RESEARCH ARTICLE

Advancing intraoperative cerebral blood flow monitoring: integrating imaging photoplethysmography and laser speckle contrast imaging in neurosurgery 

Alexei A. Kamshilin, Anton N. Konovalov, Fyodor V. Grebenev, Igor O. Kozlov, Dmitry D. Stavtsev, Gennadii A. Piavchenko, Ervin Nippolainen, Valeriy V. Zaytsev, Alexey Y. Sokolov, Dmitry V. Telyshev, Sergei L. Kuznetsov, Roman V. Romashko, Igor V. Meglinski

2025, 18(4): 20.https://doi.org/10.1007/s12200-025-00163-5

Abstract：Intraoperative assessment of cerebral hemodynamics is crucial for the success of neurosurgical interventions. This study evaluates the potential of laser speckle contrast imaging (LSCI) and imaging photoplethysmography (IPPG) for contactless perfusion monitoring during neurosurgery. Despite similarities in their hardware requirements, these techniques rely on fundamentally different principles: light scattering for LSCI and light absorption for IPPG. Comparative experiments were conducted using animals (rats) when assessing the reaction of cerebral hemodynamics to adenosine triphosphate infusion. The results show different spatial and temporal characteristics of the techniques: LSCI predominantly visualizes blood flow in large venous vessels, especially in the sagittal and transverse sinuses, showing a pronounced modulation associated with the heart that cannot be explained by venous blood flow alone. In contrast, IPPG quantifies the dynamics of perfusion changes in the parenchyma, showing minimal signal in large venous vessels. We propose that LSCI signal modulation is significantly influenced by the movement of vessel walls in response to mechanical pressure waves propagating through the parenchyma from nearby arteries. A novel algorithm for LSCI data processing was developed based on this interpretation, producing perfusion indices that align well with IPPG measurements. This study demonstrates that the complementary nature of these techniques (LSCI is sensitive to blood cells displacements, while IPPG detects a change in their density) makes their combined application particularly valuable for comprehensive assessment of cerebral hemodynamics during neurosurgery.

研究背景

术中脑血流动力学的准确评估对神经外科手术的成功至关重要。现有客观评估方法仍有局限，亟需一种易于操作、非接触、能实时定量可视化全场脑血流的高分辨率技术。光学成像方法，特别是激光散斑对比成像（LSCI）和成像光电容积描记术（IPPG），因其技术简单性和全场成像能力而备受关注。尽管两者硬件需求相似，但其物理原理（LSCI基于光散射，IPPG基于光吸收）和信号形成机制尚不完全明确。

主要内容

本研究旨在比较和阐明LSCI与IPPG两种光学技术在监测脑血流动力学（特别是对大鼠输注腺苷三磷酸(ATP)的反应）时的空间与时间特性差异。研究发现，两种技术提供了互补的视角：LSCI主要可视化大静脉血管（如矢状窦和横窦）的血流，其信号显示出与心脏活动相关的强烈调制；而IPPG则量化脑实质内的灌注变化，在大静脉血管中信号最小。研究提出，LSCI信号的调制主要受附近动脉压力波传导引起的血管壁运动影响，而非静脉血流本身。

创新点

• 对LSCI信号来源提出新解释，挑战了传统观点。提出在静脉中观察到的强心脏调制LSCI信号，主要源于动脉压力波通过脑实质传导引起的血管壁机械运动，而非静脉血细胞的前向流动。

• 基于上述新解释，提出了从LSCI数据中提取心脏周期内的信号调制幅度，并将其归一化以计算灌注指数的新算法。该算法结果与IPPG测量值高度一致。

• 系统论证了LSCI（对血细胞位移敏感）和IPPG（对血细胞密度变化敏感）在原理和目标解剖结构上的根本差异，指出其联合使用能为术中获得更全面、可靠的脑血流动力学评估提供独特优势。

方法

• 动物模型：使用三只Long Evans大鼠，制备闭颅窗以暴露大脑皮层。

• 实验设计：顺序使用LSCI系统（785nm激光）和IPPG系统（525nm绿光）记录大脑图像，以避免相互干扰。通过静脉输注ATP来扰动脑血流，同步记录心电图（ECG）。

• 数据处理：计算空间散斑对比度，并在两个半球选择感兴趣区域（ROI）。创新性地计算了每个心跳周期内逆散斑对比度的调制幅度（ΔK）；对视频进行数字稳像以消除运动伪影，计算每个像素的光电容积脉搏波，并提取其脉动成分幅度（APC）；为消除心率变化影响，将两种技术得到的调制幅度（APC或ΔK）分别除以其对应心脏周期的时长，得到归一化的灌注指数。

结果

• 空间分布：LSCI主要显示大静脉血管的高血流信号，而IPPG显示脑实质区域的高灌注信号，两者分布图样截然不同。

• 时间动态与信号调制：两种技术检测到的信号（LSCI的对比度，IPPG的PPG波形）均显示出与ECG R波峰强相关的心脏调制。

• 灌注指数一致性：使用新算法计算的LSCI灌注指数与IPPG灌注指数在响应ATP输注时显示出高度一致的动态模式：严重心动过缓时灌注指数骤降，随后逐渐恢复并出现过度灌注（超过基线约2.70倍）。

结论

本研究表明，LSCI与IPPG是两种原理互补、信息维度不同的术中脑血流监测技术。通过提出创新的LSCI信号解释与处理算法，研究成功调和了两种技术对灌注动态评估的结果，证明了它们联合应用的巨大潜力。这种结合既能利用LSCI对大血管血流图像的敏感性，又能借助IPPG对实质微循环灌注变化的定量能力，为神经外科医生提供更全面、实时的脑血流动力学全景视图，有望显著提升手术的安全性与精准性。未来研究需在更大样本和更接近临床的场景中验证这一联合方案的效能。

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