Więcej niż fMRI: ta technologia widzi pracę mózgu w czasie rzeczywistym, przy łóżku pacjenta

Zobaczyć niewidzialne: jak światłem malujemy mapy funkcji i granic nowotworów mózgu

Ludzki mózg to najbardziej złożona i energochłonna struktura we wszechświecie. Zużywa 20% tlenu dostarczanego do organizmu, a jego prawidłowe funkcjonowanie zależy od nieustannego, precyzyjnego dopływu krwi. Zrozumienie tej dynamiki – hemodynamiki mózgowej – jest kluczem do diagnostyki i leczenia udarów, urazów czy chorób neurodegeneracyjnych. Jednocześnie, gdy w tej delikatnej strukturze pojawia się nowotwór, stajemy przed innym wyzwaniem: jak go usunąć w całości, nie uszkadzając zdrowej tkanki?

Dotychczasowe metody, takie jak rezonans magnetyczny (fMRI) czy tomografia emisyjna (PET), są potężne, ale mają fundamentalne wady: są gigantyczne, drogie i stacjonarne. Nie można ich zabrać na oddział intensywnej terapii noworodków, by monitorować kruchy mózg wcześniaka, ani wnieść na salę operacyjną, by dać chirurgowi bieżący wgląd w jego pracę. To technologiczna przepaść, którą postanowiliśmy zasypać, tworząc zestaw przenośnych, bezkontaktowych i przystępnych cenowo technologii optycznych, które rewolucjonizują spojrzenie na mózg.

Rytm życia: podsłuchujemy puls przepływu krwi

Przepływ krwi w mózgu (CBF) nie jest stały. Pulsuje w rytm serca i oddechu. Ale istnieją też znacznie wolniejsze, subtelniejsze wahania, tzw. oscylacje niskiej częstotliwości (LFOs), o częstotliwości poniżej 0.1 Hz. Te niemal niezauważalne rytmy są jak ciche echo aktywności neuronalnej i stanu naczyń krwionośnych. Ich zaburzenia mogą być pierwszym, wczesnym sygnałem niedotlenienia, udaru czy innych patologii. Problem w tym, że dotychczas nie mieliśmy narzędzi, by je skutecznie mierzyć przy łóżku pacjenta.

Aby rozwiązać ten problem, opracowaliśmy i zoptymalizowaliśmy technologię tomografii korelacyjnej z kontrastem plamkowym (scDCT). W uproszczeniu, działa ona tak:

1. Skanowanie laserem: Zdalnie, za pomocą precyzyjnych luster, omiatamy powierzchnię głowy wiązką bezpiecznego światła bliskiej podczerwieni.

2. Analiza „plamek”: Światło, przenikając przez tkanki na głębokość nawet kilku centymetrów, rozprasza się na poruszających się czerwonych krwinkach. Na powierzchni skóry tworzy to dynamiczny, migoczący wzór, tzw. plamki laserowe (speckle).

3. Obrazowanie kamerą: Wysokoczuła kamera CMOS rejestruje te wzory. Im szybszy jest przepływ krwi, tym szybciej zmieniają się plamki, a obraz staje się bardziej „rozmyty”.

4. Rekonstrukcja 3D: Zaawansowane algorytmy, oparte na metodzie elementów skończonych, przekształcają te dane w trójwymiarową mapę przepływu krwi w mózgu.

Kluczową innowacją było opracowanie metody rekonstrukcji w „ruchomym oknie” i zastosowanie obliczeń równoległych. Dzięki temu skróciliśmy czas tworzenia pojedynczego obrazu 3D z kilkunastu minut do poniżej 50 sekund, a częstotliwość próbkowania wzrosła 25-krotnie. To pozwoliło nam po raz pierwszy w historii tej technologii na precyzyjne wyizolowanie i analizę LFOs. Nasze badania na modelach zwierzęcych (nowonarodzone prosięta) jednoznacznie pokazały, że podczas niedokrwienia mózgu moc tych oscylacji drastycznie spada, co czyni z nich potężny biomarker stanu neurologicznego.

Aby jeszcze bardziej przyspieszyć proces, stworzyliśmy uproszczoną wersję – topografię DSCT, która generuje mapy 2D przepływu krwi na różnych głębokościach niemal w czasie rzeczywistym, bez potrzeby czasochłonnej rekonstrukcji 3D.

Oczy chirurga: jak sprawić, by rak zaczął świecić

Drugi front naszych badań dotyczył jednego z największych wyzwań neurochirurgii: resekcji złośliwych glejaków. Guzy te naciekają zdrową tkankę, a ich granice są niewidoczne gołym okiem. Pozostawienie nawet niewielkiej liczby komórek nowotworowych prowadzi do wznowy. Wycięcie zbyt dużego marginesu zdrowej tkanki może skutkować trwałym kalectwem.

