Enhanced perfusion and oxygen saturation (EPOS)

Periflux 6000

En biooptisk teknik för att mäta vävnadsfraktion röda blodkroppar, dess syresaturation och hastighetsupplösta perfusion (flöde) har tagits fram i samarbete mellan institutionen för medicinsk teknik (IMT) och Perimed AB. Vi kombinerar diffus reflektansspektroskopi (DRS) med laser Doppler (LDF) via en gemensam vävnadsmodell som i realtid uppdateras för att efterlikna vävnaden som undersöks.

Hastighetsupplöst perfusion

Genom att skilja på blodflöde, så kallad perfusion, med olika hastigheter kan man dra långtgående slutsatser kring fysiologin. Det blir t.ex. möjligt att skilja långsamt nutritivt blodflöde, som är livsnödvändigt för varenda levande cell i kroppen, från snabbare flöde som bara har en transporterande uppgift. Detta är viktigt inom bland annat diabetes mellitus där höga blodsockervärden leder till förkalkning av blodkärl som ger stela kärlväggar och ofta högre flödeshastighet, med mindre chans för syret att lämna blodet och ta sig igenom kärlväggarna ut till cellerna där det behövs. Med konventionell laserdopplerteknik (LDF) syns bara eventuella förändringar i den totala perfusionen, medan man med EPOS kan särskilja en minskad perfusion för låga hastigheter.

Principen för att mäta blodflöde är att studera de dopplerskift som uppstår då ljus sprids av partiklar, röda blodkroppar, som rör sig. Genom att studera det laserljus som sprids tillbaka från vävnad kan man beräkna ett dopplerspektrum, i princip ett spektrum av Dopplerfrekvenser. Detta är möjligt tack vare fluktuationer i det speckelmönster (interferensmönster) som uppstår då ljus av något olika frekvens mixas på en detektor (se filmklipp nedan).
De röda blodkropparnas hastighetsfördelning och koncentration, liksom vävnadens optiska och geometriska parametrar, påverkar formen på dopplerspektrat, och slutsatser om blodflödet kan därmed dras genom att studera detta spektrum. 

Visa/dölj innehåll

Visa/dölj innehåll

Vävnadsfraktion röda blodkroppar och syresaturation

Hemoglobin, det syrebärande protein som återfinns i röda blodkroppar, absorberar ljus på ett karaktäristiskt sätt. Dess absorptionsspektrum, alltså hur mycket ljus som absorberas beroende på våglängd, är dessutom olika för hemoglobin som har syre bundet till sig (saturerat hemoglobin) jämfört med hemoglobin som inte har det (reducerat hemoglobin), se figur. Genom att belysa vävnad med vitt ljus, alltså ljus som innehåller ”alla” våglängder, och studera hur mycket ljus av varje våglängd som detekteras kan man därför dra slutsatser om hur mycket hemoglobin (eller röda blodkroppar) samplingsvolymen innehåller, samt vilken syresaturation det har.Diagram
Det är samma princip som en pulsoximeter använder sig av, men den stora skillnaden är att vi tittar på allt tillbakaspritt ljus, inte bara pulsationer i ljus som gått rakt igenom t.ex. ett finger som i pulsoximetri. Därmed får man med denna teknik (diffus reflektansspektroskopi, DRS) information om syresättningen i allt blod i vävnadsvolymen, inte bara om blodet i artärerna. För en typisk mätning på hud ligger därför syresaturationen strax under 50% med vår teknik, medan den bör vara nära 100% när man mäter med en pulsoximeter. En låg syresaturation tyder därmed på att syret har lämnat blodet vilket ofta är positivt, beroende på situationen.

Tillämpningar

Genom att kombinera DRS och LDF kan man alltså få simultan information om vävnadsfraktion röda blodkroppar, dess syresättning och hastighetsupplösta perfusion i samma mätpunkt. Vi är övertygade om att denna kombinerade information ger ett mervärde jämfört med att mäta parametrarna var och en för sig. Dels kan det ge ny förståelse inom området mikrocirkulation, vilket fram tills nu har varit en svårtillgänglig del av fysiologin att studera. Dels kan det, rätt använt, ge värdefull diagnostisk information vid en rad sjukdomar, inklusive stora folksjukdomar som diabetes och hjärtkärlsjukdom där mikrocirkulationen spelar en nyckelroll. Om man gör vissa antaganden kan måtten dessutom användas för att skatta lokal metabolism i vävnaden.

Vi har använt EPOS dels på friska försökspersoner [ref 4] där vi studerat normala responser under värme- och ocklussionsprovokationer, dels i en studie på personer med diabetes typ II [ref 1 och 9]. Vi har nyligen avslutat datainsamlingen i hjärt-lungfondens stora nationella studie SCAPIS, där vi i en lokal tilläggsstudie (SCAPIS mikro) har samlat in mikrocirkulationsdata med hjälp av EPOS från ett tvärsnitt av befolkningen i åldern 50-64 år. Data från drygt 4000 personer har samlats in. Det långsiktiga målet med den studien är att hitta tidiga kopplingar mellan mikrocirkulatoriska störningar och hjärtkärlsjukdom.

