Universal-Hand Dreidimensionale Optoakustische Bildgebung Sonde für Deep Tissue Menschen Angiographie und Funktions präklinischen Studien in Echtzeit
4. November 2014
Wir bieten hierin eine detaillierte Beschreibung des experimentellen Protokolls für die Bildgebung mit einem neu entwickelten tragbaren optoakustischen (photoakustischen) System für dreidimensionale funktionelle und molekulare Bildgebung in Echtzeit. Die demonstrierte Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit kann neue Anwendungsbereiche der optoakustischen Technologie in der präklinischen Forschung und klinischen Praxis definieren.
Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, die bildgebenden Fähigkeiten eines neu entwickelten tragbaren optoakustischen Systems für die dreidimensionale, funktionelle und molekulare Bildgebung in Echtzeit zu veranschaulichen. Dies wird durch die Verwendung einer Sonde mit einem sphärischen Matrixarray aus Pizo erreicht, elektrischen Wandlern um ein Faserbündel, das Lichtimpulse leitet, wenn es gegen Gewebe gehalten wird. Lichtimpulse mit einer Dauer von Nanosekunden regen Ultraschallreaktionen an, die von der Sonde erfasst werden.
Anschließend werden die Daten verwendet, um eine Echtzeit-Bildrekonstruktion durchzuführen, die Scans im Handheld-Modus ermöglicht. Die Ergebnisse zeigen die Machbarkeit der Tiefengewebsbildgebung der Gefäßmorphologie sowie wichtiger hämodynamischer und Perfusionsparameter mit einem tragbaren System. Der besondere Fokus aller Labore liegt auf der Entwicklung neuartiger biomedizinischer Bildgebungswerkzeuge, die auf optischer Akustik, diffuser Optik, Ultraschall und multimodalen Ansätzen basieren.
Das neu entwickelte tragbare optische akustische Tomographiesystem kann im Wesentlichen eine wirklich fünfdimensionale Bildgebung ermöglichen. Das bedeutet, dass es hochauflösende, spektral angereicherte volumetrische Bildgebung der Gewebemorphologie und -funktion in Echtzeit liefern kann. Der volumetrische Ansatz der Handbildgebung in Kombination mit der Echtzeitfunktion und der Eliminierung von Kapazitäten bringt wichtige Vorteile für die klinische Diagnostik mit sich.
Zum Beispiel bei peripheren Gefäßerkrankungen, Erkrankungen des Lymphsystems, Brustkrebs, Hautläsionen, Entzündungen, Arthritis. In Kombination mit der Lasertechnologie zur schnellen Wellenlängenabstimmung ermöglicht das System die Echtzeit-Bildgebung der Bioverteilung von photoabsorbierenden Mitteln. Aus diesem Grund können sich auch bei der molekularen Bildgebung von Kleintieren neue Möglichkeiten ergeben.
Zum Beispiel die Untersuchung der Gewebehämodynamik in vivo, die Zellverfolgung, die Visualisierung der Pharmakokinetik, die Organperfusion oder die Neurobildgebung Beginnen Sie mit der Vorbereitung der Hardware. Schalten Sie die abstimmbare Nahinfrarot-Laserquelle für eine Aufwärmphase von etwa 15 Minuten ein. Um den Ausgang zu stabilisieren, wird der Laserausgang mit dem Handtaster verbunden.
Die Sonde besteht aus einem Matrixarray aus elektrischen Elementen, die so angeordnet sind, dass sie einen Teil einer Kugel mit einer Öffnung für ein Faserbündel abdecken. Schließen Sie in der Mitte ein Faserbündel an, um den Laserstrahl vom Laserausgang zur Handsonde zu leiten. Verbinden Sie als nächstes das sphärische Matrixdetektionsarray der Handsonde mit dem parallelen Datenerfassungssystem, das durch den Q-Schalterausgang des Lasers ausgelöst wird, indem die akustische Kopplung für die Sonde vorbereitet wird.
