Name: multispectral optoacoustic tomography for functional imaging in vascular research
Uploaded: 2022-06-08T14:10:00
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这项研究由ALIES和COFAC正在研究的技术的主要提供者以及通过向CBIOS提供的UIDB / 04567 / 2020资助的科学和技术基金会（FCT）资助。

该实验方案先前已获得该大学健康科学学院（EC）伦理委员会的批准。ECTS/P10.21）。程序完全尊重为人类研究定义的良好临床实践原则13.从大学社区中选择了六名健康男女参与者（n = 3 每性别）的方便样本，平均年龄为 32.8 岁± 11.9 岁。选定的受试者被要求血压正常，不吸烟，并且没有任何药物或食物补充剂。血压、心脏频率和体重指数也被记录下来。所有参与者事先都被告知研?...

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	<li>Iskander-Rizk, S., vander Steen, A. F. W., van Soest, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoacoustic+imaging+for+guidance+of+interventions+in+cardiovascular+medicine.">Photoacoustic imaging for guidance of interventions in cardiovascular medicine.</a> Physics in Medicine and Biology. 64 (16), (2019).</li><li>Cakmak, H. A., Demir, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=MicroRNA+and+cardiovascular+diseases.">MicroRNA and cardiovascular diseases.</a> Balkan Medical Journal. 37 (2), 60-71 (2020).</li><li>Li, Z., Gupte, A. A., Zhang, A., Hamilton, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pet+imaging+and+its+application+in+cardiovascular+diseases.">Pet imaging and its application in cardiovascular diseases.</a> Methodist DeBakey Cardiovascular Journal. 13 (1), 29-33 (2017).</li><li>Karlas, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cardiovascular+optoacoustics:+From+mice+to+men+-+A+review.">Cardiovascular optoacoustics: From mice to men - A review.</a> Photoacoustics. 14, 19-30 (2019).</li><li>MacRitchie, N., Noonan, J., Guzik, T. J., Maffia, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+imaging+of+cardiovascular+inflammation.">Molecular imaging of cardiovascular inflammation.</a> British Journal of Pharmacology. 178 (21), 4216-4245 (2021).</li><li>Granja, T., Andrade, S., Rodrigues, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optoaccoustic+tomography+-+good+news+for+microcirculatory+research.">Optoaccoustic tomography - good news for microcirculatory research.</a> Biomedical and Biopharmaceutical Research. 18 (2), 1-13 (2022).</li><li>Tan, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Total-body+PET/CT:+Current+applications+and+future+perspectives.">Total-body PET/CT: Current applications and future perspectives.</a> American Journal of Roentgenology. 215 (2), 325-337 (2020).</li><li>Masthoff, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multispectral+optoacoustic+tomography+of+systemic+sclerosis.">Multispectral optoacoustic tomography of systemic sclerosis.</a> Journal of Biophotonics. 11 (11), 201800155 (2018).</li><li>Hu, S., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoacoustic+imaging+and+characterization+of+the+microvasculature.">Photoacoustic imaging and characterization of the microvasculature.</a> Journal of Biomedical Optics. 15 (1), 011101 (2010).</li><li>Wu, M., Awasthi, N., Rad, N. M., Pluim, J. P. W., Lopata, R. G. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advanced+ultrasound+and+photoacoustic+imaging+in+cardiology.">Advanced ultrasound and photoacoustic imaging in cardiology.</a> Sensors (Basel). 21 (23), 7947 (2021).</li><li>Yang, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+ultrasound+priors+in+optoacoustic+reconstruction:+Improving+clinical+vascular+imaging.">Soft ultrasound priors in optoacoustic reconstruction: Improving clinical vascular imaging.</a> Photoacoustics. 19, 100172 (2020).</li><li>Dean-Ben, X. L., Gottschalk, S., Mc Larney, B., Shoham, S., Razansky, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advanced+optoacoustic+methods+for+multiscale+imaging+of+in+vivo+dynamics.">Advanced optoacoustic methods for multiscale imaging of in vivo dynamics.</a> Chemical Society Reviews. 46 (8), 2158-2198 (2017).</li><li>World Medical Association. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=World+Medical+Association+Declaration+of+Helsinki:+ethical+principles+for+medical+research+involving+human+subjects.">World Medical Association Declaration of Helsinki: ethical principles for medical research involving human subjects.</a> JAMA. 310 (20), 2191-2194 (2013).</li></ol>

该协议强调了操作这种新型光声成像仪器的实际要求的工作步骤，从3D杯探针稳定所需的适当定位（参与者，探头）到图像采集，ROI选择以及图像重建和分析。
所提出的实验方法使用“瞬时”采集以及在动态条件下获得的图像，说明了该仪器在访问 体内 人体血管生理学方面的兴趣和实用性。如图所示，以高达15 mm3 的体积收集的150 μm声学图像分辨率是其他断层...

