用激光记录大脑活动

加州理工学院的一名教授与南加州大学的研究人员合作，首次展示了一项利用激光和超声波对人脑进行成像的新技术。

这项技术（称为光声计算机层压术）或协议，由Lihong Wang，Bren教授的医学工程和电气工程教授开发，作为成像组织和器官的方法。已经显示了以前版本的PACT技术，能够成像大鼠身体的内部结构;PACT还能够检测人乳房中的肿瘤，使其成为乳房X光检查的替代品。

现在，王某已经进一步改进了使其如此精确和敏感的技术，即它可以检测到均衡量的均匀变化血穿过非常微小的血管以及血液的氧合水平。由于在认知任务期间血流增加到大脑的特定区域，因此在您正在观看电影时，血流将增加到视觉皮质，例如 - 显示血液浓度和氧气变化的设备可以帮助研究人员和医学专业人员监测大脑活动．这被称为功能性成像．

“在乳房成像中，你只想看到血管，因为它们可以揭示肿瘤的存在[肿瘤分泌刺激血管形成的化学物质]”王说。“但是，成像大脑活动的功能变化只是基线信号的百分比变化。这超过了衡量的数量级。”

以前，这种成像仅进行了功能磁共振成像（FMRI）机器，使用远波和磁场的电磁场比地球更强100,000倍磁场监测血氧水平。机器运作良好，是一种成熟的技术，但它们有一些缺点。对于一个人来说，它们非常昂贵，每百万美元的成本耗费多少。另一个缺点是由机器创建的强烈磁场需要特殊的预防措施，因为含铁物体像一些医疗工具一样，以及手术植入物可以通过机器的大力拉动。“MRI机器也需要患者在被成像的同时放置在一个狭窄的管内，这对幽闭恐惧症的人来说可能对此感到不舒服。

相比之下，王的技术更简单，廉价，紧凑，并且不要求患者放置在机器内。

它的工作原理是向头部发射激光脉冲。当光线穿过头皮和颅骨时，它会散射到大脑，并被病人红细胞中的携氧血红蛋白分子吸收。血红蛋白分子从光中获得的能量使它们产生超声波振动。这些振动通过组织传播回来，然后被安置在头部外部的1024个微型超声波传感器采集到。来自这些传感器的数据通过计算机算法组装成一个3D地图，显示整个大脑的血液流动和氧合情况。

为了在人类身上测试这项技术，王与凯克学院临床神经外科助理教授、南加州大学神经恢复中心副主任乔纳森·鲁辛(Jonathan Russin)合作;Danny J Wang，南加州大学神经成像与信息学研究所教授;以及凯克学院临床神经外科教授、南加州大学神经修复中心主任查尔斯·刘。

经过严重的创伤性脑损伤后，一些患者经历了一种减压的半乳糖切除术，挽救生寿命的程序，其中大部分头骨被移除以控制由于脑肿胀引起的压力。刘和俄罗斯与加利福尼亚州唐尼·洛杉矶洛杉矶国际康马省国家康复中心的许多等患者合作，刘担任创新和研究首席。从急性损伤中恢复后，但在头骨重建手术前，选择患者参加了这项研究以确定成像技术的工作程度如何。

“我们仍然需要克服的障碍是头骨，”王说。“这是一个声透镜，但它是一个坏的，所以它扭曲我们的信号衰减。这就像透过一扇波浪形的窗户向外看。“但他们有一群接受过半颅骨切除术的患者。他们的头骨少了一部分，所以我们可以对他们进行成像。”

“神经影像成像是开发新的治疗范式的核心，这一示范是为开发有影响力的新工具来补充基于MRI的技术的方法，”这一示范是一个非常重要的一步，“Russin表示。

刘同意，补充说“功能恢复的许多最令人兴奋的治疗方法涉及在MRI环境中无法研究的神经调节策略，我们期待使用这项新技术更好地了解和改进我们的治疗方法。许多参与者本研究最终可能需要新的治疗方法，因此这是一个完善的方式，可以帮助制定最终使他们受益的工具。“

为了映像患者，研究团队剃须他们的头（一步王说他们试图消除）所以激光可以照亮他们的头皮。然后患者沿着桌子躺在桌子上，其头部部分地搁置在包含激光源，超声波传感器和水的碗中。王说，水作为“调解员”声学耦合到头皮表面的传感器，并允许它们有效地拾取信号。当患者获得超声时，它类似于胶质放置在皮肤上的凝胶。

展望未来，王说研究需要专注于解决头发和头骨引起的问题。他说，如果可以使用光纤可以避免剃须患者的头部激光灯头皮毛囊间的脉冲。他还希望最终能将这项技术应用到头骨完整的患者身上。

“我们需要一种抵消骷髅造成的扭曲的方法，”他说，添加了这样的纠正性“镜头”很可能是一种更强大的数据处理算法，可以在组装图像时补偿失真。

一篇文章，标题为“大规模并行功能性光声计算机断层扫描”人脑，“出现在5月31日期刊自然生物医学工程．

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