عالمية باليد ثلاثي الأبعاد بصري سمعي التصوير دقق في الأنسجة العميقة تصوير الأوعية الدموية الإنسان والدراسات ما قبل السريرية وظيفية في الوقت الحقيقي

Summary

We provide herein a detailed description of the experimental protocol for imaging with a newly developed hand-held optoacoustic (photoacoustic) system for three-dimensional functional and molecular imaging in real time. The demonstrated powerful performance and versatility may define new application areas of the optoacoustic technology in preclinical research and clinical practice.

Abstract

The exclusive combination of high optical contrast and excellent spatial resolution makes optoacoustics (photoacoustics) ideal for simultaneously attaining anatomical, functional and molecular contrast in deep optically opaque tissues. While enormous potential has been recently demonstrated in the application of optoacoustics for small animal research, vast efforts have also been undertaken in translating this imaging technology into clinical practice. We present here a newly developed optoacoustic tomography approach capable of delivering high resolution and spectrally enriched volumetric images of tissue morphology and function in real time. A detailed description of the experimental protocol for operating with the imaging system in both hand-held and stationary modes is provided and showcased for different potential scenarios involving functional and molecular studies in murine models and humans. The possibility for real time visualization in three dimensions along with the versatile handheld design of the imaging probe make the newly developed approach unique among the pantheon of imaging modalities used in today’s preclinical research and clinical practice.

Introduction

بصري سمعي (الضوئي) التصوير يجذب الاهتمام يتزايد من المجتمعات الأبحاث البيولوجية والطبية، كما يتضح من العدد المتزايد من المطبوعات تشمل مجموعة متنوعة من التطبيقات الجديدة التي تستغل المزايا الفريدة التي توفرها تكنولوجيا ^1-5. على وجه الخصوص، والقدرة على امتصاص صورة فوتوغرافية مميزة طيفيا وكلاء لقرار المكانية والزمانية عالية على أعماق أبعد بكثير من حدود ناشر للضوء تفتح إمكانيات غير مسبوقة لوظيفية والتصوير الجزيئي ^6-10.

في الواقع، ترجمة للتكنولوجيا بصري سمعي في الممارسة السريرية تأتي مع آفاق واعدة في تشخيص ومتابعة علاج الكثير من الأمراض. ومع ذلك، فإن انتشار محدود من الفوتونات في نثر بصريا والأنسجة استيعاب والردود ضعيفة عموما المرتبطة بظاهرة بصري سمعي تحد من عمق المطبق من طريقة. ونتيجة لذلك، باليد optoaوقد حاول تحقيقات coustic إلى أجزاء الصورة يمكن الوصول إليها من خارج ^11،12 الجسم في حين تستخدم أنظمة بالمنظار لتوفير صور من داخل الجسم عن طريق إدراج منهم عبر الفوهات الطبيعية ^13. بعض أجزاء امتصاص منخفضة من جسم الإنسان، مثل الإناث الثدي، يمكن الوصول إليها من خلال الماسحات الضوئية بصري سمعي ^14،15 تصوير الشعاعي الطبقي أيضا. أهمية خاصة هو النهج باليد، لأنها تتيح تعدد كبير، على غرار الموجات فوق الصوتية. هنا، تكييف الموجات فوق الصوتية الشائعة تحقيقات مجموعة خطية للتصوير بصري سمعي يبقى تحديا، ويرجع ذلك أساسا إلى اختلافات جوهرية في متطلبات التصوير بالموجات فوق الصوتية وتصوير الشعاعي الطبقي بين optoacoustics. بينما يتم تمكين إطار معدلات عالية في التصوير بالموجات فوق الصوتية القياسية من قبل متتابعة الإرسال والاستقبال مخططات توظيف نبض ترددات عالية التكرار في نطاق كيلو هرتز، ويتحقق تصوير بصري سمعي الوقت الحقيقي ثلاثي الأبعاد عن طريق جمع البيانات في وقت واحد الشعاعي الطبقي الحجمي من كثافة واحدerrogating نبضة ليزر. وبالتالي، والجودة العالية التصوير بصري سمعي يعني الحصول على البيانات ثلاثية الأبعاد من أكبر زاوية ممكنة الصلبة في جميع أنحاء الجسم تصويرها.

