범용 실시간으로 깊은 조직 인간의 혈관 조영술과 기능 전임상 연구를위한 3 차원 광 음향 이미징 프로브를 손 개최

요약

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.

초록

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.

서문

기술 ^1-5에서 제공하는 독특한 장점을 악용 새로운 애플리케이션의 다양성을 포괄하는 출판물의 적 증가에 의해 나타난 바와 같이 광 음향 (음향) 영상은, 생물학 및 의료 연구 지역 사회에서 관심을 성장 끈다. 특히, 지금까지 빛의 확산 제한을 초과하는 깊이에서 높은 시공간 해상도의 이미지 스펙트럼 독특한 사진 흡수 에이전트 용량은 기능 및 분자 영상 ^6-10에 대한 전례없는 기능을 엽니 다.

실제로 임상에 광 음향 기술의 번역은 진단 및 많은 질병의 치료 모니터링에 유망한와 함께 제공됩니다. 그러나, 광학적으로 산란 광자 흡수 조직 및 광 음향 현상과 관련된 일반적 약한 응답의 제한된 전달은 방법의 적용 깊이를 제한한다. 그 결과, 휴대용 optoa내시경 시스템은 천연 오리피스 ^(13)를 통해 그것들을 삽입하여 본체 내에서 이미지를 제공하기 위해 사용되는 동안 coustic 프로브 본체 ^{(11, 12)의} 외부에서 접근 화상 부분이 시도되어왔다. 이러한 여성의 유방과 같은 인체의 일부 낮은 흡수 부분은, 또한 단층 광 음향 스캐너 ^{(14, 15)에} 의해 액세스 할 수 있습니다. 그것은 마찬가지로 초음파에 큰 융통성을 가능로서 특히 관심 휴대용 접근법이다. 여기서, 광 음향 영상에 대한 일반적인 초음파 선형 배열 프로브의 적응은 주로 초음파와 optoacoustics 사이의 단층 영상 요구 사항에 근본적인 차이, 도전 남아있다. 표준 초음파 높은 프레임 레이트가 순차적으로 활성화되지만 kHz의 범위에서 높은 펄스 반복 주파수를 이용하는 방식을 송수신 실시간 삼차원 광 음향 이미징 단일의 int로부터 체적 단층 촬영 데이터의 동시 수집함으로써 달성된다레이저 펄스를 errogating. 따라서, 고품질 광 음향 영상은 이미지화 된 물체에 가장 큰 가능한 고체 각도로부터 3 차원 데이터의 획득을 의미한다.

최근에, 우리는 실시간으로 ^16에서 3 차원 (부피) 영상에 대한 최초의 휴대용 광 음향 프로브를 소개했다. 시스템은 90 °의 각도를 덮는 구면 (도 1A에서 청색 도트)에 배치 된 압전 소자 (256)의 2 차원 어레이를 기반으로한다. 대략 3 × 3mm ^(2)의 개별 요소들의 크기뿐만 아니라 방향과 주파수 대역폭 (약 2-6 메가 헤르츠)도에 구의 중심 (검은 큐브 주변 센티미터 규모 볼륨에서 유효 신호 수집을 보장 1A). 촬상 영역의 여기 광은, 어레이의 중앙 원통형 공동에 삽입 관통 섬유 다발이 제공되도록되어 어떤 파장 susc섬유 다발을 통해 전송되는 eptible 이미징에 사용될 수있다. 광섬유 다발과 함께 트랜스 듀서 어레이의 실제 사진은도 1b에 도시된다. 레이저의 펄스 반복 주파수에 의해 결정된 프레임 율 실시간 이미징 상기 그래픽이 활성화 될 수 있도록 효율적으로 여기 및 신호를 동시에 검출은, 단발 여기 (하나의 레이저 펄스)와 깊은 조직 이미징을 허용 프로세싱 유닛 (GPU) 재건 절차 ^(17)의 구현입니다. 투명 폴리에틸렌 막 (도 1c)와 원통형 케이싱은 음향 투과 액 매체 (물)를 둘러싸도록 트랜스 듀서 어레이에 부착된다. 멤브레인은 또한 탄성 겔 의해 조직에 결합된다. 휴대용 동작 모드에서 사용되는 것과 프로브의 광 음향 영상은도 1d에 도시되어있다.

입증 THR임상 진단 및 잠재적 인 응용 프로그램의 수에 대한 중요한 장점과 함께 제공되는 실시간 기능 이미징 능력과 결합 EE 차원 휴대용 광 음향 이미징, 말초 혈관 질환 등의 다양한 표시, 림프계 장애, 유방암, 피부 병변에 대한 구상하고 있습니다 염증이나 관절염 ^(18). 더욱이, 고속 촬상 용량은 고정 된 위치에 배치 된 프로브와 동적 생물학적 이벤트의 시각화를 가능하게한다. 빠른 파장 동조 광 파라 메트릭 발진 (OPO) 레이저 기술과 결합하여,이 방식은 광 흡수제의 생체 분포를 실시간 이미징을 허용한다. 이에 따라, 새로운 가능성이 동등하게 예를 들면, 작은 동물 이미징 애플리케이션에 등장 할 수있다. 조직의 혈류 역학 연구에서, 생체 내 세포 추적, 약물 동력학, 장기 관류의 시각화, 종양 및 심장 혈관 시스템, 또는 신경 영상의 분자 영상을 대상으로.

