יוניברסל כף היד תלת ממדי Optoacoustic הדמיה בדיקה לרקמות עמוקות אנגיוגרפיה אדם ופונקציונליים פרה-קליניים מחקרים בזמן אמת

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

הדמיה Optoacoustic (photoacoustic) מושכת עניין הולכת וגובר קהילות מחקר הביולוגיות ורפואיות, כפי שבאה לידי ביטוי במספר הולכים וגובר של פרסומים הכוללים מגוון רחב של יישומים חדשים המנצלים את היתרונות הייחודיים שמציעים הטכנולוגיה ^1-5. בפרט, את היכולת לסוכנים-קליטת תמונה ספקטרלי ייחודיים תמונה עם רזולוציה מרחב ובזמן גבוהה בעומקים הרבה מעבר לגבול diffusive של אור פותחת יכולות חסרות תקדים להדמיה תפקודית ומולקולרית ^6-10.

ואכן, תרגום של טכנולוגית optoacoustic לתוך פרקטיקה קלינית מגיע עם לקוחות פוטנציאליים מבטיחים באבחון וניטור טיפול במחלות רבות. עם זאת, ההתפשטות המוגבלת של פוטונים בפיזור אופטי ורקמות קליטה ותגובות בדרך כלל חלשות הקשורים לתופעת optoacoustic להגביל את העומק הישים של השיטה. כתוצאה מכך, optoa כף ידבדיקות coustic כבר ניסו לחלקי תמונה לנגישים מחוץ ^ל11,12 הגוף תוך מערכות אנדוסקופיות משמשות כדי לספק תמונות מתוך הגוף על ידי החדרתם דרך פתחים טבעיים ^13. כמה חלקים נמוכים קליטה של גוף אדם, כגון שד נשי, נגישים גם על ידי סורקי optoacoustic טומוגרפית ^14,15. מעניין במיוחד היא הגישה שנערכה ביד כפי שהוא מאפשר גמישות גדולה, בדומה לבדיקת אולטרה סאונד. כאן, הסתגלות של בדיקות המערך ליניארי אולטרסאונד המשותף להדמית optoacoustic נותרת מאתגרת, בעיקר בשל הבדלים מהותיים בדרישות הדמיה טומוגרפית בין אולטרסאונד וoptoacoustics. בעוד שיעורי מסגרת גבוהים בבדיקת אולטרה סאונד הסטנדרטי מופעלים על ידי רציף שידור-קבלת תוכניות העסקת תדרי חזרת דופק גבוה בטווח kHz, ההדמיה optoacoustic בזמן אמת תלת-ממדית מושגת על ידי אוסף בו-זמני של נתונים טומוגרפית נפח מint אחדerrogating דופק לייזר. כך, ההדמיה optoacoustic איכות גבוהה מרמזת רכישה של נתונים תלת-ממדיים מהזווית המוצקה הגדולה ביותר האפשרית מסביב לאובייקט צילם.

לאחרונה, הצגנו את הבדיקה optoacoustic כף היד הראשונה להדמיה תלת ממדית (נפח) בזמן אמת ^16. המערכת מבוססת על מערך דו-ממדי של 256 אלמנטים פיזואלקטריים המסודרים על משטח כדורי (נקודות כחולות באיור 1 א) המשתרעים על זווית של 90 מעלות. הגודל של האלמנטים הבודדים של כ 3 x 3 מ"מ ^2, כמו גם האורינטציה ורוחב פס תדרים (כ 2-6 מגה-הרץ) שלהם מבטיחים אוסף אות אפקטיבי ממקיף את מרכז הכדור (קובייה שחורה באיור נפח סנטימטר בקנה מידה 1A). עירור אופטי של אזור ההדמיה מסופק עם חבילת סיבים מוחדרת דרך חלל גלילי מרכזי של המערך, כך שכל susc אורך גלeptible של משודרים דרך חבילת הסיבים יכול לשמש הדמיה. תמונה אמיתית של המערך של חיישנים יחד עם חבילת הסיבים האופטית מוצגת באיור 1. העירור יעיל וזיהוי סימולטני של אותות מאפשר הדמיה רקמות עמוקות עם עירור זריקה אחת (דופק לייזר אחד), כך שהדמיה בזמן אמת במסגרת שיעור שנקבע על ידי תדירות החזרה הדופק של הלייזר מופעלת נוספת עם גרפיקה עיבוד יחידה (GPU) יישומו של נוהל השחזור ^17. מארז גלילי עם קרום פוליאתילן שקוף (איור 1 ג) מחובר למערך מתמר לצרף בינוני אקוסטית העברת נוזל (מים). הקרום מצמיד נוסף לרקמה באמצעות ג'ל אקוסטי. תמונה של חללית optoacoustic כבשימוש במצב פעולת כף יד מוצגת באיור 1D.