في الآونة الأخيرة، قدمنا ​​أول مسبار بصري سمعي محمول باليد لثلاثي الأبعاد (الحجمي) التصوير في الوقت الحقيقي ^16. ويستند هذا النظام على صفيف ثنائي الأبعاد من 256 عناصر كهرضغطية رتبت على سطح كروي (النقاط الزرقاء في الشكل 1A) تغطي بزاوية 90 درجة. حجم العناصر الفردية حوالي 3 × 3 مم ^2، وكذلك ميولهم وعرض نطاق التردد (حوالي 2-6 ميغاهيرتز) تضمن إشارة جمع فعال من حجم سنتيمتر النطاق المحيطة بها وسط ميدان (المكعب الأسود في الشكل 1A). يتم توفير الإثارة البصرية للمنطقة التصوير مع حزمة الألياف عبارة عن طريق تجويف أسطواني الرئيسي للمجموعة، بحيث أن أي susc الطول الموجيeptible من بثها من خلال حزمة من الألياف يمكن أن تستخدم للتصوير. ويظهر صورة الفعلية لمجموعة من محولات الطاقة جنبا إلى جنب مع حزمة من الألياف البصرية في الشكل 1B. الإثارة الفعالة والكشف المتزامن للإشارات تتيح تصوير الأنسجة العميقة مع احد بالرصاص الإثارة (نبضة ليزر واحد)، بحيث يتم تمكين المزيد من التصوير في الوقت الحقيقي في معدل الإطار الذي يحدده تردد تكرار النبضة ليزر مع graphics- تجهيز وحدة (GPU) تنفيذ الإجراء إعادة الإعمار ^17. ومرفق غلاف أسطواني مع البولي إثيلين غشاء شفاف (الشكل 1C) إلى مجموعة المفاتيح لإحاطة وسيلة نقل سمعيا السائل (الماء). ويقترن الغشاء أيضا على الأنسجة عن طريق جل الصوتية. وأظهرت صورة للمجس بصري سمعي كما تستخدم في وضع التشغيل باليد في الشكل 1D.

وأظهرت عبتي وتصور EE باليد الأبعاد التصوير بصري سمعي جنبا إلى جنب مع القدرة في الوقت الحقيقي التصوير الوظيفي تأتي مع مزايا هامة للتشخيص السريري وعدد من التطبيقات المحتملة لمؤشرات مختلفة، مثل أمراض الأوعية الدموية المحيطية، واضطرابات الجهاز اللمفاوي، وسرطان الثدي، والآفات الجلدية، التهاب المفاصل أو ^18. وعلاوة على ذلك، فإن قدرة التصوير بسرعة وتمكن من تصور الأحداث البيولوجية الديناميكية مع التحقيق مرتبة في وضع ثابت. جنبا إلى جنب مع سرعة ضبط الطول الموجي حدودي البصرية مذبذب (OPO) تكنولوجيا الليزر، وهذا النهج يسمح في الوقت الحقيقي التصوير من biodistribution وكلاء امتصاص الصورة. وبالتالي، قد تظهر إمكانيات جديدة على قدم المساواة في تطبيقات التصوير الحيوانات الصغيرة، على سبيل المثال، في دراسة ديناميكا الدم الأنسجة في الجسم الحي تتبع الخلايا، تصور الدوائية، نضح الجهاز، استهدف التصوير الجزيئي للأورام ونظام القلب والأوعية الدموية، أو تصوير الأعصاب.

S = "jove_content"> وفي هذا العمل نحن نقدم وصفا مفصلا لبروتوكول التصوير التجريبية للعمل مع مجموعة كروية بصري سمعي التحقيق وعرض الأداء باليد في العديد من السيناريوهات السريرية والتصوير حيوان صغيرة نموذجية.

