Оптическая когерентная эластография
Оптическая когерентная эластография ( ОКЭ ) — это новый метод визуализации, используемый в биомедицинской визуализации для формирования изображений биологической ткани на микронном и субмикронном уровне и картирования биомеханических свойств ткани. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
Введение
[ редактировать ]Эластография была впервые использована в 1979 году. [ 4 ] и последующий прогресс в этой области был обширным, основанным в основном на ультразвуке и магнитно-резонансной томографии. [ 5 ] [ 6 ] Оптические методы эластографии также были предложены для исследования механических свойств тканей, начиная, по крайней мере, с 1950-х годов. [ 7 ] В 1998 году Шмитт впервые предложил оптическую когерентную эластографию (ОКЭ), используя оптическую когерентную томографию (ОКТ) для обнаружения деформации образца с разрешением по глубине, вызванной квазистатическим сжатием. [ 8 ] Первая ОКТ-эластография артерий была проведена группой Брезинского в 2004 году. [ 9 ] Но термин «оптическая когерентная эластография» был впервые использован в статье Бретта Баумы в 2004 году. [ 10 ]
Не требующий инъекций OCE представляет собой неинвазивный метод визуализации, который дает более подробную информацию, чем УЗИ или МРТ . Используя источник света для изображения биологической ткани, OCE считается в целом безопасным по сравнению с компьютерной томографией и другими методами рентгенографической визуализации, которые связаны с ионизирующим излучением . Кроме того, это более доступно и экономит время по сравнению с МРТ. Однако OCE также может вызвать повреждение тканей при некоторых манипуляциях. Например, поверхностная акустическая волна ОВЭ может вызвать на ткани преимущественно температурное воздействие. В точке фокусировки температура ткани будет локально повышаться. Поэтому необходимо учитывать это в определенных обстоятельствах. [ нужна ссылка ]
OCE характеризуется своей нишей в промежуточном пространственном разрешении (10–100 с мкм). [ 8 ] и степень проникновения, а также, благодаря использованию оптической интерферометрии , его высокая чувствительность к небольшим механическим изменениям - на уровне микродеформаций. Однако он все еще находится на ранней стадии разработки и требует дополнительной клинической практики, прежде чем выйдет на рынок.
Теория
[ редактировать ]Хотя оптическая когерентная томография (ОКТ) предоставляет важную информацию для диагностики, ее часто недостаточно для ранней диагностики, до того, как произойдут структурные изменения. Эластография, демонстрация эластических свойств мягких тканей, может выполняться с помощью ультразвука, магнитно-резонансной томографии (МРТ) или ОКТ. Доказано, что эластография позволяет охарактеризовать ткани глаза. [ 11 ]
Ткань демонстрирует различную степень вязкоэластичности (зависящую от времени реакцию на нагрузку), пороэластичности (наличие заполненных жидкостью пор или каналов) и анизотропии, а также нелинейную зависимость между эластичностью и приложенной нагрузкой. В качестве отправной точки для установления связи между эластичностью и смещением обычно делается ряд упрощающих предположений о поведении и структуре ткани. Чаще всего ткань представляют как линейное упругое твердое тело с изотропными механическими свойствами. Предположение о линейности обычно справедливо для уровня деформации (обычно <10%), применяемой в эластографии. [ 8 ]
Выбранные приложения
[ редактировать ]Оптическая когерентная эластография имеет большие перспективы для обнаружения и мониторинга измененных механических свойств, которые сопровождают многие клинические состояния и патологии, особенно при раке, сердечно-сосудистых заболеваниях и заболеваниях глаз. [ нужна ссылка ]
Офтальмология
[ редактировать ]В офтальмологии OCE можно использовать для характеристики механических свойств роговицы с целью диагностики сопутствующих глазных заболеваний: особенно для диагностики и оценки свойств кератоконуса , что дает необходимую информацию для создания адаптивных биомеханических моделей роговицы для оптимизации индивидуальных особенностей. процедура лазерной абляции. [ 12 ] Это также помогает улучшить управление терапией сшивки коллагена. [ 13 ] Методы, использующие ОХЭ для изучения этих свойств, все еще находятся в стадии изучения, и некоторые из них, перечисленные ниже, кажутся многообещающими для клинического использования. Методы можно разделить на две основные категории в зависимости от необходимых взаимодействий: контактное и бесконтактное обнаружение.
