• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Światło pomaga monitorować stan uszkodzonego mózgu

    31.08.2013. 21:45
    opublikowane przez: Redakcja

    Informacja o zmianach zachodzących w ukrwieniu mózgu ma istotne znaczenie przy leczeniu pacjentów z poważnymi uszkodzeniami neurologicznymi. Lecz aparatura w klinikach nie pozwala prowadzić u ciężko chorych ciągłych pomiarów czynności mózgu. To może się zmienić – dzięki przyrządowi do oceny ukrwienia mózgu za pomocą światła, powstającemu w Instytucie Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej PAN w Warszawie.

    Światło pozwoli lekarzom zdobyć informacje o zmianach w ukrwieniu mózgu ciężko chorych pacjentów, wynika z badań Instytutu Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej Polskiej Akademii Nauk (IBIB PAN) w Warszawie. Wcześniejsze prace nad optycznymi metodami analizy ukrwienia mózgu, prowadzone w klinikach całego świata, dawały niejednoznaczne rezultaty. „Wyniki naszych badań, otrzymane za pomocą zaawansowanej aparatury optoelektronicznej, są bardziej przekonujące”, stwierdza dr hab. inż. Adam Liebert, prof. IBIB PAN.

    Prace nad przyrządem do oceny ukrwienia mózgu z użyciem światła zainicjował w IBIB PAN prof. dr hab. inż. Roman Maniewski, jeszcze w latach 90. ubiegłego wieku. Obecnie są one kontynuowane w zespole kierowanym przez prof. Lieberta.

    Optyczne metody do monitorowania mózgu wykorzystują fakt, że kości czaszki są w pewnym stopniu przezierne dla światła, zwłaszcza dla fal świetlnych z zakresu bliskiej podczerwieni, o długościach między 650 a 850 nanometrów (miliardowych części metra). Istotne znaczenie mają właściwości hemoglobiny, której utlenowana forma w inny sposób oddziałuje ze światłem niż forma zredukowana. Zjawisko to pozwala oceniać stopień natlenienia obserwowanej części ciała poprzez analizę intensywności światła penetrującego tkankę.

    Podstawowymi elementami optycznych urządzeń diagnostycznych są niewielkie źródła światła (diody laserowe) oraz czułe fotodetektory. Źródła i detektory, zwykle oddalone od siebie o 2-5 cm, są zestawiane w pary. Do głowy pacjenta można przyłożyć jednocześnie od kilku do kilkunastu takich par, co potencjalnie pozwala badać znaczną część mózgu. Sygnały zarejestrowane przez detektory trafiają światłowodami do fotopowielaczy. Po wzmocnieniu są przesyłane do komputera wyposażonego w karty pozwalające na zliczanie pojedynczych fotonów.

    „Objętość wewnątrz czaszki, penetrowana przez światło, przypomina kształtem banan, którego jeden koniec znajduje się w źródle, a drugi w detektorze. W miejscu, gdzie fotony penetrują czaszkę najgłębiej, docierają one do kory mózgowej. To oznacza, że część rejestrowanych fotonów oddziałuje z hemoglobiną krwi krążącej w naczyniach krwionośnych zewnętrznych warstw mózgu”, wyjaśnia prof. Liebert.

    W IBIB PAN wykonano niedawno pomiary dla rekordowej odległości między źródłem światła a detektorem, wynoszącej 9 cm. Do oceny ukrwienia mózgu użyto niskotoksycznego, optycznego środka kontrastującego – dobrze znanej klinicystom zieleni indocyjaninowej. Była ona podawana pacjentom dożylnie podczas pomiaru.

    Światło rejestrowane przy monitorowaniu czynności mózgu niesie nie tylko informacje o tym, co się dzieje w korze mózgowej, ale także zbędne dane od ukrwionych struktur zewnątrzmózgowych, m.in. skóry. Istnieje kilka metod odróżniania sygnałów z mózgu od niepożądanych zakłóceń. Przyrząd z IBIB PAN należy do najbardziej zaawansowanej technologicznie grupy urządzeń, rejestrujących czasy przelotu pojedynczych fotonów w tkance. W tej technice źródło światła emituje wiele krótkich (pikosekundowych) impulsów świetlnych. Im dłuższy czas od wyemitowania fotonu do momentu jego rejestracji, tym większa szansa, że oddziaływał on z głębszymi strukturami tkanek wewnątrz czaszki – a więc z korą mózgową.

