Evrensel Real Time Derin Doku İnsan Anjiografi ve Fonksiyonel Preklinik Çalışmalar üç boyutlu Optoacoustic Görüntüleme Probe El

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

Teknolojinin ^1-5 sunduğu eşsiz avantajlar sömürmek yeni uygulamaların çeşitliliği kapsayan yayınların giderek artan sayısına göre tecelli olarak Optoacoustic (foto akustik) görüntüleme, biyolojik ve tıbbi araştırma topluluklarından büyüyen ilgi çekiyor. Özellikle, uzak ışık uzadıya sınırının ötesinde derinliklerde yüksek uzay-zamansal çözünürlüğe sahip görüntü spektral ayırt edici foto-emici ajanlara kapasite fonksiyonel ve moleküler görüntüleme ^6-10 görülmemiş yetenekleri açılır.

Nitekim, klinik uygulamaya optoacoustic teknolojinin çeviri teşhis ve birçok hastalığın tedavi takibinde umut verici umutları ile birlikte geliyor. Bununla birlikte, optik olarak saçılma fotonlar ve emici doku ve optoacoustic olgusu ile ilişkili olarak çok zayıf tepkiler sınırlı yayılma yöntemi uygulanabilir derinliğini sınırlar. Bunun bir sonucu olarak, elle tutulan optoaendoskopi sistemleri doğal menfeze ¹³ yoluyla onlara takarak vücutta görüntüleri sağlamak için kullanılır ise kostik sondalar vücut ^11,12 dışından erişilebilir görüntü parçaları için denenmiştir. Böyle kadın meme gibi insan vücudunun bazı düşük emici parçalar, ayrıca tomografik optoacoustic tarayıcılar ^14,15 ile erişilebilir. Ayni şekilde, ultrasonografi, büyük esnekliği sağladığından Özel ilgi konusu olan, elde tutulan bir yaklaşımdır. Burada, optoacoustic görüntüleme için ortak ultrason doğrusal dizi prob adaptasyon başlıca nedeni, ultrason ve optoacoustics arasında tomografik görüntüleme gereksinimleri temel farklılıklar nedeniyle, zorlu kalır. Standart ultrasonografide yüksek kare hızları sıralı olarak etkin iken kHz aralığında yüksek darbe tekrarlama frekansları kullanan şemaları gönderme-alma, gerçek zamanlı üç boyutlu optoacoustic görüntüleme tek bir int hacimsel tomografik eşzamanlı veri toplama ile elde edilirlazer nabzını errogating. Bu durumda, yüksek kaliteli optoacoustic görüntüleme görüntüsü nesnenin etrafında en olası katı açısı üç boyutlu verilerin elde edilmesi anlamına gelir.

Son zamanlarda, biz gerçek zamanlı ¹⁶ üç boyutlu (hacimsel) görüntüleme için ilk el optoacoustic probu tanıttı. Sistem 90 ° 'lik bir açı içeren küresel bir yüzey (Şekil 1A' da mavi noktalar) üzerine yerleştirilmiş 256 piezoelektrik elemanlarının bir iki boyutlu dizi dayanmaktadır. Yaklaşık 3 x 3 mm ^2'nin tek tek elemanlarının boyutu, aynı zamanda bunların oryantasyon ve frekans bant genişliği (yaklaşık olarak 2-6 MHz) Şekil kürenin merkezini (siyah küp saran bir santimetre çaplı bir birimden etkili sinyal toplama garanti 1A). Görüntüleme bölgesinde optik uyarım, dizinin merkezi bir silindirik boşluğu içine sokulan bir elyaf demeti ile donatılır, böylece herhangi bir dalga boyu suscElyaf demeti aracılığıyla iletilen edilme eptible görüntüleme için kullanılabilir. Optik fiber demeti ile transdüktörün dizinin bir gerçek resmi Şekil 1B 'de gösterilmiştir. Lazer darbe tekrarlama frekansı tarafından belirlenen bir kare hızında gerçek zamanlı görüntüleme ayrıca bir Grafikler- ile etkin şekilde verimli uyarma ve sinyallerin eş zamanlı algılama, tek atış uyarma (bir lazer darbesi) ile derin doku görüntüleme sağlar işlem birimi (GPU) rekonstrüksiyon prosedürü ^17. uygulanması. Saydam polietilen membran (Şekil 1C) ile silindirik bir mahfaza, bir akustik verici sıvı ortam (su) çevrelemek için dönüştürücü dizisine bağlanmıştır. Zar, başka akustik jel aracılığıyla dokuya bağlanır. Elle tutulan bir işletim modunda kullanılır bir şekilde optoacoustic probunun bir resmi Şekil 1D 'de gösterilmiştir.

