암 세포 주변의 저산소증은 방사선, 항암치료제, 절제술 등을 이용한 항암치료법에 중요한 역할을 하는데, 특히 암세포 주변의 모세혈관 내에서의 산소의 이동 분석은 암의 발달 및 전이, 주변 혈관의 생성과 변이에 직간접적 영향을 미친다. 따라서 현재 암 병변 주변의 모세혈관 내 헤모글로빈산소포화도를 측정하고 혈관의 생성 및 변이상태를 측정하는 연구가 활발하게 진행되고 있지만, 대부분의 계측장비는 침습적인 방법으로 진행되며, 해상도 또한 기대이하의 공간 및 시간영역을 제공하는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 비침습적 헤모글로빈 산소포화도 이미지와 다양한 이미지프로세싱 기법을 이용하여 실시간 혈관변화의 분석을 통해 암 혈관 생성 및 변이의 특성을 제공할 수 있는 초분광 이미징 시스템 활용 방법을 제시하고자 한다.
암 세포 주변의 저산소증은 방사선, 항암치료제, 절제술 등을 이용한 항암치료법에 중요한 역할을 하는데, 특히 암세포 주변의 모세혈관 내에서의 산소의 이동 분석은 암의 발달 및 전이, 주변 혈관의 생성과 변이에 직간접적 영향을 미친다. 따라서 현재 암 병변 주변의 모세혈관 내 헤모글로빈 산소포화도를 측정하고 혈관의 생성 및 변이상태를 측정하는 연구가 활발하게 진행되고 있지만, 대부분의 계측장비는 침습적인 방법으로 진행되며, 해상도 또한 기대이하의 공간 및 시간영역을 제공하는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 비침습적 헤모글로빈 산소포화도 이미지와 다양한 이미지프로세싱 기법을 이용하여 실시간 혈관변화의 분석을 통해 암 혈관 생성 및 변이의 특성을 제공할 수 있는 초분광 이미징 시스템 활용 방법을 제시하고자 한다.
Tumor hypoxia caused by the unique characteristics of solid tumor sites such as lowered vascular density, irregular vasculature, longitudinal oxygen gradient, and unbalanced oxygen consumption has decreased therapeutic efficacy in several clinical trials such as radiation, chemotherapy, and surgery....
Tumor hypoxia caused by the unique characteristics of solid tumor sites such as lowered vascular density, irregular vasculature, longitudinal oxygen gradient, and unbalanced oxygen consumption has decreased therapeutic efficacy in several clinical trials such as radiation, chemotherapy, and surgery. Hence, tumor oxygenation studies at microvascular levels are important to provide better understanding of the complexity of microvasculature oxygen transport and exchange with tissue. However, polarographic microelectodes, was employed to measure $pO_2$ at the microvasculature level, but it is difficult to perform and does not provide significant spatial and temporal information of oxygen delivery. In this research, we introduce the hyperspectral imaging system able to provide a wide range of vascular characteristics by spatial maps on hemoglobin saturation information for better understanding of the relationship between blood oxygen delivery, hypervascularity, aberrant angiogenesis at microvasculature levels during tumor growth.
Tumor hypoxia caused by the unique characteristics of solid tumor sites such as lowered vascular density, irregular vasculature, longitudinal oxygen gradient, and unbalanced oxygen consumption has decreased therapeutic efficacy in several clinical trials such as radiation, chemotherapy, and surgery. Hence, tumor oxygenation studies at microvascular levels are important to provide better understanding of the complexity of microvasculature oxygen transport and exchange with tissue. However, polarographic microelectodes, was employed to measure $pO_2$ at the microvasculature level, but it is difficult to perform and does not provide significant spatial and temporal information of oxygen delivery. In this research, we introduce the hyperspectral imaging system able to provide a wide range of vascular characteristics by spatial maps on hemoglobin saturation information for better understanding of the relationship between blood oxygen delivery, hypervascularity, aberrant angiogenesis at microvasculature levels during tumor growth.
