Universal de mano-tridimensional optoacústica Imaging Sonda de Tejido Profundo Angiografía Humano y Estudios preclínicos funcionales en Tiempo Real

Proporcionamos aquí una descripción detallada del protocolo experimental para la obtención de imágenes con un sistema optoacústico (fotoacústico) portátil recientemente desarrollado para la obtención de imágenes tridimensionales funcionales y moleculares en tiempo real. El potente rendimiento y la versatilidad demostrados pueden definir nuevas áreas de aplicación de la tecnología optoacústica en la investigación preclínica y la práctica clínica.

El objetivo general del siguiente experimento es ilustrar las capacidades de imagen de un sistema optoacústico portátil recientemente desarrollado para imágenes tridimensionales, funcionales y moleculares en tiempo real. Esto se logra utilizando una sonda con una matriz esférica de transductores eléctricos pizo, alrededor de un haz de fibras que guía los pulsos de luz cuando se mantiene contra el tejido. Con una duración de nanosegundos, los pulsos de luz excitan respuestas ultrasónicas que son capturadas por la sonda.

A continuación, los datos se utilizan para realizar la reconstrucción de imágenes en tiempo real, lo que permite escaneos en modo portátil. Los resultados muestran la factibilidad de la obtención de imágenes de tejido profundo de la morfología vascular, así como de importantes parámetros hemodinámicos y de perfusión con un sistema portátil. El enfoque particular de todos los laboratorios es el desarrollo de nuevas herramientas de imágenes biomédicas basadas en acústica óptica, óptica difusa, ultrasonido y enfoques multimodales.

El sistema de tomografía acústica óptica portátil recientemente desarrollado puede proporcionar esencialmente una capacidad de imagen verdaderamente en cinco dimensiones. Esto significa que puede proporcionar imágenes volumétricas de alta resolución enriquecidas espectralmente de la morfología y la función de los tejidos en tiempo real. El enfoque de imágenes volumétricas de la mano combinado con la función en tiempo real, eliminando la capacidad, tiene importantes ventajas para el diagnóstico clínico.

Por ejemplo, en enfermedad vascular periférica, trastornos del sistema linfático, cáncer de mama, lesiones cutáneas, inflamación, artritis. Combinado con la tecnología láser de ajuste rápido de la longitud de onda, el sistema permite obtener imágenes en tiempo real de la biodistribución de los agentes fotoabsorbentes. Esta es la razón por la que también pueden surgir nuevas posibilidades en las aplicaciones de imágenes moleculares de animales pequeños.

Por ejemplo, el estudio de la hemodinámica tisular in vivo el seguimiento celular, la visualización de la farmacocinética, la perfusión de órganos o la neuroimagen Comience por preparar el hardware. Encienda la fuente láser de infrarrojo cercano sintonizable durante un período de calentamiento de unos 15 minutos. Para estabilizar su salida, la salida del láser se conectará a la sonda de mano.

La sonda consiste en un conjunto de elementos eléctricos dispuestos para cubrir parte de una esfera con una abertura para un haz de fibras. En el centro, conecte un haz de fibras para guiar el rayo láser desde la salida del láser hasta la sonda de mano. A continuación, conecte la matriz de detección de matriz esférica de la sonda portátil al sistema de adquisición de datos en paralelo, que se activa mediante la salida del interruptor Q del láser, continúe preparando el acoplamiento acústico para la sonda.

El transductor tiene una carcasa a juego cubierta con una membrana de polietileno óptica y acústicamente transparente, que entrará en contacto con la piel y cerrará la superficie activa del transductor con la carcasa. La posición relativa de la superficie de detección activa con respecto a la superficie del tejido determina la profundidad efectiva de la imagen. Conecte una bomba entre el tanque y la sonda.

Luego úselo para llenar el volumen de aproximadamente 100 mililitros entre el transductor y la membrana. Una vez que se complete el bombeo, desconecte la bomba. Inspeccione la sonda para asegurarse de que no haya burbujas de aire ni fugas.

Ahora, por seguridad, póngase gafas protectoras, apropiadas para longitudes de onda del infrarrojo cercano. Proceda ajustando las longitudes de onda de la imagen y la tasa de repetición del pulso láser. En el software de control, el rango de longitud de onda es de 690 a 900 nanómetros con la elección óptica, dependiendo del tejido particular, cromo, cuatro y agentes de interés administrados extrínsecamente.

La tasa de repetición de pulsos está en el rango de 10 a 50 hercios y depende de la velocidad de fotogramas volumétrica de imagen deseada, pero también está limitada por los límites de exposición al láser. Además, configure el sistema de adquisición de datos acústicos para que tenga una impedancia de entrada de un mega ohmio con una frecuencia de muestreo de 40 mega muestras por segundo y una resolución vertical de 12 bits. Para operaciones seguras.

