将演示一种用于实时无创小动物成像的临床手持式光声成像系统。
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本文内容
摘要
摘要
将光声成像技术应用于临床是一项重大挑战。目前，可用于临床的便携式实时光声成像系统极为罕见。本文报道了一种结合光声成像与临床超声成像的系统，该系统通过将超声探头与光传输装置集成，适用于小动物成像。我们通过展示小动物前哨淋巴结成像以及微创实时穿刺针引导来验证该系统的有效性。利用可获取原始通道数据的临床超声平台，实现了光声成像的集成，从而构建出便携式实时临床光声成像系统。在675 nm波长下使用亚甲蓝进行前哨淋巴结成像。此外，利用该成像系统实现了超声与光声双模态引导下的穿刺针定位。在10 Hz激光重复频率下，以每秒5帧的光声成像帧率，实现了最大深度达1.5 cm的成像。
引言
用于癌症的检测与分期，可采用多种不同的成像技术。目前广泛使用的成像方式包括磁共振成像（MRI）、X射线计算机断层扫描（CT）、X射线、超声（US）、正电子发射断层扫描（PET）、荧光成像 等等。1,2,3,4但现有的某些成像技术存在侵入性、具有有害辐射，或速度慢、成本高、设备笨重，以及对患者不友好等问题。因此，持续需要开发新型的快速、经济高效的成像技术，用于疾病诊断与治疗。5.
光声成像（PAI）是一种新兴的成像技术，它在较深的成像深度下结合了丰富的光学对比度与高分辨率的超声成像5,6,7,8,9在光声成像（PAI）中，采用短脉冲激光照射组织。组织吸收光能后产生轻微的温度升高，进而因热弹性膨胀而在组织内部生成压力波（即声波）。这些产生的....
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方案
所有动物实验均按照新加坡南洋理工大学机构动物护理与使用委员会批准的指南和规定进行（动物实验方案编号 ARF-SBS/NIE-A0263）。
1. 便携式实时临床光声与超声成像系统
- 手持式临床光声成像（PAI）系统的示意图33如图1a所示。该系统由一个由倍频纳秒脉冲Nd:YAG泵浦激光器泵浦的光学参量振荡器（OPO）激光器、一个分叉的光纤束（图1b）、一个定制的3D打印手持探头支架（图1c）33、临床双模超声（US）和光声（PA）系统，以及一个临床兼容的线性阵列超声换能器（UST）组成（见材料表）。
- 在临床超声系统中，通过点击桌面上的软件图标来运行制造商提供的软件。
- 在触摸屏上，选择“研究”按钮以研究模式运行超声系统。从脚本列表中选择联合超声和光声成像脚本，然后点击运行按钮以联合模式进行成像。
- 使用激光触发输出或光电二极管将临床超声系统与激光器同步。
注：将激光器的固定同步输出连接至超声系统的同步输入。确保提供正向晶体管-晶体管逻辑（TTL）信号作为同步信号。也可使用光电二极管信号进行同步。超声系统的同步输入通....
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结果
图1：系统描述。(a) 集成双模态临床超声系统的光声成像（PAI）系统示意图。OPO——光学参量振荡器，OF——光纤束，FH——光纤夹持器，USM——临床超声设备。光纤夹持器集成了超声换能器（UST）和两路输出的光纤束。麻醉机提供异氟烷和氧气，用于在实验期间维持动物的麻醉状态。(b) 分叉光纤的照片。I/P表示光纤的输入端，O/P表示光纤的两个输出端。(c) 光纤夹持器的照片，包含三个插槽，其中两个用于放置光纤，一个用于放置UST。(d) 超声换能器（UST）和光纤束（OF）末端固定在光纤.......
