Methods for hemodynamic parameters measurement using the laser speckle effect in macro and microcirculation

Abstract

Laser speckle is an interference effect that has been considered as a main drawback in the use of coherent light sources. However, for a specific set of applications, this effect is used as source of information. Among these applications we can find the biomedical ones. Laser speckle has been used for decades for microvascular blood flow monitoring but only now starts to be considered as a method that can also be used for macrocirculation parameters extraction. This work aims at demonstrating that the laser speckle can be used for macrocirculation assessment with good reliability, using the same technique as the ones used in microcirculation assessment. The use of the same methods could lead to a rapid inclusion of this new evaluation in the existing devices. One of the most important laser speckle issues, that prevents a fully quantitative analysis, is the effect of static scatterers. This type of scatterers strongly influences the measurement of speckle contrast, leading to a wrong interpretation of the data. The other objective of this work is to study the effect of static scatterers on the laser speckle correlation and contrast which are used to quantify the blood flow. This thesis presents the studies conducted to explore the possibility of using the speckle effect for hemodynamic parameters measurement in macrocirculation and the experimental work performed on the effect of static scatterers in microcirculation. Before the experimental work, the thesis begins by an introduction to the basic laser speckle theory. A critical analysis of the available literature is performed in addition to the identification of the future laser speckle challenges. Several ideas are also proposed to deal with the most common issues. The work developed in the macrocirculation field shows that the laser speckle effect can be used to reliably extract the pulse pressure waveform. A multi-wavelength study was also conducted to determine which light wavelength is better for laser speckle macrocirculation analysis. Shorter wavelengths achieved the best results in identifying the heart rate. In a second test, using the same processing methods as the ones that are used in the current devices, speckle effect was able to reconstruct the pulse pressure waveform and identify feature points like the systolic peak and dicrotic notch. Moreover, the same system has been used to perform a two-dimensional segmentation of targets with longitudinal movements. An entropy-based algorithm was applied to the laser speckle data in order to discern between two identical targets where only one is moving. This method was able to perform a two-dimensional segmentation without any a priori knowledge on the scene or the target movement. Regarding the microcirculation field, an experimental test was performed to study the effect of static scatterers on the laser speckle signal. The experimental test consisted of a micro-channel device, used to simulate the blood flow inside small blood vessels, coupled with a set of different static scatterers layers. The recorded laser speckle data were analyzed in terms of correlation and contrast. The results show that the correlation between two consecutive images can identify the proportion of statics/dynamic scatterers and should be used in order to achieve a quantitative laser speckle technique. The speckle correlation also proved to be independent from the dynamic scatterers velocity. Regarding the laser speckle contrast, the temporal algorithm presents a good independence on the variation of static scatterers concentration. The spatio-temporal algorithm should be used because it presents a better concordance with laser speckle theory. To conclude, laser speckle is a highly versatile tool and proved to be able to extract hemodynamic parameters in macrocirculation. This work also demonstrates that the laser speckle correlation is able to estimate the ratio between static/dynamic scatterers with good reliability. Moreover, the temporal speckle contrast achieved a very good performance in discerning dynamic scatterers with different velocities.