Обнаружение контактов
[ редактировать ]При контактном выявлении с помощью стандартной клинической гониоскопии [ 14 ] Прямой контакт с роговицей при помощи гониоскопии создает статическое сжатие, и результирующая амплитуда смещения внутри роговицы в ответ на сжатие указывает на неоднородные механические свойства роговицы.
Бесконтактное обнаружение
[ редактировать ]Бесконтактные методы обнаружения, включая создание механических контрастов с помощью импульсного лазера и целенаправленной стимуляции воздушным потоком. [ 15 ] [ 16 ] Бесконтактные методы обнаружения ОХЭ с большей вероятностью найдут применение в клинической практике, поскольку они более удобны и применимы для пациентов. Импульсный лазер используется для генерации поверхностных акустических волн на роговице, после чего можно получить количественные измерения модуля Юнга роговицы [122]. Сфокусированная струя воздуха, описываемая как короткая длительность (<1 мс) и низкое давление (уровень паскаля), способна измерять жесткость роговицы с помощью безопасного и легко контролируемого стимула. [ 16 ]
Дерматология
[ редактировать ]Эластичность кожи может указывать на сопутствующие патологии, такие как склеродермия. [ 17 ] и рак. [ 18 ] Развитие технологии OCE могло бы обнаружить различия в жесткости слоев кожи человека in vivo. [ 19 ] Кроме того, благодаря динамической механической нагрузке, связанной с поверхностью кожи, OCE также способен выполнять измерения модуля Юнга на основе количественного определения скорости поверхностной волны на основе фазового сдвига профиля смещения. [ 15 ] и, таким образом, демонстрируя эффект гидратации и обезвоживания кожи человека in vivo.
онкология
[ редактировать ]Визуализация иссеченных тканей ex vivo [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] выполнить двумерное картирование модуля упругости. Применяя статическую или динамическую сжимающую нагрузку, можно выделить различные области образца с разной жесткостью с помощью картирования амплитуды смещения. [ 20 ] на двумерной эластограмме с разрешением по глубине. Эксперименты показали, что такой метод можно использовать для обнаружения опухолевой области в тканях молочной железы крыс ex vivo.
Помощь в интраоперационной оценке [ 24 ] [ 25 ] путем обнаружения точного края опухоли. В последнее время применяется метод игольчатого OCE, который объединяет OCE с игольчатым зондом. [ 24 ] Кончик иглы действует как компрессионная нагрузка при введении в ткань, а результирующая амплитуда смещения ткани отображается в зависимости от глубины. [ 24 ] Таким образом можно было бы показать относительную жесткость различных областей ткани, а также резкое изменение напряжений, которое отличает границу опухоли от здоровой ткани. [ 24 ]
Кардиология
[ редактировать ]Для улучшения лечения атеросклероза важную роль играет мониторинг стабильности бляшек путем механической характеристики артериальной стенки. [ 26 ] Эта задача всегда решалась с помощью внутрисосудистой ультразвуковой эластографии (ВСУЗИ). [ 27 ] для характеристики упругих свойств частей внутри бляшки. Компоненты и стабильность бляшек можно проанализировать на основе этих обнаруженных эластичных свойств. [ 28 ] Однако детальное выявление структуры бляшек может быть ограничено из-за относительно низкой пространственной частоты ВСУЗИ-эластографии (сотни микрон). Внутрисосудистая ОХЭ может прекрасно дополнять ВСУЗИ-эластографию, обеспечивая биомеханическую визуализацию артериальной стенки с высоким разрешением. [ 10 ]
Инструменты исследования
[ редактировать ]OCE можно использовать для определения механических свойств инженерных тканей на ранней стадии их развития. [ 29 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ван С., Ларин К.В. (апрель 2015 г.). «Оптическая когерентная эластография для характеристики тканей: обзор» . Журнал биофотоники . 8 (4): 279–302. дои : 10.1002/jbio.201400108 . ПМК 4410708 . ПМИД 25412100 .