Protocol

يتم وصف هذا الإجراء التفصيلي لتشغيل مع باليد الحجمي التحقيق بصري سمعي أدناه. يتم تنفيذ هذا الإجراء وفقا للقواعد المؤسسية المعتمدة بشأن التجارب الحيوانية والبشرية.

1. إعداد النظام

1. التبديل على الليزر لفترة الاحماء لل~ 15 دقيقة قبل العملية لتحقيق الاستقرار في ضوء الناتج شعاع.
2. وضع الجزء الماء أرفق مع غشاء عزل هذا هو في تماس مع الجلد (الشكل 1).
   ملاحظة: المسافة بين غشاء عزل (في تماس مع الجلد) والمنطقة مع الحساسية القصوى للمحول (مركز المسبار الكروي) تنص على عمق التصوير الفعلي.
3. ملء حجم كامل من حوالي 100 مل بين غشاء عزل وسطح محول مع الماء منزوع الأيونات عن طريق المضخة.
4. ضمان عدم تسرب المياه ولا فقاعات الهواء هي بريسيالإقليم الشمالي. بدلا من ذلك، تجنب فقاعات الهواء من خلال توفير إعادة تدوير المياه.
5. إجراء التجارب على RT وضمان اقتران المتوسطة (الماء) يتم الحفاظ على درجة الحرارة هذه.

2. إعداد التصوير

1. إعداد التصوير البشري.
2. إزالة الشعر من جزء إلى أن يتم تصويرها مع محلول إزالة الشعر من أجل تجنب الخلفية غير مرغوب فيها في الصور (هذه الخطوة اختيارية).
3. تطبيق هلام الموجات فوق الصوتية على الجلد حول المنطقة المراد تصويرها من أجل توفير كفاءة اقتران الصوتية. وضع مسبار بصري سمعي في المنطقة من الفائدة. ضمان عدم وجود فقاعات هواء موجودة في اقتران هلام الموجات فوق الصوتية.
4. إعداد التصوير الحيوانية.
5. تأكد من أن إجراءات الرعاية وتجريبية مع الحيوانات متفقة مع القواعد والأنظمة المؤسسية والحكومية.
6. إزالة الفراء من الحيوانات في المنطقة ليمكن تصوير مع غسول الحلاقة. حماية العينين من الحيوان معمرهم التعليم والتدريب المهني، والذي يمنع جفاف وتلف من جراء التعرض المكثف لأشعة الليزر النبضي.
7. تخدير الحيوانات باستخدام حقن داخل الصفاق (IP) من الكيتامين / زيلازين (100 ملغ / كغ كغ الكيتامين + 5 ملغ / كغ كغ زيلازين) قبل التجربة أو استخدام التخدير الأيزوفلورين (2-3٪ (من حيث الحجم) مع 0.9 لتر / تدفق الغاز دقيقة) أثناء التجربة. تأكيد التخدير عن طريق التحقق من ردة فعل من الطرف الخلفي من الحيوان.
8. تطبيق هلام الموجات فوق الصوتية على الجلد حول المنطقة المراد تصويرها من أجل توفير كفاءة اقتران الصوتية ووضع مسبار بصري سمعي في المنطقة من الفائدة. ضمان عدم وجود فقاعات هواء موجودة في اقتران هلام الموجات فوق الصوتية.