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프로토콜

체적 휴대용 광 음향 프로브를 동작하기위한 상세한 절차는 다음과 같다. 이 절차는 동물과 인간 실험에 대한 승인 기관의 규정에 따라 수행된다.

1. 시스템 준비

1. 출력 광 빔을 안정화 작업 전에 15 분 ~ 예열 기간 동안 레이저를 전환합니다.
2. 피부 (그림 1)과 접촉 분리 막으로 물 둘러싸는 부분을 놓습니다.
   NOTE : (피부 접촉) 솔 레이팅 막과 트랜스 듀서 (구형 탐침의 중심)의 최대 감도 영역 사이의 거리가 유효 촬상 깊이를 설정한다.
3. 펌프에 의해 소자 분리 멤브레인과 탈 이온수 변환기의 표면 사이의 약 100 ml의 전체 부피를 채운다.
4. 더 누수 나 기포가 prese 없는지 확인NT. 다르게는, 물의 재순환을 제공하여 기포를 피한다.
5. RT에서 실험을 수행하고,이 온도로 유지되는 결합 매체 (물)을 보장한다.

2. 이미징 준비

1. 인간 이미징 준비.
2. 이미지에 바람직하지 않은 배경을 피하기 위해 제모 로션 투 - 이미징 될 부분으로부터 모발을 제거 (이 단계는 선택적이다).
3. 영역 주위 피부 효율적인 음향 결합을 제공하기 위해서 이미지화되도록 상 초음파 겔을 적용한다. 관심 영역에서 광 음향 프로브를 놓습니다. 기포가 초음파 커플 링 젤에 존재하지 않는 것을 확인합니다.
4. 동물 이미징 준비.
5. 동물 관리 및 실험 절차는 기관 및 정부 규칙 및 규정과 일치 있는지 확인합니다.
6. 이 지역에서 동물의 모피를 제거는 면도 로션으로 이미지화한다. 과 동물의 눈을 보호강렬한 펄스 레이저 방사선에 노출 건조와 손상을 방지 수의사 연고,.
7. 0.9 리터와 케타민 / 자일 라진 (xylazine) 체적 (100 ㎎ / kg KG 케타민 + 5 ㎎ / kg KG 크 실라) 실험 전에 또는 사용 이소 플루 란 마취 (2-3% ()의 복강 내 주사 (IP)을 사용하여 동물을 마취 / 실험 도중 최소 가스 흐름). 동물의 뒷다리의 반사를 확인하여 마취를 확인합니다.
8. 영역 주위의 피부에 초음파 겔 적용은 효율적인 음향 결합을 제공하고, 관심 영역의 광 음향 프로브를 배치하기 위해 영상화한다. 기포가 초음파 커플 링 젤에 존재하지 않는 것을 확인합니다.

3. 미리보기 동작 모드

1. 690 nm 내지 900 nm이고, 10 및 50 Hz에서의 펄스 반복 레이트의 촬상 파장 (들)을 수립. 음향 데이터 수집 시스템을위한 매개 변수를 선택 - 1 MΩ을입력 임피던스. 제 12 비트 수직 해상도 당 40 메가 샘플의 샘플링 레이트로 각각의 레이저 펄스를위한 2030 샘플들을 획득. 레이저의 Q 스위치 출력 인수를 트리거합니다.
2. 연산자와 환자 모두가 광 여기 파장 (들)에 적응 보호 고글을 사용해야합니다. 인간 실험 ¹⁹ 안전 노출 제한을 만족하고 동물에서 열 변형하고 피부 손상을 방지하기 위하여 조직 표면에서의 광의 조사량은 근적외선 파장 용 실험 기간 동안 20 엠제이 / cm ² 이하로 유지되도록 레이저 파워를 설정 .
3. 레이저의 펄스 반복 레이트에 대응하는 프레임 레이트에서 3 차원 영상을 시각화 할 수 있도록 처리 알고리즘의 GPU 구현을 미리보기 소프트웨어를 시작.
4. 프로브를 이동 및 / 또는 객체 시각화 성능을 최적화하고 관심있는 구조를 지역화하기 위해서 묘화 될.

