머리에 갑작스러운 충격이나 충격으로 인해 발생하는 외상성 뇌손상(TBI)은 가능한 한 빠른 진단이 필요합니다. 돌이킬 수 없는 손상을 방지하려면 외상 후 "골든 아워" 내에 생명에 중요한 치료 결정을 내려야 합니다. 그러나 현장에서 TBI를 진단하는 것은 구급차 승무원의 관찰에 의존하고 병원 도착 시 MRI 또는 CT 스캔과 같은 방사선 조사에 의존하기 어렵습니다.
보다 시기적절한 개입을 가능하게 하기 위해, 버밍엄 대학교 눈에 안전한 레이저를 조사해 TBI를 검출하는 휴대용 진단 장치를 개발하고 있습니다. 에 설명된 장치 과학의 발전는 길가, 전쟁터 또는 스포츠 경기장에서 부상이 발생하는 즉시 TBI 환자를 평가하고 외상의 심각도를 판단하여 그에 따라 직접 치료하는 데 사용되는 것을 목표로 합니다.
눈에 안전한 장치(EyeD)는 분자 구성을 조사하기 위해 레이저 빛의 비탄성 산란을 사용하는 광학 기술인 라만 분광법을 기반으로 합니다. 635nm 클래스 1 레이저를 각막에 비추는 방식으로 작동합니다. 그런 다음 시준된 광선은 눈 자체의 광학 장치에 의해 망막에 초점이 맞춰집니다. 관심 영역에 레이저를 조준하기 위해 EyeD 시스템은 스마트폰 카메라를 사용하여 안저 영상과 분광 분석을 동시에 수행하여 눈 뒤쪽을 시각화합니다.
인공 신경망 알고리즘 SKiNET을 의사 결정 지원 도구로 사용하여 망막과 시신경에서 수집된 라만 스펙트럼을 분석하여 TBI 관련 생화학적 변화가 있는지 확인합니다. 망막과 시신경은 뇌와 매우 밀접하게 연결되어 있기 때문에 부상 후 바이오마커의 변화는 뇌 미세환경의 생화학적 변화를 반영합니다.
“우리 장치는 살아있는 신경망막/시신경 조직의 급성 조난 변화를 실시간으로 직접 평가함으로써 TBI의 조기 진단을 가능하게 할 것입니다. 이를 통해 중추 신경계 조직을 직접적이고 비침습적으로 조사할 수 있습니다.”라고 팀 리더는 설명합니다. 폴라 골드버그 오펜하이머. "중추신경계의 투영으로서 신경망막을 분석하는 것은 뇌 생화학에 대한 창을 제공합니다."
분광학 연구
이미징 장치의 성능을 테스트하기 위해 Oppenheimer와 동료들은 눈의 물리적 크기와 광학적 특성을 모방하는 동시에 망막의 현실적인 라만 시그니처를 제공하는 조직 팬텀을 만들었습니다. 팬텀에는 렌즈, 확장되지 않은 동공을 나타내는 4mm 직경의 핀홀 및 망막 조직용 샘플 홀더가 포함되어 있습니다.
연구팀은 EyeD 장치가 망막의 원하는 위치에 레이저 빔의 초점을 효과적으로 맞출 수 있음을 입증했습니다. 조직 팬텀에서 측정된 스펙트럼은 다양한 조직 유형을 구별하는 데 사용할 수 있는 높은 파수 영역의 주요 라만 밴드를 확인했습니다.
다음으로 연구원들은 프로토타입 장치를 사용하여 크기, 구조, 발달 및 구성이 인간의 눈과 유사한 돼지 눈의 망막 샘플을 분석했습니다. 그들은 510개의 TBI 망막 샘플과 39개의 대조 샘플에서 12개의 측정값을 수집하여 시신경 유두에 가까운 스펙트럼을 기록했습니다. 전반적으로 라만 스펙트럼은 1200-1700cm-XNUMX에서 몇 가지 특징적인 밴드를 보여주었습니다.- 1 지문 영역과 2800~3200 cm 의 높은 파수 대역 강화- 1 부위.
SKiNET을 사용하여 망막 라만 스펙트럼의 클러스터링을 보여주는 자체 최적화 맵(SOM)을 생성한 결과 TBI가 있는 망막과 대조 샘플 사이의 명확한 분리가 나타났습니다. 이는 라만 스펙트럼이 TBI 후 눈의 생화학적 변화를 반영하기 때문에 발생합니다. 예를 들어, TBI는 눈의 지질과 단백질 함량을 증가시켜 이들로부터 발생하는 피크가 라만 스펙트럼에서 더욱 뚜렷해지게 만듭니다.
TBI에 대한 반응에서 가장 중요한 스펙트럼 변화는 뇌 지질 카디오리핀과 시토크롬 C의 기여로 인한 것인데, 이는 2930 대 2850 cm 비율의 증가로 나타납니다.-1 라만 스펙트럼의 피크. 연구진은 TBI 스펙트럼에서 선택된 2850/2930 피크 비율과 XNUMX개 특징 피크 강도를 사용하여 SKiNET 분류를 형성하고 TBI 검출을 위한 분광 바코드를 생성했습니다.
망막 변화를 통해 TBI를 구별하는 EyeD 시스템의 능력을 평가하기 위해 그들은 각 피크에 대한 곡선 아래 면적(AUC)과 2930/2850 피크 비율을 계산하고 위음성 비율에 대한 참양성을 표시했습니다. 훈련 데이터에 대한 10겹 교차 검증과 함께 SKiNET 최적화를 사용하면 분류 정확도가 90.7±0.9%로 나타났습니다. 이 결과는 TBI 이후 2930/2850 피크 비율의 변화가 TBI를 건강한 대조군과 구별하는 귀중한 지표를 제공할 수 있음을 나타냅니다.
"저비용의 휴대용 장치로 패키지된 라만 분광기와 안저 영상을 동시에 사용하면 TBI의 비침습적 현장 진단을 향한 최초의 실질적인 경로를 제공합니다."라고 Oppenheimer는 말합니다. 물리 세계.
뇌진탕의 경우 눈은 뇌의 창입니다
다음 단계는 임상 검증을 위해 프로토타입을 최적화하는 것입니다. 임상 번역을 용이하게 하기 위해 연구원들은 독립형 분광계를 소형 온디바이스 분광계 및 스마트폰 판독 장치로 교체하여 단일 스마트폰 화면을 통해 안저 사진 및 라만 분광학을 사용할 계획입니다.
Oppenheimer는 "우리는 현재 전문적인 지원 없이 출력을 자동으로 해석하고 스펙트럼 데이터를 신속하게 분류하기 위해 인공 신경망 알고리즘과 통합된 사용자 친화적인 배포 가능 장치를 엔지니어링하고 있습니다."라고 말합니다. “[우리는 또한] 실시간 진단의 잠재력을 입증하기 위해 건강한 지원자와 환자의 장치 유용성을 임상적으로 평가하고 있습니다. 기기 내약성과 사용성을 확립한 후 최초 인체 평가와 소규모 임상시험을 진행하고 있습니다.”
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- 출처: https://physicsworld.com/a/handheld-device-uses-eye-safe-retinal-spectroscopy-to-diagnose-brain-injury/
