Настоящий

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21718 (2022) Цитировать эту статью

698 Доступов

Подробности о метриках

Лазерная спекл-контрастная визуализация (LSCI) настолько чувствительна к движению, что может измерять движение эритроцитов. Однако эта чрезвычайная чувствительность к движению также является его ловушкой, поскольку клиническая трансляция LSCI замедляется из-за неспособности справиться с артефактами движения. В этой статье мы изучаем эффективность мультиспектральной коррекции и компенсации артефактов движения в реальном времени путем подчинения фантома потока in vitro и свиной почки ex vivo управляемым компьютером артефактам движения. На фантоме потока in vitro оптический поток показал хорошую корреляцию с общим движением. Эта модель приводит к улучшению соотношения сигнал/шум для нескольких расстояний визуализации и уменьшению переоценки перфузии. В модели почек ex vivo завышенная оценка перфузии также была уменьшена, и мы все еще могли различать ишемию и неишемию в стабилизированных данных, тогда как в нестабилизированных данных это было невозможно. Это приводит к значительно лучшей оценке перфузии, что может открыть двери для множества новых клинических применений LSCI.

Лазерная спекл-контрастная визуализация (LSCI) основана на принципе, согласно которому обратно рассеянный свет от биологической ткани, освещенной когерентным светом, формирует на детекторе случайный рисунок спеклов. Это бескрасочный метод полнопольной визуализации, позволяющий измерять подповерхностную микроперфузию тканей в режиме реального времени. LSCI был представлен в 1981 году Ферчером и Бриерсом для мониторинга кровотока1. Тем не менее, LSCI не стал стандартом лечения, отчасти из-за артефактов движения2. Использование LSCI основано на предположении, что динамическое изменение так называемого спекл-паттерна содержит информацию о кровотоке. Случайный рисунок спеклов является результатом разной длины оптического пути и настолько чувствителен к движению, что на спеклы влияют эритроциты (эритроциты). Однако эта чрезвычайная чувствительность к движению также является его ловушкой. Нежелательное движение интересующей ткани снижает измеренный контраст, что приводит к неправильным оценкам потока (т. е. к завышенной оценке перфузии). Это ограничивает использование LSCI в некоторых клинических ситуациях, когда движение невозможно устранить, например, при дыхательных движениях, пульсирующих и перистальтических движениях, неконтролируемых движениях у младенцев и пожилых людей, а также в результате боли и дрожи.

До сих пор усилия по уменьшению влияния артефактов движения в основном были сосредоточены на использовании внешней информации о движении, полученной из непрозрачных бляшек или сигнала ЭКГ. В этих случаях использовалась дополнительная информация для математической коррекции влияния движения на LSCI3,4,5,6,7,8,9. Однако эти методы не работают в режиме реального времени и требуют использования какого-либо маркера в поле зрения. Последнее не всегда возможно в некоторых ситуациях, например, при лапароскопии10.

В этом исследовании мы представляем надежную мультиспектральную модель коррекции и компенсации движения LSCI в реальном времени, основанную на оптическом потоке, которая может обеспечить клинический перевод LSCI для оценки микроперфузии в различных областях клинической работы. Мы представляем нашу модель коррекции артефактов движения в двух различных экспериментальных условиях, чтобы продемонстрировать основную концепцию вплоть до доклинического применения.

Мы исследуем влияние артефактов контролируемого движения на измеренную перфузию в двух условиях; фантом потока in vitro и перфузированная ex vivo свиная почка (рис. 1). Перфузия, измеренная с помощью LSCI, выражается в единицах лазерной спекл-перфузии (LSPU). LSPU рассчитываются по формуле. (1) где \(\sigma\) — стандартное отклонение интенсивности \(I\) от средней интенсивности \(\) с использованием пространственного алгоритма LSCI11. Пространственное окно было установлено на 5 × 512, а временное окно — на 8 кадров. И фантом потока, и перфузированная ex vivo свиная почка подвергались одним и тем же моделируемым движениям. Использовалась программируемая 2D-платформа перемещения с 4 различными длинами пути и 5 различными скоростями в диапазоне от 4 до 12 мм/с с шагом 2 мм/с. Архитектура представляет собой двухосную систему перемещения, обычно встречающуюся в 3D-принтерах, с двумя серводвигателями, управляемыми микроконтроллером (Mega 2560 REV3, Arduino, Ivrea, Италия). По сравнению с Ambrus et al.13 эта установка имеет то преимущество, что скорость, расстояние и направление могут программироваться и контролироваться пользователем и, таким образом, имитировать биологически значимые артефакты движения.