LASCA véráramlásmérő rendszer fejlesztése és a kiértékelést befolyásoló egyes folyamatok fontosságának vizsgálata

Kondász Bence
LASCA véráramlásmérő rendszer fejlesztése és a kiértékelést befolyásoló egyes folyamatok fontosságának vizsgálata.
Doctoral thesis (PhD), University of Szeged.

[thumbnail of PhD disszertáció.pdf] PDF (thesis)
Download (3MB)
[thumbnail of Tézis füzet_hun.pdf] PDF (booklet)
Download (232kB)
[thumbnail of Tézis füzet_eng.pdf] PDF (booklet)
Download (237kB)

Abstract in Hungarian

Ha koherens fénnyel megvilágítunk egy érdes felületet, és az arról szóródót fényt egy ernyőn vagy leképező optikán keresztül egy kamera érzékelőjén felfogjuk, akkor azon egy szemcsés mintázat alakul ki, ez a lézeres szórási interferencia, más néven speckle. Ez az effektus sokféle hétköznapi eszközben is felhasználják kezdve az optikai egerektől a 3 dimenziós képalkotásig. A lézeres szórási interferencián alapuló véráramlásmérő módszert az 1980-as évek elején javasolták először 1, mint a meglehetősen drága lézer Doppleres mérőrendszerek egy olyan egyszerű és olcsó alternatívájaként, mely képes nagyobb területek véráramlását közel valós időben monitorozni. Az elmúlt évek során a módszer rengeteget fejlődött, mind a technikai megvalósítások, mind pedig a kiértékelésben használt elméleti modellek terén, ennek ellenére ezen méréstechnikának továbbra is megvannak a korlátai. Míg a például a szemfenéki és agyfelszíni mérések kiértékelései nem okoznak különösebb nehézséget, bőr esetén a felszínhez közeli mozdulatlan szórócentrumok jelenléte és az általuk okozott statikus szórás okozhat komolyabb mérési és kiértékelési problémákat. Ez utóbbi esetben a kapott perfúziós eredményeket nagymértékben befolyásolja az alkalmazott kiértékelési modell és a mérőrendszer kalibrálásának a módja. A kutatásom célja a laboratóriumunkban meglevő lézeres szórási interferencia kontrasztelemzésen alapuló (LASCA) mérőrendszer továbbfejlesztése volt, valamint olyan jelenségek tanulmányozása, melyek véleményem szerint nem kaptak elég figyelmet az irodalomban is elérhető kutatások során, azonban befolyásolhatják a mérések során kapott eredményeket. Az egyik fő feladatom az volt, hogy létrehozzak egy könnyen mozgatható karon elhelyezett, relatíve kis méretű és tömegű megvilágító-kamera rendszert. Ebben a fő kihívást a hőmérsékletstabilizált lézerforrás nagy tömege jelentette, ami miatt egy optikai szálas elrendezést terveztem meg, hogy könnyen kezelhető legyen a rendszer. A multimódusú optikai szál lehetővé teszi az egyszerűbb becsatolást és nagyobb fényteljesítmény szállítását, viszont szemcsés kimeneti intenzitáseloszlása korlátozta a véráramlásmérésben való alkalmazhatóságát. Ezen probléma egy lehetséges megoldásként megvizsgáltam a nyalábhomogenizáló diffúzor alkalmazhatóságát. Bemutatom a méréseim során használt LASCA rendszer fejlesztésének lépéseit, beleértve a komponensek behangolását és az eszközök megválasztásának indoklását. Emellett kitérek vezérlő szoftveren végzett fejlesztéseimre, melynek segítségével hatékonyabbá tehetők a mérések. A statikus szórás jelentős hozzájárulásának korrigálásában fontosak az elméleti áttekintő részben ismertetett kontraszt modellek, amelyek az egyszerűsítések miatt figyelmen kívül hagyják az ún. vegyes szórás jelentőségét, amikoris adott foton a mozgó és mozdulatlan részecskéken egyaránt szóródik. Felmerül azonban a kérdés, hogy a modellek mennyire pontosan számolják ki az interferencia kép intenzitásfluktuációjának korrelációs idejét a vegyes szórás valószínűségét befolyásoló különböző mértékű statikus-dinamikus szórási arányok esetén. A szövetmodelleken végzett mérések azt mutatták, hogy a tisztán dinamikus szuszpenziók szóróréteggel való borítása során nemcsak a statikus szórás jellemző a végtelen hosszú expozíciós időhöz tartozó K(∞) kontraszt érték növekedett meg, hanem a nullához konvergáló megvilágítási időhöz tartozó, a mozgás állapotra érzéketlen K(0) értéke is megváltozott, jelezve a minta optikai tulajdonságainak változását. Ezen megfigyelésre építve célszerű egy szisztematikus vizsgálatot megvalósítása, hogy megértsük, milyen hatással lehet a szövet perfúziós állapotában indukált változás ugyanazon terület K(0) és K(∞) értékeire. Ennek eredményei segíthetnek a mérések optimalizálásában és a mérőrendszernek a szövetre vonatkozó (részleges) kalibrációjában. Reményeim szerint a mérőrendszer- és méréstechnikai fejlesztésekkel, valamint az elvégzett kísérletekkel és eredményeivel hozzájárulhatok a LASCA véráramlásmérési módszer technikai fejlődéséhez, valamit a mérési pontosságának növeléséhez. Mindezek hosszabb távon a módszer alkalmazási területeinek szélesítését eredményezhetik a kutatási és klinikai diagnosztika területén.