心血管疾病是全世界反复出现的首要死亡原因，对任何卫生系统都是沉重负担1，2。技术一直是扩大我们对基本心脏和血管病理生理学的理解的主要贡献者，提供了更精确的诊断工具以及早期疾病检测和更有效管理的可能性。成像技术不仅可以测量心脏和主要血管性能，还可以在更小的范围内计算毛细血管密度、局部灌注和体积以及内皮功能障碍等特征。这些技术首次为血管生物学提供了直接临床应用的定量见解。毛细血管密度、局部灌注减少或闭塞的变化可能对应于缺血性疾病，这有助于解释成像日益增长的作用，成为心血管研究和实践中不可或缺的工具3，4，5。
近年来，功能成像一直引领着技术创新的步伐，超声（美国）、近红外光谱（NIRS）、正电子发射断层扫描（PET）、计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）是一些众所周知的例子。然而，从成本和患者安全（以及舒适度）到图像对比度和分辨率6，7，多种因素限制了它们的应用。光声断层扫描（OT）最近已成为基于光学的血管研究的新方向。该技术以检测受超短激光脉冲冲击的组织热弹性膨胀产生的超声波为中心，已经知道了一段时间6，8。这种热发育和组织扩张的物理反应唤起了超声换能器检测到的声学信号。使用从可见光到近红外的光脉冲以及没有声学背景信号有利于分辨率深度。检测到的对比是由存在的最重要的发色团（血红蛋白或黑色素）引起的。与其他技术相比，OT具有以下优点：（1）不需要对比度（无标记成像），（2）与超声检查相比，对比度和分辨率更高，伪影更少，（3）价格更低，采集更快且易于操作6，9，10，11。
多光谱光声断层扫描（MSOT）是最新一代的OT仪器之一。使用由提供激发脉冲的Nd：YAG激光器泵浦的可调谐光学参量振荡器（OPO）构建，通过从波长为680 nm至980 nm的高频超声激发脉冲检测到的时间分辨信号获取3D图像，重复频率高达50 Hz12。光声成像平台可深入定量不同的发色团（低至 15 mm）。HbO2、Hb 和黑色素等变量很容易获得。其他感兴趣的变量，如最大氧合血红蛋白（最大HbO2）和脱氧血红蛋白（最大Hb），也可用。制造商软件的重建算法允许计算其他变量，例如血管密度 （μVu）、单位间平均距离 （ζAd） 和毛细血管体积 （mm3）。
本研究探讨了这种新系统的基本操作方面，以更好地了解其在心血管临床前研究中的实用性和潜在应用。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Cuff</td>
			<td>PIC</td>
			<td>107001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Drapes</td>
			<td>Pajunk</td>
			<td>021151-1501</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol 70%</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>EX0281</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gogless</td>
			<td>Univet</td>
			<td>559G.00.00.201</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kimwipes</td>
			<td>Amoos</td>
			<td>5601856202331.00</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MSOT</td>
			<td>iThera</td>
			<td>MSOTAcuity</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stabilizing arm</td>
			<td>ITEM</td>
			<td></td>
			<td>Self designed and assemble</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasound gel</td>
			<td>Parker Laboratories</td>
			<td>308</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Waxing cream</td>
			<td>Veet</td>
			<td>kkdg08hagd</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

multispectral optoacoustic tomography for functional imaging in vascular research

微循环障碍已经在各种疾病过程中得到认可，这是血管研究中这一日益增长的主题的基础。近年来，实时成像系统的发展在基础和临床研究中都设定了（分析）步伐，目的是创建能够提供具有临床兴趣和应用的实时、可量化终点的新仪器。近红外光谱 （NIRS）、正电子发射断层扫描 （PET）、计算机断层扫描 （CT） 和磁共振成像 （MRI） 等技术也可用，但成本、图像分辨率和对比度降低被认为是常见的挑战。光声断层扫描（OT）为血管功能成像提供了新的视角，将最先进的光学吸收和空间分辨率能力（从微米光学到毫米声分辨率）与组织深度相结合。在这项研究中，我们测试了多光谱光声断层扫描（MSOT）对功能成像的适用性。该系统使用由Nd：YAG激光器泵浦的可调谐光学参量振荡器（OPO），提供由3D探头在680 nm至980 nm波长下感测的激发脉冲。从人类前臂获得的图像是根据特定发色团的反应通过特定算法（在制造商的软件中提供）重建的。可以使用该系统测量最大氧合血红蛋白（最大 HbO 2）和脱氧血红蛋白 （最大 Hb）、总血红蛋白 （HbT） 和平均氧饱和度 （mSO2） 与血管密度 （μVu）、单位间平均距离 （ζAd） 和毛细血管血容量 （mm3）。此OT系统发现的适用性潜力是相关的。正在进行的软件开发肯定会提高该成像系统的实用性。

