[论文解读] Spotlight on nerves: Portable multispectral optoacoustic imaging of peripheral nerve vascularization and morphology

Dominik Jüstel, Hedwig Irl+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2022

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging被引用 4

一句话总结

本研究提出一种便携式多光谱光声成像系统（OPUS），实现了对健康志愿者外周神经解剖结构及血管化的无标记、在体可视化。通过结合光声对比与超声引导，该方法可揭示神经内血管系统（vasa nervorum）并利用血红蛋白和胶原的光谱特征区分神经组织与周围结缔组织，为神经病理生理学提供了新见解。

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.

研究动机与目标

• 开发一种便携式、非侵入性成像方法，用于在体评估外周神经结构与血供。
• 首次在健康人体受试者中，利用无标记光声对比技术可视化神经内血管系统（vasa nervorum）的微血管结构。
• 通过利用内源性发色团（如血红蛋白和胶原）的光谱光声对比，量化外周神经组织成分。
• 评估结合超声的多光谱光声断层扫描（OPUS）在基于光谱特征区分神经组织与周围结缔组织方面的可行性。
• 探索该技术在早期检测及理解外周神经疾病（如糖尿病性神经病变）病理生理机制方面的潜力。

提出的方法

• 使用便携式手持光声成像设备，在多个波长（650–950 nm）下采集多光谱数据，以检测内源性发色团。
• 同步获取光声信号与超声成像，以提供解剖背景并提高空间分辨率。
• 应用光谱解混技术，根据其独特的吸收特性，分离血红蛋白（氧合与脱氧）与胶原的贡献。
• 建立多光谱对比模型，通过分析神经组织及周围组织中不同发色团的相对贡献，量化组织成分。
• 图像重建采用混合方法，结合光声信号检测与基于超声的解剖共注册，以增强深层神经的可视化效果。
• 在健康志愿者的初步研究中验证了该系统，重点聚焦前臂正中神经与尺神经。

实验结果

研究问题

• RQ1 多光谱光声成像能否在无需外源性对比剂的情况下，在人体外周神经中在体分辨神经内血管系统（vasa nervorum）？
• RQ2 血红蛋白与胶原的光谱光声特征在周围神经组织与周围结缔组织之间有何差异？
• RQ3 光谱对比在多大程度上可实现神经组织与邻近软组织的无标记区分？
• RQ4 光声与超声成像的结合能否改善对外周神经形态与微血管结构的可视化与表征？
• RQ5 从多光谱光声数据中可提取哪些指标，以定量评估神经组织成分与血管化程度？

主要发现

• 本研究首次在健康人体外周神经中，通过无标记光声成像技术，在体可视化了神经内血管系统（vasa nervorum）——即内膜内微血管结构。
• 光谱光声对比成功区分了神经内血管中的血红蛋白与周围神经膜及外膜结缔组织中的胶原。
• 神经内结缔组织灌注区域的光声信号表现出独特的光谱特征，与内源性血红蛋白和胶原浓度显著相关。
• 光谱解混框架实现了组织成分的定量评估，揭示了神经组织与周围间质中发色团分布的差异。
• 高分辨率多光谱光声成像揭示了外周神经中传统超声无法识别的微血管模式与结构异质性。
• 便携式OPUS系统实现了外周神经的实时、非侵入性、深度分辨成像，具备足够对比度以在临床环境中评估血管与形态特征。