Thr הפגין ההדמיה EE ממדים שנערכו ביד optoacoustic בשילוב עם ההדמיה תפקודית היכולת בזמן אמת מגיעה עם יתרונות חשובים לאבחון קליני ומספר היישומים הפוטנציאליים חזתה להתוויות שונות, כגון מחלת כלי דם היקפית, הפרעות במערכת הלימפה, סרטן השד, נגעים בעור, דלקת או דלקת פרקים ^18. יתר על כן, את יכולת ההדמיה מהירה מאפשרת הדמיה של אירועים ביולוגיים דינמיים עם החללית מסודרת במצב נייח. בשילוב עם טכנולוגיית לייזר באורך גל-כוונון מהיר פרמטרים אופטיים מתנד (OPO), גישה זו מאפשרת הדמיה של biodistribution של סוכנים-קליטת תמונה בזמן אמת. וכך, אפשרויות חדשות עשויות באותה מידה לצאת ביישומי הדמיה חיה קטנים, למשל., בלימוד פרמטרים המודינמיים רקמה, in vivo מעקב תא, ויזואליזציה של פרמקוקינטיקה, זלוף איבר, ממוקד הדמיה מולקולרית של גידולים ומערכת לב וכלי דם, או סריקת מוח.

s = "jove_content"> בעבודה זו אנו מספקים תיאור מפורט של פרוטוקול ההדמיה הניסיוני להפעלה עם ביצועי מערך הכדורי optoacoustic כף יד הבדיקה וחלון ראווה במספר תרחישי הדמיה חיה קליניות וקטנים טיפוסיים.

Protocol

הנוהל מפורט להפעלה עם חללית optoacoustic כף יד נפח מתואר להלן. הליך זה מבוצע בהתאם לתקנות מוסדיות אושרו לגבי בעלי חיים וניסויים בבני אדם.

1. הכנת מערכת

1. הפעל את הלייזר לתקופה חימום של ~ 15 דקות לפני פעולה לייצוב קורה תפוקת האור.
2. תניח את חלק המים מצרפים עם קרום הבידוד שנמצא במגע עם העור (איור 1).
   הערה: המרחק בין הקרום המבודד (במגע עם העור) והאזור עם רגישות מקסימלי של המתמר (המרכז של החללית הכדורית) קובע את עומק ההדמיה היעיל.
3. למלא את כל הנפח של כ 100 מיליליטר בין הקרום המבודד ופני השטח של המתמר עם מים ללא יונים באמצעות משאבה.
4. ודא שאין בועות דליפת מים ולא אוויר הן preseNT. לחלופין, למנוע בועות אוויר על ידי מתן מחזור של מים.
5. בצע את הניסויים בRT ולהבטיח בינוני צימוד (מים) נשמר בטמפרטורה זו.