- ^ Зайцев В.Ю., Матвеев А.Л., Матвеев Л.А., Губаркова Е.В., Советский А.А., Сироткина М.А. и др. (2017). «Практические препятствия и стратегии их устранения в компрессионной оптической когерентной эластографии биологических тканей» . Журнал инновационных оптических наук о здоровье . 10 (6). World Scientific : 1742006. doi : 10.1142/S1793545817420068 .
- ^ «Биофотоника: оптическая когерентная эластография и биомеханическое моделирование развивающихся тканей» . nsf.gov . Национальный научный фонд .
- ^ Сапунцов Л.Е., Митрофанова С.И., Савченко Т.В. (декабрь 1979 г.). «Применение эластографии для оценки реологических свойств мягких тканей конечности человека при нормальном и нарушенном периферическом лимфатическом кровообращении». Бюллетень экспериментальной биологии и медицины . 88 (6): 1501–3. дои : 10.1007/BF00830374 .
- ^ Лернер Р.М., Хуанг С.Р., Паркер К.Дж. (1990). « Изображения «соноэластичности», полученные на основе ультразвуковых сигналов в механически вибрирующих тканях». Ультразвук в медицине и биологии . 16 (3): 231–9. дои : 10.1016/0301-5629(90)90002-т . ПМИД 1694603 .
- ^ Офир Дж., Сеспедес И., Поннеканти Х., Язди Ю., Ли Х. (апрель 1991 г.). «Эластография: количественный метод визуализации эластичности биологических тканей». Ультразвуковая визуализация . 13 (2): 111–34. дои : 10.1177/016173469101300201 . ПМИД 1858217 . S2CID 21440596 .
- ^ Гирке Х.Э., Острайхер Х.Л., Франке Э.К., Паррак Х.О., Фон Виттерн В.В. (июнь 1952 г.). «Физика колебаний в живых тканях». Журнал прикладной физиологии . 4 (12): 886–900. дои : 10.1152/яп.1952.4.12.886 . ПМИД 14946086 .
- ^ Перейти обратно: а б с Кеннеди Б.Ф., Кеннеди К.М., Сэмпсон Д.Д. (2014). «Обзор оптической когерентной эластографии: основы, методы и перспективы». Журнал IEEE по избранным темам квантовой электроники . 20 (2): 272–288. Бибкод : 2014IJSTQ..20..272K . дои : 10.1109/jstqe.2013.2291445 . S2CID 9038964 .
- ^ Роговска Дж., Патель Н.А., Фудзимото Дж.Г., Брезински М.Е. (01 мая 2004 г.). «Методика оптической когерентной томографической эластографии для измерения деформации и растяжения атеросклеротических тканей» . Сердце . 90 (5): 556–562. дои : 10.1136/hrt.2003.016956 . ISSN 1355-6037 . ПМЦ 1768234 . ПМИД 15084558 .
- ^ Перейти обратно: а б Чан Р., Чау А., Карл В., Надкарни С., Халил А., Ифтимия Н. и др. (сентябрь 2004 г.). «Артериальная эластография на основе ОКТ: надежная оценка с использованием биомеханики тканей» . Оптика Экспресс . 12 (19): 4558–72. Бибкод : 2004OExpr..12.4558C . дои : 10.1364/opex.12.004558 . ПМИД 19484007 .
- ^ Цюй Ю, Хэ Ю, Саиди А, Синь Ю, Чжоу Ю, Чжу Дж и др. (январь 2018 г.). «Картирование эластичности задних слоев глаза in vivo с использованием оптической когерентной эластографии с использованием силы акустического излучения» . Исследовательская офтальмология и визуальные науки . 59 (1): 455–461. дои : 10.1167/iovs.17-22971 . ПМЦ 5783626 . ПМИД 29368002 .
