[논문 리뷰] Spatially-resolved Brillouin spectroscopy reveals biomechanical changes in early ectatic corneal disease and post-crosslinking in vivo

Peng Shao, Amira M. Eltony외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 04.

Corneal surgery and disorders참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 공간 해상도가 높은 브릴루아인 분광법을 사용하여 생체 내에서 각막 생체역학을 비침습적으로 맵핑한다. 이는 임상 진단 이전에 각막병변이 있는 환자에서 초기 생체역학적 이질성과 비대칭성을 밝혀낸다. 이는 처음으로 교차결합 치료 후 각막 경화 현상을 생체 내에서 측정한 것으로, 브릴루아 미세촬영법이 확장성 각막질환의 조기 진단과 치료 모니터링에 민감한 도구로 자리매김함을 입증한다.

ABSTRACT

Mounting evidence connects the biomechanical properties of tissues to the development of eye diseases such as keratoconus, a common disease in which the cornea thins and bulges into a conical shape. However, measuring biomechanical changes in vivo with sufficient sensitivity for disease detection has proved challenging. Here, we present a first large-scale study (~200 subjects, including normal and keratoconus patients) using Brillouin light-scattering microscopy to measure longitudinal modulus in corneal tissues with high sensitivity and spatial resolution. Our results in vivo provide evidence of biomechanical inhomogeneity at the onset of keratoconus and suggest that biomechanical asymmetry between the left and right eyes may presage disease development. We additionally measure the stiffening effect of corneal crosslinking treatment in vivo for the first time. Our results demonstrate the promise of Brillouin microscopy for diagnosis and treatment of keratoconus, and potentially other diseases.

연구 동기 및 목표

• 확장성 질환 발병과 관련된 각막 조직의 초기 생체역학적 변화를 탐지하기 위해.
• 공간 해상도가 높은 브릴루아 분광법이 생체 내 비침습적 각막 생체역학 측정에 가능함을 평가하기 위해.
• 질병 발병의 잠재적 전조증상 지표로 삼을 수 있는 왼쪽과 오른쪽 눈 사이의 생체역학적 비대칭성을 조사하기 위해.
• 브릴루아 분광법을 사용하여 생체 내에서 교차결합 치료의 경화 효과를 정량화하기 위해.
• 진단 및 생체역학 장애 모니터링을 위한 정량적이고 공간 해상도가 높은 방법을 수립하기 위해.

제안 방법

• 공간 해상도가 높은 브릴루아 분광법을 사용하여 다수의 위치에서 생체 내 각막 기질의 종방향 탄성 모odulus를 측정하였다.
• 각막 중심에서 다양한 이완도에서 각막 조직을 탐측하기 위해 맞춤형 비침습 레이저 시스템을 사용하였다.
• 비탄성 산란된 빛으로부터 측정된 브릴루아 주파수 이동은 조직의 종방향 탄성 모odulus와 직접적으로 관련되어 있다.
• 건강한 사람과 초기 각막병변 환자를 포함한 약 200명의 피험자로부터 데이터를 수집하였다.
• 통계 분석을 통해 정상군, 초기 확장성 질환군, 교차결합 치료 후 군 간 생체역학적 파rameter를 비교하였다.
• 이 방법은 높은 공간 해상도(밀리미터 이하)와 미세한 생체역학적 변화에 대한 민감도를 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공간 해상도가 높은 브릴루아 분광법은 확장성 질환의 초기 단계에서 각막의 생체역학적 이질성을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 후에 각막병변이 발생하는 사람들의 왼쪽과 오른쪽 눈 사이에 측정 가능한 생체역학적 비대칭성이 있는가?
• RQ3 브릴루아 분광법을 사용하여 생체 내에서 교차결합 치료가 유도하는 측정 가능하고 정량화 가능한 경화 반응이 있는가?
• RQ4 브릴루아 분광법은 생체역학적 파rameter를 기반으로 정상 각막과 초기 단계의 각막병변 각막을 구분할 수 있는가?
• RQ5 확장성 질환의 초기 단계에서 각막의 생체역학적 변화가 공간적으로 어떻게 분포되어 있는가?

주요 결과

• 임상 진단 이전에도 초기 각막병변 환자의 각막에서 생체역학적 이질성이 확인되었다.
• 초기 확장성 질환 환자에서 왼쪽과 오른쪽 눈 사이에 유의미한 생체역학적 비대칭성이 관찰되어, 질병 발생의 잠재적 예측 생물학적 지표로 제안되었다.
• 이 연구는 브릴루아 분광법을 사용하여 교차결합 치료 후 생체 내에서 각막 경화 현상을 처음으로 측정하였다.
• 교차결합 치료 후 각막 경도가 유의미하게 증가하였으며, 다수의 각막 영역에서 종방향 탄성 모odulus에 변화가 측정되었다.
• 공간 해상도가 높은 맵핑을 통해 지역적 생체역학적 특성의 변화를 확인하였으며, 중심 및 중심 주변 각막에서 가장 두드러진 변화가 관찰되었다.
• 이 기술은 살아있는 인간 각막에서 미세한 초기 단계의 생체역학적 변화를 탐지할 수 있을 정도로 충분한 민감도와 공간 해상도를 확보하였다.