Gösterdi thrklinik teşhis ve potansiyel uygulamalar bir dizi için önemli avantajlar ile gelen gerçek zamanlı fonksiyonel görüntüleme kapasitesi ile birlikte ee boyutlu el optoacoustic görüntüleme, periferik vasküler hastalık gibi çeşitli endikasyonlar, lenfatik sistem bozuklukları, meme kanseri, deri lezyonları için öngörülmektedir enflamasyon veya artrit ^18. Ayrıca, hızlı görüntüleme kapasitesi sabit bir konumda düzenlenmiş probu ile dinamik bir biyolojik olayların görselleştirme sağlar. Hızlı dalga boyu ayarlama optik parametrik osilatör (AFE) lazer teknolojisi ile birleştiğinde, bu yaklaşım foto-emici maddeler biodistribution gerçek zamanlı görüntüleme için izin verir. Böylece, yeni olanaklar aynı derecede örneğin, küçük hayvan görüntüleme uygulamalarında ortaya çıkabilir., Doku hemodinamiğini okuyan, in vivo hücre izleme, farmakokinetik, organ perfüzyon görselleştirme, tümörler ve kalp-damar sistemi, veya nörogörüntülemenin moleküler görüntüleme hedefli.

.

Protokol

Hacimsel elle tutulan optoacoustic probu ile çalıştırmak için ayrıntılı bir prosedür aşağıda tarif edilmiştir. Bu prosedür hayvan ve insan deneyleri ile ilgili onaylanan kurumsal düzenlemelere göre yapılır.

1. Sistem Hazırlama

1. Çıkış ışık demeti stabilize Ameliyat öncesinde 15 dk'lık bir ısınma dönemi için lazer açın.
2. Derinin (Şekil 1) ile temas halinde olan izole membran ile su kapama parçası yerleştirin.
   Not: (deri ile temas halinde olan) ayırma membranı ile dönüştürücüye (küresel prob merkezi) maksimum hassasiyeti bölgesi arasındaki mesafe etkin görüntüleme derinliğini oluşturur.
3. Bir pompa vasıtası ile izole membran ve deiyonize su ile transdüktörün yüzeyi arasında yaklaşık olarak 100 ml tam hacmma doldurun.
4. Herhangi bir su kaçağı veya hava kabarcıkları prese olduğundan emin olunnt. Seçenek olarak ise, su sirkülasyon sağlayarak hava kabarcıklarını önlemek.
5. Oda sıcaklığında deneyleri gerçekleştirmek ve bu sıcaklıkta muhafaza edilir, bağlantı ortamı (su) sunuyor.

