Laser speckle contrast imaging for functional visualization

Abstract

Laser speckle contrast imaging is a modern technique uniquely suited for the full-field, non-invasive measurement of the motion of particles within randomly inhomogeneous highly scattering and absorbing media, including biological tissues. This technique is based on illuminating the medium with a coherent laser light, detecting the arising speckle pattern and further statistical analysis of the speckle pattern fluctuations caused by the motion of the scattering particles in the observed medium. Despite the active use of laser speckle contrast imaging for biomedical applications, this technique suffers from several issues complicating the understanding of obtained speckle contrast data.

The present work is aimed at the investigation of limitations, improving, and discovering new potentials of currently existing methods of laser speckle contrast imaging. In particular, the influence of effects of non-ergodicity on the results of speckle contrast analysis was investigated using the phantom and animal models. It was shown that the presence of a thin static layer above the dynamic layer does not introduce significant errors in speckle contrast calculation. The simple approach for the adjustment of speckle contrast values in different types of brain vasculature during transcranial visualisation was introduced. For the first time, the protocol for the monitoring of skin acute vascular permeability reaction in response to simultaneous application of tree different chemical substances has been described. Moreover, in a new approach, the optical setup combining a hyperspectral camera and multi-wavelength light source was implemented for the depth-resolved blood flow and perfusion assessment. The proposed technique was applied for skin perfusion monitoring. Finally, the unprecedented use of laser speckle contrast imaging was introduced for handwriting pressure and kinematics evaluation.

Tiivistelmä

Lasertäpläkontrastikuvantaminen on nykyaikainen tekniikka, joka soveltuu ainutlaatuisesti koko havainnointikentän alueella tunkeutumattomasti tapahtuville liikkuvien hiukkasten mittauksille satunnaisesti epähomogeenisten, suuresti sirottavien ja absorboivien väliaineiden kuten biologisten kudosten tapauksessa. Kyseinen tekniikka perustuu väliaineen valaisemiseen koherentilla laservalolla, ilmaantuvan täpläkuvion havainnointiin ja sirottavien hiukkasten tutkittavassa väliaineessa tapahtuvan liikkeen aiheuttamien täpläkuvion vaihteluiden tilastolliseen analyysiin. Huolimatta lasertäpläkuvantamisen aktiivisesti käytöstä biolääketieteellisissä sovelluksissa kyseinen tekniikka kärsii useista ongelmista, jotka hankaloittavat saadun täpläkontrastitiedon ymmärtämistä.

Esiteltävä työ tähtää olemassa olevien lasertäpläkontrastikuvantamisen menetelmien rajoitteiden tutkimiseen, menetelmien parantamiseen ja uusien sovellusmahdollisuuksien löytämiseen. Työssä tutkittiin erityisesti epäergodisuuden vaikutusta täpläkontrastianalyysin tuloksiin fantomien ja eläinmallien avulla. Tutkimus osoitti, että dynaamisen kerroksen yläpuolella oleva ohut staattinen kerros ei aiheuta täpläkontrastilaskelmiin merkittäviä virheitä. Työn tuloksena kehitettiin yksinkertainen lähestymistapa täpläkontrastiarvojen säätämiseen erityyppisissä aivojen verisuonistoissa transkraniaalisen visualisoinnin aikana. Työssä on ensimmäistä kertaa a) kuvattu menettely ihon äkillisen suonensisäisen läpäisevyysreaktion vasteen tarkkailuun kolmen eri kemikaalin samanaikaisen käytön tapauksessa, b) käytetty hyperspetrikameran ja moniaallonpituuksisen valonlähteen muodostamaa optista kokoonpanoa syvyyserotteiseen veren virtauksen arviointiin sovellettaessa ehdotettua menetelmää ihon perfuusion tarkkailuun sekä c) käytetty lasertäpläkuvantamista käsialan paineen ja kinematiikan arvioinnissa.

Original papers

Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Sdobnov, A., Bykov, A., Popov, A., Zherebtsov, E. & Meglinski, I. A. (2018). Investigation of speckle pattern dynamics by laser speckle contrast imaging. In J. Popp, V. V. Tuchin, & F. S. Pavone (Eds.), Proceedings Volume 10685, Biophotonics: Photonic Solutions for Better Health Care VI (1068509). SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2306631

   Self-archived version

2. Sdobnov, A., Bykov, A., Molodij, G., Kalchenko, V., Jarvinen, T., Popov, A., Kordas, K., & Meglinski, I. (2018). Speckle dynamics under ergodicity breaking. Journal of Physics D: Applied Physics, 51(15), 155401. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aab404

