Dispositivo portátil usa espectroscopia de retina segura para os olhos para diagnosticar lesões cerebrais – Physics World

Lesão cerebral traumática (TCE), causada por um choque repentino ou impacto na cabeça, requer diagnóstico o mais rápido possível. Para evitar danos irreversíveis, as decisões de tratamento críticas para a vida devem ser tomadas dentro da “hora de ouro” após o trauma. Diagnosticar o TCE no local de atendimento é difícil, no entanto, dependendo de observações feitas por equipes de ambulâncias seguidas de investigações radiológicas, como ressonância magnética ou tomografia computadorizada na chegada ao hospital.

Para permitir uma intervenção mais oportuna, os investigadores do Universidade de Birmingham estão desenvolvendo um dispositivo de diagnóstico portátil que detecta TCE direcionando um laser seguro para o olho. O dispositivo, descrito em Os avanços da ciência, é direcionado para uso assim que ocorre uma lesão – seja na beira da estrada, no campo de batalha ou no campo esportivo – para avaliar pacientes com TCE, determinar a gravidade do trauma e direcionar o tratamento de acordo.

O dispositivo seguro para os olhos (EyeD) é baseado na espectroscopia Raman – uma técnica óptica que usa espalhamento inelástico da luz laser para sondar a composição molecular. Ele funciona iluminando a córnea com um laser classe 635 de 1 nm. O feixe colimado é então focado na retina pela própria óptica do olho. Para direcionar o laser para a região de interesse, o sistema EyeD realiza simultaneamente imagens de fundo de olho e análise espectroscópica usando uma câmera de smartphone para visualizar a parte posterior do olho.

Os espectros Raman coletados da retina e do nervo óptico são analisados ​​​​para a presença de alterações bioquímicas específicas do TBI, usando o algoritmo de rede neural artificial SKiNET como ferramenta de suporte à decisão. Como a retina e o nervo óptico estão intimamente ligados ao cérebro, as alterações nos biomarcadores após a lesão refletirão alterações bioquímicas no microambiente cerebral.

“Nosso dispositivo permitirá o diagnóstico precoce de TCE, avaliando diretamente as alterações agudas do sofrimento em tempo real no tecido neurorretiniano/nervo óptico vivo. Permite-nos interrogar o tecido do sistema nervoso central de forma direta e não invasiva”, explica o líder da equipa Pola Goldberg Oppenheimer. “Analisar a neuroretina como uma projeção do sistema nervoso central fornece uma janela para a bioquímica cerebral.”

Estudos espectroscópicos

Para testar o desempenho do seu dispositivo de imagem, Oppenheimer e colegas construíram um fantasma de tecido que imita as dimensões físicas e características ópticas do olho, ao mesmo tempo que fornece uma assinatura Raman realista da retina. O fantasma inclui uma lente, um orifício de 4 mm de diâmetro representando a pupila não dilatada e um porta-amostra para tecido da retina.

A equipe demonstrou que o dispositivo EyeD poderia focar efetivamente o feixe de laser na posição desejada na retina. Os espectros medidos a partir do fantasma de tecido resolveram as principais bandas Raman na região de alto número de ondas, que podem ser usadas para distinguir vários tipos de tecidos.

Em seguida, os pesquisadores usaram o protótipo para analisar amostras de retina de olhos de porcos, que são semelhantes aos olhos humanos em tamanho, estrutura, desenvolvimento e composição. Eles coletaram 510 medições de 39 amostras de retina TBI e 12 amostras de controle, registrando espectros próximos ao disco óptico. No geral, os espectros Raman mostraram várias bandas características na região de 1200–1700 cm-^-1 região de impressão digital, além de um aprimoramento de bandas de alto número de onda na faixa de 2800 a 3200 cm-^-1 região.

O uso do SKiNET para criar mapas de auto-otimização (SOMs) mostrando agrupamento dos espectros Raman da retina revelou uma separação clara entre retinas com TBI e amostras de controle. Isto surge porque os espectros Raman refletem variações bioquímicas no olho após o TCE. Por exemplo, o TBI aumenta o conteúdo de lipídios e proteínas no olho, fazendo com que os picos originados destes se tornem mais pronunciados nos espectros Raman.

As alterações espectrais mais significativas em resposta ao TCE foram devidas às contribuições dos lipídios cerebrais cardiolipina e citocromo C, que se manifestaram como um aumento na proporção de 2930 para 2850 cm-^-1 pico nos espectros Raman. Os pesquisadores usaram características selecionadas da proporção de pico 2850/2930 e intensidades de seis picos característicos dos espectros de TBI para formar a classificação SKiNET, produzindo um código de barras espectroscópico para detecção de TBI.

Para avaliar a capacidade do sistema EyeD de diferenciar o TCE por meio de alterações na retina, eles calcularam a área sob a curva (AUC) para cada pico e a proporção do pico 2930/2850, e traçaram taxas de verdadeiro-positivo contra falso-negativo. O uso da otimização SKiNET com validação cruzada de 10 vezes nos dados de treinamento resultou em uma precisão de classificação de 90.7±0.9%. Este resultado indica que as alterações na proporção do pico 2930/2850 após o TCE podem fornecer um indicador valioso para discriminar o TCE dos controles saudáveis.

“O uso simultâneo de espectroscopia Raman e imagem de fundo de olho, embalado como um dispositivo portátil de baixo custo, fornece o primeiro caminho tangível para o diagnóstico não invasivo de TCE no local de atendimento”, disse Oppenheimer. Mundo da física.

Para concussões, os olhos são janelas para o cérebro

O próximo passo será otimizar o protótipo para validação clínica. Para facilitar a tradução clínica, os pesquisadores planejam substituir o espectrômetro autônomo por um espectrômetro compacto no dispositivo e leitura de smartphone, permitindo a fotografia de fundo de olho e a espectroscopia Raman por meio de uma única tela de smartphone.

“Atualmente, estamos projetando um dispositivo implantável de fácil utilização, integrado ao nosso algoritmo de rede neural artificial para interpretação automatizada de resultados sem a necessidade de suporte especializado, classificando rapidamente os dados espectrais”, diz Oppenheimer. “[Estamos também] avaliando clinicamente a usabilidade do dispositivo em voluntários saudáveis ​​e em pacientes para demonstrar seu potencial para diagnóstico em tempo real. Depois de estabelecer a tolerabilidade e usabilidade do dispositivo, estamos procedendo a uma primeira avaliação em humanos e a um ensaio clínico em pequena escala.”

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/handheld-device-uses-eye-safe-retinal-spectroscopy-to-diagnose-brain-injury/