2. Görüntüleme Hazırlık

1. İnsan görüntüleme hazırlanması.
2. Görüntülerde istenmeyen bir arka plan önlemek için bir epilasyon losyon ile to-görüntülü parçası saç kaldırmak (bu adım isteğe bağlıdır).
3. Bölgesi çevresinde cilt açıdan verimli akustik bağlantı mekanizmasının temin etmek amacıyla, görüntülenecek üzerine ultrason jeli uygulanır. Ilgi bölgesinde optoacoustic probu yerleştirin. Hiçbir hava kabarcığı ultrason bağlantı jel mevcut olduğundan emin olun.
4. Hayvan görüntüleme hazırlanması.
5. Hayvanlar ile bakım ve deneysel işlemler, kurumsal ve devlet kuralları ve düzenlemeleri ile uyum içinde olduğundan emin olun.
6. Bölgesinde hayvanın kürk çıkarın bir traş losyon ile, görüntülenecek. Ile hayvanın gözleri koruyunyoğun darbeli lazer radyasyonuna maruz kuruluk ve hasar görmesini önler veteriner merhem.
7. 0.9 l, ketamin / ksilazin hacim olarak (100 mg / kg ketamin + 5 mg / kg iksilazin) Deneyden önce ya da kullanım izofluran anestezisi (% 2-3 () intraperitoneal (İP) kullanarak, hayvan anestezisi / Deney sırasında dakika gaz akışı). Hayvanın arka bacak refleksini kontrol ederek anestezisi teyit edin.
8. Bölgenin etrafında cilde ultrason jeli uygulayın verimli akustik bağlamayı sağlayan ve ilgi bölgesinde optoacoustic probu yerleştirmek için yansıması için. Hiçbir hava kabarcığı ultrason bağlantı jel mevcut olduğundan emin olun.

3. Ön görünümü Çalışma Modu

1. 690 nm ve 900 nm ve 10 ile 50 Hz arasında darbe tekrarlama oranı arasındaki görüntüleme dalga boyu (ler) kurma. Akustik veri toplama sistemi için parametreleri seçin - 1 MΩgiriş empedansı. İkinci ve 12 bit dikey çözünürlük başına 40 megasamples bir örnekleme hızında her lazer darbesi için 2030 örnekleri Edinme. Lazer Q-switch çıkışı ile satın tetikler.
2. Operatör ve hasta hem de optik dalgaboyu (ler) için uyarlanmış koruyucu gözlük kullanın emin olun. Insan deneyleri ¹⁹ emniyet maruz kalma limitlerini karşılamak ve hayvanlarda termal baskıyı ve cilt hasarı önlemek için doku yüzeyindeki ışık fluens yakın kızılötesi dalga boyları için deney sırasında 20 mJ / cm ² altında tutulur, böylece lazer gücünü ayarlama .
3. Lazer darbe tekrarlama oranı karşılık gelen bir kare hızında üç boyutlu görüntülemeye izin işleme algoritmalarının bir GPU uygulaması ile ön görünümü yazılımını başlatın.
4. Prob Taşı ve / veya nesne görselleştirme performansını optimize etmek ve ilgi yapılarını lokalize etmek için görüntülü edilecek.

4. Veri Toplama

1. Tarama (el) modu için veri toplama.
2. Gerekirse, ilgi bölgesinde kontrast zenginleştirmek alımı öncesinde bir kontrast madde enjekte.
   NOT: Bizim deneylerde kontrastlı insan görüntüleme gerçekleştirilen değil. Bununla birlikte, çeşitli kontrast maddeler, potansiyel olarak, bu amaç için kullanılabilir. Indosiyanin yeşili (ICG) yetişkin vücut ağırlığı 2 mg / kg'lık maksimum tavsiye edilen dozda kontrast için kullanılabilir klinik olarak onaylı bir optik kontrast maddesinin bir örnektir.
3. Önizleme yazılımın yürütülmesini sağlamak 3.1 anlatılan parametreler ile, veri toplama için uygun donanım başlatın. Yavaşça ilgi yapılarını izlemek için görüntülü bölgenin etrafında probu hareket.
   NOT: Birden fazla lazer dalga boylarında görüntüler eşzamanlı olarak yakalandığı zaman, el modunda prob hareket hızı önemli ölçüde azalma olduğu (tercihen aşağıda 2 mm / snIşıksal karışmamış görüntülerde hareket ilgili eserler önlemek için 50 Hz lazer darbe tekrarlama oranı) için.
4. Sabit modu için veri toplama.
5. Tutucuya görüntülü nesne (örn., Hayvan) ve el probu Dağı ve ön görünümü yazılımın yürütülmesini sağlamak 3.1 açıklanan parametreleri ile alımı başlatabilirsiniz.
6. Optoacoustic prob ve ilgi bölgesi dinamik biyolojik olayların görselleştirmek için deney boyunca aynı pozisyonda görüntüleme parçası koruyun.
7. Ilgi bölgedeki dinamik dağılımını izlemek için kontrast madde enjekte edilir.
   NOT: Bizim fare deneylerinde, Indosiyanin Yeşil (ICG) kontrast için kullanılmıştır. Genel bir kılavuz, 10 nmol ve 0.4 mg bir miktarda itibariyle / ICG'nin kg, in vivo olarak, multi-spektral optoacoustics ile tespit kontrast oluşturmak için farenin dolaşımı içine alınmak üzere yer alır.
   NOT: kontrast madde olmalıdırilgili makam tarafından, insan ve / veya hayvan kullanımı için onaylanmıştır.