    „Obrazy obu półkul mózgowych, otrzymywane naszym przyrządem, w największej rozdzielczości składają się z 32 pikseli odpowiadających parom źródło-detektor na powierzchni głowy”, mówi doktorant Daniel Milej (IBIB PAN) i wyjaśnia: „Niewielka rozdzielczość przestrzenna wynika z ograniczeń fizycznych. W optycznych obserwacjach mózgu zjawiska związane z rozpraszaniem światła dominują nad jego absorpcją. Dlatego rozdzielczość tych obrazów jest znacznie mniejsza od typowej dla tomograficznych metod obrazowania medycznego”.

    O użyteczności aparatury nie decyduje jednak sama rozdzielczość obrazów. Główną zaletą przyrządu z IBIB PAN jest nieinwazyjność pomiaru. Światło emitowane przez diody laserowe jest całkowicie bezpieczne i nie wywołuje zmian w tkankach. Równie istotna jest prostota badań. Na głowie pacjenta wystarczy umieścić czepek z umocowanymi w nim światłowodami oraz wstrzyknąć choremu niewielką dawkę środka kontrastującego. Samo badanie trwa zaledwie kilka minut i można je powtarzać wielokrotnie w ciągu dnia. Co więcej, aparatura pomiarowa w wersji laboratoryjnej, a więc jeszcze niezminiaturyzowanej, ma rozmiary lodówki. Jest mobilna i można z nią podjechać do łóżka nawet ciężko chorego pacjenta leczonego w warunkach oddziału intensywnej opieki medycznej. Może być ona też używana na sali operacyjnej.

    Zalety optycznych metod obserwacji mózgu widać w zestawieniu z dostępnymi w szpitalach technikami obrazowania. Tomografia komputerowa i rezonans magnetyczny wymagają dużej, stacjonarnej aparatury. Pacjent musi być przetransportowany do wyspecjalizowanej pracowni, z czym wiąże się często konieczność odłączenia go od innego sprzętu medycznego. Ponadto chory musi być unieruchomiony, a samo badanie jest kosztowne. W praktyce szpitale nie dysponują żadną aparaturą pozwalającą bezpośrednio przy łóżku chorego monitorować w sposób ciągły zmiany zachodzące w systemie mikrokrążenia krwi w mózgu.

    We współpracy z Warszawskim Uniwersytetem Medycznym i Oddziałem Intensywnej Opieki Medycznej Szpitala Praskiego w Warszawie naukowcy z IBIB PAN przeprowadzili niedawno optyczne pomiary ukrwienia mózgu u pacjentów z pourazowymi uszkodzeniami mózgu. Badano chorych z obrzękiem mózgu i po wylewach krwi do struktur podkorowych mózgu. W obu przypadkach zaobserwowano różnice względem sygnałów zebranych na zdrowych ochotnikach. Dane z badań zostały niedawno opublikowane przez renomowane czasopismo „NeuroImage”.

    „Możliwość ciągłego monitorowania parametrów krążenia mózgowego może mieć kluczowe znaczenie dla procesu leczenia pacjentów z poważnymi uszkodzeniami neurologicznymi. Uzyskane wyniki sugerują, że metoda optyczna może być użyteczna w praktyce klinicznej”, mówi anestezjolog dr Wojciech Weigl, który koordynował badania kliniczne nowej metody pomiarowej.

    Zanim przyrząd z IBIB PAN trafi do szpitali i klinik, potrzebne są jednak dalsze badania.

    Prace nad nieinwazyjnymi metodami optycznego monitorowania mózgu były i są prowadzone w IBIB PAN dzięki grantom Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, Narodowego Centrum Nauki oraz projektu nEUROPt finansowanego ze środków Unii Europejskiej.

