Abstract

Optical dye-dilution techniques can quantify kinetic parameters in a region of tissue, but currently rely on a two-step process—spatial reconstruction of the dye concentration, repeated at every time-point, and subsequent kinetic analysis of the time-dependent change in dye concentration. Inaccuracies, in this approach, are due mainly to the ill-posed nature of the spatial reconstruction problem, which propagates into kinetic analysis and result in errors in extracted dynamic parameters. We present a hybrid kinetic deconvolution optical reconstruction algorithm, effectively combining optical reconstruction and model-independent kinetic analysis into a single inverse problem that is better posed. Kinetic parameters of multiple tissue regions can be quantified simultaneously. As proof of principle, we provide numerical experiments in reflectance-based and fluorescence molecular tomography scenarios.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. D. W. Brown, P. A. Picot, J. G. Naeini, R. Springett, D. T. Delpy, and T. Y. Lee, Pediatric Res. 51, 564 (2002).
    [CrossRef]
  2. J. T. Elliott, M. Diop, K. M. Tichauer, T. Y. Lee, and K. St. Lawrence, J. Biomed. Opt. 15, 037014 (2010).
    [CrossRef]
  3. A. Liebert, H. Wabnitz, J. Steinbrink, H. Obrig, M. Moller, R. Macdonald, A. Villringer, and H. Rinneberg, Appl. Opt. 43, 3037 (2004).
    [CrossRef]
  4. X. Liu, D. Wang, F. Liu, and J. Bai, Opt. Express 18, 6300 (2010).
    [CrossRef]
  5. F. Leblond, K. M. Tichauer, R. W. Holt, F. El-Ghussein, and B. W. Pogue, Opt. Lett. 36, 3723 (2011).
    [CrossRef]
  6. A. Corlu, R. Choe, T. Durduran, K. Lee, M. Schweiger, S. R. Arridge, E. M. Hillman, and A. G. Yodh, Appl. Opt. 44, 2082 (2005).
    [CrossRef]
  7. K. L. Zierler. Circ. Res. 16, 309 (1965).
  8. A. Cenic, D. G. Nabavi, R. A. Craen, A. W. Gelb, and T. Y. Lee, Am. J. Neuroradiol. 20, 63 (1999).
  9. H. K. Thompson, C. F. Starmer, R. E. Whalen, and H. D. McIntosh, Circ. Res. 14, 502 (1964).
  10. E. M. Hillman and A. Moore, Nat. Photon. 1, 526 (2007).
    [CrossRef]
  11. K. M. Tichauer, K. S. Samkoe, K. J. Sexton, S. K. Hextrum, H. H. Yang, W. S. Klubben, J. R. Gunn, T. Hassan, and B. W. Pogue, Mol. Imaging Biol., online (2012).

2011 (1)

2010 (2)

J. T. Elliott, M. Diop, K. M. Tichauer, T. Y. Lee, and K. St. Lawrence, J. Biomed. Opt. 15, 037014 (2010).
[CrossRef]

X. Liu, D. Wang, F. Liu, and J. Bai, Opt. Express 18, 6300 (2010).
[CrossRef]

2007 (1)

E. M. Hillman and A. Moore, Nat. Photon. 1, 526 (2007).
[CrossRef]

2005 (1)

2004 (1)

2002 (1)

D. W. Brown, P. A. Picot, J. G. Naeini, R. Springett, D. T. Delpy, and T. Y. Lee, Pediatric Res. 51, 564 (2002).
[CrossRef]

1999 (1)

A. Cenic, D. G. Nabavi, R. A. Craen, A. W. Gelb, and T. Y. Lee, Am. J. Neuroradiol. 20, 63 (1999).

1965 (1)

K. L. Zierler. Circ. Res. 16, 309 (1965).

1964 (1)

H. K. Thompson, C. F. Starmer, R. E. Whalen, and H. D. McIntosh, Circ. Res. 14, 502 (1964).

Arridge, S. R.

Bai, J.

Brown, D. W.

D. W. Brown, P. A. Picot, J. G. Naeini, R. Springett, D. T. Delpy, and T. Y. Lee, Pediatric Res. 51, 564 (2002).
[CrossRef]

Cenic, A.

A. Cenic, D. G. Nabavi, R. A. Craen, A. W. Gelb, and T. Y. Lee, Am. J. Neuroradiol. 20, 63 (1999).

Choe, R.

Corlu, A.

Craen, R. A.

A. Cenic, D. G. Nabavi, R. A. Craen, A. W. Gelb, and T. Y. Lee, Am. J. Neuroradiol. 20, 63 (1999).

Delpy, D. T.