Modellbaserad analys

I centrum av den analys som görs av detekterade signaler i EPOS finns en vävnadsmodell som består av ett antal anpassningsbara parametrar. Från den modellen med en viss uppsättning parametervärden, kan spektra (diffusa reflektansspektra och dopplerspektra) beräknas och jämföras med mätta spektra. Modellparametrarna uppdateras i en iterativ process tills beräknade spektra stämmer väl överens med mätta spektra. När beräknade och mätta spektra överensstämmer antar vi att vävnadsmodellen speglar vävnaden. Utdata, alltså vävnadsfraktion röda blodkroppar, dess syresaturation och hastighetsupplösta perfusion, beräknas sedan från anpassad vävnadsmodell, snarare än direkt från de uppmätta signalerna. Detta är ett beräkningskrävande tillvägagångssätt, men genom att utnyttja datorns grafikkort och hyperparallell GPU-programmering kan det göras i realtid med flera mätpunkter i sekunden.

Den modellbaserade analysen ger helt nya möjligheter att få ut mer och ny information från uppmätta signaler. Genom integrationen via en gemensam vävnadsmodell korsbefruktar teknikerna varandra på det sätt att t.ex. information från DRS används för att skatta vävnadens spridningsegenskaper som därmed kan kompenseras för när dopplerspektra analyseras. Analysmetoden är ingående beskriven i [ref 6].

Instrument

Tekniken finns idag framtagen som ett instrument som är tillgängligt för försäljning via Perimed AB, Periflux 6000 EPOS System. Instrumentet använder en fiberbaserad prob (sensor) för att leverera laserljus och vitt ljus till vävnaden, och för att med närliggande fibrer föra tillbakaspritt ljus till detektorerna. Instrumentet har dedikerad mjukvara för analys av de detekterade signalerna och för att göra mätningar och utföra olika typer av provokationer, t.ex. lokal värmning eller ocklusion. Instrumentet är en specialkonfiguration av Perimeds modulära system Periflux 6000, och består av minst en PF 6010 LDF-modul och en PF 6060 spektroskopimodul, men kan även inkludera en PF 6040 tcpO2-modul och en PF 6050 tryckmodul.

Finansiering

Detta projekt har vid ett flertal tillfällen fått anslag från VINNOVA, senast via MedTech4Health, diarienr. 2016-02211. 

Publikationer

Bergstrand S, Morales M-A, Coppini G, Larsson M, Strömberg T., The relationship between forearm skin speed-resolved perfusion and oxygen saturation, and finger arterial pulsation amplitudes, as indirect measures of endothelial function. Microcirculation. 25(2), 2018.    

Jonasson H, Fredriksson I, Bergstrand S, Östgren CJ, Larsson M, Strömberg T. In vivo characterization of light scattering properties of human skin in the 475- to 850-nm wavelength range in a Swedish cohort. Journal of Biomedical Optics. 23(12), 2018.    

Strömberg T, Sjöberg F, Bergstrand S. Temporal and spatiotemporal variability in comprehensive forearm skin microcirculation assessment during occlusion protocols. Microvascular Research. 113, 2017.

Jonasson, H., et al., Skin microvascular endothelial dysfunction is associated with type 2 diabetes independently of microalbuminuria and arterial stiffness. Diabetes and Vascular Disease Research, 2017: p. 1479164117707706.

Fredriksson, I., Saager, R.B., Durkin, A.J., and Strömberg, T. Evaluation of a multi-layer diffuse reflectance spectroscopy system using optical phantoms. in Proc. SPIE. 2017.

Jonasson, H, Model-based quantitative assessment of skin microcirculatory blood flow and oxygen saturation, 2016 Doktorsavhandling

Jonasson, H., Fredriksson, I., Pettersson, A., Larsson, M., and Strömberg, T., Oxygen saturation, red blood cell tissue fraction and speed resolved perfusion - A new optical method for microcirculatory assessment. Microvasc Res, 2015. 102: p. 70-77.

Fredriksson, I., Larsson, M., and Strömberg, T., Model-Based Quantification of Skin Microcirculatory Perfusion, in Computational Biophysics of the Skin, B. Querleux, Editor. 2014, Pan Stanford Publishing: Singapore. p. 395–418.

Fredriksson, I., Burdakov, O., Larsson, M., and Strömberg, T., Inverse Monte Carlo in a multilayered tissue model: merging diffuse reflectance spectroscopy and laser Doppler flowmetry. Journal of Biomedical Optics, 2013. 18(12): p. 127004-127004.

Fredriksson, I., Larsson, M., and Strömberg, T., Inverse Monte Carlo method in a multilayered tissue model for diffuse reflectance spectroscopy. Journal of Biomedical Optics, 2012. 17(4): p. 047004-12.

Fredriksson, I., Larsson, M., and Strömberg, T., Model-based quantitative laser Doppler flowmetry in skin. Journal of Biomedical Optics, 2010. 15(5): p. 057002.

Fredriksson, I., et al., Reduced Arteriovenous Shunting Capacity After Local Heating and Redistribution of Baseline Skin Blood Flow in Type 2 Diabetes Assessed With Velocity-Resolved Quantitative Laser Doppler Flowmetry. Diabetes, 2010. 59(7): p. 1578-1584.

Fredriksson, I., Quantitative laser doppler flowmetry. 2009, Doktorsavhandling

Fredriksson, I., Larsson, M., and Strömberg, T., Optical microcirculatory skin model: assessed by Monte Carlo simulations paired with in vivo laser Doppler flowmetry. Journal of Biomedical Optics, 2008. 13(1): p. 014015.

Fredriksson, I., Larsson, M., and Strömberg, T. Absolute flow velocity components in laser Doppler flowmetry. in Proc. SPIE. 2006. San Jose, CA, USA.

Larsson, M. and Strömberg, T., Towards a velocity-resolved microvascular blood flow measure by decomposition of the laser Doppler spectrum. Journal of Biomedical Engineering, 2006. 11(1): p. 014024.

Projektgrupp
Visa/dölj innehåll

Vidare läsning
Visa/dölj innehåll