Der Wandler verfügt über ein passendes Gehäuse, das mit einer optisch und akustisch transparenten Polyethylenmembran bedeckt ist, die mit der Haut in Kontakt kommt und die aktive Wandleroberfläche mit dem Gehäuse verschließt. Die relative Position der aktiven Detektionsfläche in Bezug auf die Gewebeoberfläche bestimmt die effektive Abbildungstiefe. Schließen Sie eine Pumpe zwischen dem Tank und der Sonde an.
Anschließend füllen Sie damit das ca. 100 Milliliter große Volumen zwischen Schallkopf und Membran. Sobald das Pumpen abgeschlossen ist, trennen Sie die Pumpe. Überprüfen Sie die Sonde, um sicherzustellen, dass keine Luftblasen oder Lecks vorhanden sind.
Setzen Sie jetzt zur Sicherheit eine Schutzbrille auf, die für nahinfrarote Wellenlängen geeignet ist. Fahren Sie fort, indem Sie die Bildwellenlängen und die Wiederholrate des Laserpulses einstellen. In der Steuerungssoftware beträgt der Wellenlängenbereich 690 bis 900 Nanometer, wobei die optische Auswahl je nach dem jeweiligen Gewebe, Chromo, Fours und extrinsisch verabreichten Wirkstoffen von Interesse ist.
Die Pulswiederholrate liegt im Bereich von 10 bis 50 Hertz und ist abhängig von der gewünschten volumetrischen Bildrate, wird aber auch durch die Expositionsgrenzen des Lasers begrenzt. Stellen Sie außerdem das akustische Datenerfassungssystem auf eine Eingangsimpedanz von einem Megaohm mit einer Abtastrate von 40 Megasamples pro Sekunde und einer vertikalen Auflösung von 12 Bit ein. Für einen sicheren Betrieb.
Messen Sie die Belichtung im nahen Infrarot-Spektralbereich mit einem Laserleistungsmesser. Platzieren Sie den Leistungsmesser für die Messung an der Polyethylenmembran der Sonde. Lassen Sie die Laserstrahlung durch die Sonde und stellen Sie die Laserleistung und die Wiederholrate ein.
Um also bei Anpassungen sichere Expositionswerte an der Membran einzuhalten, entfernen Sie den Leistungsmesser. Die Sonde ist einsatzbereit. Der nächste Schritt besteht darin, den Patienten auf den Eingriff vorzubereiten.
Stellen Sie dem Patienten eine Schutzbrille zur Verfügung, die für die Wellenlängen des nahen Infrarots geeignet ist. Überprüfen Sie den Bereich, der abgebildet werden soll. Wenn Haare vorhanden sind, tragen Sie eine Erschöpfungslotion auf, um sie zu entfernen und unerwünschten Hintergrund auf den Bildern zu vermeiden.
Reinigen Sie den Bereich mit einem feuchten Tuch. Sobald die Region frei ist, tragen Sie Ultraschallgel auf die Haut in dem Bereich auf, der abgebildet werden soll. Um eine effiziente akustische Kopplung zu gewährleisten.
Halten Sie die Sonde an Ort und Stelle und starten Sie die Vorschausoftware, die die Laserausgabe ermöglicht und die Visualisierung dreidimensionaler Bilder ermöglicht. Die Bildrate der optoakustischen Bilder entspricht der Wiederholungsrate des Laserpulses und wird in Echtzeit angezeigt. Wenn die tomographische Rekonstruktion auf einer Grafikverarbeitungseinheit implementiert ist, bewegen Sie die Sonde vorsichtig, um die Visualisierung zu optimieren und die gewünschte Struktur zu lokalisieren.
Verwenden Sie die Vorschausoftware weiter und schalten Sie die Hardware am Patienten in den Datenerfassungsmodus. Bewegen Sie die Sonde vorsichtig einige Millimeter pro Sekunde um den abgebildeten Bereich, um die interessierenden Strukturen zu verfolgen. Nach Abschluss der Datenerfassung stoppen Sie die Software, die auch den Laser stoppt.