- ^ Эдмунд С. (апрель 1988 г.). «Эластичность роговицы и ригидность глаза в нормальных и кератоконических глазах». Акта офтальмологическая . 66 (2): 134–40. дои : 10.1111/j.1755-3768.1988.tb04000.x . ПМИД 3389085 . S2CID 10582425 .
- ^ Сперл Э., Хуле М., Зайлер Т. (январь 1998 г.). «Индукция поперечных связей в ткани роговицы». Экспериментальное исследование глаз . 66 (1): 97–103. дои : 10.1006/exer.1997.0410 . ПМИД 9533835 .
- ^ Форд М.Р., Дуппс В.Дж., Роллинз А.М., Синха Р.А., Ху З. (2011). «Метод оптической когерентной эластографии роговицы» . Журнал биомедицинской оптики . 16 (1): 016005–016005–7. Бибкод : 2011JBO....16a6005F . дои : 10.1117/1.3526701 . ПМК 3041813 . ПМИД 21280911 .
- ^ Перейти обратно: а б Лян X, Boppart SA (апрель 2010 г.). «Биомеханические свойства кожи человека in vivo по данным динамической оптической когерентной эластографии» . Транзакции IEEE по биомедицинской инженерии . 57 (4): 953–9. дои : 10.1109/TBME.2009.2033464 . ПМК 3699319 . ПМИД 19822464 .
- ^ Перейти обратно: а б Ван С., Ларин К.В., Ли Дж., Вантипалли С., Манапурам Р.К., Аглямов С. и др. (20 мая 2013 г.). «Фокусированная воздушно-импульсная система для измерения эластичности тканей на основе оптической когерентной томографии» . Письма по лазерной физике . 10 (7): 075605. Бибкод : 2013LaPhL..10g5605W . дои : 10.1088/1612-2011/10/7/075605 . ПМЦ 5969524 . ПМИД 29805349 .
- ^ Эномото Д.Н., Меккес Дж.Р., Боссайт П.М., Хоекзема Р., Бос Дж.Д. (сентябрь 1996 г.). «Количественная оценка склероза кожи с помощью измерителя эластичности кожи у пациентов с генерализованной склеродермией». Журнал Американской академии дерматологии . 35 (3, часть 1): 381–7. дои : 10.1016/s0190-9622(96)90601-5 . ПМИД 8784273 .
- ^ Хинц Т., Хеллер Т., Венцель Дж., Бибер Т., Шмид-Вендтнер М.Х. (2013). «Тканевая эластография в реальном времени как перспективный диагностический инструмент для диагностики метастазов в лимфатические узлы у пациентов со злокачественной меланомой: проспективный одноцентровый опыт». Дерматология . 226 (1): 81–90. дои : 10.1159/000346942 . ПМИД 23548643 . S2CID 13259474 .
- ^ Ади С.Г., Кеннеди Б.Ф., Армстронг Дж.Дж., Александров С.А., Сэмпсон Д.Д. (май 2009 г.). «Аудиочастотная оптическая когерентная эластография in vivo». Физика в медицине и биологии . 54 (10): 3129–39. Бибкод : 2009PMB....54.3129A . дои : 10.1088/0031-9155/54/10/011 . hdl : 10379/17119 . ПМИД 19420415 . S2CID 41138119 .
- ^ Перейти обратно: а б Ади С.Г., Лян Икс, Кеннеди Б.Ф., Джон Р., Сэмпсон Д.Д., Боппарт С.А. (декабрь 2010 г.). «Спектроскопическая оптическая когерентная эластография» . Оптика Экспресс . 18 (25): 25519–34. Бибкод : 2010OExpr..1825519A . дои : 10.1364/OE.18.025519 . ПМК 3319753 . ПМИД 21164898 .
