Портативное устройство использует безопасную для глаз спектроскопию сетчатки для диагностики черепно-мозговых травм

Портативное устройство использует безопасную для глаз спектроскопию сетчатки для диагностики черепно-мозговых травм

Отметка времени: 12 декабря 2023 г., 4:00
Исходный узел: 2431295

Диагностический прибор EyeD
Экспресс-диагностика ЧМТ (A) Концепция технологии EyeD; (B) конструкция EyeD с напечатанным на 3D-принтере фантомом, имитирующим оптические свойства глаза и позволяющим получать спектры комбинационного рассеяния через глазоподобную линзу. (С разрешения: CC BY 4.0/наук. Достижения 10.1126/sciadv.adg5431)

Черепно-мозговая травма (ЧМТ), вызванная внезапным толчком или ударом по голове, требует скорейшей диагностики. Чтобы предотвратить необратимый ущерб, жизненно важные решения о лечении должны быть приняты в течение «золотого часа» после травмы. Однако диагностировать ЧМТ на месте оказания медицинской помощи сложно, полагаясь на наблюдения бригад скорой помощи с последующими радиологическими исследованиями, такими как МРТ или КТ, по прибытии в больницу.

Чтобы обеспечить более своевременное вмешательство, исследователи из Бирмингемский университет разрабатывают портативное диагностическое устройство, которое выявляет ЧМТ, направляя в глаз безопасный лазер. Устройство, описанное в Наука развивается, предназначен для использования сразу после получения травмы – будь то на обочине дороги, на поле боя или на спортивной площадке – для оценки пациентов на ЧМТ, определения тяжести травмы и соответствующего лечения.

Безопасное для глаз устройство (EyeD) основано на рамановской спектроскопии – оптическом методе, который использует неупругое рассеяние лазерного света для исследования молекулярного состава. Он работает путем воздействия на роговицу лазера класса 635 с длиной волны 1 нм. Коллимированный луч затем фокусируется на сетчатке с помощью собственной оптики глаза. Чтобы направить лазер на интересующую область, система EyeD одновременно выполняет визуализацию глазного дна и спектроскопический анализ с помощью камеры смартфона для визуализации задней части глаза.

Спектры комбинационного рассеяния, собранные с сетчатки и зрительного нерва, анализируются на наличие биохимических изменений, специфичных для ЧМТ, с использованием алгоритма искусственной нейронной сети SKiNET в качестве инструмента поддержки принятия решений. Поскольку сетчатка и зрительный нерв очень тесно связаны с мозгом, изменения биомаркеров после травмы будут отражать биохимические изменения в микроокружении мозга.

«Наше устройство позволит проводить раннюю диагностику ЧМТ путем непосредственной оценки острых дистресс-изменений в режиме реального времени в живой ткани нейроретинального нерва/зрительного нерва. Это позволяет нам опрашивать ткани центральной нервной системы напрямую и неинвазивно», — объясняет руководитель группы. Пола Гольдберг Оппенгеймер. «Анализ нейросетчатки как проекции центральной нервной системы открывает окно в биохимию мозга».

Спектроскопические исследования

Чтобы проверить работу своего устройства визуализации, Оппенгеймер и его коллеги сконструировали тканевый фантом, который имитирует физические размеры и оптические характеристики глаза, обеспечивая при этом реалистичную рамановскую сигнатуру сетчатки. Фантом включает в себя линзу, точечное отверстие диаметром 4 мм, представляющее собой нерасширенный зрачок, и держатель образца ткани сетчатки.

Команда продемонстрировала, что устройство EyeD может эффективно фокусировать лазерный луч в нужном месте на сетчатке. Спектры, измеренные от фантома ткани, разрешили основные полосы комбинационного рассеяния в области высоких волновых чисел, что можно использовать для различения ряда типов тканей.

Затем исследователи использовали прототип устройства для анализа образцов сетчатки глаз свиней, которые похожи на человеческие глаза по размеру, структуре, развитию и составу. Они собрали 510 измерений из 39 образцов сетчатки TBI и 12 контрольных образцов, записывая спектры вблизи диска зрительного нерва. В целом в спектрах КР наблюдалось несколько характерных полос в области 1200–1700 см.-1 область отпечатков пальцев, а также усиление полос с высокими волновыми числами в диапазоне 2800–3200 см.-1 область.

Переводимая диагностическая технология
Переводимая технология Портативный EyeD не только позволяет обнаруживать нейротравмы на месте оказания медицинской помощи, но и может применяться при различных неврологических заболеваниях. (С разрешения: CC BY 4.0/наук. Достижения 10.1126/sciadv.adg5431)

Использование SKiNET для создания самооптимизирующихся карт (SOM), показывающих кластеризацию спектров комбинационного рассеяния сетчатки, выявило четкое разделение между сетчаткой с ЧМТ и контрольными образцами. Это происходит потому, что спектры комбинационного рассеяния отражают биохимические изменения в глазу после ЧМТ. Например, ЧМТ увеличивает содержание липидов и белков в глазу, в результате чего возникающие из них пики становятся более выраженными в спектрах комбинационного рассеяния света.

Наиболее значимые спектральные изменения в ответ на ЧМТ были обусловлены вкладом липидов головного мозга кардиолипина и цитохрома С, что проявлялось в увеличении отношения 2930 к 2850 см-XNUMX.-1 пик в спектрах комбинационного рассеяния света. Исследователи использовали отдельные особенности соотношения пиков 2850/2930 и интенсивности шести характерных пиков из спектров ЧМТ, чтобы сформировать классификацию SKiNET, в результате чего получился спектроскопический штрих-код для обнаружения ЧМТ.

Чтобы оценить способность системы EyeD дифференцировать ЧМТ по изменениям сетчатки, они рассчитали площадь под кривой (AUC) для каждого пика и соотношение пиков 2930/2850, а также построили график истинно положительных результатов в сравнении с ложноотрицательными показателями. Использование оптимизации SKiNET с 10-кратной перекрестной проверкой обучающих данных привело к точности классификации 90.7±0.9%. Этот результат указывает на то, что изменения пикового соотношения 2930/2850 после ЧМТ могут стать ценным индикатором для отличия ЧМТ от здоровых людей.

«Использование одновременной рамановской спектроскопии и визуализации глазного дна в виде недорогого портативного устройства открывает первый реальный путь к неинвазивной диагностике ЧМТ на месте», — говорит Оппенгеймер. Мир физики.

Следующим шагом станет оптимизация прототипа для клинической проверки. Чтобы облегчить клинический перевод, исследователи планируют заменить автономный спектрометр компактным спектрометром на устройстве и считыванием данных на смартфоне, что позволит фотографировать глазное дно и рамановскую спектроскопию с помощью одного экрана смартфона.

«В настоящее время мы разрабатываем удобное для пользователя развертываемое устройство, интегрированное с нашим алгоритмом искусственной нейронной сети для автоматической интерпретации результатов без необходимости поддержки специалиста и быстрой классификации спектральных данных», — говорит Оппенгеймер. «[Мы также] клинически оцениваем удобство использования устройства на здоровых добровольцах и пациентах, чтобы продемонстрировать его потенциал для диагностики в реальном времени. После установления переносимости и удобства использования устройства мы приступаем к первой оценке на людях и небольшому клиническому исследованию».

Отметка времени:

Больше от Мир физики