    Instytut Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej im. Macieja Nałęcza Polskiej Akademii Nauk (IBIB PAN) w Warszawie jest największym centrum badawczym w dziedzinie inżynierii biomedycznej w Polsce. Główne kierunki badawcze Instytutu to biopomiary w połączeniu z komputerowym przetwarzaniem danych i ich analizą do celów diagnostyki medycznej oraz wspomaganie i zastępowanie utraconych funkcji organizmu przy użyciu narzędzi technicznych i hybrydowych (techniczno-biologicznych) z uwzględnieniem matematycznych i fizycznych modeli wybranych narządów i układów fizjologicznych oraz ich symulacji komputerowej. W Instytucie funkcjonuje Centrum Doskonałości zajmujące się sztucznymi i hybrydowymi narządami wewnętrznymi wspomagającymi metabolizm. IBIB PAN jest koordynatorem krajowej sieci naukowej BIOMEN, prowadzącej badania w dziedzinie inżynierii biomedycznej. Wyniki prac badawczych IBIB PAN, w postaci oryginalnych systemów diagnostycznych i metod terapeutycznych, wdrożono do praktyki klinicznej w wielu polskich ośrodkach medycznych.

    Źródło: Informacja prasowa Instytutu Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej im. Macieja Nałęcza Polskiej Akademii Nauk.


    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Jan Maria Wójcicki (ur. 1946, zm. 28 grudnia 2013 w Warszawie) – polski specialista w zakresie inżynierii biomedycznej, prof. dr hab., dyrektor Instytutu Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej im. Macieja Nałęcza (IBIB) PAN (od 2007 r.), członek korespondent PAN. Juliusz Lech Kulikowski (ur. w 1931 w Nowym Mieście Lubawskim) – profesor specjalizujący się w biocybernetyce i inżynierii biomedycznej, pracuje w Instytucie Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej PAN. Obszar Jego badań naukowych to: systemy informatyczne, techniki fal ultrakrótkich, teoria informacji, zastosowania komputerów w medycynie, informacji naukowej i badaniach doświadczalnych. Tomografia Optyczna z użyciem światła częściowo spójnego (ang. Optical Coherence Tomography – OCT) jest metodą odbioru i przetwarzania sygnału optycznego. Przechwytuje ona trójwymiarowe obrazy z rozdzielczością rzędu do mikrometrów, uzyskiwane z optycznie rozpraszających ośrodków (np. tkanek biologicznych). OCT jest techniką interferometryczną, korzystającą głównie ze światła o długości fali bliskiej falom podczerwonym.

    Optyka biomedyczna (biooptyka) – dziedzina medycyny z zakresu inżynierii biomedycznej, zajmująca się wykorzystaniem światła w badaniach obiektów biologicznych, w diagnostyce medycznej i terapii. Światłowody fotoniczne (ang. Photonic crystal fiber, PCF, dosłowne tłumaczenie "światłowód z kryształu fotonicznego") to nowa rodzina włókien światłowodowych, wykorzystująca do prowadzenia światła właściwości kryształów fotonicznych. Dzięki zdolności skupiania światła w pustym rdzeniu oraz charakterystykom skupiania światła niemożliwym do uzyskania w klasycznych światłowodach, światłowody fotoniczne mogą znaleźć zastosowanie w komunikacji światłowodowej, laserach światłowodowych, optycznych przyrządach nieliniowych, transmisji dużych mocy optycznych, czujnikach gazów i w innych obszarach.