D. W. Brown, P. A. Picot, J. G. Naeini, R. Springett, D. T. Delpy, and T. Y. Lee, Pediatric Res. 51, 564 (2002).
[CrossRef]

Diop, M.

J. T. Elliott, M. Diop, K. M. Tichauer, T. Y. Lee, and K. St. Lawrence, J. Biomed. Opt. 15, 037014 (2010).
[CrossRef]

Durduran, T.

El-Ghussein, F.

Elliott, J. T.

J. T. Elliott, M. Diop, K. M. Tichauer, T. Y. Lee, and K. St. Lawrence, J. Biomed. Opt. 15, 037014 (2010).
[CrossRef]

Gelb, A. W.

A. Cenic, D. G. Nabavi, R. A. Craen, A. W. Gelb, and T. Y. Lee, Am. J. Neuroradiol. 20, 63 (1999).

Gunn, J. R.

K. M. Tichauer, K. S. Samkoe, K. J. Sexton, S. K. Hextrum, H. H. Yang, W. S. Klubben, J. R. Gunn, T. Hassan, and B. W. Pogue, Mol. Imaging Biol., online (2012).

Hassan, T.

K. M. Tichauer, K. S. Samkoe, K. J. Sexton, S. K. Hextrum, H. H. Yang, W. S. Klubben, J. R. Gunn, T. Hassan, and B. W. Pogue, Mol. Imaging Biol., online (2012).

Hextrum, S. K.

K. M. Tichauer, K. S. Samkoe, K. J. Sexton, S. K. Hextrum, H. H. Yang, W. S. Klubben, J. R. Gunn, T. Hassan, and B. W. Pogue, Mol. Imaging Biol., online (2012).

Hillman, E. M.

Holt, R. W.

Klubben, W. S.

K. M. Tichauer, K. S. Samkoe, K. J. Sexton, S. K. Hextrum, H. H. Yang, W. S. Klubben, J. R. Gunn, T. Hassan, and B. W. Pogue, Mol. Imaging Biol., online (2012).

Lawrence, K. St.

J. T. Elliott, M. Diop, K. M. Tichauer, T. Y. Lee, and K. St. Lawrence, J. Biomed. Opt. 15, 037014 (2010).
[CrossRef]

Leblond, F.

Lee, K.

Lee, T. Y.

J. T. Elliott, M. Diop, K. M. Tichauer, T. Y. Lee, and K. St. Lawrence, J. Biomed. Opt. 15, 037014 (2010).
[CrossRef]

D. W. Brown, P. A. Picot, J. G. Naeini, R. Springett, D. T. Delpy, and T. Y. Lee, Pediatric Res. 51, 564 (2002).
[CrossRef]

A. Cenic, D. G. Nabavi, R. A. Craen, A. W. Gelb, and T. Y. Lee, Am. J. Neuroradiol. 20, 63 (1999).

Liebert, A.

Liu, F.

Liu, X.

Macdonald, R.

McIntosh, H. D.

H. K. Thompson, C. F. Starmer, R. E. Whalen, and H. D. McIntosh, Circ. Res. 14, 502 (1964).

Moller, M.

Moore, A.

E. M. Hillman and A. Moore, Nat. Photon. 1, 526 (2007).
[CrossRef]

Nabavi, D. G.

A. Cenic, D. G. Nabavi, R. A. Craen, A. W. Gelb, and T. Y. Lee, Am. J. Neuroradiol. 20, 63 (1999).

Naeini, J. G.

D. W. Brown, P. A. Picot, J. G. Naeini, R. Springett, D. T. Delpy, and T. Y. Lee, Pediatric Res. 51, 564 (2002).
[CrossRef]

Obrig, H.

Picot, P. A.

D. W. Brown, P. A. Picot, J. G. Naeini, R. Springett, D. T. Delpy, and T. Y. Lee, Pediatric Res. 51, 564 (2002).
[CrossRef]

Pogue, B. W.

F. Leblond, K. M. Tichauer, R. W. Holt, F. El-Ghussein, and B. W. Pogue, Opt. Lett. 36, 3723 (2011).
[CrossRef]

K. M. Tichauer, K. S. Samkoe, K. J. Sexton, S. K. Hextrum, H. H. Yang, W. S. Klubben, J. R. Gunn, T. Hassan, and B. W. Pogue, Mol. Imaging Biol., online (2012).

Rinneberg, H.

Samkoe, K. S.

K. M. Tichauer, K. S. Samkoe, K. J. Sexton, S. K. Hextrum, H. H. Yang, W. S. Klubben, J. R. Gunn, T. Hassan, and B. W. Pogue, Mol. Imaging Biol., online (2012).

Schweiger, M.