光声成像提供的数据可以在后处理的导出图像（图2）和绘图数据（图3）中进行分析。这里的目的是介绍光声功能成像的操作，并探索其在更常见的血管研究中的应用。为此，我们比较了在休息期间和主要供应动脉闭塞200 mmHg后获得的图像（图2）。这些观察结果可以在ROI分析和导出后量化。在XY平面中，可以观察到与平面YZ和XZ相?...

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Multispectral Optoacoustic Tomography for Functional Imaging in Vascular Research

本协议描述了 体内 人体皮肤脉管系统的多光谱光声图像的采集。这些包括血红蛋白和黑色素的定量，被视为功能分析中感兴趣的发色团。

用于血管研究功能成像的多光谱光声断层扫描

Microcirculatory impairment has been recognized in various disease processes, underlying this growing theme within vascular research. In recent years, the ...

该协议使用光声技术使我们能够通过功能成像实时评估患者的血管状态。我们可以探索在静态或动态条件下收集的3D图像扫描。这种方法的潜在兴趣是巨大的，并影响许多与健康相关的领域。该系统提供不同深度皮肤血管结构的生命体内可视化。这意味着我们可以进入浅层和深层的皮肤丛，尽管这需要操作员的一些重复经验 通过详细、真正功能性的成像，可以早期检测和表征微血管损伤，并且可以作为诊断工具或后续方案进行整合，以评估疾病的进展和/或治疗效果。要加载被摄体信息，请首先打开光声成像设备。设备预热时，介绍参与者信息。软件的主欢迎窗口将打开扫描概述。单击患者 ID 后引入数据，然后按选择完成申请。通过检查设备屏幕确保激光器准备就绪。预热时间之后，设备屏幕上的激光状态栏必须从激光待机更改为激光待机。在检查屏幕中选择光声采集预设、血红蛋白、氧合血红蛋白和黑色素。踩下激光开关脚踏板，等待激光功率自检。几秒钟后，将出现一个窗口，其中包含当前的激光状态和检查报告 按可用的“确定”按钮释放此窗口。使参与者适应实验室环境，选择一个舒适的位置，以尽量减少不必要的运动。确保先前清洁了要扫描的区域。在3D杯上涂上一层薄薄的超声凝胶。通过将3D罩杯保持在志愿者前臂的所需成像位置来实现图像稳定。将3D杯放在感兴趣区域后，部分锁定稳定臂锁以进行图像采集。选择基线图像采集的解剖区域。出于探索目的，建议使用腹侧前臂。对成像部位施加最小的压力，以便可以正确获取更高的压力读数。当图像稳定性最大化时，通过按触摸屏上的快照按钮捕获该区域的快照。获取基线控制扫描。为了观察闭塞后反应性充血动作，有必要记录基线采集，将放气的压力袖带放置在志愿者手臂的所需肱骨区域。按照前面的步骤操作后，按住激光脚踏开关踏板进行连续视频采集，并注意触摸屏上的查看按钮。将出现稳定的图像。按录制开始实时图像录制。需要动态测量以观察闭塞后反应性充血操作。用收缩上压力充气袖带，并继续在压力下获取脉管系统的图像。要获取视频以评估压力释放对成像脉管系统的影响，请在获取视频时打开泄压阀。跟随屏幕上的实时图像。按停止按钮停止录制。光声成像平台将停止录制并自动将视频渲染为预览模式。在XY平面中，也可以在平面YZ和XZ中观察到黑色素信号，表明表皮极限。肱动脉闭塞会在较大的血管中引起一些淤滞，由 OT 探头可视化。因此，我们检测到减少和氧化血红蛋白的总体信号增加，表现为轴XY，YZ和XZ处蓝色和红色的增加。黑色素信号确认适当的光谱解混，因为它在闭塞后反应性充血图像采集期间保持恒定。与记录的氧合血红蛋白和血红蛋白信号不同，血红蛋白信号随气囊压力随时间变化而变化。正确处理3D探头以获得高质量的图像至关重要。掌握探头的操作对于正确的数据采集和分析至关重要。在这里，我们演示如何在静态和动态条件下使用系统。在这种情况下，我们使用了闭塞后反应性充血手法，这是一种经典的挑战者来探索局部适应机制。当然，我们可以应用具有不同定位的相同策略，在其他身体部位进行测量，并应用其他挑战。激光多普勒遥测或光体积描记等既定方法虽然非常有用，但都是单点测量，可提供与灌注部分相关的有限不加选择的信息。使用该系统获得的功能信息从感兴趣区域到提供的深度和变量都无法比较。这里的测量是在体内和实时进行非侵入性的。临床应用的研究和诊断潜力巨大。

