Lézeres szórási interferometrikus eljárás kidolgozása bőrszöveti véráramlás mérésére
Title in English
Development of laser speckle interferometric method for blood perfusion monitoring of the skin
Keywords in Hungarian
lézeres szórási interferencia, véráramlásmérés
Keywords in English
laser speckle, blood flow monitoring
Discipline
Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences)
100 %
Panel
Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent
Department of Optics and Quantum Electronics (University of Szeged)
Starting date
2007-07-01
Closing date
2010-07-31
Funding (in million HUF)
5.243
FTE (full time equivalent)
1.32
state
closed project
Summary in Hungarian
A szöveti véráramlás valós idejű mérése megvalósítható a szórási interferencia analízissel. A lézerfénnyel megvilágított testszövetről visszaszórt fény hordozza a szóró objektumok (pl. vörös vértestek) mozgási paramétereit. A megvilágított felületet megfelelő optikán keresztül egy kamera fényérzékeny chipjére leképezve, a valódi kép helyett szemcsés szerkezetű interferenciakép alakul ki. A kialakult interferenciaképek megfelelő rögzítésével és analízisével kimutatható a szövetfelszín alatti véráramlás erőssége. A felszínről történő visszaverődésből és szóródásból fakadó mérési pontatlanság csökkenthető különböző szűrési technikákkal (polarizációs szűrők, forgó diffúzoron keresztül történő megvilágítás), azonban ezek is csak részleges megoldást jelentenek. Emiatt a mérési eredmények csak összehasonlításra alkalmasak, abszolút áramlási értéket nem tudnak megadni. Ez leginkább igaz a bőrfelületre, ahol olyan nagy mértékű ezen zavaró tényezők hozzájárulása a kialakuló interferenciaképhez, hogy eddig még nem születtek igazán meggyőző eredmények a módszer alkalmazhatóságáról. Kutatásaim célja egy olyan képrögzítési és kiértékelési eljárás kidolgozása, mely képes abszolút értékű áramlásértékek meghatározására, ezáltal alkalmassá téve a szórási interferencia analízist kiterjedt testfelszín (égett és átültetett bőrfelületek, visszavarrt végtagok) vérellátásának mérésére.
Summary
Real-time monitoring of the tissular blood perfusion is realizable by laser speckle image analysis. The light scattered from a laser-illuminated tissue contains information about the movement of scattering particles (e.g. blood cells). When observing the tissue with a video camera equipped with appropriate optics, the apropriate analysis of the recorded interference images gives information about the blood flow of the observed area. However, due to the backscattering and reflection from the illuminated surface the results can be used only for comparison measurements. This measuring uncertainty can be reduced by different filtering techniques (polarization filters, illumination through rotating diffuser), however the results are still not satisfactory. This is especially valid in the case of skin, where the applicability of the method was not clearly demonstrated. The aim of the research is the elaboration of a procedure suitable for elimination of the disturbing factors in order to make laser speckle analysis suitable for absolute flow velocity measurements and perfusion monitoring of extensive body-surface (e.g. after dermatoplasty or skin burn).
Final report
Results in Hungarian
Kutatásunk során a lézeres szórási interferencián (laser speckle) alapuló véráramlásmérésre egy olyan eljárást dolgoztunk ki melynek pontossága (különösképpen bőrszövet esetén) jóval meghaladja a hagyományos, egyetlen expozíciós idő alkalmazásán alapuló módszerét. Az első szakaszban a bőrszövetet egy modellel helyettesítettük, melyben a vörösvértestek mozgását polisztirén mikrogömb szuszpenzió áramlása, a bőr felületének fényszórását pedig a szuszpenzió felett elhelyezett áttetsző, ugyanakkor a fényt nagymértékben szóró rétegek helyettesítették. Az interferencia képét rögzítő kamerának az expozíciós idejét 0,2 ms – 500 ms tartományon való változtatásával felvettünk egy interferencia kép kontraszt (K)-expozíciós idő (T) görbét. Az ideális esetre (nincs felületi szórás) számolt elméleti K(T) függvény egy módosításának segítségével függvényillesztéssel ki tudtuk számolni az áramlási sebességre jellemző, ún. korrelációs időt, mely függetlennek bizonyult a felület szórási tulajdonságaitól és az aktuális optikai beállításoktól. A mérési eljárást teszteltük valós, bőrszöveti véráramlás (perfúzió) mérésekkel, miközben referenciamérésként a már széles körben alkalmazott lézer-Doppleres módszert alkalmaztuk. A vizsgálatok azt mutatták, hogy a különböző stimulusok hatására bekövetkező relatív perfúzió változásnak a két eljárással mért értéke jól egyezik. A felvételek rögzítési módjának optimalizálásával egy ~1 s feloldású, valós idejű mérési módszer lehetőségét mutattuk ki.
Results in English
In the framework of the project a new method was developed for the laser speckle contrast analysis (LASCA) based blood perfusion measurement, which gives more accurate results as compared to the classical method based on images recorded with single exposure time value. As the first step a skin model was built using polystyrene microsphere suspension covered with semitransparent strongly scattering layers. The exposure time of the camera which recorded the speckle patterns was varied in 0.2 ms- 500 ms range, and a speckle contrast (K) –exposure time (T) curve obtained. By modifying the theoretical K(T) function derived for ideal case (when scattering from the skin surface is neglected) and fitting it to the measured data the correlation time related to the average flow velocity was determined and found to be independent of the scattering properties of the surface and the optical settings. The measurement method was tested with skin perfusion measurements, where data obtained from the well established laser-Doppler measurements serves as reference. It was found that the relative perfusion change caused by ischemia and measured with the two method are in good agreement. With optimization of the image recording, real-time monitoring with ~1 s temporal resolution can be achieved.
Smausz Tomi, Zölei Dániel, Hopp Béla: Valós korrelációs idő meghatározás a lézeres szórási interferencián alapuló véráramlás-mérésben, Kvantumelektronika 2008, 2008
Tomi Smausz, Dániel Zölei, Béla Hopp: Determination of real, set-up independent correlation time and calibration possibility in laser speckle contrast analysis, Advanced Laser Technologies, ALT08, 2008
T. Smausz, D. Zölei, B. Hopp: Real correlation time measurement in laser speckle contrast analysis using wide exposure time range images, Applied Optics 48, pp. 1425-1429, 2009
D. Zölei, T. Smausz: Multi-exposure laser speckle contrast analysis for the blood perfusion measurement in skin, International Conference on Laser Applications in Life Sciences 2010, 2010