2. הדמיה הכנה

1. הכנת הדמיה אנושית.
2. להסיר שיער מהחלק לעתיד-הדמיה עם קרם הסרת שיער על מנת למנוע רקע לא רצוי בתמונות (בשלב זה הוא אופציונאלי).
3. החל ג'ל אולטרסאונד על העור סביב האזור להיות צילם על מנת לספק צימוד אקוסטי יעיל. מניחים את חללית optoacoustic באזור של עניין. ודא שאין בועות אוויר נוכחים בג'ל צימוד אולטרסאונד.
4. הכנת הדמיה בעלי חיים.
5. לוודא שנהלי הטיפול וניסיון עם בעלי חיים הם בהסכם עם חוקים ותקנות מוסדיים וממשלתיים.
6. הסר את פרוותו של בעל החיים באזור להיות צילם עם קרם גילוח. להגן על העיניים של בעלי החיים עםמשחה וטרינר, המונעת יובש ונזקים מחשיפה לקרינת לייזר פעמו אינטנסיבית.
7. להרדים את החיה באמצעות הזרקת intraperitoneal (IP) של קטמין / xylazine (100 מ"ג / קילוגרם KG קטמין 5 מ"ג + / קילוגרם KG Xylazine) הרדמה לפני הניסוי או להשתמש isoflurane (2-3% (לפי נפח) עם 0.9 ליטר / זרימת גז דקות) במהלך הניסוי. לאשר הרדמה על ידי בדיקת רפלקס של הגפיים האחורי של החיה.
8. החל ג'ל אולטרסאונד על העור סביב האזור להיות צילם על מנת לספק צימוד אקוסטי יעיל ולמקם את חללית optoacoustic באזור של עניין. ודא שאין בועות אוויר נוכחים בג'ל צימוד אולטרסאונד.

מצב מבצע 3. פרה-מבט

1. להקים את אורך גל ההדמיה (ים) בין 690 ננומטר ו -900 ננומטר ושיעור החזרה הדופק בין 10 ל 50 הרץ. בחר את הפרמטרים למערכת רכישת נתונים אקוסטי - MΩ 1קלט עכבה. לרכוש 2030 דגימות עבור כל פעימת לייזר בקצב דגימה של 40 megasamples להחלטה שנייה ו -12 קצת אנכית. תפעיל את הרכישה עם תפוקת Q-מתג של הלייזר.
2. ודא שהמפעיל והן למטופל להשתמש במשקפי המגן מותאמים לגל עירור האופטי (ים). הגדר את כוח הלייזר כך ששטף האור על פני השטח הרקמה נשמרת מתחת ל -20 mJ / ² סנטימטר במהלך הניסוי עבור אורכי גל תת-אדומים קרובים על מנת לספק את מגבלות חשיפה לבטיחות לניסויים בבני אדם ¹⁹ וכדי למנוע עומס תרמי ונזק לעור בבעלי חיים .
3. הפעל את התוכנה מראש תצוגה עם יישום GPU של אלגוריתמי עיבוד, כדי לאפשר הדמיה תמונות תלת-ממדיות במסגרת שיעור המקביל לשיעור החזרה הדופק של הלייזר.
4. הזז את החללית ו / או האובייקט להיות צילם על מנת לייעל את ביצועי הדמיה ולמקם את המבנים של עניין.

