Optisk koherenselastografi

Optisk koherenselastografi (OCE) är en framväxande avbildningsteknik som används inom biomedicinsk avbildning för att bilda bilder av biologisk vävnad på mikron- och submikronnivå och kartlägga vävnadens biomekaniska egenskaper.

Introduktion

Elastografi användes första gången 1979 och efterföljande framsteg inom området har varit omfattande, till stor del baserat på ultraljud och magnetisk resonanstomografi. Optiska tekniker har också föreslagits för elastografi för att undersöka mekaniska egenskaper hos vävnader som går tillbaka till åtminstone 1950-talet. 1998 föreslog Schmitt först optisk koherenselastografi (OCE), genom att använda optisk koherenstomografi (OCT) för att upptäcka djupupplöst provdeformation inducerad av kvasistatisk kompression. Men termen optisk koherenselastografi myntades först i en tidning 2004 med Brett Bouma.

OCE kräver inga injektioner och är en icke-invasiv avbildningsmetod som kan ge fler detaljer än ultraljud eller MRT . Genom att använda ljuskälla för att avbilda biologisk vävnad anses OCE vara allmänt säker jämfört med CT-skanning och andra röntgenbilder som involverar joniserande strålning . Och det är också mer prisvärt och tidseffektivt jämfört med MRT. OCE kan dock även orsaka vävnadsskada vid viss hantering. Till exempel kan ytans akustiska vågor OCE orsaka att en vävnad är främst koncentrerad till temperatureffekter. I fokuspunkten kommer temperaturen i vävnaden att stiga lokalt. Därför är det nödvändigt att ta hänsyn till detta under vissa omständigheter.

OCE kännetecknas av sin nisch i mellanliggande rumslig upplösning (10s–100s μm) och graden av djuppenetration och, genom att utnyttja optisk interferometri , dess höga känslighet för små mekaniska förändringar - på mikrotöjningsnivån. Den är dock fortfarande i ett tidigt utvecklingsstadium och behöver mer klinisk praxis innan den kommer in på marknaden. Men termen optisk koherenselastografi myntades först i en tidning 2004 med Brett Bouma.

Teori

Även om optisk koherenstomografi (OCT) ger avgörande information för diagnosen, är den ofta otillräcklig för tidig diagnos, innan strukturella förändringar inträffar. Elastografi, visning av de elastiska egenskaperna hos mjukvävnader, kan utföras med hjälp av ultraljud, magnetisk resonanstomografi (MRT) eller OCT. Elastografi har visat sig vara möjligt för karakterisering av ögonvävnader.

Vävnad uppvisar olika grader av viskoelasticitet (tidsberoende svar på en belastning), porelasticitet (närvaro av vätskefyllda porer eller kanaler) och anisotropi, såväl som ett icke-linjärt förhållande mellan elasticitet och den applicerade belastningen. Som utgångspunkt för att fastställa kopplingen mellan elasticitet och förskjutning görs vanligtvis ett antal förenklade antaganden om vävnadsbeteende och struktur. Oftast uppskattas vävnad som en linjär elastisk fast substans med isotropiska mekaniska egenskaper. Antagandet om linjäritet är allmänt giltigt för nivån av töjning (typiskt <10%) som tillämpas vid elastografi.

Utvalda applikationer

Optisk koherenselastografi har ett stort löfte för att upptäcka och övervaka de förändrade mekaniska egenskaperna som åtföljer många kliniska tillstånd och patologier, särskilt vid cancer, hjärt-kärlsjukdomar och ögonsjukdomar.

