帝國理工胡余冰＆四川姜楠團隊Matter：用于顱腦內多種標志物動態監測的多路光纖傳感器

【導讀】

創傷性腦損傷（TBI）是世界范圍內造成死亡和殘疾的主要原因，嚴重威脅人類生命健康。TBI的發病機制十分復雜，通常起源于原發性腦損傷，并逐步發展為繼發性腦損傷。腦組織生物標志物的變化預示了損傷的發展以及相關并發癥的發生，因此實現對各種大腦生物標志物的動態監測具有重要的臨床意義。目前，臨床上使用的探針通常只能用于監測單種生物標志物，多種生物標志物的監測則需要使用多根探針或進行多次采樣，這無疑增加了患者感染炎癥的風險。盡管已經提出了微透析的方法用于多模態腦功能監測，但其仍存在多次采樣的問題，難以提供連續實時的監測。近年來，用于臨床腦部監測的電化學傳感器存在著成本高、異物反應以及磁共振兼容性較差等問題，影響了其在臨床中的實用性。而光學傳感器盡管有著不受電磁干擾、易實現遠程和深部腦傳感等優勢，并且在連續監測中具有低信號漂移，但同樣存在光信號串擾以及多參量的交叉敏感問題。因此，實現多種腦組織生物標志物的實時連續監測仍然存在諸多挑戰。

【成果掠影】

近日，英國帝國理工學院胡余冰博士、Ali?K. Yetisen副教授團隊聯合四川大學姜楠研究員團隊，設計了一種集成了可編程的人工智能（AI）預測平臺的多路復用生物標志物光纖光學傳感器，用于實時動態監測人工腦脊液（aCSF）中的四種重要標志物- pH 值、溫度、溶解氧（DO）和葡萄糖的水平。該光纖傳感器在同時監測四種生物標志物時表現出高靈敏度、高選擇性和高穩定性，且時間延遲短，可以反映生物標志物的動態變化并識別 TBI 階段的過渡，表明其能夠實時連續監測多種生理相關的生物標志物，具有巨大的臨床應用潛力。相關研究成果以題為“Multiplexed optical fiber sensors for dynamic brain monitoring”發表在期刊Matter上，論文第一作者為英國帝國理工學院張雨倩。

【核心創新點】

1、設計了一種可用于檢測四種腦生物標志物的多路復用光纖光學傳感器，可實時、連續監測顱內生物標志物，且具有良好的傳感性能。

2、該系統集成了可編程的人工智能（AI）預測平臺以實現環境補償和精準監測。

3、該系統可以在體外實現對羊腦TBI模型的腦脊液四個參數連續監測，并實現各個TBI階段的識別。

4、該系統可以實現小型化，并有較好的生物相容性，具有很好的臨床應用前景。

【數據概覽】

圖1：用于腦生物標志物檢測的多路復用光纖光學傳感器的示意圖?

圖2：多路復用光纖光學生物傳感器對pH、溫度、DO、葡萄糖傳感檢測結果?

圖3：基于機器學習模型的體外TBI腦監測模型研究?

【成果啟示】

在該項研究中，作者開發了一種多路復用光纖傳感器，用于同時檢測四種不同的腦組織生物標志物。在Y型光纖的尖端連接四種不同光學傳感薄膜，另兩端分別連接光源和光譜儀進行反射光譜分析，以實現生物標志物濃度的讀取和分析。利用反射光譜的特征開發和優化了基于機器學習的回歸模型，消除了四種光學傳感器之間的串擾，并提供生物標志物濃度的高精度和定量分析。通過對羊腦的離體組織研究，證明了該多路復用傳感器可以快速實現對不同階段、不同標志物的實時檢測，疾病不同階段的變化能夠得到準確反映，可以幫助醫生準確跟蹤病程，以做出正確的臨床決策和治療。該多路復用光纖傳感器可以潛在地應用于醫療診斷，為顱內精準診斷和治療提供新的途徑，在臨床上具有巨大的應用前景。

原文詳情∶https://authors.elsevier.com/sd/article/S2590-2385(22)00423-4