[論文レビュー] The Enhancement of Confocal Images of Tissues at Bulk Optical Immersion

Igor Meglinski, Dmitry Y. Churmakov+3 more|ArXiv.org|Jan 21, 2004

Optical Imaging and Spectroscopy Techniques参考文献 5被引用数 52

ひとこと要約

本研究では、細胞成分の屈折率を一致させることで、散乱を低減し一時的に皮膚組織を透明化する非毒性な浸透圧剤としてグリセロールの使用を提案する。半無限多層モデルを用いたモンテカルロシミュレーションにより、光学的透明化が共焦点画像の皮膚組織内への深さ方向の透過を向上させ、侵襲的でない条件下で信号の局在性、コントラスト、空間分解能を著しく向上させることを示している。

ABSTRACT

The purpose of the present work is a theoretical examination of how localized skin-tissue dehydration affects the depth of the confocal probing and what depth of effective detection can be reached with the chemical administration of skin tissues. A semi-infinite multilayer Monte Carlo model is used to estimate spatial localization of the output signal offered by a confocal probe. A solution of glycerol is taken in the capacity of innocuous osmotic agent. Diffusion of this bio-compatible chemical agent into the skin temporarily pushes water out of the tissues and results in the matching of the refractive indices of skin structural elements. This temporarily decreases scattering and increases transparency of topical skin layers, which allows for unrestricted light to permeate deeper into the skin. The results of simulation show that signal spatial localization offered by a confocal probe in the skin tissues during their clearing is usable for the monitoring of deep reticular dermis and improving the image contrast and spatial resolution. A discussion of the optical properties of skin tissues and their changes due to diffusion of glycerol into the skin is given. Optical properties of tissues and their changes due to chemical administration are estimated based on the results of experimental in vitro study with rat and human skin.

研究の動機と目的

• 局所的脱水が皮膚組織の共焦点プローブの深さに与える影響を調査すること。
• グリセロールなどの化学的薬剤が皮膚組織の光学的透明度を向上させ、より深いイメージングを可能にする可能性を評価すること。
• 共焦点プローブを用いた光学的透明化後の皮膚組織における有効検出深さの範囲を特定すること。
• 屈折率の一致が共焦点顕微鏡における画像コントラストおよび空間分解能に与える影響を評価すること。

提案手法

• 皮膚組織内の光の伝播および信号局在性をシミュレートするために、半無限多層モンテカルロモデルが用いられた。
• 生体適合性のある浸透圧剤としてグリセロールが選択され、皮膚層における一時的脱水および屈折率の一致を誘導した。
• モデルはグリセロールの皮膚への拡散をシミュレートし、水分量の低下と光の散乱の低減を再現した。
• モデルパラメータを決定するために、ラットおよびヒト皮膚の光学的特性がin vitroで実験的に測定された。
• さまざまな程度の組織透明化状態における信号の空間的局在性および深さ方向の透過を評価した。
• シミュレーション結果は、in vivo皮膚標本における光学的透明化効果の実験データと照合された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グリセロール誘発の脱水は、皮膚組織の共焦点イメージングにおける焦点深度をどの程度向上させるか？
• RQ2 グリセロールの拡散による屈折率の一致は、光の散乱および組織の透明度にどのように影響するか？
• RQ3 共焦点プローブを用いた場合、透明化皮膚で達成可能な最大有効検出深さは何か？
• RQ4 光学的透明化は、皮膚の共焦点顕微鏡法における信号コントラストおよび空間分解能にどのように影響するか？

主な発見

• グリセロールの皮膚組織への拡散により、細胞成分の屈折率が一致し散乱が低減され、光学的透明度が向上した。
• 組織の透明化後、共焦点プローブは深い網状真皮部においても使用可能な信号局在性を達成し、有効イメージング深さが拡大した。
• 多重散乱の低減と信号対雑音比の向上により、画像コントラストおよび空間分解能が著しく向上した。
• モンテカルロシミュレーションにより、グリセロール誘発の光学的透明化がラットおよびヒト皮膚の両方でより深く、明瞭な共焦点イメージングを可能にすることが確認された。
• in vitroでの実験結果はモデルの予測を支持しており、グリセロール投与後に透過率の測定可能な増加およびバックストレージの低減が観察された。
• 本手法により、構造的損傷を伴わず、非侵襲的かつリアルタイムで深部皮膚構造のモニタリングが可能になった。