3. قبل عرض وضع التشغيل

1. تحديد الطول الموجي التصوير (ق) بين 690 نانومتر و 900 نانومتر، ومعدل تكرار النبض بين 10 و 50 هرتز. تحديد معايير لنظام الحصول على البيانات الصوتية - 1 MΩمعاوقة المدخل. الحصول على 2030 عينة لكل نبضة ليزر بمعدل عينة من 40 megasamples في قرار ثان والرأسي 12 بت. تؤدي عملية الاستحواذ مع الانتاج Q-مفتاح ليزر.
2. تأكد من أن كل من المشغل والمريض استخدام نظارات واقية تكييفها وفقا لطول موجة الإثارة البصرية (ق). تعيين قوة الليزر بحيث يتم الحفاظ على فلوينس خفيفة على سطح الأنسجة أقل من 20 ميغا جول / سم ² خلال التجربة لموجات الأشعة تحت الحمراء القريبة من أجل إرضاء حدود التعرض لتجارب السلامة البشرية ^و19 لمنع إجهاد الحراري وتلف الجلد في الحيوانات .
3. بدء قبل عرض البرنامج مع تنفيذ GPU من خوارزميات معالجة للسماح تصور صورا ثلاثية الأبعاد بمعدل إطار المقابلة لمعدل تكرار نبضة ليزر.
4. نقل التحقيق و / أو الكائن المراد تصويره من أجل تحسين أداء التصور وتوطين هياكل الفائدة.

4. الحصول على البيانات

1. الحصول على البيانات لمسح الوضع (باليد).
2. إذا لزم الأمر، حقن عامل تباين قبل الشراء لإثراء التباين في المنطقة ذات الاهتمام.
   ملاحظة: في تجاربنا نحن لم إجراء التصوير الإنسان وتعزيز التباين. ومع ذلك، عوامل التباين المختلفة يمكن المحتمل استخدامها لهذا الغرض. الإندوسيانين الأخضر (ICG) هي مثال واحد من وافق سريريا وكيل النقيض البصرية التي يمكن استخدامها لتعزيز النقيض القصوى في الجرعة الموصى بها من 2 ملغ / كغ من وزن الجسم في البالغين.
3. بدء تشغيل الجهاز للحصول على البيانات مع المعلمات وصفها في 3.1 الحفاظ على إعدام المعاينة البرمجيات. بلطف تحريك التحقيق حول المنطقة المصورة لتتبع هياكل الفائدة.
   ملاحظة: عندما يتم الحصول على الصور في موجات الليزر متعددة في نفس الوقت، وسرعة التحقيق الحركة في وضع باليد لابد انخفضت بشكل ملحوظ (ويفضل أن يكون أقل من 2 ملم / ثانيةليزر النبض معدل التكرار من 50 هرتز) من أجل تجنب القطع الأثرية المرتبطة الحركة في الصور غير مخلوطة طيفيا.
4. الحصول على البيانات لوضع ثابت.
5. جبل الكائن تصوير (على سبيل المثال، الحيوان) والتحقيق باليد على حامل والبدء في عملية الاستحواذ مع المعلمات وصفها في 3.1 الحفاظ على تنفيذ البرنامج قبل عرض.
6. الحفاظ على التحقيق بصري سمعي والجزء التصوير في نفس الموقف خلال التجربة لتصور الأحداث البيولوجية الديناميكية في المنطقة من الفائدة.
7. حقن عامل تباين لتتبع التوزيع الديناميكي في المنطقة من الفائدة.
   ملاحظة: في التجارب الماوس لدينا، وقد استخدم الإندوسيانين الأخضر (ICG) لتعزيز التباين. كمبدأ توجيهي عام، مبلغ 10 نانومول أو 0.4 ملغ / كغ من ICG لابد من إدخالها في الدورة الدموية الماوس لخلق النقيض كشفها مع optoacoustics متعدد الأطياف في الجسم الحي.
   ملاحظة: يجب أن يكون عامل تباينوافقت للاستخدام البشري و / أو حيوان من قبل السلطة المعنية.

5. الانتهاء من تجربة

1. وقف الليزر.
2. إزالة مسبار بصري سمعي من المنطقة المصورة. لدراسة أجريت على الحيوانات، ووقف إمدادات التخدير.
3. وضع الحيوان تحت سخان الأشعة تحت الحمراء لإبقائه دافئا ومنع الاتصال مع الحيوانات الأخرى حتى شفيت تماما من التخدير. لا تترك الحيوان غير المراقب أثناء التعافي من التخدير.

