高密度多通道散斑对比光学光谱技术绘制人脑血流图谱：在脑功能成像中的突破

《Communications Biology》：Mapping human cerebral blood flow with high-density, multi-channel speckle contrast optical spectroscopy

本研究针对传统脑血流监测技术存在的空间分辨率低、成本高等问题，开发了一种高密度多通道散斑对比光学光谱（SCOS）系统。通过7个光源和17个CMOS探测器组成的阵列，实现了7.6 cm × 6.6 cm范围内50个源-探测器通道的同步测量，在Stroop任务中成功绘制出脑血流变化图谱，为脑功能研究提供了新型光学成像工具。

　　

当我们思考、感受或执行任务时，大脑特定区域的血流会发生变化，这种被称为神经血管耦合的现象是理解大脑功能的关键。然而，传统监测脑血流（CBF）的技术如功能磁共振成像（fMRI）和计算机断层扫描灌注成像存在明显局限：fMRI虽然空间分辨率高但时间分辨率有限，且设备昂贵笨重；其他方法如经颅多普勒超声则无法提供空间图谱。这些限制促使研究人员寻找更实用、可及的技术方案。

光学成像方法因其非侵入性、便携性和相对低成本而展现出独特优势。其中，扩散相关光谱（DCS）能够通过分析散射激光形成的散斑图案的时间动态来测量血流，但传统DCS信噪比（SNR）较低，且对大脑深层组织的敏感性不足。近年来兴起的散斑对比光学光谱（SCOS）技术通过计算散斑图案的对比度（K=σ(I)/?I?）来评估血流，利用低成本CMOS相机对数千至数百万个像素/散斑进行平均，显著提高了信噪比（>10倍）。

尽管先前研究已证明单通道SCOS测量CBF变化的可行性，但单点测量无法捕捉脑活动的空间异质性。为此，波士顿大学和麻省总医院的研究团队在《Communications Biology》上发表了最新研究成果，开发了一套高密度多通道SCOS系统，首次实现了人脑功能活动的高空间分辨率血流图谱绘制。

关键技术方法包括：1）采用振镜时序复用技术将852 nm激光分配到7个光源光纤；2）17个探测器由光纤束投射至CMOS相机，形成50个源-探测器通道；3）通过7×7像素窗口预处理降低数据量；4）使用液体流动体模验证系统性能；5）对15名受试者进行词色Stroop任务（WCS）测试，通过短距离通道回归消除头皮信号污染。

系统性能验证结果表明，该SCOS系统在振镜光束控制过程中强度波动标准偏差为5.6×10^-4，远低于脑激活期间预期的信号变化（1×10^-2至2×10^-2）。在液体体模实验中，系统成功检测到2 cm/s流速变化引起的局部rD_B-1（相对血流指数）增加，且33 mm源-探测器距离（SDS）通道比19 mm SDS通道显示出更高的深度敏感性。

人体测量结果显示，在词色Stroop任务中，不一致任务条件下19 mm SDS通道的△OD（光密度变化）为(4.2±1.8)×10^-3（p=0.033），33 mm SDS通道为(8.0±3.1)×10^-3（p=0.021）；rD_B-1变化分别为3.3±1.2%（p=0.014）和3.5±1.3%（p=0.013）。激活最强的通道平均信号变化为△OD 1.7×10^-2和rD_B-1 6.6%。

空间分布分析表明，△OD显著通道同时存在于内侧和外侧区域，而rD_B-1显著通道仅位于外侧。图像重建结果进一步证实，rD_B-1激活模式更加聚焦于背外侧前额叶皮层（DLPFC），与功能性近红外光谱（fNIRS）研究报道的激活区域一致。

讨论部分指出，当前系统的局限性包括单波长（852 nm）测量无法区分氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR），以及14.3 Hz的采样率对更高时间分辨率应用的限制。此外，数据量巨大（每次测量约12 TB）和运动敏感性也是需要解决的挑战。

该研究的重要意义在于首次实现了高密度SCOS系统对人脑功能活动血流变化的空间图谱绘制，为神经科学研究和临床监测提供了新型工具。未来发展方向包括集成多波长fNIRS实现血红蛋白浓度同步测量、开发实时预处理算法以及设计穿透头发能力更强的光极。这项技术有望在麻醉监测、急性脑梗死和神经退行性疾病等临床场景中发挥重要作用。