Sexton, K. J.

K. M. Tichauer, K. S. Samkoe, K. J. Sexton, S. K. Hextrum, H. H. Yang, W. S. Klubben, J. R. Gunn, T. Hassan, and B. W. Pogue, Mol. Imaging Biol., online (2012).

Springett, R.

D. W. Brown, P. A. Picot, J. G. Naeini, R. Springett, D. T. Delpy, and T. Y. Lee, Pediatric Res. 51, 564 (2002).
[CrossRef]

Starmer, C. F.

H. K. Thompson, C. F. Starmer, R. E. Whalen, and H. D. McIntosh, Circ. Res. 14, 502 (1964).

Steinbrink, J.

Thompson, H. K.

H. K. Thompson, C. F. Starmer, R. E. Whalen, and H. D. McIntosh, Circ. Res. 14, 502 (1964).

Tichauer, K. M.

F. Leblond, K. M. Tichauer, R. W. Holt, F. El-Ghussein, and B. W. Pogue, Opt. Lett. 36, 3723 (2011).
[CrossRef]

J. T. Elliott, M. Diop, K. M. Tichauer, T. Y. Lee, and K. St. Lawrence, J. Biomed. Opt. 15, 037014 (2010).
[CrossRef]

K. M. Tichauer, K. S. Samkoe, K. J. Sexton, S. K. Hextrum, H. H. Yang, W. S. Klubben, J. R. Gunn, T. Hassan, and B. W. Pogue, Mol. Imaging Biol., online (2012).

Villringer, A.

Wabnitz, H.

Wang, D.

Whalen, R. E.

H. K. Thompson, C. F. Starmer, R. E. Whalen, and H. D. McIntosh, Circ. Res. 14, 502 (1964).

Yang, H. H.

K. M. Tichauer, K. S. Samkoe, K. J. Sexton, S. K. Hextrum, H. H. Yang, W. S. Klubben, J. R. Gunn, T. Hassan, and B. W. Pogue, Mol. Imaging Biol., online (2012).

Yodh, A. G.

Zierler, K. L.

K. L. Zierler. Circ. Res. 16, 309 (1965).

Am. J. Neuroradiol. (1)

A. Cenic, D. G. Nabavi, R. A. Craen, A. W. Gelb, and T. Y. Lee, Am. J. Neuroradiol. 20, 63 (1999).

Appl. Opt. (2)

Circ. Res. (2)

H. K. Thompson, C. F. Starmer, R. E. Whalen, and H. D. McIntosh, Circ. Res. 14, 502 (1964).

K. L. Zierler. Circ. Res. 16, 309 (1965).

J. Biomed. Opt. (1)

J. T. Elliott, M. Diop, K. M. Tichauer, T. Y. Lee, and K. St. Lawrence, J. Biomed. Opt. 15, 037014 (2010).
[CrossRef]

Nat. Photon. (1)

E. M. Hillman and A. Moore, Nat. Photon. 1, 526 (2007).
[CrossRef]

Opt. Express (1)

Opt. Lett. (1)

Pediatric Res. (1)

D. W. Brown, P. A. Picot, J. G. Naeini, R. Springett, D. T. Delpy, and T. Y. Lee, Pediatric Res. 51, 564 (2002).
[CrossRef]

Other (1)

K. M. Tichauer, K. S. Samkoe, K. J. Sexton, S. K. Hextrum, H. H. Yang, W. S. Klubben, J. R. Gunn, T. Hassan, and B. W. Pogue, Mol. Imaging Biol., online (2012).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (2)

Fig. 1.
Fig. 1.

(a) Target Δμa for forward data used in Scenario 1, and corresponding three-layered medium (inset). (b) Box-and whisker plot showing the recovered F for layers 2 and 3 using the TS and KDOR methods. Dashed lines represent the true values, and box bounds and centerline are 1st, 2nd (median), and 3rd quartiles. Error bars are min and max.

Fig. 2.
Fig. 2.

(a) Cylindrical medium used in Scenario 2, showing the three hemodynamic regions, as well as the source (black arrow) and detectors (white arrows) at one source-position. (b) Fluorophore concentration map (in micromolar) reconstructed from the optical dataset, representing the first step of the TS method. Region-averaged concentration curves were used in the second step. (c) Color map of normalized fluorescence signal for 16 source positions measured in the 5 detectors as a function of time during passage of dye (top), and the sinogram for a single time-point (t=16s) (bottom). (d) True FR (t) functions and those recovered with TS and KDOR.

Equations (1)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

ΔSi(t)=j=1Njτ=1NtAi,j·Ca(tτΔt)·Fj·Rj(τΔt)·Δt.

Metrics