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문제 정의
본 실험에서는 설치류의 배면에 타이타늄 윈도우 챔버를 설치하고 암세포를 주입한 후, 약 7일간 같은 영역을 초분광 이미징 시스템을 이용하여 헤모글로빈의 산소포화도의 변화를 관찰하고 분석 가능한 방법을 제시하도록 한다.
본 연구에서는 윈도우 챔버가 설치된 마우스모델을 이용한 초분광 이미징 시스템의 전임상적 응용분야를 소개하였다. 초분광 이미징 시스템을 이용하여 얻어진 헤모글로빈의 산소포화 맵은 다양한 질병에 기인한 혈관의 생성 및 변화, 혈관간의 산소 이동 등 혈관의 물리적 및 생리학적 고유정보를 실시간으로 제공 가능하다.
제안 방법
배면내의 이미지 획득을 위해 타이타늄 재질의 윈도우 챔버를 마우스 모델에 기존의 방법과 같이 설치하고 암세포 (4T1; mammary carcinoma cell)을 윈도우 챔버 내에 주입한 후, 정기적인 시간동안 이미지를 획득하기 위하여 아이소플루레인 (isoflurane) 1%~5%를 이용한 호흡기 마취를 통해 총 16장의 500nm~575nm 파장대역의 이미지를 5nm 간격으로 획득 한다 [2]. 파장별 영상은 약 10초 내외로 획득이 가능하며 이러한 영상은 Matlab을 이용하여 헤모글로빈 산소포화도 지도를 만드는데 사용된다.
이론/모형
헤모글로빈의 산소포화 이미지를 얻기 위해서는 혈액의 유동이 없는 무혈관 지역의 백그라운드에서 얻어진 수치를 기준으로 무산소 및 유산소포화도 값을 측정할 수 있다. 또한, 헤모글로빈의 광 흡수치는 식(1)과 선형 최소자승 회기분석(Linear Least-Square Regression)을 이용하여 유도할 수 있다.
배면내의 이미지 획득을 위해 타이타늄 재질의 윈도우 챔버를 마우스 모델에 기존의 방법과 같이 설치하고 암세포 (4T1; mammary carcinoma cell)을 윈도우 챔버 내에 주입한 후, 정기적인 시간동안 이미지를 획득하기 위하여 아이소플루레인 (isoflurane) 1%~5%를 이용한 호흡기 마취를 통해 총 16장의 500nm~575nm 파장대역의 이미지를 5nm 간격으로 획득 한다 [2]. 파장별 영상은 약 10초 내외로 획득이 가능하며 이러한 영상은 Matlab을 이용하여 헤모글로빈 산소포화도 지도를 만드는데 사용된다.
후속연구
초분광 이미징 시스템을 이용하여 얻어진 헤모글로빈의 산소포화 맵은 다양한 질병에 기인한 혈관의 생성 및 변화, 혈관간의 산소 이동 등 혈관의 물리적 및 생리학적 고유정보를 실시간으로 제공 가능하다. 또한 시공간적 고해상도의 이미지 처리과정을 통해 혈관질환 진단기기, 치료제 효과의 정량분석기, 비침습적 혈관 조형기, 바이오 재료의 생착성 및 생분해 능력 검출기 등의 의료기기 제조 산업으로 응용범위가 다양할 것으로 기대하며, 이를 위해 현재 상용화 되어있는 혈관 치료제 및 항암치료제를 마우스 모델에 주입하여 치료효과를 검증하는 시스템 구축이 필요하며 전임상에 제한되어있지 않은 임상용 초분광 이미징 시스템 개발을 위해 추가적 연구가 필요하다.
이러한 헤모글로빈 산소포화도 맵은 그림 4와 같은 방식으로 얻어지며 추가적으로 이미지 후처리 과정을 통해 평균 동/정맥의 분포치를 계산해낼 수 있다. 이는 초분광 이미징 시스템이 암세포와 관련된 혈관의 생성 및 변이, 혈관 간 산소의 이동 등 여러 종류의 중요한 생체신호를 분석해낼 수 있는 실시간 전임상용 분석 장비이며 이미지 프로세싱 테크닉을 이용한 다양한 분야로의 응용가능성을 보여준다.
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