Electrical Impedance Tomography Integration with Optical Imaging for 3D in vitro Applications
Lehti-Polojärvi, Mari (2023)
Lehti-Polojärvi, Mari
Tampere University
2023
Biolääketieteen tekniikan tohtoriohjelma - Doctoral Programme in Biomedical Sciences and Engineering
Lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunta - Faculty of Medicine and Health Technology
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2023-11-03
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-3110-8
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-3110-8
Tiivistelmä
Kantasoluperäisten solujen ja kudosten tutkimus on siirtymässä kolmiulotteisia (3D) in vivo rakenteita jäljittelevään viljelyyn perinteisten kaksiulotteisten (2D) viljelmien sijaan. Nämä 3D-viljelmät mahdollistavat uusia ratkaisuja tautimalleihin, toksikologisiin tutkimuksiin, lääkekehitykseen ja tarkkuuslääketieteeseen. Elävien 3D-rakenteiden arvioiminen vaatii kuitenkin kehittyneitä mittaus- ja kuvantamistekniikoita. Optisia mikroskopiatekniikoita käytetään yleisesti in vitro näytteiden kuvaamiseen, mutta mesoskooppisten 3D-rakenteiden kuvantaminen on haastavaa niiden paksuuden vuoksi, joka aiheuttaa optisen signaalin heikkenemistä. Lisäksi monet optiset kuvantamistekniikat ovat fototoksisia tai vaativat näytteiden värjäämistä/optista puhdistamista, mikä tekee niistä käyttökelvottomia jatkoviljelyä varten. Näiden syiden vuoksi uusille 3D-kuvantamistekniikoille on tarve.
Multimodaaliset kuvantamismenetelmät tuottavat monifysikaalista tietoa näytteestä ja mahdollistavat hyötymisen eri tekniikoiden vahvuuksista. Tämän väitöstyön lähtökohtana oli kehittää uusi sähköinen impedanssitomografia (EIT) tekniikka ja integroida se optiseen projektiotomografia (OPT) järjestelmään. EIT on kuvantamistekniikka, jolla rekonstruoidaan näytteen sähkönjohtavuus useiden näytteen pinnalta tehtävien virtainjektioiden ja jännitemittausten perusteella. Jos nämä sähköiset mittaukset suoritetaan eri taajuuksilla, tekniikkaa kutsutaan monitaajuus-EIT:ksi (mfEIT). OPT kuvauksessa näytteestä otetaan projektiokuvia useista kuvakulmista, joiden perusteella rekonstruoidaan morfologinen 3D-kuva.
Tämän väitöskirjan tavoitteena oli luoda uusi menetelmä 3D-näytteiden tutkimukseen kehittämällä integroitu OPT-mfEIT-tekniikka. Ensin mfEIT kehitettiin integrointiin sopivaksi: elektrodikonfiguraatiot, kuvantamiskammiot ja rotaatiomittausprotokollat suunniteltiin ja testattiin. Lisäksi kehitettiin rekonstruktioalgoritmeja ja datafuusiotekniikoita monifysikaalisten kuvien rekonstruoimiseen. Toiseksi uuden mfEIT-laitteen toimivuus osoitettiin kasvifantomeilla. Kasvien taajuudesta riippuvat johtavuudet näkyivät hyvin rekonstruoiduissa monitaajuuskuvissa. Kolmanneksi lopullinen kehitetty 3D OPT- mfEIT validoitiin kokeellisesti kasvifantomilla, sferoideilla ja ex vivo kudoksilla. Tuloksena saadut kuvat paljastivat sekä näytteen 3D-morfologian että johtavuuden useilla taajuuksilla. Rekonstruktioista johdetut johtavuusspektrit mahdollistivat kantasolujen havaitsemisen biomateriaalisferoideissa ja solukalvojen eheyden analysoinnin kudoksissa.