6. خارج خط معالجة البيانات

1. تحميل الملف (الملفات) التي تحتوي على إشارات بصري سمعي المكتسبة في تطبيق البرمجيات المستخدمة في معالجة البيانات.
2. استخدام خوارزمية إعادة الإعمار للحصول على مجموعة مصفوفة ثلاثية الأبعاد المقابلة للصورة الحجمي لامتصاص البصرية لكل إطار وكل طول موجي.
   ملاحظة: لإعادة الإعمار فمن الأفضل لاستخدام خوارزمية تمثل العوامل المشوهة، مثل heterogeneities والتوهين في كائن المصورة، والآثار من عرض النطاق الترددي النهائي والشكل الهندسي للعناصر الكشف والاختلافات ضوء فلوينس، من أجل الحصول على تمثيل أكثر الكمي لتوزيع الطاقة الممتصة.
3. استخدام خوارزمية unmixing الحصول عليها، من كل إطار متعدد الطول الموجي، مجموعة جديدة من المصفوفات مصفوفة ثلاثية الأبعاد تمثل الامتصاص الضوئي لكل مادة تمتص الموجودة في العينة.
4. إذا لزم الأمر، ومواصلة معالجة المصفوفات المصفوفة التي تمثل التوزيع الامتصاص الضوئي لتسهيل التصور والقراءة من المعلمات ذات الصلة من الناحية البيولوجية.

النتائج

النتائج تمثيلية، مما يدل على قدرات باليد الحجمي مسبار بصري سمعي وصفها، وعرضت في هذا القسم. في جميع الحالات، وقد أبقى فلوينس الخفيف على سطح الجلد دون الحد من التعرض سلامة 20 ميغا جول / سم ^{2 19.}

وعرضت أداء لجنة التحقيق في الوقت ال?...

Discussion

خلقت المزايا الفريدة التي توفرها تقنيات التصوير بصري سمعي في البحوث الحيوانية صغير دافعا قويا لترجمة التكنولوجيا في الممارسة السريرية، مع عدد من وسائل التشخيص والعلاج مراقبة التطبيقات مثل تصوره، في الثدي، وسرطان الجلد، والتهاب الأوعية الدموية أو الأمراض الط?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Name of Material/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
Optical parametric oscillator (OPO)-based laser	Innolas Laser GmbH, Krailling (Germany)	custom-made	The laser provides laser pulses with a duration around 10ns and an energy up to 80mJ. The wavelength is tunable between 680-950nm.
Spherical array of piezocomposite detectors	Imasonic SaS, Voray (France)	custom-made	The array consists of 256 piezoelectric sensors distributed on a spherical surface. Each element has dimensions 3x3mm2, a central frequency of 4MHz and a bandwidth of 100%.
Data acquisition system (DAQ)	Falkenstein Mikrosysteme GmbH, Taufkirchen (Germany)	custom-made	The DAQ simultaneously acquires 256 signals at 40 megasamples per second and 2030 samples. The input impedance is 1MW.
Fiber bundle	CeramOptec GmbH, Bonn (Germany)	custom-made	The bundle consists of 480 individual fibers randomly distributed in the input and output. The numerical aperture of each individual fiber is 0.22.
Athymic Nude mouse	Harlan Laboratories (The Netherlands)	Athymic nude - Foxn1nu	The mouse was 8 weeks old (adult) at the time of the experiment. The ethical protocol was approved by the Bavarian goverment (number 55.2.1.54-2632-102-11)
Bepanthen cream	Bayer AG (Germany)	N/A	Vet ointment to protect the eyes during anesthesia
Data processing software	Matlab (Mathworks, Natick, MA, USA)	custom-made	The data processing software was devoped at our institute. It allows reconstruction at each wavelength and multi-wavelength unmixing, as well as further data processing.
Water-enclosing part	N/A	custom-made	This part contains the water that acts as an acoustic coupling medium between skin and transducer elements
Indocyanine green (ICG)	PULSION Medical Systems SE	N/A	ICG-PULSION (active ingredient: indocyanine green dye) is a drug used in cardiac, circulatory and micro-circulatory diagnostics, liver function diagnostics and ophthalmic angiography diagnostics.