Spettroscopia ottica a contrasto di macchioline: una soluzione per la diagnosi precoce dell'ictus? / Speckle contrast optical spectroscopy: a solution to stroke screens?

Spettroscopia ottica a contrasto di macchioline: una soluzione per la diagnosi precoce dell'ictus? / Speckle contrast optical spectroscopy: a solution to stroke screens?

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Il normale flusso sanguigno cerebrale, fisiologico ed autoregolato, è fondamentale per praticamente tutti gli aspetti della salute umana e, quando si altera, le conseguenze possono essere catastrofiche.  Tuttavia, a causa dello spessore del cranio e della complessa rete di tessuti vascolarizzati presenti nella testa, il monitoraggio del flusso sanguigno cerebrale risulta complesso e talvolta richiede procedure lunghe e complesse, soprattutto in situazioni in cui il tempo a disposizione è limitato. 

Per risolvere questo problema, un gruppo multidisciplinare di ricercatori ha sviluppato un dispositivo basato sulla spettroscopia ottica a contrasto di macchioline per colmare questa lacuna. Qui, parliamo con Charles Liu, direttore del Neurorestoration Center dell'Università della California del Sud (CA, USA), e Simon Mahler, ora professore assistente presso lo Stevens Institute of Technology (NJ, USA), che fino a poco tempo fa lavorava a questo progetto presso il California Institute of Technology (CA, USA), i quali ritengono di aver trovato la soluzione ideale per misurare rapidamente il flusso sanguigno cerebrale.

Membri del gruppo multidisciplinare sono Simon Mahler, Yu Xi (Max) Huang (Caltech), Changhuei Yang (Caltech) e Charles Liu. 

Potresti illustrare il principio di funzionamento alla base della spettroscopia ottica a contrasto di macchioline?

Simon: Il principio si basa su raggi laser che, in questo caso, penetrano nel cuoio capelluto e si disperdono in tutte le direzioni. Posizionando una telecamera o un sensore sull'altro lato della testa, in genere a pochi centimetri di distanza, per rilevare la luce diffusa, è possibile raccogliere la luce che, a questo punto, ha interagito con diversi tessuti ed i loro componenti. I diversi tessuti, le loro proprietà e il loro comportamento, influenzano il modello di interferenza del laser e l'immagine risultante, definita "modello di macchie", rilevata e trasmessa dal sensore.

Nella nostra ricerca, ci siamo impegnati ad utilizzare questa tecnica per valutare il flusso sanguigno. In linea di massima, la velocità con cui si muovono i globuli rossi influenza la quantità di sfocatura, o "contrasto di macchioline", in un'immagine a modello di macchioline. Se il sangue si muove velocemente, ci sono più eventi di macchioline, il che porta ad un'immagine più nitida. Registrando tra 50 e 100 immagini al secondo, è possibile quantificare la quantità di speckle e quindi quantificare la variazione della macchiolina da un'immagine all'altra per stimare il flusso sanguigno.

Quali sono le sfide attualmente associate allo studio del flusso sanguigno nel cervello?

Charles: La misurazione del flusso sanguigno cerebrale è un aspetto molto importante in una vasta gamma di patologie, come ictus, emicrania, convulsioni ed epilessia, e le tecniche ecografiche ci hanno già dimostrato che la propagazione delle convulsioni può essere visualizzata attraverso le variazioni del flusso sanguigno cerebrale. Anche i disturbi neurodegenerativi, come la demenza vascolare, sono influenzati ed indicati dal flusso sanguigno. In sostanza, qualsiasi funzione cerebrale, da quella cognitiva a quella sensomotoria, fino a quelle controllate dal sistema nervoso autonomo, richiede un normale flusso sanguigno cerebrale autoregolato.

La maggior parte delle tecniche utilizzate a questo scopo, come la risonanza magnetica (RM) e la tomografia computerizzata (TC), sono costose e possono essere relativamente lente. Le scansioni di perfusione PET e SPECT richiedono l'iniezione di radionuclidi, che richiede tempo, competenze e risorse preziose, elementi che potrebbero non essere disponibili in ogni contesto sanitario. Inoltre, sebbene la risonanza magnetica possa fornire immagini con un'eccellente risoluzione spaziale, la risoluzione temporale rimane una sfida e non è possibile acquisire molte immagini al secondo.