Oftalmologi

Inom oftalmologi kan OCE användas för att karakterisera de mekaniska egenskaperna hos hornhinnan för att diagnostisera relaterad ögonsjukdom: speciellt för att diagnostisera och bedöma egenskaperna hos keratokonus , vilket ger nödvändig information för att etablera adaptiva biomekaniska modeller av hornhinnan för optimering av individuella laserablationsprocedur. Det hjälper också till att förbättra hanteringen av kollagentvärbindningsterapi. Metoderna som använder OCE för att studera dessa egenskaper är fortfarande under utredning och några särskilda som listas nedan verkar lovande att utvecklas till klinisk användning. Metoder kan delas in i två huvudkategorier baserat på nödvändiga interaktioner som är i-kontakt och icke-kontakt detektioner.

Kontaktdetektering

Vid kontaktdetektering med en vanlig klinisk gonioskopi, skapar direkt kontakt med hornhinnan med gonioskopi statisk kompression och resulterande förskjutningsamplitud inuti hornhinnan som svarar på kompressionen indikerar hornhinnans heterogena mekaniska egenskaper.

Beröringsfri upptäckt

Beröringsfria detektionsmetoder inklusive att skapa mekaniska kontraster med pulsad laser och fokuserad luftpuff-stimulering. Beröringsfria OCE-detektionsmetoder är mer benägna att utvecklas till klinisk användning eftersom de är mer bekväma och användbara för patienter. Pulsad laser används för att generera akustiska ytvågor på hornhinnan och sedan kunde kvantitativa Youngs modulmätningar av hornhinnan erhållas[122]. Den fokuserade luftpusten, som beskrivs som kort varaktighet (<1ms) och lågt tryck (nivå av pascal) kan mäta hornhinnans stelhet i en säker och lättkontrollerad stimulans.

Dermatologi

Hudens elasticitet kan indikera relaterade patologier som sklerodermi och cancer. Utveckling av OCE-teknik kan upptäcka skillnader i styvhet hos mänskliga hudlager in vivo. Dessutom, med dynamisk mekanisk belastning kopplad till hudytan, kan OCE också göra Youngs modulmätningar från kvantifieringen av ytvågshastigheten baserat på fasförskjutning av förskjutningsprofilen, och på så sätt visa hydratiserings- och uttorkningseffekten hos människan in vivo hud.

Onkologi

Avbildning ex vivo utskurna vävnader för att utföra tvådimensionell kartläggning av elasticitetsmodulen. Genom att antingen tillämpa statisk eller dynamisk kompressionsbelastning kan olika provområden med olika styvhet framhävas med kartläggningen av förskjutningsamplituden i ett 2D-djupupplöst elastogram. Experiment har visat att en sådan metod skulle kunna användas för att detektera tumörregion i ex vivo råtta bröstvävnader.

Assistera intraoperativ bedömning genom att detektera exakt tumörmarginal. Nyligen har nål-OCE-tekniken tillämpats medan OCE integreras med en nålsond. Nålspetsen fungerar som kompressionsbelastningen när den förs in i vävnaden, och den resulterande förskjutningsamplituden av vävnaden plottas över djupet. På detta sätt kunde den relativa styvheten för olika vävnadsregioner visas såväl som den skarpa förändringen i stammar som skiljer tumörgränsen från frisk vävnad.

Kardiologi

För att förbättra hanteringen av ateroskleros spelar övervakning av plackets stabilitet genom mekanisk karakterisering av artärväggen en viktig roll. Denna uppgift har alltid gjorts genom att använda intravaskulär ultraljud (IVUS) elastografi för att karakterisera de elastiska egenskaperna hos delar i placket. Plackkomponenter och stabilitet kunde analyseras baserat på dessa upptäckta elastiska egenskaper. Detaljerad plackstrukturdetektering kan emellertid begränsas på grund av IVUS-elastografins relativt låga rumsliga frekvens (hundratals mikron). Intravaskulär OCE skulle perfekt kunna komplettera IVUS-elastografi genom att utveckla högupplöst biomekanisk avbildning av artärväggen.

Forskningsverktyg

OCE kan användas för att bestämma mekaniska egenskaper hos konstruerade vävnader i deras tidiga utvecklingsstadium.