Abstract in foreign language

When a rough surface is illuminated by coherent light and the scattered light is projected on a screen or onto the image sensor of a camera, a grainy interference pattern is formed, known as laser speckle. This effect is used in a wide range of everyday applications, from optical mouse to 3D imaging. A blood flow measurement method based on laser speckle contrast analysis (LASCA) was first proposed in the early 1980s1 as a simple and cheap alternative to the rather expensive laser Doppler measurement systems, that could monitor blood flow over large areas in near real time. Over the years, the method has evolved considerably, both in terms of technical implementations and theoretical models used in data evaluation, but it still has its limitations. While, for example, evaluation of the measurements performs on the fundus of the eye and the surface of the brain do not pose any particular difficulties, in case of the skin the presence of static scattering centers close to the surface can cause serious measurement and evaluation problems. In the latter case, the obtained perfusion results are strongly influenced by the evaluation model used and the way the measurement system is calibrated. My work focused on the further development of LASCA measurement system available in our laboratory and to study some phenomena, which were mostly omitted in the scientific literature, while these could have an influence on the results of the data evaluation. One of my main tasks was to create small size and lightweight arm-mounted illuminator-camera system. The main challenge was the large mass of the temperature-stabilized laser source, which led me to design an easy to handle optical fiber arrangement. The multimode optical fiber allows for easier coupling of the light with higher power output, but its granular output intensity distribution limited its use in blood flow measurement. As a possible solution to this problem, I investigated the applicability of a beam homogenizing diffuser. I present the steps of the development of the LASCA system used in my measurements, including the tuning of components and the rationale for the choice of instrumentation. I also describe the improvements I made to the control software to make the measurements more efficient. The contrast models also described in the theoretical overview of dissertation are important in correcting for the significant contribution of static scattering, which as a simplification, ignore the importance of so-called mixed scattering, where a given photon scatters on both moving and stationary particles. However, it arises the question of how accurately the models compute the correlation time of intensity fluctuations for different static-dynamic scattering ratios that affect the probability of mixed scattering. Measurements on tissue models showed that when purely dynamic emulsions were covered with a static scattering layer, not only the infinitely long exposure time contrast K(∞) increased due to the static scattering. However, the motion insensitive K(0) contrast, corresponding to infinitely short exposure time, also changed, which indicate an alteration in the optical properties of the sample. Based on this observation, my aim was to perform a systematic study to understand the effect of an induced change in the perfusion state of the tissue on the K(0) and K(∞) values of the same area. The results will help to optimize the measurements and to (partially) calibrate the measurement system. I believe, that the technical development of the LASCA blood flow measurement system and the performed studies will contribute the evolution of the method and increase the reliability of obtained data. In the longer term, this could lead to a broadening of the range of applications of the method in both the research and clinical diagnostics.

Item Type: Thesis (Doctoral thesis (PhD))
Creators: Kondász Bence
Hungarian title: LASCA véráramlásmérő rendszer fejlesztése és a kiértékelést befolyásoló egyes folyamatok fontosságának vizsgálata
Title of the thesis in foreign language: Development of LASCA perfusion measurement system and investigation of the importance of certain processes affecting the data evaluation
Supervisor(s):
Supervisor
Position, academic title, institution
MTMT author ID
Smausz Kolumbán Tamás
egyetemi adjunktus, PhD, SZTE TTIK Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék
10021518
Subjects: 01. Natural sciences
01. Natural sciences > 01.03. Physical sciences
Divisions: Doctoral School of Physics
Discipline: Natural Sciences > Physics
Language: Hungarian
Item ID: 11863
Date Deposited: 2023. Aug. 25. 15:39
Last Modified: 2023. Sep. 19. 08:44
URI: https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/11863
Defence/Citable status: Not Defended.

Actions (login required)

View Item View Item