[논문 리뷰] Interferometric speckle visibility spectroscopy (ISVS) for human cerebral blood flow monitoring

Jian Xu, Ali K. Jahromi외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 30.

Optical Imaging and Spectroscopy Techniques인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 레이저 스페클 간섭계를 이용한 간섭계적 스페클 시야도 분광법(ISVS)을 소개한다. 이는 비침습적이고 실시간으로 인간의 뇌혈류를 모니터링할 수 있는 새로운 광학적 방법이다. 푸리에 평면에 맞춤형 직사각형 조리개를 사용하여 스페클 수확을 최대화하고, 카메라 노이즈를 보정한 시야도 인자 모델을 적용함으로써, 미소혈관 혈류 역학을 고감도로 감지할 수 있다. 이는 쥐와 인간에서의 실험을 통해 맥박 산소측정법 및 전통적인 DCS 방법과 강한 상관관계를 보이며 검증되었다.

ABSTRACT

Infrared light scattering methods have been developed and employed to non-invasively monitor human cerebral blood flow (CBF). However, the number of reflected photons that interact with the brain is low when detecting blood flow in deep tissue. To tackle this photon-starved problem, we present and demonstrate the idea of interferometric speckle visibility spectroscopy (ISVS). In ISVS, an interferometric detection scheme is used to boost the weak signal light. The blood flow dynamics are inferred from the speckle statistics of a single frame speckle pattern. We experimentally demonstrated the improvement of measurement fidelity by introducing interferometric detection when the signal photon number is insufficient. We apply the ISVS system to monitor the human CBF in situations where the light intensity is $\sim$100-fold less than that in common diffuse correlation spectroscopy (DCS) implementations. Due to the large number of pixels ($\sim 2 imes 10^5$) used to capture light in the ISVS system, we are able to collect a similar number of photons within one exposure time as in normal DCS implementations. Our system operates at a sampling rate of 100 Hz. At the exposure time of 2 ms, the average signal photon electron number is $\sim$0.95 count/pixel, yielding a single pixel interferometric measurement signal-to-noise ratio (SNR) of $\sim$0.97. The total $\sim 2 imes 10^5$ pixels provide an expected overall SNR of 436. We successfully demonstrate that the ISVS system is able to monitor the human brain pulsatile blood flow, as well as the blood flow change when a human subject is doing a breath holding task.

연구 동기 및 목표

• 레이저 스페클 간섭계를 이용한 비침습적이고 고감도의 인간 뇌혈류 모니터링 방법을 개발하기 위해.
• 최적화된 광학 설계를 통해 전통적인 산산분포상관계분광법(DCS)의 한계를 극복하고 신호 대 잡음비와 공간 해상도를 향상시키기 위해.
• 동물 모델(쥐)에서 ISVS 기술을 검증하고 인간 적용 가능성을 입증하기 위해.
• 카메라 노이즈로 인한 시야도 인자 측정의 오프셋을 보정하여 동적 혈류 추정의 정확도를 향상시키기 위해.
• 푸리에 평면의 조리개 형상을 최적화하여 스페클 수확 대역폭과 빛 수확 효율을 최대화하기 위해.

제안 방법

• ISVS 시스템은 기준 빛을 단모드 섬유를 통해 필터링하고, 샘플 빛을 다중모드 섬유에 커플링하여 인간의 이마를 조명하기 위한 맥스-젠더 간섭계를 사용한다.
• 조직에서 산산분포된 빛은 대구경 다중모드 섬유로 수확되고, 4-f 리레이 시스템을 통해 카메라로 전달되며, 푸리에 평면에 맞춤형 직사각형 조리개를 배치하여 공간 주파수 대역폭과 스페클 수확을 최대화한다.
• 샘플 루프에 있는 편광판은 교차 편광 노이즈를 억제하고, 빔 스플리터가 기준 빛과 샘플 빛을 합쳐 간섭 검출을 수행한다.
• 시야도 인자는 간섭 항목의 두 번째 모멘트에서 유도되며, $ F = \frac{1}{T} \int_0^T 2(1 - \frac{t}{T}) g_1(t) dt $ 로 정의되며, 여기서 $ g_1(t) $ 는 전자기 상관 함수이다.
• 카메라 노이즈 보정 시야도 모델이 적용된다: $ F = (1 - \beta) + \beta \frac{2\tau}{T} \left[1 + \frac{\tau}{T}(e^{-\tau/T} - 1) \right] $, $ \beta = 0.9 $ 으로 기준값의 변동을 보정한다.
• 데이터 처리는 원시 프레임의 푸리에 변환을 통해 간섭 띠를 추출하고, 공간 평균화 및 시간과 공간에 따른 집합 평균을 이용한 시야도 인자 계산을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간섭계적 스페클 시야도 분광법(ISVS)이 뇌혈류 모니터링에서 전통적인 DCS보다 더 높은 감도와 신호 대 잡음비를 달성할 수 있는가?
• RQ2 푸리에 평면의 조리개 형상이 ISVS에서 공간 주파수 대역폭과 빛 수확 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 카메라 노이즈가 시야도 인자 측정의 기준값 오프셋에 얼마나 기여하는가? 그리고 이를 효과적으로 보정할 수 있는가?
• RQ4 ISVS는 인간의 뇌혈류에서 심장 박동성과 호흡과 같은 생리적 신호를 고정밀도로 감지할 수 있는가?
• RQ5 동물 모델에서 ISVS 성능은 표준 맥박 산소측정법과 전통적인 DCS와 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• 푸리에 평면의 직사각형 조리개는 원형 조리개 대비 푸리에 공간에서 빛 수확 효율을 50% 향상시키며, 원형 조리개는 가용 면적의 약 16%만 사용한다.
• 카메라 노이즈 보정 시야도 인자 모델은 비영일 기준값 변동을 효과적으로 보정하여 동적 혈류 추정의 정확도를 향상시켰다.
• 쥐의 뒷면 피부 플랩 실험에서 ISVS는 명확한 1.5 Hz 호흡 신호와 더 약한 3.5 Hz 박동 신호를 감지했으며, 맥박 산소측정법과 일치했지만, 혈관 밀도가 낮아서 동맥 신호가 더 약하게 관찰되었다.
• 쥐의 뇌 실험에서 ISVS는 1.0 Hz 호흡 신호와 연계된 박동 신호를 감지하여 뇌혈류 모니터링 가능성을 입증했다.
• 인간 적용에서의 시야도 인자는 맥박 산소측정법과 강한 상관관계를 보였으며, 이는 방법의 생리적 동역학 감지 감도를 확인했다.
• 카메라 프레임 속도 50 Hz, 노출 시간 16 ms 조건에서 ISVS는 뇌혈류의 심장 및 호흡 주파수 성분을 해상도를 충분히 확보하여 분석할 수 있었다.