DSCA-based deep tissue flowmetry with different source depths - applications in Pulse Wave Velocity measurement and laser acupuncture

Abstract

확산광학은 빛을 이용하여 혈동학적 변수들을 볼 수 있는 좋은 비침습적 진단기술이기는 하나, 지금까지는 표면에 위치한 광원과 검출기들을 쓰는 한계를 가지고 있었다. 본 논문에서는 표면 광원을 이용한 실험들 뿐만 아니라 깊은 곳에 위치하는 광원을 이용하는 실험에까지 범위를 넓혀서 새로운 확산광학의 가능성을 보이고자 한다. 다중채널 다중모드 확산 스펙클 대비 분석(MMF-DSCA)을 사용하여 세 가지 실험을 수행했다. 세 가지 실험 중 두 가지는 표면 광전극을 사용했고, 다른 하나는 심부 광원을 사용했다. 표면 광전극을 사용한 실험 중 하나에서는 레이저 도플러 관류 화상(LDPI)을 사용하여 표층 혈류를 동시에 측정했다. 첫 번째 실험은 표면 광전극을 사용했다. 혈관 건강의 핵심 지표로 널리 알려진 맥파 속도(PWV)를 계산하는 시스템을 개발하는 실험을 수행했다. 심전도(ECG)를 통해 기록된 심장의 전기 신호와 혈류 측정을 통해 얻은 맥파 신호를 결합했다. QRS 복합체는 심전도 모듈을 사용하여 검출했고, 혈류는 다중채널 다중모드 확산 스펙클 대비 분석을 통해 동시에 모니터링하여 맥파 파형을 추출했다. 두 파형 사이의 시간 지연을 계산하여 맥파 속도를 추정할 수 있었다. 두 번째 실험에서는 다중채널 다중모드 확산 스펙클 대비 분석을 이용하여 침 시술 중 혈류 변화를 측정하고, 침의 상태에 따라 혈류량이 어떻게 달라지는지 살펴보았다. 침은 직경(0.2mm와 0.4mm)과 삽입 깊이(진피층 또는 근육층)를 기준으로 분류했다. 표층 혈류량은 LDPI를, 심층 혈류량은 다중채널 다중모드 확산 스펙클 대비 분석을 이용하여 측정했다. 그 결과, 침을 자침하고 염전할 때 혈류량이 증가했다가 발침할 때 기준치로 돌아오는 것을 관찰했다. 또한, 바늘이 굵을수록 혈류량이 더 크게 변화하는 경향이 있었다. 마지막으로, 심층 광원을 이용한 혈류 측정법을 연구했다. 광원과 검출기 파이버가 모두 피부 위에 집적 접촉했던 이전 두 실험과 달리, 세번째 실험에서는 레이저 침을 이용했으며, 광원을 표면 아래 1~3cm에 위치시켰다. 이는 레이저 침술의 발달로 가능해졌으며, 이를 통해 먼저 그 효과를 검증할 수 있었다. 이후, 심층 광원을 가진 액체 팬텀을 이용하여 광자 확산 방정식의 해를 검증한 후 다중채널 다중모드 확산 스펙클 대비 분석를 시행했다. |Diffuse optics provides a non-invasive means of monitoring hemodynamic parameters using light. However, conventional approaches have been limited to surface optodes. In this study, we extend the scope of diffuse optical measurements from tissue-contacting optodes to those employing deeper light sources, thereby demonstrating new possibilities for diffuse optics. We conducted three experiments using Multi channel Multimode Fiber Diffuse Speckle Contrast Analysis (MMF-DSCA). Among the three experiments, two employed surface optodes, while the other one used a deep source. In one of the experiments using surface optodes, the superficial blood flow was simultaneously measured with Laser Doppler Perfusion Imaging (LDPI). The first experiment involves surface optodes. We conducted a experiment to develop a system to calculate pulse wave velocity (PWV), which is widely regarded as a key indicator of vascular health. We combined the electrical signals of the heart, recorded using electrocardiography (ECG), with pulse signals obtained from blood flow measurements. The QRS complex was detected using an ECG module, while blood flow was simultaneously monitored through MMF-DSCA, from which the pulse waveform was extracted. By calculating the time delay between these two waveforms, we were able to estimate the PWV. In the second experiment, we measured changes in blood flow during acupuncture using MMF-DSCA, investigating how blood flow varied depending on needle conditions. The needles were categorized by diameter (0.2 mm and 0.4 mm) and insertion depth (dermis or muscle layer). The superficial blood flow was measured using LDPI, whereas the deeper blood flow was assessed using MMF-DSCA. As a result, we observed that blood flow increased upon needle insertion and manipulation, and returned to baseline upon release. Moreover, thicker needles tended to produce larger changes in blood flow. Lastly, we investigated flowmetry with a deep source. Unlike the previous two experiment, in which both the source and detector fibers were tissue-contacting, this experiment utilized laser acupuncture, with the light source placed 1–3 cm beneath the surface. This was made possible by the development of laser acupuncture, allowing us to first examine its effects. Subsequently, we conducted a study using a liquid phantom with a deep source to validate the solution of the photon diffusion equation, followed by DSCA.