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讨论
目前，癌症筛查、诊断和治疗的成本非常高。现有的多种成像方式被用于癌症的筛查和诊断。然而，这些成像技术中的许多都存在局限性，包括设备体积庞大、诊断具有侵入性、对患者不友好、成本过高、需要电离辐射，或使用放射性对比剂。因此，迫切需要一种高效、经济、可实时成像并提供引导的系统。结合超声（US）和光声（PA）成像的技术可用于实现有效的、非侵入性癌症筛查、诊断和分期。使用经美国食品药品监督管理局（FDA）批准的对比剂（如亚甲蓝，MB），可使临床光声成像更具可行性。由于光声成像是一种非侵入性操作，因此可避免前哨淋巴结活检（SLNB）手术相关的并发症。
在临床光声成像（PAI）取得成功之前，仍有一些挑战需要关注。首先，用于PAI的激光器体积需要进一步缩小。目前的激光器体积庞大、重量较重，通常需要光学平台来安置。它们对微小的光路对准变化非常敏感，因此不适合临床便携使用。小型二极管激光器与笨重的OPO激光器相比输出功率很低，且通常不可调谐。最近，便携式OPO激光器已开始上市，这有望显著解决设备便携性问题。其次，如何将光传输系统与超声探头高效耦合，是一项具有挑战性的任务。虽然已有将小型二极管激光器直接.......
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披露
作者在该手稿中无相关经济利益，亦无其他潜在利益冲突需披露。
致谢
作者感谢新加坡教育部资助的第1级研究基金（RG48/16：M4011617）和第2级研究基金（ARC2/15：M4020238）提供的经费支持。作者感谢Dr. Rhonnie Austria Dienzo在动物操作方面提供的帮助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Q 开关 Nd:YAG 激光器 | Continuum | Surelite | 泵浦激光器 |
| 光学参量振荡器 | Continuum | OPO 激光器 | |
| 临床超声成像系统 | Alpinion | E-CUBE 12R | 双模态超声与光声成像系统 |
| 线阵超声换能器 | Alpinion | L3-12 | 具有 8.5 MHz 中心频率、95% 分数带宽的 128 元素线阵换能器 |
| 分叉光纤 | CeramOptec | 定制 | 用于将激光光源耦合至手持式光纤支架 |
| 透镜 | Thorlabs | LB1869 | 将激光聚焦至光纤输入端 |
| 超声耦合凝胶 | Progress/parker acquasonic gel | PA-GEL-CLEA-5000 | 声学耦合 |
| 图像处理软件 | Mathworks | Matlab | 基于 Matlab 开发的自编程序 |
| 麻醉机 | medical plus pte ltd | 带氧气浓缩器的非重复呼吸麻醉机 | 为动物提供氧气和异氟烷 |
| 便携式脉搏血氧仪 | Medtronic | PM10N 配兽用传感器 | 监测动物的脉搏血氧饱和度 |
| 实验动物供应商 | In Vivos Pte Ltd, Singapore | 为科研用途提供小型实验动物的供应商 | |
| 呼吸面罩 | 定制 | 与动物固定装置配合使用，向动物输送麻醉混合气体 | |
| 鸡胸肉组织 | Pasar | 用于增加成像深度，模拟人类成像场景 | |
| 23G 针头 | BD Precisionglide | 23G，1.5 英寸 | 用于实时针头引导 |
| 光纤电缆支架 | 定制 | 用于固定分叉光纤电缆的输入端 | |
| 手持探头 | 定制 3D 打印 | 设有两个槽位用于固定光纤的两个输出端，一个槽位用于安装超声换能器 | |
| 亚甲蓝（10 mg/mL） | Sterop | 光声成像对比剂 | |
| 激光波长调谐软件 | Surelite OPO PLUS | SLOPO | 用于调节 OPO 激光器波长的软件 |
| 光电二极管 | Thorlabs | SP05/M | 用于检测激光脉冲以触发超声系统 |
| 光电二极管偏置模块 | Thorlabs | PBM42 | 用于放大光电二极管信号以触发超声信号 |
| 脱毛膏 | Reckitt Benckiser | Veet | 用于去除成像区域的毛发 |
| 激光功率计 | Ophir | Starlite, p/n: 7Z01565 | 用于测量激光功率 |
参考文献
- Yun, S. H., Kwok, S. J. Light in diagnosis, therapy and surgery. Nat. Biomed. Eng. 1, 0008(2017).
- Tseng, J., et al. Clinical accuracy of preoperative breast MRI for breast cancer. J. Surg. Oncol. , (2017).
- Baran, P., et al.
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重印与许可
