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
2014年11月4日
我们在此详细描述了使用新开发的手持式光声（光声）系统进行实时三维功能和分子成像的实验方案。所展示的强大性能和多功能性可能定义光声技术在临床前研究和临床实践中的新应用领域。
以下实验的总体目标是说明新开发的手持式光电声学系统用于实时三维、功能和分子成像的成像能力。这是通过使用一个探针来实现的，该探头具有一个球形矩阵阵列的压电电传感器，围绕着纤维束，当纤维束靠近组织时，该纤维束会引导光脉冲。纳秒持续时间，光脉冲激发探头捕获的超声波响应。
接下来，数据用于执行实时图像重建，允许在手持模式下进行扫描。结果表明，使用便携式系统对血管形态以及重要的血流动力学和灌注参数进行深层组织成像是可行的。所有实验室的特别重点是开发基于光学声学、漫反射光学、超声和多模态方法的新型生物医学成像工具。
新开发的手持式光学声学断层扫描系统基本上可以提供真正的 5D 成像能力。这意味着它可以实时提供组织形态和功能的高分辨率光谱富集体积成像。手部体积成像方法与实时功能相结合，消除了容量，为临床诊断带来了重要优势。
例如，在外周血管疾病、淋巴系统疾病、乳腺癌、皮肤病变、炎症、关节炎中。该系统与快速波长调谐激光技术相结合，能够对光吸收剂的生物分布进行实时成像。这就是为什么在小动物分子成像应用中同样会出现新的可能性。
例如，研究体内组织血流动力学 细胞追踪、药代动力学可视化、器官灌注或神经成像 首先准备硬件。打开可调谐近红外激光源，预热约 15 分钟。为了稳定其输出，激光输出将连接到手持式探头。
探头由一个 piso 电元件矩阵阵列组成，这些元件排列覆盖球体的一部分，并带有光纤束的开口。在中心，连接一个光纤束，将激光束从激光输出端引导到手持式探头。接下来，将手持式探头的球形矩阵探测阵列连接到并行数据采集系统，通过为探头准备声耦合，继续由激光的 Q 开关输出触发。
传感器有一个匹配的外壳，上面覆盖着光学和声学透明的聚乙烯膜，该膜将与皮肤接触，并将有源传感器表面与外壳闭合。主动检测表面相对于组织表面的相对位置决定了有效成像深度。在水箱和探头之间连接泵。
然后用它来填充换能器和膜之间大约 100 毫升的体积。泵送完成后，断开泵的连接。检查探头以确保没有气泡或泄漏。
现在为了安全起见，戴上适合近红外波长的护目镜。通过设置成像波长和激光脉冲重复率继续。在控制软件中，波长范围为 690 至 900 纳米，根据感兴趣的特定组织、chromo、fours 和外源给药剂进行光学选择。
脉冲重复频率在 10 到 50 赫兹的范围内，取决于所需的体积成像帧速率，但也受到激光曝光限制的限制。此外，将声学数据采集系统设置为具有 1 兆欧姆输入阻抗，采样率为每秒 40 兆采样，垂直分辨率为 12 位。为了安全作。
使用激光功率计测量近红外光谱区域的暴露水平。将功率计放在探头的聚乙烯膜上进行测量。将激光辐射通过探头并调整激光功率和重复频率。
因此，为了在进行调整时满足膜的安全暴露水平，请取下功率计。探头已准备就绪。下一步是让患者为手术做好准备。
为患者提供适合近红外波长的护目镜。检查要成像的区域。如果有头发，请使用耗竭化妆水将其去除，并避免图像中出现不需要的背景。
用湿纸巾清洁该区域。一旦该区域清晰，将超声凝胶涂抹在要成像区域的皮肤上。提供高效的声学耦合。
将探头保持在原位并启动预览软件，该软件可实现激光输出并允许可视化三维图像。光电声学图像的帧速率对应于激光脉冲重复率，并实时显示。在图形处理单元上实施断层扫描重建时，轻轻移动探针以优化可视化并定位感兴趣的结构。
继续使用预览软件并将患者的硬件切换到数据采集模式。在成像区域周围以每秒几毫米的速度轻轻移动探针，以跟踪感兴趣的结构。完成数据采集后，停止软件，这也会停止激光。
健康志愿者的前臂在左边。白框表示使用探针可视化的区域。右侧是探测区域的最大强度投影图像。
当探头在前臂上缓慢扫描时，所有扫描位置的血管都实现了实时可视化。图像使用了 800 纳米的光，激光脉冲重复率为 10 赫兹。通过沿健康志愿者的手腕扫描探针进行多光谱成像。
50 赫兹激光脉冲重复率与每脉冲波长调谐结合使用。使用的波长在 730 纳米到 850 纳米之间，步长为 30 纳米。右下角是光谱未混合图像，红色显示含氧血红蛋白的分布，蓝色显示脱氧血红蛋白，黄色显示黑色素的分布。
假设探针扫描手腕时只有这些成分负责吸收，则可以实时跟踪这三种组织发色团的分布。该影片演示了探针跟踪动态过程的能力。中指的循环被橡皮筋阻塞，并在数据采集过程中释放。
剪刀的外观表示橡皮筋被移除的时刻。以每秒 10 帧的速度在 900 纳米波长下收集数据。手持式成像程序可以在很短的时间内掌握，并且由于其他临床成像方式无法提供具有可比时间分辨率的体积测量，我们有信心所提出的系统将为准确诊断和治疗监测获得新的价值在手持模式下使用探头时，运动伪影可能仍会严重影响性能和图像质量。
根据经验，运动速度不得超过每秒 3 毫米。如果将 10 赫兹的激光重复率与多米数据采集结合使用，当然可以实现更快的运动。如果采用更高重复频率的激光 通过新的成像方法，我们希望实现新的生物学发现。
我们还希望为医生提供一种用于多种适应症临床诊断的新工具。例如，与淋巴系统、乳腺病变、关节炎和炎症相关的心血管和外周血管疾病。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
本文详述了一种新开发的手持式光声系统在实时进行三维、功能性和分子成像方面的能力。该系统利用带有球形矩阵阵列压电换能器的探头来捕获组织的超声响应。
关键研究组成部分
科学领域
- 生物医学成像
- 光声技术
- 临床前研究
背景
- 光声成像结合了光学和超声技术。
- 手持式系统实现了便携性和易用性。
- 实时成像对于动态生物过程至关重要。
- 开发新型成像工具对于推进生物医学研究至关重要。
研究目的
- 说明手持式光声系统的成像能力。
- 展示深层组织结构的实时成像。
- 探索评估血管形态和血流动力学参数的可行性。
使用的方法
- 使用带有球形矩阵阵列的手持探头。
- 使用纳秒光脉冲激发超声响应。
- 从捕获的数据进行实时图像重建。
- 评估血管形态和灌注参数。
主要结果
- 成功实时成像深层组织结构。
- 使用便携系统进行血管成像的可行性。
- 展示重要的血流动力学和灌注参数。
- 在临床前和临床环境中的新应用潜力。
结论
- 手持式光声系统在实时成像方面显示出潜力。
- 它可能重新定义生物医学成像的应用。
- 进一步的开发可能提高其在研究和实践中的多功能性。
常见问题
Executive Industry Relevance
This handheld optoacoustic imaging system enables real-time, three-dimensional visualization of vascular morphology and hemodynamic parameters in deep tissues, supporting early-stage target validation and mechanistic de-risking in cardiovascular and oncology drug discovery. Its portability and spectral unmixing capabilities facilitate translational biomarker assessment and preclinical functional studies, reducing reliance on terminal endpoints and improving go/no-go decision confidence. The technology bridges preclinical molecular imaging and clinical diagnostics, offering a reusable platform for longitudinal monitoring of pharmacodynamic responses in disease-relevant systems.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by visualizing real-time hemodynamic changes in response to pharmacological perturbations in vivo.
