Endoscopic NIRAF-LSCI Multimodal System with Pseudo-Color Visualization for Parathyroid Autofluorescence Localization and Tissue Perfusion Assessment: Preclinical Validation

기술 요약: 부갑상선 국소화 및 관류 평가를 위한 내시경용 NIRAF-LSCI 다중 모드 시스템

문제 제기
수술 후 저칼슘혈증(hypoparathyroidism)은 갑상선 수술의 주요하고 쇠약하게 만드는 합병증으로 남아 있으며, 이는 주로 부갑상선(PGs)의 부주의한 절제 또는 혈관 박리로 인해 발생합니다. 근적외선 자가형광(NIRAF) 이미징은 부갑상선의 정확한 해부학적 국소화를 위해 검증되었으나, 선의 생존력 결정에 핵심적인 요소인 선의 관류(perfusion)에 대한 기능적 정보는 제공하지 못합니다. 반대로, 관류 평가에 사용되는 인도시아닌 그린(ICG) 형광 이미징은 외인성 대조제(contrast agent)를 필요로 하고, 실시간 연속 모니터링이 불가능하며, 주관적인 반정량적 해석에 의존한다는 단점이 있습니다. 레이저 스펙클 대비 이미징(LSCI)은 미세 관류 평가를 위한 라벨 프리(label-free) 방식의 실시간 대안을 제공하지만, 기존의 구현 방식들은 즉각적인 수술 중 의사결정에 필요한 직관적인 시각화 및 다중 모드 통합 능력이 부족한 경우가 많습니다. 본 연구는 부갑상선을 동시에 식별하고 실시간으로 혈관 상태를 평가할 수 있는 시스템에 대한 미충족 임상적 요구를 해결하고자 합니다.

방법론
연구진은 NIRAF와 LSCI를 단일 프로브에 통합한 자체 개발 다중 모드 내시경 시스템을 개발하고 전임상적으로 검증하였습니다. 이 시스템은 두 가지 모드 모두에 785nm 단일 레이저 광원을 활용합니다:

• NIRAF 모듈: 부갑상선 국소화를 위해 785nm에서 내인성 형광을 들뜨게(excite) 합니다.
• LSCI 모듈: 결맞음(coherent) 7

알고리즘 워크플로우:

1. 정량화: 시스템은 시간적 창(temporal window) 동안 스펙클 대비(speckle contrast, $K_t$)를 계산하기 위해 시간적 레이저 스펙클 대비 분석(tLASCA)을 채택합니다. 혈류 지수(BFI)는 대비의 제곱의 역수($BFI = 1/(K^2 + \epsilon)$)로 유도됩니다.
2. 표준화: 레이저 강도 변동 및 이미징 거리 변화에 대한 견고성을 확보하기 위해, BFI 값은 5~95 백분위수 클리핑(clipping)을 사용하여 정규화됩니다.
3. 시각화: 정규화된 관류 지수는 연속적인 "Jet" 컬러맵(저관류/허혈을 나타내는 청색/보라색부터 고관류를 나타내는 적색/오렌지색까지)에 매핑되어, 인위적인 이산적 등급 분류 없이 의사 결정에 용이한 의사 색상(pseudo-color)의 반정량적 디스플레이를 생성합니다.
4. 아티팩트 억제: 시간적 자기상관 탈상관화(temporal autocorrelation decorrelation) 알고리즘을 통해 호흡 및 수술적 조작으로 인한 움직임 아티팩트를 완화합니다.

실험 모델:
시스템은 8마리의 Sprague–Dawley (SD) 쥐를 대상으로 검증되었습니다. 쥐의 부갑상선 부피가 매우 작기 때문에(직경 0.3–0.5 mm), 부갑상선과 상동의 혈액 공급 및 해부학적 인접성을 가진 쥐의 갑상선을 관류 대리물(surrogate)로 사용하였습니다. 세 가지 엄격히 통제된 in situ 조건이 설정되었습니다:

1. 온전한 본래의 혈관 분포 상태.
2. 부분적 혈관 폐쇄 (일측 혈관 결찰).
3. 완전한 혈관 폐쇄 (주요 경(pedicle) 전체 결찰).

검증은 듀얼 골드 표준인 프로브 기반 정량적 NIRAF 검출기와 수술 후 조직병리학(Hematoxylin-Eosin 염색)을 통해 수행되었습니다.

주요 결과

• NIRAF 국소화: 시스템은 높은 특이도를 보였습니다. 병리학적으로 확인된 부갑상선은 $140.0 \pm 5.0$ mV의 형광 강도를 나타냈으며, 이는 갑상선($94.5 \pm 0.7$ mV), 기관($83.0 \pm 4.0$ mV) 및 근육($52.0 \pm 2.0$ mV)보다 유의미하게 높았습니다 ($P < 0.001$). 시각적 NIRAF 모드는 100%의 양성 예측도(PPV)와 100%의 음성 예측도(NPV)를 달성하였으며 오탐지는 없었습니다. 전체 탐지율은 50%(8마리 중 4마리)였는데, 이는 시스템의 한계라기보다 쥐 부갑상선의 작은 크기와 이소성 위치 때문입니다.
• LSCI 관류 평가: LSCI 스펙클 대비는 조직 관류와 정밀한 역상관 관계를 보였습니다. 관류가 온전한 상태에서 완전 폐쇄 상태로 감소함에 따라 스펙클 대비는 점진적으로 증가했습니다.
• 의사 색상 시각화: 표준화된 워크플로우는 가공되지 않은 그레이스케일 스펙클 데이터를 직관적인 의사 색상 맵으로 성공적으로 변환했습니다. 가공되지 않은 스펙클 대비와 색상 구배 사이에는 1:1 대응 관계가 존재했으며, 실시간으로 관류가 원활한 조직(적색), 허혈 조직(오렌지/황색), 그리고 무혈관 조직(청색)을 정확하게 구분해 냈습니다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 해부학적 식별과 기능적 관류 평가 사이의 간극을 메우는 다중 모드 내시경 시스템을 검증했다고 주장합니다. 주요 기여 사항은 다음과 같습니다:

1. 이중 기능 통합: 시스템은 부갑상선 식별과 외인성 대조제 없이의 생존력 평가라는 두 가지 핵심 과제를 동시에 해결합니다.
2. 표준화된 반정량적 워크플로우: 제안된 의사 색상 매핑 알고리즘은 추상적인 대비 값을 직관적이고 외과 의사 친화적인 시각적 구배로 변환합니다. 이는 오프라인 후처리 과정을 제거하고, 주관적인 그레이스케일 또는 이산적 등급 체계와 관련된 관찰자 간 변동성을 줄여줍니다.
3. 실시간 피드백: 미세 관류 상태에 대한 즉각적인 시각적 피드백을 제공함으로써, 본 시스템은 부갑상선 보존 또는 예방적 자가 이식 여부에 관한 수술 중 의사결정을 안내하여 수술 후 저칼슘혈증 발생률을 낮추는 것을 목표로 합니다.

본 논문은 현재의 전임상 검증이 갑상선 대리물을 사용한 설치류 모델을 대상으로 하였으나, 시스템의 성능 특성—특히 NIRAF의 높은 특이도와 동적 관류 변화에 대한 LSCI의 민감도—이 향후 최소 침습 갑상선 수술을 위한 임상 적용의 견고한 토대를 마련한다고 결론짓습니다.