L'unica opzione veramente portatile e pratica disponibile al momento è il Doppler transcranico (TCD), che utilizza gli ultrasuoni, ma è limitato all'esame della parte più sottile del cranio, la squama temporale, per visualizzare i grandi vasi sanguigni come l'arteria cerebrale media. Ci sono stati certamente progressi nel campo degli ultrasuoni, come le tecniche di ultrasuoni funzionali ad onda piana ultraveloci, ma il cranio continua a rappresentare una sfida per queste tecnologie.

In che modo questa tecnica potrebbe affrontare alcune delle difficoltà nel monitoraggio del flusso sanguigno cerebrale?

Simon: Innanzitutto, offre la possibilità di determinare rapidamente il flusso sanguigno con un'elevata risoluzione temporale. In precedenza, questa tecnica si è dimostrata efficace nei modelli animali, ma spesso è associata all'asportazione di una sezione del cranio per migliorare l'accesso al cervello. Tuttavia, abbiamo recentemente dimostrato di poter sviluppare un dispositivo laser con sensori multicanale che funziona sulla testa umana senza la necessità di alcuna asportazione del cranio. L'aspetto multicanale ci consente di monitorare simultaneamente il flusso ed il volume sanguigno, poiché possiamo utilizzare un canale per rilevare un profilo di attenuazione della luce simile a quello utilizzato nella spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso, che rileva l'emoglobina ossigenata per dedurre il volume sanguigno, mentre l'imaging a contrasto di macchioline rileva il flusso sanguigno. Inoltre, questo dispositivo può essere costruito con componenti relativamente piccoli ed economici, il che lo rende una tecnica altamente portatile e scalabile.

Se riuscissimo a sviluppare questa tecnica in un metodo economico, portatile ed efficace per monitorare il flusso sanguigno cerebrale, avrebbe un impatto enorme sulla sanità a livello globale. Immaginate un ospedale in qualche parte del mondo sprovvisto di risonanza magnetica o TAC che abbia comunque bisogno di stabilire se una persona è a rischio di ictus o ha subito una lesione cerebrale. Oppure immaginate una situazione di emergenza in cui è necessario valutare rapidamente il flusso sanguigno cerebrale di qualcuno, ad esempio in un'ambulanza in viaggio verso l'ospedale. In questi casi, questa tecnica potrebbe intervenire e sostituire il ruolo di queste apparecchiature, fornendo persino capacità diagnostiche rapide ed accessibili.

In che modo il tuo ultimo articolo contribuisce al progresso della spettroscopia ottica a contrasto di macchioline?

Charles: Finora non eravamo riusciti a dimostrare in modo categorico che questa tecnica misurasse il flusso sanguigno al cervello e non solo al cuoio capelluto. Questa questione è stata centrale per molte tecniche transcraniche ed altri ricercatori hanno condotto simulazioni e modelli computazionali per fornire "prove" che il segnale monitorato fosse effettivamente il segnale previsto del flusso sanguigno cerebrale. Tuttavia, volevamo dimostrare in modo definitivo, sugli esseri umani, nel contesto clinico per cui è destinata ad essere utilizzata, che questa tecnica potesse indagare oltre il cuoio capelluto ed il cranio e fornire una lettura proveniente dal cervello.

Simon: Per fare ciò, abbiamo utilizzato un approccio fantastico suggerito dal gruppo di Charles, in cui abbiamo bloccato temporaneamente ed in sicurezza il flusso sanguigno solo sul cuoio capelluto ed altri ancora il cervello. Ciò richiede semplicemente di modificare la distanza tra i canali; quando è maggiore abbiamo osservato la variazione del flusso sanguigno a livello del cuoio capelluto. Il dispositivo ha diversi canali che possiamo orientare in modo che alcuni osservino il cuoio capelluto, altri il cranio e la distanza, più profondo è il tessuto bersaglio.