- Operational Value: Supports functional target validation through longitudinal monitoring of perfusion and oxygenation dynamics without terminal sacrifice.
- Predictive Value: Enhances target confidence by correlating molecular agent distribution with functional vascular outcomes in disease-relevant models.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Provides quantitative, spectrally resolved outputs for hemoglobin oxygenation, deoxygenation, and melanin distribution, enabling standardized functional readouts.
- Reproducibility: Real-time frame rate control via laser pulse repetition rate ensures consistent temporal sampling across experimental conditions.
- Platform Utility: Handheld design allows rapid adaptation across murine models and human tissue, supporting cross-platform assay transferability.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Directly applicable to studying peripheral vascular disease, breast cancer, inflammation, and arthritis models as indicated in the source.
- Translational Continuity: Enables seamless transition from small animal molecular imaging to human clinical angiography using the same core technology.
- Risk-Adjusted Advancement: Real-time visualization of pharmacokinetics and organ perfusion supports mechanistic de-risking before costly preclinical studies.
Pipeline & Workflow Integration
The system fits within the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical efficacy testing, particularly for vascular and inflammatory disease models where functional imaging informs mechanism of action.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing by linking administered compounds to real-time changes in tissue perfusion and oxygenation.
- Screening: Enables assay standardization through controlled wavelength tuning and real-time frame rate adjustment for consistent hemodynamic measurements.
- Analytics: Delivers spectrally unmixed, quantitative outputs of oxygenated/deoxygenated hemoglobin and melanin, supporting comparative condition analysis.
- Translational Research: Supports preclinical-to-clinical continuity via identical imaging principles applied in murine models and human volunteers.
- Enterprise Reuse: The handheld probe design allows reuse across projects, teams, and sites with minimal reconfiguration, promoting platform standardization.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Provides predictive confidence in target mechanism by enabling real-time correlation of drug exposure with functional vascular responses.
- Operational Value: Offers portability, rapid setup, and real-time preview, reducing imaging latency and increasing throughput in discovery workflows.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by reducing attrition through early functional de-risking of vascular targets.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds based on measurable hemodynamic and perfusion endpoints in vivo.
Implementation Considerations
- Requires expertise in optoacoustic physics, laser safety, and hemodynamic interpretation.
- Depends on tunable near-infrared laser source, piezoelectric transducer array, and GPU-accelerated reconstruction workstation.
- Necessitates standardization of laser power, pulse repetition rate, and acoustic coupling protocols across users and sites.
- Must account for motion artifacts limiting handheld use to velocities under 3 mm/sec without motion correction.
- Performance is constrained by optical penetration depth and acoustic detector bandwidth, affecting deep-tissue signal fidelity.
