1. Przyrząd konstruowany w Instytucie Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie pozwoli dzięki światłu oceniać stan ukrwienia mózgu. (Źródło: IBIB PAN)

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: Instytut Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej