La espectroscopia funcional de infrarrojo cercano ( fNIRS ) es una técnica de monitorización óptica del cerebro que utiliza la espectroscopia de infrarrojo cercano con el fin de obtener imágenes neurológicas funcionales . [1] Mediante fNIRS, se mide la actividad cerebral utilizando luz de infrarrojo cercano para estimar la actividad hemodinámica cortical que se produce en respuesta a la actividad neuronal. Junto con el EEG , fNIRS es una de las técnicas de neuroimagen no invasiva más comunes que se pueden utilizar en contextos portátiles. La señal se suele comparar con la señal BOLD medida por fMRI y es capaz de medir cambios tanto en la concentración de oxihemoglobina como de desoxihemoglobina, [2] pero solo puede medir desde regiones cercanas a la superficie cortical. fNIRS también puede denominarse topografía óptica (OT) y, a veces, se la denomina simplemente NIRS.
La fNIRS calcula la concentración de hemoglobina a partir de los cambios en la absorción de la luz infrarroja cercana. A medida que la luz se mueve o se propaga a través de la cabeza, es dispersada o absorbida alternativamente por el tejido a través del cual viaja. Debido a que la hemoglobina es un absorbente significativo de la luz infrarroja cercana, los cambios en la luz absorbida se pueden utilizar para medir de manera confiable los cambios en la concentración de hemoglobina. Diferentes técnicas de fNIRS también pueden utilizar la forma en que se propaga la luz para estimar el volumen sanguíneo y la oxigenación. La técnica es segura, no invasiva y se puede utilizar con otras modalidades de diagnóstico por imágenes.
La fNIRS es un método de obtención de imágenes no invasivo que implica la cuantificación de la concentración de cromóforos resuelta a partir de la medición de la atenuación de la luz del infrarrojo cercano (NIR) o de los cambios temporales o fásicos. La técnica aprovecha la ventana óptica en la que (a) la piel, el tejido y el hueso son en su mayoría transparentes a la luz NIR (intervalo espectral de 700 a 900 nm) y (b) la hemoglobina (Hb) y la hemoglobina desoxigenada (desoxi-Hb) son fuertes absorbentes de luz.
Existen seis formas diferentes en las que la luz infrarroja puede interactuar con el tejido cerebral: transmisión directa, transmisión difusa, reflexión especular, reflexión difusa, dispersión y absorción. La fNIRS se centra principalmente en la absorción: las diferencias en los espectros de absorción de la desoxi-Hb y la oxi-Hb permiten medir los cambios relativos en la concentración de hemoglobina mediante el uso de la atenuación de la luz en múltiples longitudes de onda . Se seleccionan dos o más longitudes de onda, con una longitud de onda por encima y otra por debajo del punto isosbéstico de 810 nm, en el que la desoxi-Hb y la oxi-Hb tienen coeficientes de absorción idénticos . Utilizando la ley de Beer-Lambert modificada (mBLL), se pueden calcular los cambios relativos en la concentración como una función de la longitud total del recorrido del fotón. [3]
Por lo general, el emisor y el detector de luz se colocan ipsilateralmente (cada par emisor/detector en el mismo lado) en el cráneo del sujeto, por lo que las mediciones registradas se deben a la luz retrodispersada (reflejada) que sigue vías elípticas. [4] La fNIRS es más sensible a los cambios hemodinámicos que ocurren más cerca del cuero cabelludo [5] y estos artefactos superficiales a menudo se abordan utilizando detectores de luz adicionales ubicados más cerca de la fuente de luz (detectores de corta separación). [6]
Los cambios en la intensidad de la luz se pueden relacionar con los cambios en las concentraciones relativas de hemoglobina a través de la ley de Beer-Lambert modificada (mBLL). La ley de Beer-Lambert tiene que ver con la concentración de hemoglobina. Esta técnica también mide los cambios relativos en la atenuación de la luz, además de utilizar la mBLL para cuantificar los cambios en la concentración de hemoglobina. [7]
En 1977, Jöbsis [8] informó que la transparencia del tejido cerebral a la luz NIR permitió un método no invasivo y continuo de saturación de oxígeno tisular utilizando transiluminación . La transiluminación (dispersión frontal) fue de utilidad limitada en adultos debido a la atenuación de la luz y fue rápidamente reemplazada por técnicas basadas en modo de reflectancia, lo que resultó en el desarrollo rápido de sistemas NIRS. Luego, en 1985, M. Ferrari realizó los primeros estudios sobre oxigenación cerebral. Más tarde, en 1989, tras el trabajo con David Delpy en el University College de Londres, Hamamatsu desarrolló el primer sistema NIRS comercial: el monitor de oxigenación cerebral NIR-1000. Los métodos NIRS se utilizaron inicialmente para la oximetría cerebral en la década de 1990. En 1993, cuatro publicaciones de Chance et al. PNAS , Hoshi & Tamura J Appl Physiol , Kato et al. JCBFM, Villringer et al. Neuros. Lett. Se demostró la viabilidad de la fNIRS en humanos adultos. Las técnicas NIRS se ampliaron aún más con el trabajo de Randall Barbour, Britton Chance , Arno Villringer, M. Cope, DT Delpy, Enrico Gratton y otros. Actualmente, se están desarrollando fNIRS portátiles.
Mientras tanto, a mediados de los años 80, los investigadores japoneses del laboratorio central de investigación de Hitachi Ltd se propusieron construir un sistema de monitorización cerebral basado en NIRS utilizando un pulso de rayos de 70 picosegundos. Este esfuerzo salió a la luz cuando el equipo, junto con su principal experto, el Dr. Hideaki Koizumi (小泉 英明), celebró un simposio abierto para anunciar el principio de la "topografía óptica" en enero de 1995. De hecho, el término "topografía óptica" deriva del concepto de utilizar la luz en "mapeo bidimensional combinado con información unidimensional", o topografía . La idea se había implementado con éxito en el lanzamiento de su primer dispositivo fNIRS (o topografía óptica, como lo llaman) basado en el dominio de frecuencia en 2001: Hitachi ETG-100. Más tarde, Harumi Oishi (大石 晴美), futura doctora en la Universidad de Nagoya, publicó su tesis doctoral en 2003 con el tema "patrones de activación cortical de estudiantes de idiomas medidos por ETG-100" bajo la supervisión del profesor Toru Kinoshita (木下 微), presentando una nueva perspectiva sobre el uso de fNIRS. Desde entonces, la empresa ha seguido avanzando en la serie ETG.
Actualmente, existen tres modalidades de espectroscopia fNIR:
1. Onda continua
2. Dominio de frecuencia
3. Dominio del tiempo
El sistema de onda continua (CW) utiliza fuentes de luz con frecuencia y amplitud constantes. De hecho, para medir los cambios absolutos en la concentración de HbO con el mBLL, necesitamos conocer la longitud del recorrido de los fotones. Sin embargo, CW-fNIRS no proporciona ningún conocimiento de la longitud del recorrido de los fotones, por lo que los cambios en la concentración de HbO son relativos a una longitud del recorrido desconocida. Muchos sistemas comerciales de CW-fNIRS utilizan estimaciones de la longitud del recorrido de los fotones derivadas de simulaciones de Monte Carlo computarizadas y modelos físicos, para aproximar la cuantificación absoluta de las concentraciones de hemoglobina.
Donde es la densidad óptica o atenuación, es la intensidad de la luz emitida, es la intensidad de la luz medida, es el coeficiente de atenuación , es la concentración de cromóforo, es la distancia entre la fuente y el detector y es el factor de longitud de trayectoria diferencial, y es un factor geométrico asociado con la dispersión.
Cuando se conocen los coeficientes de atenuación, se supone una pérdida de dispersión constante y las mediciones se tratan de forma diferencial en el tiempo, la ecuación se reduce a:
¿Dónde está la longitud total corregida de la trayectoria del fotón?
Utilizando un sistema de longitud de onda dual, las mediciones de HbO 2 y Hb se pueden resolver a partir de la ecuación matricial: [9]
Debido a su simplicidad y rentabilidad, la CW-fNIRS es, con diferencia, la forma más común de NIRS funcional, ya que es la más barata de fabricar, se puede aplicar a más canales y garantiza una alta resolución temporal. Sin embargo, no distingue entre cambios de absorción y dispersión y no puede medir valores absolutos de absorción, lo que significa que solo es sensible a cambios relativos en la concentración de HbO.
Sin embargo, la simplicidad y la relación coste-beneficio de los dispositivos basados en CW demuestran ser los más favorables para una serie de aplicaciones clínicas: atención neonatal, sistemas de monitorización de pacientes, tomografía óptica difusa, etc. Además, gracias a su portabilidad, se han desarrollado sistemas de CW inalámbricos que permiten monitorizar a las personas en entornos ambulatorios, clínicos y deportivos. [10] [11] [12]
El sistema de dominio de frecuencia (FD) comprende fuentes láser NIR que proporcionan una sinusoide modulada en amplitud a frecuencias cercanas a 100 MHz. FD-fNIRS mide la atenuación, el cambio de fase y la longitud de trayectoria promedio de la luz a través del tejido.
Los cambios en la amplitud y fase de la señal retrodispersada proporcionan una medición directa de los coeficientes de absorción y dispersión del tejido, eliminando así la necesidad de información sobre la longitud del recorrido de los fotones; y a partir de los coeficientes determinamos los cambios en la concentración de los parámetros hemodinámicos.
Debido a la necesidad de láseres modulados y mediciones fásicas, los dispositivos basados en sistemas FD son técnicamente más complejos (por lo tanto, más caros y mucho menos portátiles) que los basados en CW. Sin embargo, el sistema es capaz de proporcionar concentraciones absolutas de HbO y HbR.
El sistema de dominio temporal (TD) introduce un pulso NIR corto con una longitud de pulso generalmente del orden de picosegundos , alrededor de 70 ps. A través de mediciones de tiempo de vuelo, la longitud de la trayectoria de los fotones se puede observar directamente dividiendo el tiempo resuelto por la velocidad de la luz. La información sobre los cambios hemodinámicos se puede encontrar en la atenuación, el decaimiento y el perfil temporal de la señal retrodispersada. Para esto se introduce la tecnología de conteo de fotones, que cuenta 1 fotón por cada 100 pulsos para mantener la linealidad. TD-fNIRS tiene una tasa de muestreo lenta, así como un número limitado de longitudes de onda. Debido a la necesidad de un dispositivo de conteo de fotones, detección de alta velocidad y emisores de alta velocidad, los métodos de resolución temporal son los más costosos y técnicamente complicados.
Los dispositivos basados en TD tienen la mayor sensibilidad de profundidad y son capaces de presentar valores más precisos de concentración de hemoglobina y oxigenación basal.
La espectroscopia de correlación difusa (DCS) es una técnica de obtención de imágenes ópticas no invasiva que utiliza luz coherente cercana al infrarrojo para medir el flujo sanguíneo cerebral microvascular local cuantificando las fluctuaciones temporales de la intensidad de la luz generadas por la dispersión dinámica de los glóbulos rojos en movimiento. Esta dispersión dinámica de las células en movimiento hace que la intensidad detectada fluctúe temporalmente. Estas fluctuaciones se pueden cuantificar mediante la curva de autocorrelación de la intensidad temporal de una sola mota. La descomposición de la curva de autocorrelación se ajusta con la solución de la ecuación de difusión de correlación para obtener un índice del flujo sanguíneo cerebral. [13] [14] [15] [16]
Hay al menos dos modelos fNIRS de código abierto disponibles en línea:
HOMER3 permite a los usuarios obtener estimaciones y mapas de la activación cerebral. Es un conjunto de scripts de Matlab que se utilizan para analizar datos de fNIRS. Este conjunto de scripts ha evolucionado desde principios de los años 90, primero como la caja de herramientas Photon Migration Imaging, luego como HOMER1 y HOMER2, y ahora como HOMER3. [17]
Esta caja de herramientas es un conjunto de herramientas basadas en Matlab para el análisis de espectroscopia funcional de infrarrojo cercano (fNIRS). Esta caja de herramientas define el espacio de nombres +nirs e incluye una serie de herramientas para el procesamiento de señales, la visualización y las estadísticas de datos fNIRS. Esta caja de herramientas está construida alrededor de un marco orientado a objetos de clases y espacios de nombres de Matlab. [18]
AtlasViewer permite visualizar los datos de fNIRS en un modelo del cerebro. Además, también permite al usuario diseñar sondas que eventualmente pueden colocarse sobre un sujeto. [19]
fNIRS se ha implementado con éxito como señal de control para sistemas de interfaz cerebro-computadora . [20] [21] [22] [23] [24]
Debido a nuestra necesidad constante de oxígeno, nuestro cuerpo ha desarrollado múltiples mecanismos que detectan los niveles de oxígeno, lo que a su vez puede activar respuestas adecuadas para contrarrestar la hipoxia y generar un mayor suministro de oxígeno. Además, comprender el mecanismo fisiológico subyacente a la respuesta corporal a la falta de oxígeno es de gran importancia y los dispositivos NIRS han demostrado ser una gran herramienta en este campo de investigación. [25]
Las mediciones fNIRS se pueden utilizar para calcular un grado limitado de conectividad funcional . Las mediciones fNIRS multicanal crean un mapa topográfico de activación neuronal, mediante el cual se puede analizar la correlación temporal entre eventos separados espacialmente. La conectividad funcional se evalúa típicamente en términos de correlaciones entre las respuestas hemodinámicas de regiones de interés (ROI) espacialmente distintas. En los estudios cerebrales, las mediciones de conectividad funcional se toman comúnmente para datos de pacientes en estado de reposo, así como datos registrados sobre paradigmas de estímulo. Un estudio dirigido por el equipo de Alessandro Crimi destacó que las medidas de conectividad funcional obtenidas con mediciones fNIRS son bastante diferentes de las obtenidas a través de gorras de EEG . [26]
La monitorización NIRS es útil de diversas maneras. Se puede monitorizar a los bebés prematuros reduciendo la hipoxia y la hiperoxia cerebral con diferentes patrones de actividades. [27] Es una ayuda eficaz en la derivación cardiopulmonar y se considera que mejora los resultados de los pacientes y reduce los costos y las estadías prolongadas.
No existen resultados concluyentes sobre el uso de NIRS con pacientes con traumatismo craneoencefálico, por lo que se ha concluido que debe seguir siendo una herramienta de investigación.
La tomografía óptica difusa es la versión 3D de la imagen óptica difusa. Las imágenes ópticas difusas se obtienen mediante métodos basados en NIRS o fluorescencia. Estas imágenes se pueden utilizar para desarrollar un modelo volumétrico 3D conocido como tomografía óptica difusa. [28]
Las ubicaciones de los electrodos fNIRS se pueden definir utilizando una variedad de diseños, incluidos los nombres y las ubicaciones que se especifican en el sistema internacional 10-20 , así como otros diseños que se optimizan específicamente para mantener una distancia constante de 30 mm entre cada ubicación. Además de las posiciones estándar de los electrodos, se pueden agregar canales de separación cortos. Los canales de separación cortos permiten la medición de señales del cuero cabelludo. Dado que los canales de separación cortos miden la señal que proviene del cuero cabelludo, permiten la eliminación de la señal de las capas superficiales. Esto deja atrás la respuesta cerebral real. Los detectores de canal de separación corto generalmente se colocan a 8 mm de una fuente. No necesitan estar en una dirección específica o en la misma dirección que un detector. [29]
El uso de fNIRS como método de neuroimagen funcional se basa en el principio de acoplamiento neurovascular, también conocido como respuesta hemodinámica o respuesta dependiente del nivel de oxígeno en sangre (BOLD). Este principio también constituye el núcleo de las técnicas de fMRI . A través del acoplamiento neurovascular, la actividad neuronal se vincula a cambios relacionados en el flujo sanguíneo cerebral localizado. fNIRS y fMRI son sensibles a cambios fisiológicos similares y a menudo son métodos comparativos. Los estudios que relacionan fMRI y fNIRS muestran resultados altamente correlacionados en tareas cognitivas. fNIRS tiene varias ventajas en cuanto a costo y portabilidad sobre fMRI, pero no se puede utilizar para medir la actividad cortical a más de 4 cm de profundidad debido a limitaciones en la potencia del emisor de luz y tiene una resolución espacial más limitada. fNIRS incluye el uso de tomografía óptica difusa (DOT/NIRDOT) para fines funcionales. La multiplexación de canales fNIRS puede permitir mapas funcionales topográficos 2D de la actividad cerebral (por ejemplo, con Hitachi ETG-4000, Artinis Oxymon, NIRx NIRScout, etc.) mientras que el uso de múltiples espaciamientos de emisores puede usarse para construir mapas tomográficos 3D .
El hiperescaneo implica el monitoreo simultáneo de dos o más cerebros para investigar correlaciones neuronales interpersonales (entre cerebros) en diversas situaciones sociales, lo que demuestra que fNIRS es una modalidad adecuada para investigar interacciones sociales en vivo de cerebro a cerebro. [30]
Los sistemas fNIRS modernos se combinan con realidad virtual o aumentada en estudios sobre interfaces cerebro-computadora, [31] neurorrehabilitación [32] o percepción social. [33]
fNIRS se puede utilizar para monitorear la actividad cerebral de los músicos mientras tocan instrumentos musicales. [34] [35] [36] [37]
Las ventajas de fNIRS son, entre otras: no invasividad, modalidades de bajo coste, perfecta seguridad, alta resolución temporal , compatibilidad con otras modalidades de imágenes y múltiples biomarcadores hemodinámicos.
Las desventajas de fNIRS incluyen: baja sensibilidad cerebral, dado que solo puede detectar cambios en la superficie cortical, y baja resolución espacial. Es importante destacar que la señal es sensible a las diferencias de pigmentación del cabello y la piel, lo que dificulta la realización de diseños entre sujetos. El cabello denso o extremadamente rizado puede impedir la colocación de electrodos cerca del cuero cabelludo, lo que limita la capacidad de utilizar la técnica con todas las personas.
Los dispositivos fNIRS tienen muchas características atractivas: son pequeños, livianos, portátiles y ponibles. Tienen el potencial de usarse en clínicas, en la salud global, [38] en un entorno natural y como un rastreador de salud. Sin embargo, los aspectos negativos son notables y deben considerarse al interpretar la señal.
En la actualidad existen en el mercado sistemas fNIRS de grado de investigación totalmente inalámbricos. [39]
Al comparar y contrastar los dispositivos de neuroimagen, es importante observar la resolución temporal, la resolución espacial y el grado de inmovilidad. En particular, el EEG (electroencefalograma) y la MEG (magnetoencefalografía) tienen una resolución temporal alta, pero una resolución espacial baja. El EEG también tiene un mayor grado de movilidad que la MEG. Al observar las fNIRS, son similares a un EEG. Tienen un alto grado de movilidad, así como una resolución temporal, y una baja resolución espacial. Las tomografías por emisión de positrones y las fMRI se agrupan juntas, sin embargo, son claramente diferentes de las otras exploraciones de neuroimagen. Tienen un alto grado de inmovilidad, una resolución espacial media/alta y una baja resolución temporal. Todas estas exploraciones de neuroimagen tienen características importantes y son valiosas, sin embargo, tienen características distintivas.
Entre todos los demás hechos, lo que hace que fNIRS sea un punto de especial interés es que es compatible con algunas de estas modalidades, entre ellas: MRI, EEG y MEG.
![{\displaystyle {\text{OD}}=\nombre del operador {ln} (I_{0}/I)=\epsilon \cdot [X]\cdot l\cdot {\text{DPF}}+G}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/19bdf284941c4b5773b962733a19dfef36d9c70a)
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