RESUMO: O laser speckle corresponde a um efeito de interferometria que foi muitas vezes considerado como uma grande limita c~ao do uso de fontes de luz coerente. No entanto, para um conjunto espec co de aplica c~oes, este efeito pode ser usado como fonte de informa c~ao. Entre estas aplica c~oes podemos encontrar v arias no ^ambito da biomedicina. Esta t ecnica tem vindo a ser utilizada durante d ecadas para avaliar a perfus~ao sangu nea mas, apenas agora, come ca a despertar interesse como meio de avaliar tamb em a macrocircula c~ao. Este trabalho pretende demonstrar que o efeito de laser speckle pode ser usado, tamb em, para extrair informa c~ao importante relativa a condi c~ao cardiovascular, nomeadamente da macrocircula c~ao, com boa abilidade e usando m etodos semelhantes aos j a aplicados na avalia c~ao da microcircula c~ao. O facto de serem usados os mesmo m etodos poder a levar a uma r apida inclus~ao deste tipo de an alise nos dispositivos j a existentes. No campo do uso de laser speckle para avalia c~ao da microcircula c~ao, uma das quest~oes mais importantes est a relacionada com o efeito dos dispersores est aticos. A quantidade de dispersores est aticos in uencia fortemente o sinal de laser speckle, levando a interpreta c~oes incorretas dos dados. Este e um dos fatores que impede a exist^encia de dispositivos laser speckle com capacidade de quanti car o uxo sangu neo. Devido a isto, o estudo do efeito de diferentes concentra c~oes de dispersores est aticos nos sinais de contraste e correla c~ao speckle e tamb em um dos objetivos deste trabalho. Esta tese apresenta os estudos realizados com o objetivo de testar a possibilidade de usar o efeito de laser speckle para avalia c~ao de par^ametros hemodin^amicos da microcircula c~ao e o trabalho experimental realizado no ^ambito do efeito dos dispersores est aticos. Antes do trabalho experimental, esta tese come ca por descrever os princ pios b asicos da teoria de laser speckle. Nesta sec c~ao e realizada uma an alise cr tica da literatura dispon vel e s~ao identi cados os desa os futuros desta t ecnica. Algumas ideias inovadoras s~ao tamb em propostas como m etodos para lidar com alguns dos problemas atuais da t ecnica de laser speckle. Os trabalhos desenvolvidos na area da macrocircula c~ao demonstraram que o efeito de laser speckle pode ser usado para extrair a forma de onda de pulso. Um estudo com fontes de luz de diferentes comprimentos de onda foi efetuado para determinar qual destes comprimentos de onda apresenta melhores resultados. Os comprimentos de onda mais curtos (luz verde) conseguiram atingir os melhores resultados na identi ca c~ao do ritmo card aco. Num segundo teste, usando os mesmo m etodos j a usados para a avalia c~ao da microcircula c~ao, o efeito de laser speckle foi capaz de reconstruir a onda de pulso e identi car pontos caracter sticos como o pico sist olico e o n o dicr otico. Para alem disto, este mesmo sistema foi usado num teste piloto para segmentar alvos bidimensionais com movimentos longitudinais. Um algoritmo baseado no c alculo da entropia foi usado com sucesso para distinguir dois alvos id^enticos, onde apenas um apresentava movimento. Para al em disto, este m etodo permitiu segmentar o alvo em movimento sem nenhuma informa c~ao antecipada sobre a movimenta c~ao dos alvos ou a disposi c~ao da cena. Relativamente ao campo da microcircula c~ao, um teste experimental foi desenvolvido para estudar o efeito dos dispersores est aticos no sinal de laser speckle. Este teste consistiu na avalia c~ao de um fantoma constitu do por um micro-canal e diferentes camadas de dispersores. Este fantoma foi usado para simular a perfus~ao sangu nea em vasos de pequeno calibre. Os dados recolhidos foram processados em termos de contraste e correla c~ao. Os resultados indicaram que a correla c~ao entre duas imagens consecutivas e capaz de identi- car a quantidade relativa de dispersores est aticos/din^amicos e deve ser usada como meio para atingir uma t ecnica completamente quantitativa. A correla c~ao de speckle demonstrou tamb em ser independente da velocidade dos dispersores din^amicos. Em rela c~ao ao contraste de speckle, o algoritmo temporal apresentou uma boa independ^encia em termos de concentra c~ao de dispersores est aticos. O algoritmo espa co-temporal demonstrou ser aquele que apresenta uma melhor coer^encia com a teoria do efeito laser speckle. Concluindo, o efeito de laser speckle e uma ferramenta altamente vers atil e provou ser capaz de extrair par^ametros hemodin^amicos relacionados com a macrocircula c~ao. Este trabalho tamb em demonstrou que a correla c~ao de laser speckle permite estimar o r acio entre a quantidade de dispersores est aticos/din^amicos com boa abilidade.