Der Unterarm eines gesunden Probanden befindet sich auf der linken Seite. Das weiße Feld stellt den Bereich dar, der mit der Sonde visualisiert wurde. Auf der rechten Seite befinden sich die Projektionsbilder mit maximaler Intensität des untersuchten Bereichs.
Da die Sonde langsam über den Unterarm abgetastet wurde, wurde eine Echtzeit-Visualisierung der Gefäße für alle Scanpositionen erreicht. Die Bilder verwendeten 800 Nanometer Licht mit einer Laserpulswiederholrate von 10 Hertz. Die multispektrale Bildgebung wurde durchgeführt, indem die Sonde entlang des Handgelenks eines gesunden Freiwilligen gescannt wurde.
Es wurde eine 50-Hertz-Laserpulswiederholrate in Verbindung mit einer Wellenlängenabstimmung pro Puls verwendet. Die verwendeten Wellenlängen lagen zwischen 730 Nanometern und 850 Nanometern in 30-Nanometer-Schritten. Unten rechts sind spektral ungemischte Bilder zu sehen, die die Verteilung von sauerstoffreichem Hämoglobin in rot, sauerstoffarmem Hämoglobin in blau und Melanin in gelb zeigen.
Unter der Annahme, dass nur diese Komponenten für die Absorption verantwortlich sind, während die Sonde das Handgelenk abtastet, kann die Verteilung dieser drei Gewebechromophore in Echtzeit verfolgt werden. Dieser Film zeigt die Fähigkeit der Sonde, dynamischen Prozessen zu folgen. Die Durchblutung im Mittelfinger wurde mit einem Gummiband behindert und bei der Datenerfassung freigegeben.
Das Aussehen der Schere zeigt den Moment an, in dem das Gummiband entfernt wurde. Die Daten wurden mit 10 Bildern pro Sekunde bei einer Wellenlänge von 900 Nanometern gesammelt. Das handgeführte Bildgebungsverfahren kann in sehr kurzer Zeit gemeistert werden, und da andere klinische Bildgebungsmodalitäten nicht in der Lage sind, volumetrische Bilder mit vergleichbarer Zeitauflösung zu liefern, sind wir zuversichtlich, dass das vorgestellte System einen neuen Wert für eine genaue Diagnostik und Behandlungsüberwachung erreichen wird. Bewegungsartefakte können die Leistung und Bildqualität bei Verwendung der Sonde im Handheld-Modus immer noch stark beeinträchtigen.
Als Faustregel gilt, dass die Bewegungsgeschwindigkeit drei Millimeter pro Sekunde nicht überschreiten darf. Wird eine Laserwiederholrate von 10 Hertz in Kombination mit einer Multim-Datenerfassung verwendet, ist natürlich eine schnellere Bewegung erlaubt. Wenn ein Laser mit höherer Wiederholrate eingesetzt wird Mit einem neuen bildgebenden Ansatz hoffen wir, neue biologische Entdeckungen zu ermöglichen.
Außerdem möchten wir Ärzten ein neues Werkzeug für die klinische Diagnostik in mehreren Indikationen anbieten. Zum Beispiel kardiovaskuläre und periphere Gefäßerkrankungen, Erkrankungen des Lymphsystems, Brustläsionen, Arthritis und Entzündungen.
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Übersicht
In diesem Artikel werden die Bildgebungsfähigkeiten eines neu entwickelten handgehaltenen optoakustischen Systems für die dreidimensionale, funktionelle und molekulare Bildgebung in Echtzeit beschrieben. Das System verwendet eine Sonde mit einer sphärischen Matrixanordnung piezoelektrischer Wandler, um ultraschallbasierte Antworten aus dem Gewebe zu erfassen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Biomedizinische Bildgebung
- Optoakustische Technologie
- Präklinische Forschung
Hintergrund
- Die optoakustische Bildgebung kombiniert optische und ultraschallbasierte Verfahren.
- Handgeräte ermöglichen Portabilität und einfache Handhabung.