Mida los niveles de exposición en la región espectral del infrarrojo cercano con un medidor de potencia láser. Coloque el medidor de potencia en la membrana de polietileno de la sonda para la medición. Pase la radiación láser a través de la sonda y ajuste la potencia del láser y la tasa de repetición.

Por lo tanto, para cumplir con los niveles de exposición seguros en la membrana cuando se realizan ajustes, retire el medidor de potencia. La sonda está lista para su uso. El siguiente paso es preparar al paciente para el procedimiento.

Proporcione al paciente gafas protectoras apropiadas para longitudes de onda del infrarrojo cercano. Inspeccione la región de la que se va a obtener una imagen. Si hay vello, aplique una loción agotadora para eliminarlo y evite el fondo no deseado en las imágenes.

Limpie la región con un pañuelo húmedo. Una vez que la región esté limpia, aplique gel de ultrasonido sobre la piel en el área que se va a fotografiar. Para proporcionar un acoplamiento acústico eficiente.

Mantenga la sonda en su lugar e inicie el software de vista previa, que habilita la salida láser y permite visualizar imágenes tridimensionales. La velocidad de fotogramas de las imágenes optoacústicas corresponde a la tasa de repetición del pulso láser y se muestra en tiempo real. Cuando se implemente la reconstrucción tomográfica en una unidad de procesamiento gráfico, mueva suavemente la sonda para optimizar la visualización y localizar la estructura de interés.

Continúe utilizando el software de vista previa y cambie el hardware al modo de adquisición de datos en el paciente. Mueva suavemente la sonda unos pocos milímetros por segundo alrededor de la región de la imagen para rastrear las estructuras de interés. Al finalizar la adquisición de datos, detenga el software, que también detiene el láser.

El antebrazo de un voluntario sano está a la izquierda. El cuadro blanco representa la región visualizada con la sonda. A la derecha se muestran las imágenes de proyección de máxima intensidad de la región sondeada.

A medida que la sonda se escaneaba lentamente sobre el antebrazo, se logró una visualización en tiempo real de los vasos para todas las posiciones de escaneo. Las imágenes utilizaron una luz de 800 nanómetros con una tasa de repetición de pulso láser de 10 hercios. Las imágenes multiespectrales se realizaron escaneando la sonda a lo largo de la muñeca de un voluntario sano.

Se utilizó una tasa de repetición de pulso láser de 50 hercios junto con un ajuste de longitud de onda por pulso. Las longitudes de onda utilizadas estaban entre 730 nanómetros y 850 nanómetros en pasos de 30 nanómetros. En la parte inferior derecha hay imágenes espectralmente no mezcladas que muestran la distribución de hemoglobina oxigenada en rojo, hemoglobina desoxigenada en azul y melanina en amarillo.

Bajo la suposición de que solo estos componentes son responsables de la absorción a medida que la sonda escanea la muñeca, la distribución de estos tres cromóforos tisulares se puede rastrear en tiempo real. Esta película demuestra la capacidad de la sonda para seguir procesos dinámicos. La circulación en el dedo medio se obstruyó con una banda elástica y se liberó durante la adquisición de datos.

La apariencia de las tijeras indica el momento en que se retiró la banda elástica. Los datos se recogieron a 10 fotogramas por segundo a una longitud de onda de 900 nanómetros. El procedimiento de imágenes portátiles se puede dominar en muy poco tiempo, y dado que otras modalidades de imágenes clínicas no pueden proporcionar una resolución volumétrica con un tiempo comparable, estamos seguros de que el sistema presentado alcanzará un nuevo valor para el diagnóstico preciso y el monitoreo del tratamiento. Los artefactos de movimiento aún pueden afectar gravemente el rendimiento y la calidad de la imagen cuando se usa la sonda en el modo portátil.

Como regla general, la velocidad de movimiento no debe exceder los tres milímetros por segundo. Si se utiliza una tasa de repetición láser de 10 hercios en combinación con la adquisición de datos multim, por supuesto, se permite un movimiento más rápido. Si se emplea un láser de mayor tasa de repetición con un nuevo enfoque de imagen, esperamos permitir nuevos descubrimientos biológicos.

También nos gustaría ofrecer a los médicos una nueva herramienta para el diagnóstico clínico en múltiples indicaciones. Por ejemplo, trastornos cardiovasculares y enfermedades vasculares periféricas relacionadas con el sistema linfático, lesiones mamarias, artritis e inflamación.