测量大脑血流量对于理解多种神经系统问题的反应至关重要，包括中风、创伤性脑损伤（TBI）和血管性痴呆。然而，非侵入式获取此类测量结果仍是一个挑战。现有的技术，包括磁共振成像和计算机断层扫描，既昂贵又不普及。
南加州大学（University of Southern California）的USC神经修复中心和加州理工学院（California Institute of Technology，简称Caltech）的研究团队领导开发了一种基于散斑对比光学光谱法（speckle contrast optical spectroscopy，简称SCOS）的简单、非侵入式替代方案。该技术目前用于动物研究，并已针对人类潜在临床应用进行了调整。
该技术通过使用经济实惠的高分辨率相机捕获散射激光图像来工作。"这真的非常简单，"南加州大学Keck医学院临床神经外科、泌尿外科和外科教授，USC神经修复中心主任Charles Liu博士说道。"微小的血细胞通过激光束，光的散射方式使我们能够测量大脑中的血流量和体积。"
该方法之前已在小规模概念验证研究中对人类进行了测试，证明其在评估中风风险和检测脑损伤方面的实用性。在《APL Bioengineering》期刊上发表的一项研究（"使用散斑对比光学光谱法通过浅表颞动脉闭塞评估人类头皮和大脑血流敏感性"）中，共同资深作者Liu及其同事证实，SCOS确实在测量大脑中的血流量，而非头皮（头皮也含有许多血管）中的血流量。这个问题长期以来一直困扰着使用基于光的技术来可视化大脑的研究人员。
作者写道，监测脑血流动力学对于理解大脑健康、诊断中风和结构性脑损伤等神经系统疾病以及开发有效治疗方法至关重要。头皮和头骨不仅阻碍直接观察大脑，而且它们自身也有血液供应，这进一步使脑血流测量复杂化。"由于头皮和头骨阻碍直接进入大脑并含有必须分离的自身血流动力学，非侵入式测量脑血流动力学具有挑战性，"团队继续说道。
多年来，使用基于光的技术（如激光和光纤）测量脑信号的研究人员一直使用统计模拟来估计哪些信号来自大脑，哪些来自头皮。"尽管SCOS和其他光学成像技术具有潜力，但证明它们能有效探测头皮和头骨层之上的脑信号仍是一个未解决的问题，"作者写道。"虽然许多数值研究已经评估了光学方法的深度敏感性，但据我们所知，尚未实现对深度敏感性的实验验证。"
得益于外科医生、工程师和神经科医生之间的合作，该团队现在已经找到了一种直接测试差异的方法。他们的研究首次配置了SCOS技术以消除来自头皮血流的噪声，使他们能够验证SCOS读数测量的是来自大脑血管的信号，而非来自头皮本身的信号。
该设备本身安装在横跨前额的头带中，包含一个光源和七个按距动脉距离递增排列的探测器。较近的探测器捕捉较浅的光学数据，如来自头皮的信号，而距离较远的探测器则接收更深更广泛的信号集。
合著者Jonathan Russin博士（现为佛蒙特大学神经外科教授兼主任，继续与USC神经修复中心合作）说："我进行增加大脑血流量的手术，其中许多手术涉及暂时停止头皮的血流。"这为我们提供了一种简单的技术测试方法——通过创建仅影响头皮循环而保持大脑血流不受影响的变化。"
在一项涉及20名参与者的研究中，该团队证实，暂时阻断浅表颞动脉（一种起源于耳朵附近并向头皮前部供血的血管）显著减弱了对应于头皮的较浅通道的信号，但并未改变来自较深通道的信号。他们通过轻轻按压患者的浅表颞动脉几秒钟并测量信号来实现这一点。
他们报告称："通过短暂闭塞仅向头皮供血的浅表颞动脉，我们将表面血流动力学与脑信号分离。"对20名受试者的结果显示，在闭塞期间，对头皮敏感的通道的血流动力学显著减少，而对大脑敏感的通道则变化最小。
通过逐渐将探测器移离头部，他们捕捉到越来越深入大脑的信号。他们发现，将探测器放置在距头部2.3厘米的位置，可以在最小化头皮干扰的同时测量大脑血流量。
Liu表示，这些发现证实了SCOS在非侵入式检测大脑血流量方面的实用性，并为其他使用基于光技术的研究人员提供了重要指导。通过识别哪些信号更接近皮肤表面，该团队的设备可以区分深层信号中哪些部分对应于大脑中的血流量。
合著者Simon Mahler博士说："有些人的头皮或头骨层较厚，而有些人则较薄。"这种变异性使得设计一种可以轻松用于大量参与者群体的单一设备变得困难，并意味着结果可能因人而异。"
在他们的论文中，团队总结道，他们的结果提供了"...散斑对比光学光谱法（SCOS）等漫射光学测量中头皮血流敏感性的实验证据，强调了优先非侵入式探测脑信号的最佳配置。"
现为Stevens理工学院生物omedical工程系助理教授的Mahler补充道："这是人类首次，这一实验证据表明，激光散斑光学设备可以探测头皮层之外，获取脑信号，"Mahler补充道，"这是朝着使用SCOS非侵入式测量大脑血流量迈出的重要一步。"
除了推进研究外，该研究还有助于确认SCOS在检测和应对中风、脑损伤和痴呆方面的临床潜力。由于该团队的所有研究都是在人类身上进行的，因此该工具有望迅速从实验室转移到临床。"我们以与工具应用基本相同的方式直接观察人类，因此在翻译过程中没有任何损失，"Liu说。"我们从未离我们试图解决的问题超过一步。"
该技术已经由该团队的一些合作者用于帮助诊断中风和创伤性脑损伤（TBI）。接下来，研究人员将继续完善技术和软件，努力提高图像分辨率和从读数中提取的数据质量。
Liu说："在知道我们现在正在测量我们打算测量的内容后，我们还将在临床环境中扩大对该技术的患者测试。"在他们的论文中，该团队进一步评论道："我们的方法为评估深度敏感性提供了一种实用且对受试者友好的替代方案，并补充了时域门控等更先进的硬件密集型策略。"
【全文结束】