- Echtzeit-Bildgebung ist entscheidend für dynamische biologische Prozesse.
- Die Entwicklung neuartiger Bildgebungswerkzeuge ist entscheidend, um die biomedizinische Forschung voranzutreiben.
Zweck der Studie
- Um die Bildgebungsfähigkeiten eines handgehaltenen optoakustischen Systems zu veranschaulichen.
- Um die Echtzeit-Bildgebung tiefer Gewebestrukturen zu demonstrieren.
- Um die Machbarkeit der Beurteilung der vaskulären Morphologie und hämodynamischer Parameter zu untersuchen.
Verwendete Methoden
- Nutzung einer handgehaltenen Sonde mit einer sphärischen Matrixanordnung.
- Anregung ultraschallbasierter Antworten mittels Nanosekunden-Lichtimpulsen.
- Echtzeit-Bildrekonstruktion aus den erfassten Daten.
- Beurteilung der vaskulären Morphologie und Perfundierungsparameter.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Bildgebung tiefer Gewebestrukturen in Echtzeit.
- Möglichkeit der Nutzung eines tragbaren Systems für die vaskuläre Bildgebung.
- Veranschaulichung wichtiger hämodynamischer und Perfusionparameter.
- Potenzial für neue Anwendungen in präklinischen und klinischen Umgebungen.
Schlussfolgerungen
- Das tragbare optoakustische System zeigt vielversprechende Ergebnisse für die Echtzeit-Bildgebung.
- Es könnte Anwendungen in der biomedizinischen Bildgebung neu definieren.
- Weitere Entwicklungen könnten seine Vielseitigkeit in Forschung und Praxis verbessern.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Dieses tragbare optoakustische Bildgebungssystem ermöglicht die Echtzeit-Visualisierung der vaskulären Morphologie und hämodynamischer Parameter in dreidimensionaler Form in tiefen Geweben und unterstützt so die Validierung von Zielstrukturen in einem frühen Stadium sowie die Reduzierung mechanistischer Risiken in der Arzneimittelentwicklung für Kardiologie und Onkologie. Aufgrund seiner Portabilität und spektralen Entmischungsfähigkeiten erleichtert es die translationale Biomarker-Bewertung und präklinische funktionelle Untersuchungen, verringert die Abhängigkeit von terminalen Endpunkten und verbessert die Zuversicht bei Go/No-Go-Entscheidungen. Die Technologie schließt die Lücke zwischen präklinischer molekularer Bildgebung und klinischer Diagnostik und bietet eine wiederverwendbare Plattform zur longitudinalen Überwachung pharmakodynamischer Reaktionen in krankheitsrelevanten Systemen.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Überprüfung therapeutischer Hypothesen durch die Visualisierung von Echtzeit-hämodynamischen Veränderungen als Reaktion auf pharmakologische Störungen in vivo.
- Operativer Wert: Unterstützt die funktionelle Zielstruktur-Validierung durch langfristige Überwachung der Perfusion und Sauerstoffversorgungsdynamik ohne terminale Tötung.
- Prädiktiver Wert: Steigert das Vertrauen in Zielstrukturen, indem die Verteilung molekularer Wirkstoffe mit funktionellen vaskulären Ergebnissen in krankheitsrelevanten Modellen korreliert wird.
Screening und Assay-Entwicklung
- Assay-Bereitschaft: Liefert quantitative, spektral aufgelöste Ausgaben zur Sauerstoffbindung, Sauerstoffabgabe von Hämoglobin und Melaninverteilung und ermöglicht standardisierte funktionelle Messungen.
- Reproduzierbarkeit: Echtzeit-Steuerung der Bildfrequenz über die Wiederholrate der Laserimpulse gewährleistet eine konsistente zeitliche Abtastung unter verschiedenen experimentellen Bedingungen.
- Plattformnutzen: Das handliche Design erlaubt eine schnelle Anpassung an murine Modelle und menschliches Gewebe und unterstützt die Übertragbarkeit von Assays zwischen verschiedenen Plattformen.