O laser speckle corresponde a um efeito de interferometria que foi muitas vezes considerado como uma grande limita¸c˜ao do uso de fontes de luz coerente. No entanto, para um conjunto espec´ıfico de aplica¸c˜oes, este efeito pode ser usado como fonte de informa¸c˜ao. Entre estas aplica¸c˜oes podemos encontrar v´arias no ˆambito da biomedicina. Esta t´ecnica tem vindo a ser utilizada durante d´ecadas para avaliar a perfus˜ao sangu´ınea mas, apenas agora, come¸ca a despertar interesse como meio de avaliar tamb´em a macrocircula¸c˜ao. Este trabalho pretende demonstrar que o efeito de laser speckle pode ser usado, tamb´em, para extrair informa¸c˜ao importante relativa `a condi¸c˜ao cardiovascular, nomeadamente da macrocircula¸c˜ao, com boa fiabilidade e usando m´etodos semelhantes aos j´a aplicados na avalia¸c˜ao da microcircula¸c˜ao. O facto de serem usados os mesmo m´etodos poder´a levar a uma r´apida inclus˜ao deste tipo de an´alise nos dispositivos j´a existentes. No campo do uso de laser speckle para avalia¸c˜ao da microcircula¸c˜ao, uma das quest˜oes mais importantes est´a relacionada com o efeito dos dispersores est´aticos. A quantidade de dispersores est´aticos influencia fortemente o sinal de laser speckle, levando a interpreta¸c˜oes incorretas dos dados. Este ´e um dos fatores que impede a existˆencia de dispositivos laser speckle com capacidade de quantificar o fluxo sangu´ıneo. Devido a isto, o estudo do efeito de diferentes concentra¸c˜oes de dispersores est´aticos nos sinais de contraste e correla¸c˜ao speckle ´e tamb´em um dos objetivos deste trabalho. Esta tese apresenta os estudos realizados com o objetivo de testar a possibilidade de usar o efeito de laser speckle para avalia¸c˜ao de parˆametros hemodinˆamicos da microcircula¸c˜ao e o trabalho experimental realizado no ˆambito do efeito dos dispersores est´aticos. Antes do trabalho experimental, esta tese come¸ca por descrever os princ´ıpios b´asicos da teoria de laser speckle. Nesta sec¸c˜ao ´e realizada uma an´alise cr´ıtica da literatura dispon´ıvel e s˜ao identificados os desafios futuros desta t´ecnica. Algumas ideias inovadoras s˜ao tamb´em propostas como m´etodos para lidar com alguns dos problemas atuais da t´ecnica de laser speckle. Os trabalhos desenvolvidos na ´area da macrocircula¸c˜ao demonstraram que o efeito de laser speckle pode ser usado para extrair a forma de onda de pulso. Um estudo com fontes de luz de diferentes comprimentos de onda foi efetuado para determinar qual destes comprimentos de onda apresenta melhores resultados. Os comprimentos de onda mais curtos (luz verde) conseguiram atingir os melhores resultados na identifica¸c˜ao do ritmo card´ıaco. Num segundo teste, usando os mesmo m´etodos j´a usados para a avalia¸c˜ao da microcircula¸c˜ao, o efeito de laser speckle foi capaz de reconstruir a onda de pulso e identificar pontos caracter´ısticos como o pico sist´olico e o n´o dicr´otico. Para alem disto, este mesmo sistema foi usado num teste piloto para segmentar alvos bidimensionais com movimentos longitudinais. Um algoritmo baseado no c´alculo da entropia foi usado com sucesso para distinguir dois alvos idˆenticos, onde apenas um apresentava movimento. Para al´em disto, este m´etodo permitiu segmentar o alvo em movimento sem nenhuma informa¸c˜ao antecipada sobre a movimenta¸c˜ao dos alvos ou a disposi¸c˜ao da cena. Relativamente ao campo da microcircula¸c˜ao, um teste experimental foi desenvolvido para estudar o efeito dos dispersores est´aticos no sinal de laser speckle. Este teste consistiu na avalia¸c˜ao de um fantoma constitu´ıdo por um micro-canal e diferentes camadas de dispersores. Este fantoma foi usado para simular a perfus˜ao sangu´ınea em vasos de pequeno calibre. Os dados recolhidos foram processados em termos de contraste e correla¸c˜ao. Os resultados indicaram que a correla¸c˜ao entre duas imagens consecutivas ´e capaz de identi- ficar a quantidade relativa de dispersores est´aticos/dinˆamicos e deve ser usada como meio para atingir uma t´ecnica completamente quantitativa. A correla¸c˜ao de speckle demonstrou tamb´em ser independente da velocidade dos dispersores dinˆamicos. Em rela¸c˜ao ao contraste de speckle, o algoritmo temporal apresentou uma boa independˆencia em termos de concentra¸c˜ao de dispersores est´aticos. O algoritmo espa¸co-temporal demonstrou ser aquele que apresenta uma melhor coerˆencia com a teoria do efeito laser speckle. Concluindo, o efeito de laser speckle ´e uma ferramenta altamente vers´atil e provou ser capaz de extrair parˆametros hemodinˆamicos relacionados com a macrocircula¸c˜ao. Este trabalho tamb´em demonstrou que a correla¸c˜ao de laser speckle permite estimar o r´acio entre a quantidade de dispersores est´aticos/dinˆamicos com boa fiabilidade.