[論文レビュー] Spotlight on nerves: Portable multispectral optoacoustic imaging of peripheral nerve vascularization and morphology

Dominik Jüstel, Hedwig Irl+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2022

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、健常被験者における周辺神経の形態および血管新生をラベルフリーで生体内可視化できる、ポータブルなマルチスペクトル光音響イメージングシステム（OPUS）を導入した。光音響対比と超音波ガイドドにより、神経内血管（vasa nervorum）を可視化し、ヘモグロビンおよびコラーゲンのスペクトルシグネチャを用いて神経組織と周囲の結合組織を区別することで、神経の病態生理学に関する新たな知見が得られた。

ABSTRACT

Various morphological and functional parameters of peripheral nerves and their vascular supply are indicative of pathological changes due to injury or disease. Based on recent improvements in optoacoustic image quality, we explore the ability of multispectral optoacoustic tomography, in tandem with ultrasound imaging (OPUS), to investigate the vascular environment and morphology of peripheral nerves in vivo in a pilot study on healthy volunteers. We showcase the unique ability of optoacoustic imaging to visualize the vasa nervorum by observing intraneurial vessels in healthy nerves in vivo for the first time. In addition, we demonstrate that the label-free spectral optoacoustic contrast of the perfused connective tissue of peripheral nerves can be linked to the endogenous contrast of haemoglobin and collagen. We introduce metrics to analyze the composition of tissue based on its optoacoustic contrast and show that the high-resolution spectral contrast reveals specific differences between nervous tissue and reference tissue in the nerve's surrounding. We discuss how this showcased extraction of peripheral nerve characteristics using multispectral optoacoustic and ultrasound imaging can offer new insights into the pathophysiology of nerve damage and neuropathies, for example, in the context of diabetes.

研究の動機と目的

• 周辺神経の構造および血流を生体内で非侵襲的に評価できるポータブルな画像診断法の開発を目的とする。
• 健康なヒト被験者において、初めてラベルフリーの光音響対比を用いて神経内微小血管（vasa nervorum）を可視化することを目的とする。
• ヘモグロビンやコラーゲンなどの内因性クロモフォアのスペクトル光音響対比を活用して、周辺神経の組織成分を定量的に評価することを目的とする。
• スペクトルシグネチャに基づいて、神経組織と周囲の結合組織を区別できるマルチスペクトル光音響断層撮影法（OPUS）の臨床的有用性を評価することを目的とする。
• 本技術が、糖尿病性ニューロパシーなどの周辺神経障害の早期発見および病態生理学的理解にどのように貢献できるかを検討することを目的とする。

提案手法

• 複数の波長（650–950 nm）でマルチスペクトルデータを取得するポータブルでハンドヘルド型の光音響イメージングデバイスを用いて、内因性クロモフォアを検出した。
• 画像の解剖的コントラストを向上させるとともに空間分解能を向上させるために、超音波イメージングと併せて光音響信号を取得した。
• ヘモグロビン（酸素化および脱酸素化）およびコラーゲンの固有の吸収プロファイルに基づき、スペクトル分離処理を実施した。
• 異なるクロモフォアが神経組織および周囲組織に与える寄与度を分析することで、組織成分を定量的に評価するためのマルチスペクトル対比モデルを構築した。
• 光音響信号検出と超音波を用いた解剖的コアジグレーションを組み合わせたハイブリッドな画像再構成手法を用い、深部に位置する神経の可視化を向上させた。
• 本システムは、前腕部の正中神経および尺側神経を対象とした健常被験者を対象としたパイロット研究で検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチスペクトル光音響イメージングは、外来対比剤を用いずに、ヒトの周辺神経において神経内微小血管（vasa nervorum）を解像できるか？
• RQ2 周辺神経組織と周囲の結合組織との間で、ヘモグロビンおよびコラーゲンのスペクトル光音響シグネチャはどのように異なるか？
• RQ3 スペクトル対比によって、神経組織と隣接する軟部組織をラベルフリーでどの程度正確に区別できるか？
• RQ4 光音響イメージングと超音波イメージングの併用により、周辺神経の形態および微小血管の可視化・特徴抽出がどの程度向上するか？
• RQ5 マルチスペクトル光音響データから、神経組織の成分および血管新生を定量的に評価するためのどの指標が得られるか？

主な発見

• 本研究では、健康なヒト被験者における周辺神経で、ラベルフリーの光音響イメージングにより、神経内皮内空間に位置する微小血管（vasa nervorum）を初めて生体内で可視化した。
• スペクトル光音響対比により、神経内微小血管に存在するヘモグロビンと、周囲の内膜および外膜の結合組織に存在するコラーゲンを明確に区別できた。
• 神経内の灌流状態にある結合組織からの光音響信号は、内因性ヘモグロビンおよびコラーゲン濃度と相関する明確なスペクトルシグネチャを示した。
• スペクトル分離フレームワークにより、神経組織と周囲の間質との間でクロモフォアの分布に差が生じることを定量的に評価できた。
• 高解像度のマルチスペクトル光音響イメージングにより、従来の超音波では捉えきれない周辺神経の微小血管パターンおよび構造的不均一性が明らかになった。
• ポータブルなOPUSシステムにより、臨床現場でリアルタイムかつ非侵襲的かつ深さに応じた分解能を持つ周辺神経のイメージングが可能となり、血管および形態的特徴の評価に十分なコントラストを提供した。