확산 스펙클 대비분석 시스템을 이용한 생체 내 혈류 측정

Stable circulation is essential for healthy life. In contrast, circulatory disturbance could cause cardiovascular diseases such as stroke and cardiac death. Recently, statistical data showed that 25 % of cause of death in Korea is related to circulatory system. The blood flow detection in early stage is essential for prevention of the cardiovascular disease. To diagnose these kinds of diseases which is originated from circulatory disturbance, blood flow measurement system requires frequent inspection, non-invasive measurement, and high data acquisition speed. Previous studies on blood flow measurement such as implantable arterial blood flow sensor and ultrasound imaging have been reported. However, these inspection methods are invasive or inefficient. Here, we suggest diffuse speckle contrast analysis (DSCA) system which performs non-invasive estimation for the blood flow, which is dependent on the correlation of speckle pattern caused by the blood flow. DSCA system could offer simple data analysis, flexibility, and fast measurement speed compared to previous studies. Since the DSCA system could achieve 1 Hz data acquisition rate and deep blood flow measurement, in-vivo experiments are available in human skin, chick embryo, erectile dysfunction, and ischemic stroke rat brain. Results show the validation of the DSCA system by various experiments with phantom, human skin, chick embryo, erectile dysfunction, and rat brain. In the phantom experiment, the DSCA system shows almost linear correlation between the blood flow index and the induced Intralipid flow. In the chick embryo experiment, comparative experiment between healthy embryo and weakened embryo prove that DSCA system could detect a vital sign of embryo. The blood flow index of healthy embryo is much higher than weakened embryo. The stroke rat brain experiment shows that infarct area has less blood flow index than contralateral area. Erectile dysfunction and human arm experiments indicate the effectiveness of the measurement system by measuring real-time change of blood flow index caused by stimulation or pressure, respectively. With various data analyses and configurations, the performance of DSCA system was evaluated on various samples and proved effectiveness of the DSCA system for blood flow measurement. From this study, the DSCA system could secure in-vivo measurement of blood flow in deep tissues. In future work, the DSCA system will be useful in medical diagnostic device. ⓒ 2016 DGIST1. Introduction 1-- 1.1 Study Background 1-- 1.2 Previous Studies 2-- 1.3 Study Purpose 3-- 2. Diffuse Speckle Contrast Analysis (DSCA) 4-- 2.1 Theory 4-- 2.2 Data analysis 6-- 2.3 Configuration 8-- 3. Implementation of DSCA 12-- 3.1 Implementation 12-- 3.3.1 Lens based DSCA 12-- 3.3.2 Fiber-optic based DSCA 13-- 3.2 Performance evaluation 16-- 3.3 in-vivo applications 18-- 3.3.1 Human arm 18-- 3.3.2 Chick embryo 21-- 3.3.3 Erectile dysfuncton 32-- 3.3.4 Stroke rat brain 35-- 4. Discussion and Conclusion 38-- REFERENCES 40혈류 관류 또는 미소순환은 인체 건강에 있어서 중요한 역할을 한다. 이에 따라 혈류역학을 측정하는 시스템들이 많이 개발되어 왔다. 대표적으로 Laser Doppler Flowmetry, MRI, Arterial Spin Labeling 등이 있다. 하지만 개발된 장비들은 고가이며 속도가 느리고 비효율적이다. 본 연구는 경제적이며 효율적일 뿐만 아니라 깊은 혈류를 측정할 수 있는 확산 스펙클 대비 분석기 (DSCA)를 개발하였다. DSCA 의 기기장치는 Diffuse Correlation Spectroscopy (DCS) 와 유사하지만 실험적 분석은 Laser Speckle Contrast Analysis (LSCA) 와 흡사하다. DCS 는 신호처리부분에서 하드웨어 및 소프트웨어적으로 고감도의 보드가 필요하면서 고가인 단점이있다. LSCA 는 표면 층의 혈류를 측정함으로써 깊은 혈류를 측정하지 못한다. 하지만 본 연구에서는 위 두 가지의 장점을 이용하여 설계하였다. 우선, dry phantom 을 제작하여 유동 속도에 따른 확산 스펙클 대비를 분석하였다. 실험적 결과, 유동이 있는 확산 스펙클 대비와 유동이 없는 부분에서의 확산 스펙클 대비는 확연히 차이 남을 확인하였다. 또한 주사기펌프 통한 유동속도의 변화에 따라 스팩클 대비가 선형적으로 변화하는 양상을 보였으며, 광원과 검출기간의 거리가 증가함에 따라 더 깊은 유동을 측정 할 수 있었다. Dry phantom 을 이용한 시스템 성능평가를 끝낸 뒤, 다양한 생체 실험을 위해 팔, 닭 배아, 남성 성기, 뇌 경색 모델 쥐 뇌에 적용하였다. 팔 실험에 있어서 혈압계를 이용해 팔의 혈류공급을 막고 풀었을 때 혈류지표(blood flow index, BFI)가 혈류변화와 상응한 변화를 확인하였다. 닭 배아 혈류검출 실험에서는 인공부화기에 넣기 전부터 부화되기 까지 혈류를 측정 하였을 때, 배아가 발달함에 따라 혈류지표가 증가하는 것을 확인하였다. 남성 성기 실험은 발기부전을 검출하기 위해 실험자에게 성적인 영상을 보여 주었을 때 성기에서 혈류가 어떻게 변화하는지 확인하였다. 뇌 경색 모델 쥐 뇌 실험에 있어서는 경색부위인 좌뇌와 우뇌의 혈류를 비교하였을 때 차이를 확인하여 경색부위에서 혈류지표가 더 낮은 것을 확인하였다. 여러 검증 실험을 통해 확산 스펙클 대비 분석기가 다양한 생물학적 환경에 따라 혈류역학을 분석할 수 있는 가능성을 보였으며, 본 시스템 성능이 향상된다면 각종 질환 진단에 도움을 줄 것으로 기대한다. ⓒ 2016 DGISTMasterdCollectio

A fiber optic probe coupled low-cost CMOS-camera-based system for simultaneous measurement of oxy-, deoxyhemoglobin, and blood flow

Appropriate oxygen supply and blood flow are important in coordination of body functions and maintaining a life. To measure both oxygen supply and blood flow simultaneously, we developed a system that combined near-infrared spectroscopy (NIRS) and diffuse speckle contrast analysis (DSCA). Our system is more cost effective and compact than such combined systems as diffuse correlation spectroscopy(DCS)-NIRS or DCS flow oximeter, and also offers the same quantitative information. In this article, we present the configuration of DSCA-NIRS and preliminary data from an arm cuff occlusion and a repeated gripping exercise. With further investigation, we believe that DSCA-NIRS can be a useful tool for the field of neuroscience, muscle physiology and metabolic diseases such as diabetes. © 2015 SPIE