4. רכישת נתונים

1. רכישת נתונים לסריקת מצב (כף יד).
2. במידת הצורך, להזריק חומר ניגוד לפני רכישה כדי להעשיר את הניגוד באזור של עניין.
   הערה: בניסויים שלנו אנחנו לא ביצענו הדמיה אנושית חומר ניגוד. עם זאת, חומרי ניגוד שונים יכולים להיות פוטנציאל לשמש למטרה זו. Indocyanine גרין (ICG) הוא דוגמא אחת חומר ניגוד אופטי שאושר על-קליני שיכול לשמש לשיפור לעומת במינון מומלץ מקסימאלי של 2 מ"ג / קילוגרם ממשקל גוף במבוגרים של.
3. התחל החומרה לרכישת נתונים עם הפרמטרים שתוארו ב3.1 שמירה על הוצאתו להורג של תוכנת התצוגה המקדימה. בעדינות להזיז את החללית סביב האזור צילם כדי לעקוב אחר המבנים של עניין.
   הערה: כאשר תמונות באורכי גל לייזר מרובים נרכשות בו-זמנית, מהירות תנועת חללית במצב כף היד צריכה להיות ירידה משמעותית (רצוי מתחת ל -2 מ"מ / שנייהלשיעור לייזר דופק חזרה על 50 הרץ) על מנת להימנע מחפצים הקשורים לתנועה בתמונות ספקטרלי הצרופות.
4. רכישת נתונים למצב נייח.
5. הר אובייקט הדמיה (לדוגמא., בעלי חיים) והבדיקה שנערכה ביד על בעל ולהתחיל רכישה עם הפרמטרים שתוארו ב3.1 שמירה על הוצאתו להורג של תוכנת קדם-מבט.
6. לשמור על הבדיקה optoacoustic וחלק ההדמיה באותה התנוחה במהלך הניסוי כדי לחזות אירועים ביולוגיים דינמיים באזור של עניין.
7. להזריק חומר ניגוד כדי לעקוב אחר ההפצה הדינמית שלה באזור של עניין.
   הערה: בניסויי העכבר שלנו, Indocyanine ירוק (ICG) שימש להגברת הניגודיות. כקו מנחה כללי, סך של 10 nmol או 0.4 מ"ג / קילוגרם של ICG צריך להיות מוחדר למחזור הדם בעכבר על מנת ליצור ניגוד לזיהוי עם optoacoustics רב-ספקטרלי in vivo.
   הערה: חומר הניגוד חייב להיותאושר לשימוש בבני אדם ו / או לבעלי חיים על-ידי הרשות המתאימה.

5. השלמת הניסוי

1. לעצור את הלייזר.
2. הסר את הבדיקה optoacoustic מהאזור צילם. למחקר בבעלי חיים, לעצור את אספקת ההרדמה.
3. מקם את החיה תחת תנור אינפרא אדום לשמירה על חום ולמנוע המגע עם בעלי חיים אחרים, עד שהחלים לגמרי מההרדמה. אל תשאיר את בעל החיים ללא השגחה במהלך התאוששות מן ההרדמה.

6. לא מחובר עיבוד נתונים

1. לטעון את הקובץ (ים) המכיל את אותות optoacoustic שנרכשו ביישום התוכנה המשמשים לעיבוד נתונים.
2. השתמש באלגוריתם שחזור להשיג מערך מטריצה ​​תלת ממדים המתאימים לתמונת נפח של הקליטה האופטית לכל מסגרת וכל אורך גל.
   הערה: לשיקום עדיף להשתמש באלגוריתם בחשבון גורמי עיוות, כגון heterogeneities והנחתה באובייקט צילם, השפעות של רוחב פס סופי וצורה גיאומטרית של אלמנטי האיתור ווריאציות שטף אור, על מנת לקבל ייצוג כמו יותר של ההפצה של האנרגיה נקלטת.
3. השתמש באלגוריתם unmixing להשיג, מכל מסגרת רב-גל, קבוצה חדשה של מערכי מטריצה ​​תלת ממדיים המייצגת את הקליטה האופטית לכל חומר הקולט נוכחי במדגם.
4. במידת הצורך, עיבוד נוסף של מערכי מטריצה ​​המייצגים את הפצת הקליטה האופטית כדי להקל הדמיה וקריאה של פרמטרים רלוונטיים מבחינה ביולוגית.

תוצאות

נציג תוצאות, הממחישות את היכולות של החללית שנערכה ביד נפח תיארה optoacoustic, הם הציגו בסעיף זה. בכל המקרים, שטף האור על פני העור נשמר מתחת לגבול חשיפת בטיחות של 20 mJ / ² סנטימטר ^19.

הביצועים של החללית בזמן אמת מעקב כלי דם אנושי ה?...

Discussion

היתרונות הייחודיים המוצעים על ידי שיטות הדמיה optoacoustic במחקר בבעלי חיים קטנים שיצרו מוטיבציה חזקה לתרגום הטכנולוגיה לפרקטיקה קלינית, עם מספר של כלי אבחון וניטור יישומי טיפול חזו למשל., בשד ובסרטן העור, דלקת או מחלות כלי דם היקפיים. עם זאת, בניגוד לעכברים או חיות קט...

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.