Analizzando le variazioni del flusso sanguigno nel cuoio capelluto mediante questa tecnica di occlusione, abbiamo osservato che i canali più distanti risentono sempre meno di questa attenuazione del segnale man mano che si occlude il flusso sanguigno al cuoio capelluto. Questo studio conferma che disponiamo di un dispositivo ottico laser in grado di misurare il flusso sanguigno anche al di là del cuoio capelluto e degli strati del cranio.

In quali ambiti pensi che questo dispositivo avrà il maggiore impatto?

Simon: Prevedere il rischio di ictus è uno dei nostri obiettivi principali, ed il vantaggio del nostro dispositivo rispetto ad altri per la rilevazione del rischio di ictus è il fatto che possiamo misurare simultaneamente sia il flusso sanguigno che il volume sanguigno.

Abbiamo recentemente utilizzato questo approccio in uno studio di principio sul rischio di ictus con 50 partecipanti, che ora stiamo cercando di estendere a una coorte più ampia. In questo studio, abbiamo chiesto a pazienti con diversi gradi di rischio di ictus di trattenere il respiro. In genere, quando si trattiene il respiro, si accumula troppa CO₂  nel cervello e non c'è abbastanza ossigeno, quindi si attiva la vasodilatazione per fornire più ossigeno ed eliminare la CO₂ . Questo aumenta il volume del sangue poiché più sangue viene diretto al cervello, il che significa che non si verificano grandi variazioni nel flusso sanguigno cerebrale.

Tuttavia, abbiamo scoperto che se si ha un rischio più elevato di ictus, l'aumento del flusso sanguigno è molto maggiore rispetto ai partecipanti a basso rischio, ma il volume sanguigno è l'opposto: l'aumento del volume sanguigno è minore nei partecipanti ad alto rischio di ictus rispetto a quelli a basso rischio. Questo ci ha incuriosito. Perché il flusso sanguigno aumenta di più negli individui ad alto rischio, mentre il volume sanguigno aumenta di meno?

Charles è riuscito a spiegarlo molto bene: quando il cervello richiede più sangue, dilata i suoi vasi sanguigni. Tuttavia, poiché si è ad alto rischio di ictus, la capacità di espandere i vasi sanguigni è compromessa, quindi non si riesce ad accogliere l'elevato afflusso di sangue diretto al cervello. Di conseguenza, la pressione aumenta ed il sangue scorre più velocemente, poiché una maggiore quantità di sangue viene pompata nello stesso volume disponibile dei vasi.

Grazie alla capacità di rilevare entrambi questi fattori simultaneamente, il nostro dispositivo potrebbe rappresentare un valido candidato per la diagnosi precoce dell'ictus e la previsione del rischio. In definitiva, questo studio ha dimostrato la possibilità di suddividere i soggetti umani in base al rischio di ictus e di identificare tali gruppi tramite un questionario specifico. Tuttavia, esistono sicuramente applicazioni anche al di fuori dell'ictus, ed una successiva pubblicazione ha già dimostrato la capacità di identificare pazienti con diversi tipi di lesioni cerebrali.

Charles: Aggiungo che, come forse saprai, il coordinamento dell'assistenza per l'ictus in America è di competenza dell'American Heart Association: l'American Stroke Association e l'American Stroke Council hanno tracciato parallelismi tra ictus cerebrale e infarto. Uno degli obiettivi principali del nostro lavoro è sviluppare l'equivalente cerebrale di un test da sforzo cardiaco. Quando una persona avverte dolore al petto o presenta segni di rischio di infarto, viene visitata da un cardiologo che la sottopone ad un test da sforzo su tapis roulant per aumentarne la frequenza cardiaca ed osservare le variazioni dell'elettrocardiogramma. Si tratta di un metodo scalabile, semplice ed accessibile in tutto il mondo.

Quindi, se un "attacco cerebrale" ed un attacco cardiaco sono equivalenti, qual è la tecnologia per valutare il rischio di un attacco cerebrale? Non ne esiste una! Questo approccio che prevede di trattenere il respiro, abbinato al nostro dispositivo per monitorare il flusso e il volume del sangue cerebrale, potrebbe rappresentare un promettente punto di partenza per sviluppare l'equivalente neurologico.