4. 데이터 수집

1. 스캐닝 (휴대용) 모드에 대한 데이터 수집.
2. 필요한 경우, 관심 영역의 콘트라스트를 풍부하게 취득하기 전에 조영제를 주입.
   참고 : 우리의 실험에서 우리는 조영 증강 인간의 이미징을 수행하지 않았습니다. 그러나, 다양한 조영제 잠재적이 목적을 위해 사용될 수있다. 인도 사이 아닌 그린 (ICG)는 성인 체중의 2 ㎎ / kg의 최대 권장량에서 콘트라스트 개선을 위해 사용될 수있는 임상 적으로 승인 광 조영제의 일례이다.
3. 미리 소프트웨어의 실행을 유지하는 3.1에서 설명한 파라미터들에 데이터 수집을위한 하드웨어 시작. 부드럽게 관심 구조를 추적하는 묘화 영역의 주위에 탐침을 이동.
   NOTE는 : 복수의 레이저 파장에서의 이미지를 동시에 획득되는 경우, 휴대용 프로브 모드에서 동작의 속도가 현저하게 감소되어야한다 (바람직하게는 아래 2mm / 초의스펙트럼 섞이지 이미지 모션 관련 아티팩트를 회피하기 위해 50 Hz의 레이저 펄스 반복율) 미국.
4. 정지 모드에 대한 데이터 수집.
5. 홀더 상으로 묘화 객체 (예., 동물)와 휴대용 프로브를 탑재하고 미리보기 소프트웨어의 실행을 유지하는 3.1에서 설명한 매개 변수 획득을 시작.
6. 광 음향 프로브와 관심 영역의 동적 생물학적 이벤트를 시각화하는 실험 동안 동일한 위치에 촬상 부를 유지한다.
7. 관심 영역에서의 동적 분배를 추적하기 위해 조영제를 주입한다.
   NOTE : 마우스 우리의 실험에서는, 인도 사이 아닌 그린 (ICG)는 콘트라스트 개선을 위해 사용되었다. 일반적인 지침, 10 nmol의 0.4 mg의 양으로서 / kg의 ICG는 생체 내에서 멀티 스펙트럼 optoacoustics 검출 가능한 콘트라스트를 생성하기 위하여 마우스 순환 내로 도입되어야한다.
   참고 : 조영제가 있어야합니다각각의 기관에 의한 인간 및 / 또는 동물의 사용이 승인.

5. 실험을 마무리

1. 레이저를 중지합니다.
2. 몇 군데 지역에서 광 음향 프로브를 제거합니다. 동물 실험의 경우, 마취 공급을 중지합니다.
3. 따뜻한을 유지하고 완전히 마취에서 회복 될 때까지 다른 동물과의 접촉을 방지하기 위해 적외선 히터에서 동물을 배치합니다. 마취에서 회복하는 동안 무인 동물을 방치하지 마십시오.

6. 오프라인 데이터 처리

1. 데이터 처리에 사용되는 소프트웨어 애플리케이션에서 취득한 광 음향 신호를 포함하는 파일 (들)을로드.
2. 각 프레임과 각 파장에 대한 광 흡수의 체적 화상에 대응하는 입체 매트릭스 어레이를 얻기 위해 재구성 알고리즘을 사용한다.
   참고 :이 바람직하다 재건의 경우는 heterogene 등의 왜곡 요인에 대한 회계 알고리즘을 사용하는묘화 객체 시달 및 감쇠는, 순서대로 최종 대역폭 및 검출 소자 및 광 조사량 변동의 기하학적 형상의 영향은 흡수 된 에너지의 분포의 양적인 표현을 얻었다.
3. 각각의 다중 파장 프레임, 샘플에 존재하는 각 흡수 물질에 대한 광 흡수를 나타내는 입체 매트릭스 어레이들의 새로운 집합에서 수득 unmixing 알고리즘을 사용한다.
4. 필요한 경우, 추가의 생물학적 관련 파라미터의 시각화 및 판독을 용이하게하기 위해 광 흡수 분포를 나타내는 행렬 어레이를 처리한다.

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결과

설명 체적 휴대용 광 음향 프로브의 기능을 보여주는 대표적인 결과는,이 섹션에 전시된다. 모든 경우에, 피부 표면에 광 조사량 20 mJ을 / cm ^{2 (19)의} 안전 노출 한계 이하로 유지 하였다.

주변 인간 혈관 추적 실시간 프로브의 성능을도 2에 전시된다.이 실험의 과정에서, 프로브는 서서히 레이저 동작 800 nm의 단파장 건강한 인간 지원자의 손을 따라 스캔 한...

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토론

작은 동물 연구에서 광 음향 영상 기술이 제공하는 독특한 장점은 예를 들어 구상 진단 및 치료 모니터링 응용 프로그램의 번호와, 임상 적으로 기술 번역에 대한 강한 의욕을 만들었습니다., 유방암, 피부 암, 염증이나 말초 혈관 질환. 그러나, 효과적인 단층 화상 취득 형상을 작성하는 조명 소스 및 검출 소자의 충분한 수에 의해 포위 될 수있는 마우스 또는 작은 동물, 대조적으로, 인체 ?...

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자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Optical parametric oscillator (OPO)-based laser	Innolas Laser GmbH, Krailling (Germany)	custom-made	The laser provides laser pulses with a duration around 10 nsec and an energy up to 80 mJ. The wavelength is tunable between 680-950 nm.
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 3 x 3 mm2, a central frequency of 4 MHz 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 2,030 samples. The input impedance is 1 MW.
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)		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		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		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.