Optisk billeddannelse af vævsmekanik via laserfleksreologi

Et flertal af sygdomstilstande fra kræft og åreforkalkning til neurodegenerative og ortopædiske lidelser ledsages af ændringer i vævsstivhed. Klinisk medicin har længe stolet på manuel palpation af mistænkte regioner for at påvise vævsstivhed til diagnose. Billeddannelsesmetoder såsom ultralyd, MR og OKT kan også effektivt måle vævsstivhed. Laser speckle rheology (LSR) tilbyder en ny, kontaktløs optisk tilgang. LSR bruger en billig laser, der ligner en almindelig laserpeger, til at skinne laserlys på væv-plus et kamera til billedmønster, der reflekteres fra lysspredende partikler i prøven.

Harvard Medical School lektor i dermatologi Seemantini Nadkarni, hvis laboratorium på Wellman Center for Photomedicine udviklede LSR, forklarer rollen som lasermærker i kommunikation af vævsstivhed:"I en blød, kompatibelt eksemplar, lysspredende partikler bevæger sig hurtigt, får stavemønsteret til at svinge hurtigere. I modsætning, i en stiv prøve, et tæt netværk af fibre begrænser disse bevægelser, giver anledning til et trægt glimt af pletter. "Ved at måle frekvensen af ​​pletudsvingninger, LSR muliggør måling af vævs komplekse materialegenskaber.

Laser speckle reologi, en tutorial

En tutorial for nylig udgivet af Nadkarni og hendes kollega Zeinab Hajjarian i open access, anmeldt af ligeværdige Journal of Biomedical Optics (JBO), giver en rettidig og visuelt fyldig gennemgang af optiske metoder inden for vævsmekanik, med et specifikt fokus på LSR. Vejledningen diskuterer forskellige kliniske applikationer til oversættelse af LSR -platformen til applikationer inden for grundforskning og klinisk medicin. Den er baseret på en foredragsrække præsenteret af Nadkarni den 9 ^th International Graduate Summer School, Biophotonics '19, i Hven, Sverige.

JBO's chefredaktør Brian Pogue, MacLean professor i ingeniørvidenskab ved Dartmouth College Thayer School of Engineering, siger, "Vejledningen kombinerer de kritiske aspekter ved eksperimentelle metoder i måden, hvorpå måle af spikkelfelt designes og bruges, med en forståelse af behovene i cellen, matrix, og biologisk vævskarakterisering. "Forfatterne gennemgår både in vitro -applikationer og in vivo -vævsbilleddannelse før de opsummerer feltets historie, og hvor det ser ud til at være på vej hen.

Med det mål at udvide LSR -platformens rækkevidde til undersøgelse og diagnose af menneskelig sygdom fra et biomekanisk perspektiv, forskergruppen har udviklet forskellige enheder, der udnytter LSR -platformen til applikationer inden for hæmatologi, interventionel kardiologi, og kræftforskning.

Blodkoagulationssensor i håndflade

Et stort tema for undersøgelsen involverer brugen af ​​LSR til at påvise blødning og trombotiske lidelser hos patienter på plejestedet. Teamet har udviklet en blodkoagulationssensor i håndflade, betegnet iCoagLab, der bruger et par dråber blod til at måle forskellige parametre til at evaluere en patients koagulationstilstand inden for få minutter.

"Koagulationsforstyrrelser sker, når blodet størkner alt for langsomt eller alt for hurtigt, og den resulterende blodprop er meget løs eller meget fast og forårsager blødning eller trombotiske hændelser, "sagde Nadkarni." Ved at måle og overvåge stivheden ved koagulationsblod ved hjælp af LSR, vi kan identificere livstruende koagulationsdefekter og sandsynligvis guide blodtransfusionsstrategier hos blødende patienter eller oplyse dosering af blodfortyndere hos patienter med trombotiske tilstande. "

Kortlægning af vævsstivhed i blodkar

LSR kan også udføres via optiske fiberbundter med lille diameter inkorporeret i endoskoper, katetre eller nåle til evaluering af indre væv inde i kroppen, som ellers kan være utilgængelige for traditionel mekanisk testning. For eksempel, myokardieinfarkt, verdens største dødsårsag, opstår på grund af brud på mekanisk svage plaketter inden i karvæggen.

"Vores forskergruppe har udviklet intravaskulær LSR -kateterteknologi til at give stivhedskortet over hele karvægge og detektere mekanisk ustabile fedtplader impliceret i hjerteanfald. Vi har testet LSR -kateterteknologien i kranspulsårer fra menneskelige kadavere og i levende dyremodeller, og udvikler teknologien mod prækliniske og kliniske rammer, "sagde Nadkarni.

Nyt LSR -mikroskop til hjælp i kræftforskning

Forskellige grundlæggende mekanobiologiske undersøgelser gennem årene har understreget betydningen af ​​mikromekaniske aspekter af væv og sygdom og efterlyst nye værktøjer til måling af disse egenskaber. Forfatterne til denne vejledning har også udviklet et nyt LSR -mikroskop, der muliggør kortlægning af stivhed af væv og materialer i længdeskalaer over et par snesevis af mikron.

"Det nye LSR -mikroskopprogram indfanger stivhedsfordelingskortet over flere centimeter af en vævsprøve på få sekunder. Til sammenligning kan lignende målinger opnået med traditionelle mikroindføringsteknikker kan tage flere timer, "sagde medforfatter Hajjarian, assistent i elektroteknik ved Wellman Center for Fotomedicin, og instruktør i dermatologi ved Harvard Medical School. "Vi har demonstreret den unikke styrke ved denne teknologi i mikrofabrikkerede fantomer, in vitro -modeller for kræftmaligniteter, og tumorprøver indsamlet fra patienter. "

Forfatterne berører de tekniske aspekter af, hvordan disse fysiske principper driver forskellige behandlingsaspekter af spikkelrammerierne for at kvantificere mekaniske parametre, der er vigtige for vævets natur eller funktion. Pogue finder denne ordning bemærkelsesværdig:"Især forfatternes tilgang til at udvikle et rutediagram over behandlingsalgoritmerne og teoretiske underlag giver det grundlæggende, der er nødvendigt for at forstå, hvad der måles. "

Ved at præsentere LSR i den bredere kontekst af konkurrerende optiske teknikker og give en sammenlignende diskussion af de attributter, der er specifikke for hver teknologi, forfatterne har tjent interesserne for det biomedicinske optiske ingeniørmiljø. Ifølge Pogue, "Deres dissektion af de anvendte konkurrerende optiske metoder, såsom optisk koherenselastografi, trækkrafts mikroskopi, dynamisk lysspredning og diffusionsbølgespektroskopi hjælper med at sætte metoderne til laserfleksreologi ind i en bedre kontekst, i redskabets armamentarium. "