Avete qualche consiglio pratico per chi utilizza questa tecnica e lavora ad un progetto di traduzione?

Simon: Per quanto riguarda le impostazioni di ricerca, consiglierei di non sperimentare prima sugli animali, ma di passare direttamente agli esseri umani. Questo è importante perché gli animali tendono ad avere una frequenza cardiaca più elevata rispetto agli umani, a volte anche di due o tre volte, il che ovviamente influisce sulla velocità di circolazione del sangue. Inoltre, le teste degli animali sono in genere significativamente più piccole di quelle umane. Quindi, sarebbe necessario progettare un dispositivo diverso, poiché quello che abbiamo sviluppato è già perfettamente calibrato per gli esseri umani.

Il secondo consiglio è di non concentrarsi direttamente sulla testa nello studio pilota o nel test preliminare. Invece, suggerisco di iniziare con l'avambraccio, il che vi permetterà di confrontare le prestazioni del dispositivo con quelle di altri dispositivi già disponibili sul mercato. Inoltre, è più facile ottenere una prima stima del flusso sanguigno dall'avambraccio rispetto alla testa, il che vi aiuterà a capire come funziona il flusso sanguigno e come viene influenzato dai diversi tessuti, come muscoli e ossa, e come questi tessuti incidono sulla progettazione del dispositivo.

Charles: Sono d'accordo, ed in un'ottica più ampia vorrei sottolineare che questo dispositivo rimane invariato ed è applicabile dalla ricerca preclinica fino all'applicazione clinica. Quindi, se state svolgendo un lavoro che un giorno vorreste avesse un impatto clinico, questo dispositivo è perfetto per facilitare tale transizione. A queste persone, il mio consiglio sarebbe: pensate a quale sarà l'applicazione finale e poi procedete a ritroso. Questo vi aiuterà a evitare di trovarvi in ​​una situazione senza via d'uscita durante la ricerca preclinica, una situazione da cui non riuscirete a trarre vantaggio per la trasposizione del vostro lavoro nella pratica clinica.

Simon:  Per quanto riguarda il progetto traslazionale, ciò che ritengo davvero importante sottolineare è il fatto che fin dall'inizio avevamo bisogno di ricercatori interdisciplinari. Ad esempio, non avrei avuto l'idea di effettuare le occlusioni per escludere il flusso sanguigno del cuoio capelluto dall'equazione. Non avrei avuto la spiegazione del perché il flusso e il volume sanguigno cambino. Avevamo bisogno di Charles e del suo gruppo fin dall'inizio, in quanto esperti clinici, per avere idee su come condurre gli esperimenti ed interpretare i dati. Dall'altro lato, avevamo bisogno di ingegneri per costruire l'ottica ed il dispositivo. Senza questa collaborazione, non saremmo stati in grado di collegare tutti questi principi chiave.

ENGLISH

Normal, physiologic, autoregulated blood flow to the brain is central to essentially all aspects of human health, and when it goes wrong, the results can be catastrophic. However, due to our thick skulls and the array of vascularized tissues in the head, monitoring blood flow in the brain proves challenging and can sometimes require time-consuming procedures in situations where time is not in abundance. 

To provide a solution to this problem, a multidisciplinary team of researchers has developed a device dependent on speckle contrast optical spectroscopy to plug this gap. Here, we speak to Charles Liu – Director of the University of Southern California’s Neurorestoration Center (CA, USA) – and Simon Mahler – now an Assistant Professor at the Stevens Institute of Technology (NJ, USA), who was until recently at the California Institute of Technology (CA, USA) working on this project – who think they may well have found the magic bullet with which to rapidly measure brain blood flow.

Members of the multidisciplinary team: Simon Mahler, Yu Xi (Max) Huang (Caltech), Changhuei Yang (Caltech) and Charles Liu. 

Please can you outline the working principle that underlies speckle contrast optical spectroscopy?

Simon: The principle relies on laser lights that, in this case, enter the scalp and scatter in all directions. By putting a camera or sensor on the other side of your head, typically a few centimeters away, to detect the scattered light, you can collect the light that, by this point, has interacted with different tissues and their components. The different tissues, their properties and behavior, impact the interference pattern of the laser and the resulting ‘speckle pattern image’ detected and relayed by the sensor.

