych fotonów, bardziej czułych na głębsze krążenie. iNIRS staje się w ten sposób punktem odniesienia do doboru analizy pomiarów kamerowych. Otwiera to drogę do urządzeń, których czułość na głębsze tkanki można kształtować przez sposób przetwarzania danych.

Marcin Marzejon, Dawid Borycki (2026). Hybrid interferometric near infrared spectroscopy (hybrid iNIRS) enables time-of-flight–resolved non-invasive blood flow monitoring in humans in vivo. Scientific Reports