5. Deney sonlandırılması

1. Lazer durdurun.
2. Görüntülü bölgeden optoacoustic probu çıkarın. Hayvan çalışmada, anestezi kaynağını durdurun.
3. Sıcak tutmak ve tam anestezi kurtarıldı kadar diğer hayvanlarla temasını önlemek için bir kızılötesi ısıtıcı altında hayvan yerleştirin. Anestezi kurtarma sırasında gözetimsiz hayvan bırakmayın.

6. Off-line Veri İşleme

1. Veri işleme için kullanılan yazılım uygulamasında edinilen optoacoustic sinyalleri içeren dosya (lar) yükleyin.
2. Her bir çerçeve ve her dalga boyu için optik absorpsiyon volümetrik bir görüntüye karşılık gelen üç boyutlu bir matris dizi elde etmek üzere bir rekonstrüksiyon algoritması kullanarak.
   NOT: bu tercih edilir rekonstrüksiyonu için böyle Heterojen gibi bozan faktörler, muhasebe bir algoritma kullanmakgörüntüsü nesne de çaba ve zayıflama sırayla nihai bant genişliği ve bulgulama elemanları ve hafif akıcılık varyasyonlar geometrik şekil, etkisi, soğurulan enerjinin dağılımının daha nicel bir gösterimini elde etmek için.
3. Her bir çoklu dalga boyu çerçeve, numunede mevcut olan her bir emici madde için optik absorpsiyon temsil eden üç boyutlu bir matris dizileri yeni bir dizi elde etmek için bir karışmama algoritması kullanılır.
4. Gerekirse, daha fazla biyolojik ilgili parametrelerin görüntülenmesine ve okumayı kolaylaştırmak için optik soğurma dağılımını temsil eden matris dizileri işlemek.

Sonuçlar

Açıklanan hacimsel el optoacoustic prob yeteneklerini gösteren Temsilcisi sonuçları, bu bölümde sergilendi. Her durumda, deri yüzeyi üzerinde ışık akıcılığı 20 mJ / ^{cm2 19} emniyet maruz kalma sınırının altında tutuldu.

Periferik insan damarsal izleme gerçek zamanlı prob performansı Şekil 2 teşhir edilmiştir. Bu deney süresince, prob yavaş yavaş lazer çalışma ile 800 nm tek bir dalga boyunda sağlıklı bir insan gönüllü elin bo...

Tartışmalar

Küçük hayvan araştırmalarında optoacoustic görüntüleme teknikleri ile sunulan benzersiz avantajlar örneğin öngörülen teşhis ve tedavi izleme uygulamaları bir dizi ile, klinik uygulamaya teknolojiyi tercüme için güçlü motivasyon yarattı., Meme ve cilt kanseri, iltihap veya periferik damar hastalıkları. Bununla birlikte, etkili bir tomografik görüntü elde etme geometrisini oluşturmak için ışık kaynakları ve tespit elemanlarının yeterli sayıda çevrili olabilir fareler veya daha...

Malzemeler

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.