   Self-archived version

3. Sdobnov, A. Yu., Kalchenko, V. V., Bykov, A. V., Popov, A. P., Molodij, G., & Meglinski, I. V. (2020). Blood flow visualization by means of laser speckle-contrast measurements under the conditions of nonergodicity. Optics and Spectroscopy, 128(6), 778–786. https://doi.org/10.1134/S0030400X2006020X

   Self-archived version

4. 
   Kalchenko, V., Sdobnov, A., Meglinski, I., Kuznetsov, Y., Molodij, G., & Harmelin, A. (2019). A robust method for adjustment of laser speckle contrast imaging during transcranial mouse brain visualization. Photonics, 6(3), 80. https://doi.org/10.3390/photonics6030080

   Self-archived version

5. Kalchenko, V., Meglinski, I., Sdobnov, A., Kuznetsov, Y., & Harmelin, A. (2019). Combined laser speckle imaging and fluorescent intravital microscopy for monitoring acute vascular permeability reaction. Journal of Biomedical Optics, 24(06), 060501. https://doi.org/10.1117/1.JBO.24.6.060501

   Self-archived version

6. Sdobnov, A. Y., Bykov, A., Popov, A., Lihacova, I., Lihachev, A., Spigulis, J., & Meglinski, I. (2019). Combined multi-wavelength laser speckle contrast imaging and diffuse reflectance imaging for skin perfusion assessment. In A. Amelink & S. K. Nadkarni (Eds.), Proceedings Volume 11075, Novel Biophotonics Techniques and Applications V (110751F). SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2526921

   Self-archived version

7. Kuznetsov, Y., Sdobnov, A., Meglinski, I., Harmelin, A., & Kalchenko, V. (2019). Evaluation of handwriting peculiarities utilizing laser speckle contrast imaging. Laser Physics Letters, 16(11), 115601. https://doi.org/10.1088/1612-202X/ab43d7

   Self-archived version

Osajulkaisut

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.

1. Sdobnov, A., Bykov, A., Popov, A., Zherebtsov, E. & Meglinski, I. A. (2018). Investigation of speckle pattern dynamics by laser speckle contrast imaging. In J. Popp, V. V. Tuchin, & F. S. Pavone (Eds.), Proceedings Volume 10685, Biophotonics: Photonic Solutions for Better Health Care VI (1068509). SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2306631

   Rinnakkaistallennettu versio

2. Sdobnov, A., Bykov, A., Molodij, G., Kalchenko, V., Jarvinen, T., Popov, A., Kordas, K., & Meglinski, I. (2018). Speckle dynamics under ergodicity breaking. Journal of Physics D: Applied Physics, 51(15), 155401. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aab404

   Rinnakkaistallennettu versio

3. Sdobnov, A. Yu., Kalchenko, V. V., Bykov, A. V., Popov, A. P., Molodij, G., & Meglinski, I. V. (2020). Blood flow visualization by means of laser speckle-contrast measurements under the conditions of nonergodicity. Optics and Spectroscopy, 128(6), 778–786. https://doi.org/10.1134/S0030400X2006020X

   Rinnakkaistallennettu versio

4. 
   Kalchenko, V., Sdobnov, A., Meglinski, I., Kuznetsov, Y., Molodij, G., & Harmelin, A. (2019). A robust method for adjustment of laser speckle contrast imaging during transcranial mouse brain visualization. Photonics, 6(3), 80. https://doi.org/10.3390/photonics6030080

   Rinnakkaistallennettu versio

5. Kalchenko, V., Meglinski, I., Sdobnov, A., Kuznetsov, Y., & Harmelin, A. (2019). Combined laser speckle imaging and fluorescent intravital microscopy for monitoring acute vascular permeability reaction. Journal of Biomedical Optics, 24(06), 060501. https://doi.org/10.1117/1.JBO.24.6.060501

   Rinnakkaistallennettu versio

6. Sdobnov, A. Y., Bykov, A., Popov, A., Lihacova, I., Lihachev, A., Spigulis, J., & Meglinski, I. (2019). Combined multi-wavelength laser speckle contrast imaging and diffuse reflectance imaging for skin perfusion assessment. In A. Amelink & S. K. Nadkarni (Eds.), Proceedings Volume 11075, Novel Biophotonics Techniques and Applications V (110751F). SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2526921

   Rinnakkaistallennettu versio

7. Kuznetsov, Y., Sdobnov, A., Meglinski, I., Harmelin, A., & Kalchenko, V. (2019). Evaluation of handwriting peculiarities utilizing laser speckle contrast imaging. Laser Physics Letters, 16(11), 115601. https://doi.org/10.1088/1612-202X/ab43d7

   Rinnakkaistallennettu versio