    Monitor badań klinicznych (ang. Clinical Research Associate, CRA) – pracownik firmy sponsorującej badanie kliniczne lub jego przedstawiciel np. firma CRO (Contract Research Organization), którego głównym zadaniem jest monitorowanie badania. Monitor badań klinicznych jest odpowiedzialny za ocenę zgodności prowadzonego badania klinicznego z zasadami Dobrej Praktyki Klinicznej, zapewnienie przestrzegania protokołu badania, czuwanie nad bezpieczeństwem pacjentów uczestniczących w badaniu w tym prawidłowe raportowanie ciężkich zdarzeń niepożądanych, wyjazdy monitorujące do ośrodków badawczych, weryfikowanie danych wpisanych do Karty Obserwacji Klinicznej z historią choroby pacjenów, kontrolę gospodarki badanym produktem, raportowaniem po każdej wizycie monitorującej faktycznego stanu badania w poszczególnych ośrodkach badawczych, rejestrację badania w Urzędzie Rejestracji Produktów Leczniczych, Wyrobów Medycznych i Preparatów Biobójczych i Komisji Bioetycznej oraz rutynowymi kontaktami z zespołem badawczym każdego ośrodka uczestniczącego w badaniu. Jakość uzyskiwanych danych przez ośrodki badawcze jest na bieżąco kontrolowana przez Monitora Badań Klinicznych, jest to pierwsza osoba weryfikująca wiarygodność danych. Datowanie optyczne – datowanie metodą Optycznie Stymulowanej Luminescencji (OSL), należące do grupy luminescencyjnych metod datowania bezwzględnego, stosowanych w geologii i archeologii. Jako pierwsza była wykorzystywana metoda termoluminescencji (TL), która obecnie, używana coraz rzadziej, jest wypierana przez nowocześniejszą metodę OSL. Zasadnicza różnica między metodami TL a OSL polega na zastąpieniu stymulacji termicznej (TL) przez stymulację optyczną (OSL). Przewaga datowania osadów geologicznych metodą OSL opiera się na wykorzystaniu tego samego czynnika – światła – zarówno do zerowania, jak i do stymulacji (wyzwolenia) sygnału luminescencji, wykorzystywanego tutaj jako miara upływu czasu. Dzięki temu, założenia metodologiczne datowania metodą OSL są bliższe naturalnym warunkom powstawania osadów geologicznych, sprzyjających wygaszaniu luminescencji przez światło dzienne w czasie transportu i depozycji osadu. Ponadto, protokoły pomiarowe OSL (m.in.: pojedynczych porcji i pojedynczych ziaren) są bardziej elastyczne i mniej podatne na zaburzenia (np. zmiany czułości) niż w przypadku metody TL. W obu metodach do datowania wykorzystuje się sygnały powszechnie występujących minerałów, m.in. takich jak kwarc i skalenie. Zakres metody OSL sięga od kilku do kilkuset tysięcy lat, a niepewność określonego wieku mieści się w zakresie od około jednego do kilkunastu procent. Przewagi metody OSL nad TL są wykorzystywane nie tylko w datowaniu, ale również w bardziej ogólnej gałęzi nauki jaką jest dozymetria.

    Teoria korpuskularna światła to teoria, w której światło traktuje się jako strumienie cząstek. Uważa się dziś, że zjawiska interferencji światła (czyli nakładania się wiązek świetlnych) można wyjaśnić tylko za pomocą falowej teorii światła. Na podstawie tej teorii wzmacnianie lub osłabianie wiązek świetlnych wyjaśniamy nakładaniem się fal świetlnych w fazach zgodnych lub przeciwnych. Korpuskularna teoria światła nie może tego wyjaśnić, jednakże teoria falowa nie jest w stanie wyjaśnić innych zjawisk, jak na przykład efektu fotoelektrycznego. Przyjmuje się więc, iż światło ma naturę dualną. Inżynieria biomateriałów jest dziedziną nauki interdyscyplinarnej, która sprowadza się do badania i wytwarzania materiałów biozgodnych, implantów, aparatury medycznej i sztucznych narządów. Jej szerokie zastosowanie możemy dostrzec w inżynierii genetycznej, biotechnologii i inżynierii biomedycznej.

    Nefelometr – przyrząd optyczny służący do pomiaru natężenia światła rozproszonego przez zawiesiny w cieczach lub gazach. Umożliwia oznaczenie stężenia zawiesiny w roztworze oraz rozmiarów i masy jej cząstek. Używany jest także do badania atmosfery. Głównymi elementami przyrządu są źródło światła i fotodetektor ustawione w stosunku do siebie pod pewnym kątem różnym od 180° (najczęściej 90°).

    Monochromator – przyrząd optyczny rozszczepiający światło w celu otrzymania jedynie niewielkiego fragmentu z jego widma. Monochromatory służyć mogą do określania współczynnika pochłaniania światła przez filtry oraz do badań, w których używane jest światło monochromatyczne - np. w fotoluminescencji.

    Światłowód jednomodowy – rodzaj światłowodu służący do przesyłania jednego modu światła, nazywanego modem podstawowym. Największą zaletą tego typu światłowodów jest możliwość przesyłania danych na duże odległości, bez znaczącego zniekształcenia i tłumienia sygnału. Pozwala to na budowę systemów transmisyjnych dalekiego zasięgu, osiągających znaczne przepływności. Tomografia Optyczna z użyciem światła częściowo spójnego (ang. Optical Coherence Tomography - OCT) jest metodą diagnostyczną pozwalającą na uzyskanie wysokiej rozdzielczości podpowierzchniowych obrazów materiałów przepuszczających światło.

    Dodano: 31.08.2013. 21:45  


    Najnowsze