Translationale und präklinische Forschung
- Bedeutung für die Krankheitsforschung: Direkt anwendbar auf die Untersuchung von peripheren Gefäßerkrankungen, Brustkrebs, Entzündungen und Arthritis-Modellen, wie in der Quelle angegeben.
- Übertragbare Kontinuität: Ermöglicht einen nahtlosen Übergang von der molekularen Bildgebung an kleinen Versuchstieren zur klinischen Angiographie am Menschen unter Verwendung derselben Kerntechnologie.
- Risikoadjustierte Weiterentwicklung: Die Echtzeit-Visualisierung von Pharmakokinetik und Organperfusion unterstützt die mechanistische Risikominimierung vor kostspieligen präklinischen Studien.
Pipeline- und Workflow-Integration
Das System ist in die Entdeckungskette von der Zielvalidierung über die Identifizierung von Leitstrukturen bis hin zur präklinischen Wirksamkeitsprüfung integrierbar, insbesondere für Modellierungen vaskulärer und entzündlicher Erkrankungen, bei denen funktionelle Bildgebung Aufschluss über den Wirkmechanismus gibt.
- Entdeckungsbiochemie: Ermöglicht die Hypothesenprüfung, indem verabreichte Verbindungen mit Echtzeit-Veränderungen der Gewebedurchblutung und -sauerstoffversorgung verknüpft werden.
- Screening: Ermöglicht die Standardisierung von Assays durch kontrollierte Wellenlängenanpassung und Echtzeit-Regulierung der Bildwiederholrate für konsistente hämodynamische Messungen.
- Analytik: Liefert spektral getrennte, quantitative Ergebnisse für oxygeniertes/deoxygeniertes Hämoglobin und Melanin und unterstützt damit die vergleichende Analyse von Zuständen.
- Translationale Forschung: Unterstützt die Kontinuität von präklinischen zu klinischen Studien durch identische Bildgebungsprinzipien, die sowohl bei murinen Modellen als auch bei menschlichen Probanden angewendet werden.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Das handliche Sondendesign ermöglicht die Wiederverwendung über Projekte, Teams und Standorte hinweg mit minimalem Umbauaufwand und fördert so die Plattformstandardisierung.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Bietet eine vorhersagbare Sicherheit hinsichtlich des Wirkmechanismus, indem eine Echtzeit-Korrelation zwischen Arzneimittelaussetzung und funktionellen vaskulären Reaktionen ermöglicht wird.
- Operativer Wert: Bietet Portabilität, schnelle Einrichtung und Echtzeit-Vorschau, wodurch die Verzögerung bei der Bildgebung verringert und der Durchsatz in Entdeckungsabläufen erhöht wird.
- Strategischer Wert: Verbessert die Kapitalnutzungseffizienz, indem die Ausscheidung von Kandidaten durch frühzeitige funktionelle Absicherung vaskulärer Zielstrukturen reduziert wird.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht eine risikoadjustierte Priorisierung von Verbindungen basierend auf messbaren hämodynamischen und Perfusionsendpunkten in vivo.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der optoakustischen Physik, Lasersicherheit und der Interpretation hämodynamischer Signale.
- Benötigt eine abstimmbare Nahinfrarot-Laserquelle, ein piezoelektrisches Wandlerarray und eine GPU-beschleunigte Rekonstruktionsworkstation.
- Erfordert die Standardisierung von Laserleistung, Pulswiederholrate und Protokollen zur akustischen Kopplung über verschiedene Anwender und Standorte hinweg.
- Muss Bewegungsartefakte berücksichtigen, die den Einsatz per Hand auf Geschwindigkeiten unter 3 mm/Sekunde beschränken, sofern keine Bewegungskorrektur erfolgt.
- Die Leistung ist durch die optische Eindringtiefe und die Bandbreite des akustischen Detektors begrenzt, was die Signalqualität bei tiefen Gewebeschichten beeinträchtigt.