Rozwiązaniem jest chirurgia wspomagana fluorescencją. Pacjentowi podaje się specjalny barwnik (np. 5-ALA lub fluoresceinę), który selektywnie gromadzi się w komórkach nowotworowych. Następnie, pod wpływem światła o odpowiedniej długości fali, guz zaczyna świecić, stając się widocznym dla chirurga. Problem? Standardowe systemy do takiej wizualizacji to ogromne, warte setki tysięcy dolarów mikroskopy operacyjne.

My postanowiliśmy zminiaturyzować tę technologię i uczynić ją dostępną dla każdego chirurga. Tak powstał FLoupe (Fluorescence Eye Loupe) – wynalazek, który integruje wszystko, co potrzebne, ze standardowymi lupami chirurgicznymi, których neurochirurdzy używają na co dzień:

• Zminiaturyzowane, mocne źródła światła LED.

• Specjalistyczne filtry wzbudzające i emisyjne.

• Niewielką kamerę do zapisu obrazu.

Efekt? Przystępne cenowo, lekkie i wygodne okulary, które dają chirurgowi „superwzrok”. W naszych badaniach, prowadzonych na fantomach i z udziałem 11 pacjentów z guzami mózgu, FLoupe wykazał skuteczność porównywalną z referencyjnym, stacjonarnym mikroskopem. Chirurg zyskuje pełną swobodę ruchów i widzi świecący guz bezpośrednio w swoim polu widzenia, co skraca czas operacji i zwiększa jej precyzję.

Podsumowanie: nowa era w obrazowaniu mózgu

Nasza praca to nie tylko rozwój pojedynczych urządzeń. To stworzenie całej platformy technologicznej – multiskalowej (działającej na modelach od małych gryzoni po ludzi) i multimodalnej (mierzącej zarówno funkcję, jak i strukturę patologiczną). Przenosimy zaawansowaną diagnostykę optyczną z laboratoriów badawczych prosto na salę operacyjną i oddział intensywnej terapii. To przyszłość medycyny, w której widzimy więcej, działamy szybciej i leczymy precyzyjniej.

5 innych tematów, które zrealizowaliśmy w ramach naszych badań

1. Mapowanie konektywności funkcjonalnej mózgu: Wykorzystanie scDCT do badania, jak różne regiony mózgu komunikują się ze sobą poprzez synchronizację oscylacji niskiej częstotliwości (LFOs).

2. Śródoperacyjne obrazowanie przepływu krwi: Zastosowanie DSCT do monitorowania w czasie rzeczywistym perfuzji tkanki mózgowej podczas operacji w celu unikania uszkodzeń niedokrwiennych.

3. Obrazowanie wielospektralne: Użycie wielu długości fal światła w systemie scDCT do jednoczesnego pomiaru przepływu krwi, utlenowania i metabolizmu tkankowego.

4. Nieinwazyjne monitorowanie terapii w chorobach naczyniowych: Zastosowanie przenośnych systemów optycznych do oceny skuteczności leczenia u pacjentów po udarze.

5. Rozszerzenie zastosowań FLoupe: Testowanie okularów fluorescencyjnych w innych dziedzinach chirurgii onkologicznej, np. przy resekcji guzów wątroby czy skóry.

Pomysł na doktorat

Tytuł: Multimodalne śródoperacyjne neuromonitorowanie: Fuzja obrazowania fluorescencyjnego (FLoupe) i topografii przepływu krwi (DSCT) w czasie rzeczywistym w celu optymalizacji resekcji glejaków i ochrony funkcji neurologicznych.

Opis: Obecnie FLoupe pozwala zlokalizować guz, a DSCT – monitorować przepływ krwi. Projekt doktorancki skupiłby się na stworzeniu zintegrowanego systemu, który w czasie rzeczywistym nakładałby na siebie oba obrazy. Chirurg na monitorze lub bezpośrednio w okularach widziałby nie tylko świecącą masę guza, ale także dynamiczną mapę przepływu krwi w otaczającej go, zdrowej tkance. Pozwoliłoby to na podejmowanie decyzji w oparciu o pełen obraz sytuacji: „Tutaj kończy się guz, a przecięcie tego naczynia spowoduje niedokrwienie tego obszaru kory ruchowej”. Projekt wymagałby opracowania algorytmów do fuzji i koregistracji obrazów z obu modalności, a jego wdrożenie stanowiłoby przełom w dążeniu do maksymalnej resekcji guza przy minimalnym deficycie neurologicznym pacjenta.