In our research, we have been working to use this technique to evaluate blood flow. Roughly speaking, the speed that red blood cells travel effects the quantity of blurriness, or ‘speckle contrast’, in a speckle pattern image. If the blood moves fast, there are more speckle events, which leads to a smoother image. If you record between 50 to 100 images per second, you can quantify the amount of speckle, then quantify how much speckle deviation you have from image to image to estimate the blood flow.

What challenges are currently associated with the interrogation of blood flow in the brain?

Charles: Measuring blood flow to the brain is a very important aspect of a huge range of pathologies, such as stroke, migraines, seizures and epilepsy, and ultrasound techniques have already shown us that seizure propagation can be imaged by blood flow changes in the brain.  Neurodegenerative disorders, like vascular dementia, are also impacted and indicated by blood flow. Essentially any brain function, from cognitive to sensory motor, to autonomically controlled, require normal autoregulated blood flow to the brain.

Most techniques used to do this, such as magnetic resonance imaging (MRI) and computed tomography (CT) scans, are expensive and can be relatively slow. PET and SPECT perfusion scans require an injection of radionucleotides, which takes critical time, expertise and resources, all of which you may not have in every healthcare scenario. What’s more, while MRI can give you images with excellent spatial resolution, temporal resolution remains a challenge, and you can’t get many images per second.

The only really portable and practical option available at the moment is transcranial dopplers (TCDs) that use ultrasound, but are limited to looking through the thinnest part of the skull, the temporal squamous, at large blood vessels like the middle cerebral artery. There have certainly been advances in the ultrasound space, like the ultra-fast plane wave functional ultrasound techniques, but the skull still poses challenges with these.

How could this technique address some of the challenges in monitoring brain blood flow?

Simon: Firstly, it gives you the ability to quickly determine blood flow with high temporal resolution. Previously, this technique has been shown to be effective in animal models, but often it is coupled with the excision of a section of the skull to give improved access to the brain. However, we have recently demonstrated that we can develop a laser and multichannel sensor device that works on the human head without the need for any skull excisions. The multichannel aspect allows us to monitor blood flow and volume simultaneously, as we can use one channel to detect a similar light attenuation profile to that used in functional near-infrared spectroscopy, which detects oxygenated hemoglobin to infer blood volume, while the speckle contrast imaging detects blood flow. What’s more, this device can be built from relatively small and cheap components, making it a highly portable and scalable technique.

If we can develop this technique into a cheap, portable and effective method to monitor brain blood flow, it will have a huge impact on healthcare globally. Imagine a hospital somewhere in the world without an MRI or CT scanner that still needs to determine if someone is at risk of stroke or has a brain injury. Or imagine an emergency situation where you need to assess someone’s brain blood flow quickly, for example, in an ambulance en route to a hospital. In these instances, this technique could step in and fill the role of these machines and even provide you with rapid and accessible diagnostic capabilities.

How does your latest paper advance speckle contrast optical spectroscopy?

Charles: Until now, we hadn’t been able to categorically show that this technique is measuring blood flow to the brain and not just in the scalp. This question has been central to many transcranial techniques and other researchers have done simulations and computational modeling to provide “evidence” that the signal being monitored is the intended signal of blood flow in the brain. However, we wanted to demonstrate definitively, in humans, in the clinical context that it is intended to be used, that this technique could probe beyond the scalp and the skull and provide a readout from the brain.

Simon: To do this, we used a fantastic approach suggested by Charles’ group, in which we temporarily and safely blocked blood flow on the scalp only and look at the change of scalp blood flow. The device has multiple channels we can orient so that some look at the scalp, some look at the skull and some look at the brain. This simply requires you to change the distance between channels; the further the distance, the deeper the target tissue.

By looking at the change of blood flow in the scalp using this occlusion technique, we saw that the channels further away suffer less and less from this attenuation of signal as you occlude blood flow to the scalp. This study confirms that we have an optical laser-type device that can measure blood flow beyond the scalp and the skull layers.

Where do you see this device having the biggest impact?

