[논문 리뷰] The Enhancement of Confocal Images of Tissues at Bulk Optical Immersion

Igor Meglinski, Dmitry Y. Churmakov외 3명|ArXiv.org|2004. 01. 21.

Optical Imaging and Spectroscopy Techniques참고 문헌 5인용 수 52

한 줄 요약

이 연구는 세포 성분의 굴절률을 일치시켜 빛 산산이 흩어지는 것을 줄이고 피부 조직을 일시적으로 투명하게 만드는 데 글리세롤을 비독성 삼투압 물질로 사용하는 것을 제안한다. 반한 무한 다층 몬테카를로 모델을 사용하여 저자들은 이 광학 청소 기법이 공형 현미경 영상의 깊이 영역을 향상시켜 신호 국소화, 대trast, 공간 해상도를 높임으로써 침습적 절차 없이도 피부의 피하결합조직까지의 영상 깊이를 크게 향상시킨다는 것을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 피부 조직의 국소적 탈수 상태가 공형 탐측 깊이에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 글리세롤과 같은 화학 물질이 피부의 광투명성을 향상시켜 더 깊은 영상 촬영을 가능하게 할 잠재력을 평가하는 것.
• 공형 프로브를 사용한 광학 청소 이후 피부 조직에서의 효과적 탐측 깊이 범위를 결정하는 것.
• 굴절률 일치가 공형 현미경에서 영상 대trast와 공간 해상도에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 피부 조직 내 빛의 전파와 신호 국소화를 시뮬레이션하기 위해 반한 무한 다층 몬테카를로 모델을 사용하였다.
• 피부층에서 일시적인 탈수와 굴절률 일치를 유도하기 위해 생체 적합성 삼투압 물질로 글리세롤을 선택하였다.
• 모델은 글리세롤이 피부로 침투하는 것을 시뮬레이션하여 수분 함량을 감소시키고 빛 산산이 흩어지는 것을 줄였다.
• 모델 파rameter를 설정하기 위해 랫과 인간 피부의 광학적 성질을 in vitro에서 실험적으로 측정하였다.
• 다양한 정도의 조직 청소 상태에서의 신호 공간 국소화와 깊이 영역을 평가하였다.
• 모의 결과는 고정된 피부 샘플에서의 광학 청소 효과에 대한 실험 데이터와 비교 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 글리세롤 유도 탈수로 피부 조직의 공형 영상에서 심도 영역이 어느 정도 향상되는가?
• RQ2 글리세롤 확산에 의한 굴절률 일치가 산산이 흩어지는 빛과 조직 투명성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 공형 프로브를 사용할 때 청소된 피부에서 도달 가능한 최대 효과적 탐측 깊이는 얼마인가?
• RQ4 광학 청소가 피부 공형 현미경에서 신호 대비와 공간 해상도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 글리세롤이 피부 조직으로 침투하면서 세포 성분의 굴절률을 일치시켜 산산이 흩어지는 빛을 줄이고 광투명성을 높인다.
• 조직 청소 후 공형 프로브는 깊은 피하결합조직에서도 사용 가능한 신호 국소화를 달성하여 효과적 영상 깊이를 연장시켰다.
• 다중 산산이 흩어지는 현상 감소와 함께 신호 대 잡음비 향상으로 인해 영상 대비와 공간 해상도가 크게 향상되었다.
• 몬테카를로 시뮬레이션은 글리세롤 유도 광학 청소가 랄과 인간 피부 모두에서 더 깊고 명확한 공형 영상 촬영을 가능하게 한다는 것을 확인하였다.
• in vitro 실험 결과는 모델 예측을 지지하였으며, 글리세롤 도포 후 투과도 증가와 반사 감소가 측정되었다.
• 이 방법은 조직 손상 없이 비침습적이고 실시간으로 깊은 피부 구조를 모니터링할 수 있게 한다.