[논문 리뷰] Spotlight on nerves: Portable multispectral optoacoustic imaging of peripheral nerve vascularization and morphology

Dominik Jüstel, Hedwig Irl외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 28.

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 건강한 자발적 환자에서 표적 없이, 생체 내로 외부 표지 없이 주변 신경의 형태와 혈관화를 시각화할 수 있는 이동식 다스펙트럼 광음향 영상 시스템(OPUS)을 소개한다. 광음향 대비와 초음파 유도를 융합함으로써, 혈색소와 콜라겐의 스펙트럼 서명을 이용해 신경 내 혈관망(vasa nervorum)과 주변 결합 조직과의 신경 조직을 식별할 수 있으며, 신경 병리생리학에 대한 새로운 통찰을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생체 내 주변 신경의 구조와 혈류 공급을 평가하기 위한 이동식 비침습적 영상 기법을 개발하기 위해.
• 건강한 인간 대상에서 처음으로 외부 표지 없이 광음향 대비를 이용해 신경 내 혈관망(vasa nervorum)을 영상화하기 위해.
• 혈색소와 콜라겐과 같은 내재된 색소의 스펙트럼 광음향 대비를 활용하여 주변 신경의 조직 조성을 정량화하기 위해.
• 스펙트럼 서명을 기반으로 광음향 영상과 초음파를 융합한 다스펙트럼 광음향 단층촬영(OPUS)이 신경 조직과 주변 결합 조직을 구분할 수 있는지 평가하기 위해.
• 이 기술이 당뇨병성 신경병증과 같은 주변 신경 장애의 조기 진단 및 병리생리학적 이해에 어떻게 기여할 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 다양한 파장(650–950 nm)에서 다스펙트럼 데이터를 확보하기 위해 이동식 수동 광음향 영상 장치를 사용하여 내재된 색소를 감지하였다.
• 해부학적 맥락을 제공하고 공간 해상도를 향상시키기 위해 광음향 신호를 초음파 영상과 동시에 확보하였다.
• 혈색소(산소화된 및 탈산소화된)와 콜라겐의 고유한 흡수 프로파일을 기반으로 스펙트럼 분리 기법을 적용하여 기여도를 분리하였다.
• 다스펙트럼 대비 모델을 개발하여 신경 및 주변 조직에서 다양한 색소의 상대 기여도를 분석함으로써 조직 조성을 정량화하였다.
• 광음향 신호 탐지와 초음파 기반 해부학적 공통 등록을 융합한 하이브리드 접근 방식을 사용하여 깊이 있는 신경의 시각화를 향상시켰다.
• 시스템은 중앙신경과 청신경을 포함한 전위부에서의 중앙신경과 청신경을 대상으로 한 건강한 인간 자발적 환자에 대한 피LOT 연구에서 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다스펙트럼 광음향 영상이 외부 대비제 없이 인간 주변 신경에서 생체 내로 신경 내 혈관망을 해상도 있게 확인할 수 있는가?
• RQ2 주변 신경 조직과 주변 결합 조직 간에 혈색소와 콜라겐의 스펙트럼 광음향 서명은 어떻게 다를까?
• RQ3 스펙트럼 대비가 얼마나 효과적으로 신경 조직과 인접한 연조직을 표지 없이 구분할 수 있는가?
• RQ4 광음향 영상과 초음파 영상의 조합이 주변 신경의 형태와 미세혈관 구조를 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 다스펙트럼 광음향 데이터에서 어떤 지표를 유도하여 신경 조직의 조성과 혈관화를 정량적으로 평가할 수 있는가?

주요 결과

• 이 연구는 건강한 인간 주변 신경에서 외부 표지 없이 생체 내로 신경 내 혈관망(신경 내 혈관망)을 처음으로 영상화함을 입증하였다.
• 스펙트럼 광음향 대비가 신경 내 혈관에서의 혈색소와 신경막 및 외막 결합 조직층의 콜라겐을 성공적으로 구분하였다.
• 신경 내 혈류가 있는 결합 조직의 광음향 신호는 내재된 혈색소와 콜라겐 농도와 관련된 특징적인 스펙트럼 서표를 보였다.
• 스펙트럼 분리 프레임워크를 통해 조직 조성의 정량적 평가가 가능해졌으며, 신경 조직과 주변 기질 간의 색소 분포 차이를 드러내었다.
• 고해상도 다스펙트럼 광음향 영상은 기존 초음파만으로는 볼 수 없었던 주변 신경의 미세혈관 패tern과 구조적 이질성을 드러내었다.
• 이동식 OPUS 시스템은 임상 환경에서 혈관 및 형태적 특징 평가에 충분한 대비를 제공하는 실시간, 비침습적, 깊이 해상도 영상화를 가능하게 하였다.