Simon: Predicting the risk of a stroke is one of our main targets, and the advantage of our device compared to others for stroke risk detection is the fact that we can measure both blood flow and blood volume simultaneously.

We recently used this approach in a proof of principle stroke risk study with 50 participants, which we’re trying to expand now to a larger cohort. In this study, we had patients with differing degrees of stroke risk hold their breath. Typically, if you hold your breath, too much CO2 builds up in your brain and there is not enough oxygen, so vasodilation kicks in to deliver more oxygen and remove CO2. This will increase blood volume as more blood is directed to the brain, meaning there is little change in blood flow in the brain.

However, we found that if you have a higher risk of stroke, the increase in blood flow is much higher compared to participants at low risk, but blood volume is the opposite; the amount blood volume increases by is smaller in high-risk stroke participants compared to the low-risk participants. This was interesting to us. Why would the blood flow increase by more for high-risk individuals, but the blood volume increases by less?

Charles was able to explain this very well: when your brain asks for more blood and dilates its blood vessels. But, because you are at high risk for stroke, your ability to expand your blood vessels is impaired, so you can’t accommodate the high supply of blood being directed to your brain. Therefore, the pressure is increased and blood will flow through faster as more blood is being pumped into the same available volume of vessels.

By being able to detect both of these factors simultaneously, our device may be a really good candidate for the detection of stroke and the early prediction of risk. Ultimately, this study showed that we could segregate Human subjects based on their stroke risk and reconcile those groups with a stroke questionnaire. However, there are definitely applications outside of stroke, and a further publication has been able to identify patients with different types of brain injuries.

Charles: To add to this, as you may know, the coordination of stroke care in America is actually part of the American Heart Association: The American Stroke Association and American Stroke Council have drawn parallels between brain attack and heart attack. One of the key goals of our work is developing the brain equivalent of a cardiac stress test. When a person has chest pains or there are signs a patient is at risk of a heart attack, they see a cardiologist who puts them on a treadmill to get their heart rate up and see what changes occur in their EKG. It’s a scalable, simple, and accessible all around the world.

So if a ‘brain attack’ and heart attack are equivalent, what’s the technology to assess the risk of brain attack. There isn’t one! This breath-holding approach coupled with our device to monitor cerebral blood flow and volume could be a promising starting point from which to develop the neurological equivalent.

Do you have any practical tips for someone using this technique and for working on a translational project?

Simon: In terms of research settings, I would advise not to try it on animals first; instead, go directly to humans. This is important because animals tend to have a faster heart rate than humans, sometimes by a factor of two or three, which obviously impacts the speed of movement of the blood. What’s more, animal heads are typically significantly smaller than humans’. So, you would have to engineer a different type of device as the one we have developed is perfectly tuned for humans already.

The second piece of advice is not to go directly to the head in your pilot study or preliminary test. Instead, I would start with the forearm, which will allow you to compare its performance to other off-the-shelf devices on the market. It is also easier to get a first proxy of blood flow from the forearm compared to the head, which will help you to understand how blood flow works and is affected by different tissues, like muscle and bone, and how these tissues impact the engineering of the device.

Charles: I agree, and looking to broader advice, I want to highlight that this device remains the same and is applicable from preclinical research right through to clinical application. So, if you are doing work that you want to one day have a clinical impact, this device is perfect to enable that clinical transition. To those people, my advice would be: think about what the application at the end of this will be and then work backwards. This helps you avoid painting yourself into a corner during your preclinical research that you can’t get out of to translate your work into clinical practice.

Simon:  As to the translational project, what’s really important for me to highlight is the fact that we needed interdisciplinary researchers for this project from the beginning. I wouldn’t have, for example, had the idea of doing the occlusions to take scalp blood flow out of the equation. I wouldn’t have the explanation of why blood flow and blood volume change. We needed Charles and his team from the start as that clinical expert to give us ideas on how to conduct experiments and interpret the data. On the other side, we needed engineers to build the optics and the device. Without this collaboration, we wouldn’t have been able to connect all these key principals.

Da:

https://www.biotechniques.com/neuroscience/speckle-contrast-optical-spectroscopy-a-solution-to-stroke-screens/