- ^ Кеннеди Б.Ф., Маклафлин Р.А., Кеннеди К.М., Чин Л., Куратоло А., Тьен А. и др. (июль 2014 г.). «Оптическая когерентная микроэластография: механоконтрастная визуализация микроструктуры тканей» . Биомедицинская оптика Экспресс . 5 (7): 2113–24. дои : 10.1364/BOE.5.002113 . ПМК 4102352 . ПМИД 25071952 .
- ^ Лян X, Ольденбург А.Л., Креча В., Чейни Э.Дж., Боппарт С.А. (июль 2008 г.). «Оптическое микромасштабное картирование динамических биомеханических свойств тканей» . Оптика Экспресс . 16 (15): 11052–65. Бибкод : 2008OExpr..1611052L . дои : 10.1364/oe.16.011052 . ПМЦ 2883328 . ПМИД 18648419 .
- ^ Лян Икс, Ади С.Г., Джон Р., Боппарт С.А. (июнь 2010 г.). «Динамическая оптическая когерентная эластография в спектральной области для характеристики тканей» . Оптика Экспресс . 18 (13): 14183–90. Бибкод : 2010OExpr..1814183L . дои : 10.1364/OE.18.014183 . ПМК 3310369 . ПМИД 20588552 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Кеннеди К.М., Маклафлин Р.А., Кеннеди Б.Ф., Тьен А., Лэтэм Б., Сондерс К.М., Сэмпсон Д.Д. (декабрь 2013 г.). «Игольная оптическая когерентная эластография для измерения микромасштабного механического контраста глубоко в тканях молочной железы человека» . Журнал биомедицинской оптики . 18 (12): 121510. Бибкод : 2013JBO....18l1510K . дои : 10.1117/1.JBO.18.12.121510 . ПМИД 24365955 . S2CID 23381348 .
- ^ Ван С., Ли Дж., Манапурам Р.К., Менодиадо Ф.М., Ингрэм Д.Р., Тва М.Д. и др. (декабрь 2012 г.). «Бесконтактное измерение эластичности для выявления опухолей мягких тканей с использованием фазочувствительной оптической когерентной томографии в сочетании с фокусированной воздушно-струйной системой» . Оптические письма . 37 (24): 5184–6. Бибкод : 2012OptL...37.5184W . дои : 10.1364/OL.37.005184 . ПМЦ 4589295 . ПМИД 23258046 .
- ^ Ченг Г.К., Лори Х.М., Камм Р.Д., Фишбейн М.С., Ли Р.Т. (апрель 1993 г.). «Распределение окружного напряжения в разорвавшихся и стабильных атеросклеротических поражениях. Структурный анализ с гистопатологической корреляцией» . Тираж . 87 (4): 1179–87. дои : 10.1161/01.cir.87.4.1179 . ПМИД 8462145 .
- ^ ван дер Стин А.Ф., де Корте КЛ, Сеспедес Э.И. (октябрь 1998 г.). «Внутрисосудистая ультразвуковая эластография» (PDF) . Ультразвук в медицине . 19 (5): 196–201. дои : 10.1055/s-2007-1000491 . ПМИД 9842682 . S2CID 260344691 .
- ^ де Корте К.Л., ван дер Стин А.Ф., Сепедес Э.И., Пастеркамп Г., Карлье С.Г., Мастик Ф. и др. (июнь 2000 г.). «Характеристика компонентов бляшек и уязвимости с помощью внутрисосудистой ультразвуковой эластографии». Физика в медицине и биологии . 45 (6): 1465–75. Бибкод : 2000PMB....45.1465D . дои : 10.1088/0031-9155/45/6/305 . ПМИД 10870704 . S2CID 250748986 .
- ^ Мартин И., Обрадович Б., Треппо С., Гродзинский А.Дж., Лангер Р., Фрид Л.Е., Вуняк-Новакович Г. (2000). «Модуляция механических свойств тканеинженерного хряща». Биореология . 37 (1–2): 141–7. ПМИД 10912186 .