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Creating Adhesive and Soluble Gradients for Imaging Cell Migration with Fluorescence Microscopy

创建的胶粘剂和可溶性梯度荧光显微镜成像细胞迁移

Cells can sense and migrate towards higher concentrations of adhesive cues such as the glycoproteins of the extracellular matrix and soluble cues such as ...

科研

生物工程

Localization and Relative Quantification of Carbon Nanotubes in Cells with Multispectral Imaging Flow Cytometry

Carbon-based nanomaterials, like carbon nanotubes (CNTs), belong to this type of nanoparticles which are very difficult to discriminate from carbon-rich ...

Universal Hand-held Three-dimensional Optoacoustic Imaging Probe for Deep Tissue Human Angiography and Functional Preclinical Studies in Real Time

通用型手持式三维光声成像探测深部组织人力造影和功能的临床前研究中实时

The exclusive combination of high optical contrast and excellent spatial resolution makes optoacoustics (photoacoustics) ideal for simultaneously ...

Using Cell-substrate Impedance and Live Cell Imaging to Measure Real-time Changes in Cellular Adhesion and De-adhesion Induced by Matrix Modification

使用Cell-基板阻抗和活细胞成像，以衡量矩阵修改诱导实时变化的细胞粘附和去粘附

Cell-matrix adhesion plays a key role in controlling cell morphology and signaling. Stimuli that disrupt cell-matrix adhesion (e.g., myeloperoxidase and ...

Engineering 3D Cellularized Collagen Gels for Vascular Tissue Regeneration

工程三维细胞化胶原凝胶的血管组织再生

Synthetic materials are known to initiate clinical complications such as inflammation, stenosis, and infections when implanted as vascular substitutes. ...

In Vivo Quantitative Assessment of Myocardial Structure, Function, Perfusion and Viability Using Cardiac Micro-computed Tomography

In Vivo Quantitative Assessment of Myocardial Structure, Function, Perfusion and Viability Using Cardiac Micro-computed Tomography

在心肌结构，功能的体内定量评估，灌注与活力使用心脏微型计算机断层扫描

The use of Micro-Computed Tomography (MicroCT) for in vivo studies of small animals as models of human disease has risen tremendously due to the fact that ...

A High-performance Compact Photoacoustic Tomography System for In Vivo Small-animal Brain Imaging

A High-performance Compact Photoacoustic Tomography System for In Vivo Small-animal Brain Imaging

高性能紧凑型光声层析成像系统<em&gt;体内</em&gt;小动物脑成像

In vivo small-animal imaging has an important role to play in preclinical studies. Photoacoustic tomography (PAT) is an emerging hybrid imaging modality ...

Perfusable Vascular Network with a Tissue Model in a Microfluidic Device

微流控装置中组织模型的 Perfusable 血管网

A spheroid (a multicellular aggregate) is regarded as a good model of living tissues in the human body. Despite the significant advancement in the ...

Rigid Embedding of Fixed and Stained, Whole, Millimeter-Scale Specimens for Section-free 3D Histology by Micro-Computed Tomography

用微计算机断层扫描法对无节段3D 组织学进行固定染色、全尺寸、毫米度试样的刚性嵌入

For over a hundred years, the histological study of tissues has been the gold standard for medical diagnosis because histology allows all cell types in ...

An Automated Method to Perform The In Vitro Micronucleus Assay using Multispectral Imaging Flow Cytometry

使用多光谱成像流细胞测定法执行体外微核测定的自动化方法

The in vitro micronucleus (MN) assay is often used to evaluate cytotoxicity and genotoxicity but scoring the assay via manual microscopy is laborious and ...