Johtopäätöksenä voidaan todeta, että tämä väitöskirja esittelee uuden tekniikan mesoskooppisen mittakaavan 3D-kuvaukseen. Kehitetyllä OPT-mfEIT-tekniikalla voidaan kuvata ja arvioida erilaisia 3D-näytteitä, kuten sferoideja ja organoideja, joita on haastavaa kuvata perinteisillä mikroskopiatekniikoilla. Tuloksena saatu johtavuusspektri mahdollistaa uudenlaisen analyysin biologisista näytteistä koska perinteisillä mikroskopiatekniikoilla sähkön johtavuutta ei voida selvittää. In vitro EIT:n sovellukset ovat suhteellisen uusia biologisten näytteiden kuvantamisen alalla, joten biologisten ilmiöiden ja johtavuuskuvien korrelaatiosta tarvitaan lisää validointitutkimuksia. OPT-mfEIT tarjoaa työkalun tällaisiin validointitutkimuksiin. Kaiken kaikkiaan tämän tekniikan odotetaan avaavan uusia mahdollisuuksia 3D- kudosteknologian tutkimukseen ja edistävän kudosteknologisia menetelmiä kohti kliinisiä sovelluksia.
Multimodaaliset kuvantamismenetelmät tuottavat monifysikaalista tietoa näytteestä ja mahdollistavat hyötymisen eri tekniikoiden vahvuuksista. Tämän väitöstyön lähtökohtana oli kehittää uusi sähköinen impedanssitomografia (EIT) tekniikka ja integroida se optiseen projektiotomografia (OPT) järjestelmään. EIT on kuvantamistekniikka, jolla rekonstruoidaan näytteen sähkönjohtavuus useiden näytteen pinnalta tehtävien virtainjektioiden ja jännitemittausten perusteella. Jos nämä sähköiset mittaukset suoritetaan eri taajuuksilla, tekniikkaa kutsutaan monitaajuus-EIT:ksi (mfEIT). OPT kuvauksessa näytteestä otetaan projektiokuvia useista kuvakulmista, joiden perusteella rekonstruoidaan morfologinen 3D-kuva.
Tämän väitöskirjan tavoitteena oli luoda uusi menetelmä 3D-näytteiden tutkimukseen kehittämällä integroitu OPT-mfEIT-tekniikka. Ensin mfEIT kehitettiin integrointiin sopivaksi: elektrodikonfiguraatiot, kuvantamiskammiot ja rotaatiomittausprotokollat suunniteltiin ja testattiin. Lisäksi kehitettiin rekonstruktioalgoritmeja ja datafuusiotekniikoita monifysikaalisten kuvien rekonstruoimiseen. Toiseksi uuden mfEIT-laitteen toimivuus osoitettiin kasvifantomeilla. Kasvien taajuudesta riippuvat johtavuudet näkyivät hyvin rekonstruoiduissa monitaajuuskuvissa. Kolmanneksi lopullinen kehitetty 3D OPT- mfEIT validoitiin kokeellisesti kasvifantomilla, sferoideilla ja ex vivo kudoksilla. Tuloksena saadut kuvat paljastivat sekä näytteen 3D-morfologian että johtavuuden useilla taajuuksilla. Rekonstruktioista johdetut johtavuusspektrit mahdollistivat kantasolujen havaitsemisen biomateriaalisferoideissa ja solukalvojen eheyden analysoinnin kudoksissa.
Johtopäätöksenä voidaan todeta, että tämä väitöskirja esittelee uuden tekniikan mesoskooppisen mittakaavan 3D-kuvaukseen. Kehitetyllä OPT-mfEIT-tekniikalla voidaan kuvata ja arvioida erilaisia 3D-näytteitä, kuten sferoideja ja organoideja, joita on haastavaa kuvata perinteisillä mikroskopiatekniikoilla. Tuloksena saatu johtavuusspektri mahdollistaa uudenlaisen analyysin biologisista näytteistä koska perinteisillä mikroskopiatekniikoilla sähkön johtavuutta ei voida selvittää. In vitro EIT:n sovellukset ovat suhteellisen uusia biologisten näytteiden kuvantamisen alalla, joten biologisten ilmiöiden ja johtavuuskuvien korrelaatiosta tarvitaan lisää validointitutkimuksia. OPT-mfEIT tarjoaa työkalun tällaisiin validointitutkimuksiin. Kaiken kaikkiaan tämän tekniikan odotetaan avaavan uusia mahdollisuuksia 3D- kudosteknologian tutkimukseen ja edistävän kudosteknologisia menetelmiä kohti kliinisiä sovelluksia.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4889]