当医生想更多地了解患者心血管疾病的风险时，他们可以要求进行心脏负荷试验。但是，当涉及到中风风险诊断时，却没有等效的可扩展且具有成本效益的大脑功能测试来帮助医生就患者的潜在风险进行评估。基于中风影响因素而设计的问卷是目前估计此类患病风险的最佳工具，该问卷通过患者对问卷的回答来评估其中风的风险。
近日，来自加州理工学院和南加州大学Keck医学院的工程师和科学家团队开发了一种基于耳机的设备，该设备可以用来非侵入性地评估患者的中风风险，它通过无创的方式监测参与者屏住呼吸时血流量和血管容量的变化。该装置采用了一种基于激光的系统，在区分中风低风险和高风险个体方面已经显示出有希望的结果。
在美国，中风每年影响近80万人，是美国人导致严重长期残疾的主要原因。它是由大脑动脉阻塞或破裂引起的，脑动脉的病变会使脑供血不足，最终导致大脑缺氧，脑细胞迅速死亡——患者在中风期间每分钟约有 200 万个脑细胞死亡。
“但通过这个新设备，我们将第一次有办法根据生理指标的测量结果来评估某位患者未来中风的风险，我们认为这确实可以彻底改变中风风险的评估方式，并最终帮助医生确定患者的病情是稳定的还是恶化了。”Simon Mahler说，他是《Biomedical Optics
Express》期刊上一篇描述这项新技术和设备的论文的共同第一作者，并且是加州理工学院电气工程、生物工程和医学工程系的 Thomas G. Myers 教授团队 Changhuei Yang 实验室的博士后学者，同时还是传统医学研究所的研究员。
“我们开发的无创监测血流量的光学技术有望用于许多脑部疾病的诊断，”Yang说。作为加州理工学院电气工程的负责人，他指出，该项目是与南加州大学Keck医学院临床神经外科、外科、精神病学以及行为科学和生物医学工程教授 Charles Liu 博士及其团队更广泛合作的一部分。
一般来说，随着年龄的增长，人的血管会变得更硬，这意味着它们更难扩张以允许血液通过。反过来，这意味着这个人更容易中风。
加州理工学院团队开发了一种紧凑型设备，可以将红外激光穿过颅骨照射到大脑中的一个位置，然后使用设备上的特殊摄像头收集被照射的血管内流动的血液散射后反射回来的光。这种方法称为散斑对比光谱法（Speckle Contrast Optical Spectroscopy, SCOS），通过对比从进入颅骨的位置到收集反射光的位置的红外激光强度的降低幅度，来确定大脑血管中的血流量; 这种方法还可以监测光线在摄像机视野中散射和产生斑点的方式。斑点在图像中的波动状态，取决于血管中的血流的速率。血液流动得越快，斑点场的变化就越快。
研究人员可以使用这些测量值来计算流经血管的血流量与血管容量的比率，以了解该患者的中风风险。
该团队对50名参与者进行了研究。他们使用了目前通用的中风风险问卷，即克利夫兰中风风险计算器，将参与者分为两组：一组低风险，一组高风险。然后，他们测量了每位志愿者三分钟的血流，量化了到达大脑的血液流速和血流量。一分钟后，他们要求参与者屏住呼吸。
屏住呼吸会给参与者的大脑带来压力，因为它开始注意到它代谢出了过多的二氧化碳而没有足够的氧气。它进入了马勒所说的“恐慌模式”，并开始调用身体其他部位的氧气来供给自身。这大大增加了大脑中的血流量。一旦你停止屏住呼吸，氧气水平就会恢复到基线水平。虽然这种情况在中风低风险和高风险的人群中都会发生，但研究人员发现，两组人群在血液如何通过血管的方式上存在差异。
斑点对比光学光谱法（SCOS）技术使研究人员可以测量受试者屏住呼吸时血管扩张的程度，以及血液流过血管的速度有多快。“这些反应性测量可以反映出血管的硬化程度，”Yang 说。“我们的技术首次实现了中风风险的无创非侵入性测量。”
“我们发现的是清晰、惊人的证据，表明两组之间的血流和血容量反应不同，”这篇新论文的共同第一作者、杨实验室的研究生黄玉习说。
研究人员观察到，与中风高危组相比，低中风风险组在屏气运动期间血流量的增加较小，但血管容量的增加更大——这表明有更多的血液能够流过扩张的血管。
“我们可以清楚地看到，高风险组具有更高的流量比，他们在屏气时血流速更快，但血流量较低，”马勒说。这是由血管的僵硬引起的，表明破裂的可能性更高。“如果有一个流速-流量比极高的人来检查，我们有理由怀疑这个人在不久的将来会中风。”
该团队正在使用当前成像设备的原型机对加利福尼亚州维塞利亚一家医院的患者进行更多的研究，以收集更大范围和更多样化人群的更多数据。研究人员还计划将机器学习纳入设备的数据收集过程，并进行必要的临床试验，试验将对患者进行两年以上的跟踪监测，以进一步的测试该技术。研究人员希望该设备最终不仅可以广泛应用于中风风险预筛查，还可以帮助检测中风可能已经发生在大脑中的哪些确切位置。
这篇论文“使用便携式散斑对比光谱激光设备将中风风险与无创脑血管灌注动力学研究相关联”的其他作者是加州理工学院脑成像中心副主任 Julian Michael Tyszka;以及南加州大学凯克医学院的博士Aidin Abedi、Yu Tung Lo、Patrick D. Lyden和 Jonathan Russin。这项工作得到了美国国立卫生研究院、加州理工学院传感到智能中心和南加州大学神经修复中心的支持。
