Tomographie photoacoustique pour l'imagerie du sang et des lipides dans l'aorte infrarénale

La tomographie photoacoustique, parfois appelée tomographie optoacoustique, est une modalité d’imagerie biomédicale émergente qui utilise des ondes acoustiques générées par la lumière pour obtenir des informations sur la composition d’un tissu.

La tomographie photoacoustique, ou PAT, utilise des longueurs d’onde particulières de la lumière pour imager des composants spécifiques du tissu. Ceci est utile pour une grande variété d’applications précliniques et cliniques, telles que le suivi de la progression de la maladie à base de lipides.

Les techniques d’imagerie actuellement utilisées sont intrinsèquement limitées en termes de temps d’acquisition, de profondeur de pénétration, d’utilisation d’agents de contraste nocifs et de coûts. La PAT, quant à elle, est une technique rapide, non invasive et sans agent de contraste qui, lorsqu’elle est combinée à des modalités d’imagerie existantes comme les ultrasons, peut fournir simultanément des informations structurelles et compositionnelles.

Cette vidéo illustrera les principes de base de la PAT vibrationnelle et la méthodologie de mise en place de l’imagerie sanguine et lipidique chez la souris. Ensuite, nous montrerons comment interpréter les images VPAT en conjonction avec l’échographie, puis nous présenterons quelques applications de la technique.

Commençons par aborder les principes fondamentaux de cette technique d’imagerie.

Lors de l’imagerie VPAT, la lumière d’une seule longueur d’onde provenant d’une source laser est affichée sur la région d’intérêt. Cette lumière est ensuite absorbée par une liaison chimique spécifique à la longueur d’onde dans le tissu biologique. Dans le VPAT, la lumière absorbée fait vibrer la molécule.

Une partie de cette énergie vibratoire est ensuite convertie en chauffage transitoire. Cette production de chaleur provoque alors une expansion thermoélastique du tissu local et, par conséquent, produit une propagation des ondes ultrasonores. C’est ce qu’on appelle l’effet photoacoustique. La détection de l’onde ultrasonore par un transducteur à ultrasons permet d’obtenir une image tomographique spécifique à la composition.

Mathématiquement, l’onde acoustique induite par la lumière P zéro est régie par le paramètre de Gruneisen gamma, le coefficient d’absorption mu a et la fluence optique locale F. Ainsi, pour chaque augmentation de température d’un millikelvin, il y a une onde de pression de 800 pascals qui peut être détectée à l’aide d’un transducteur à ultrasons. Cette absorption sélective de la lumière permet aux utilisateurs de cibler divers composants biologiques en ajustant la longueur d’onde de la lumière.

Par exemple, la lumière de 1 100 nanomètres est utilisée pour cibler le sang et la lumière de 1 210 nanomètres est utilisée pour cibler les lipides. De plus, étant donné que la lumière est utilisée pour induire la propagation des ondes acoustiques, cette technique peut être utilisée pour imager des structures plus profondes que les autres techniques optiques sans avoir besoin d’agents de contraste ou de procédures invasives.

Après avoir passé en revue les bases du VPAT, voyons maintenant un exemple de la façon de configurer et d’effectuer le VPAT pour imager le sang et les lipides dans l’aorte infrarénale de souris déficientes en apolipoprotéine E.

Tout d’abord, procurez-vous l’équipement nécessaire : un laser oscillateur paramétrique optique pulsé Nd :YAG, un système d’ultrasons, un générateur de retard et un connecteur en D fixé à deux câbles BNC. Ensuite, connectez le câble Fire BNC au port A du générateur de retard et le commutateur Q au port B du générateur de retard. Connectez l’extrémité du câble BNC du port C pour déclencher à l’arrière du système d’échographie.

Ajustez le délai des ports A, B et C aux valeurs répertoriées ici. Les ports A et B doivent spécifiquement produire des impulsions inversées, et le port C doit produire des impulsions normales. Ensuite, alignez le câble à fibre optique avec le laser et fixez les extrémités de la fibre sur les côtés du transducteur à ultrasons de 40 mégahertz.

Maintenant, montrons comment préparer un animal à la tomographie photoacoustique.

Tout d’abord, anesthésie une souris déficiente en apolipoprotéine E à l’aide d’isoflurane à 3 % dans une chambre de renversement. Une fois l’animal anesthésié, déplacez la souris vers la scène chauffée et fixez un cône nasal pour délivrer un à 2 % d’isoflurane. Appliquez un lubrifiant pour les yeux sur les yeux de l’animal pour prévenir la dessiccation de la cornée. Collez les pattes de la souris sur des électrodes intégrées à la scène chauffée pour surveiller la respiration et le rythme cardiaque de l’animal. Enfin, insérez une sonde rectale pour surveiller la température corporelle.

Ensuite, retirez les poils de tout l’abdomen de l’animal en appliquant une crème dépilatoire. Placez le transducteur à ultrasons sur l’abdomen de l’animal et localisez l’aorte infrarénale. La veine rénale gauche et la trifurcation aortique dans l’artère caudale sont deux points de repère qui aideront l’utilisateur à localiser cette zone.

Pour commencer à acquérir des images, appuyez sur le mode B pour voir une image en direct du mode B. Réglez le gain à l’aide du bouton Gain 2D et la mise au point à l’aide des boutons Zone focale et Profondeur de mise au point. Ajustez la largeur et la profondeur de l’image à l’aide des boutons Décalage de profondeur, Largeur de l’image et Profondeur de l’image.

Après cela, allumez le laser. Appuyez sur Mode PA pour voir en direct le mode B et les images PA. Ajustez le gain de sonorisation à l’aide du bouton de gain 2D, puis ajustez la fenêtre de sonorisation et la palette de couleurs à l’écran. Faites fonctionner le laser à une lumière de 1 100 nanomètres pour cibler le sang, suivie d’une lumière de 1 210 nanomètres pour cibler les lipides.

Passons maintenant en revue les résultats du protocole VPAT pour réaliser une imagerie spécifique des lipides et du sang in vivo.

L’imagerie par ultrasons a permis d’obtenir des informations structurelles sur l’aorte infrarénale. Cela peut être utilisé pour mieux interpréter les informations de composition du VPAT. Plus précisément, la lumière de 1 100 nanomètres a imagé le sang dans l’aorte, tandis que la lumière de 1 210 nanomètres a imagé l’accumulation de graisse sous-cutanée et périaortique.

Comme on le voit sur ces images, la graisse sous-cutanée suit la géométrie de la peau. Cependant, la graisse périaortique suit le contour de l’aorte et le signal sanguin provient de l’intérieur de l’aorte.

La tomographie photoacoustique peut être utilisée pour une grande variété d’applications précliniques et cliniques.

L’imagerie in vivo des petits animaux joue un rôle important dans les études précliniques, et la tomographie photoacoustique utilise la lumière proche infrarouge pour détecter l’absorption électronique, ce qui permet l’imagerie à haute résolution des caractéristiques cérébrales profondes pour des applications neurobiologiques. Des données précises sont collectées sur l’oxygénation de l’hémoglobine, l’anatomie vasculaire et le flux sanguin. Ces informations d’imagerie cérébrale interne peuvent être utilisées pour évaluer les tissus cérébraux normaux et pathologiques.

En médecine vasculaire, il est important de visualiser les veines et les artères et d’évaluer leur fonctionnalité. La tomographie photoacoustique fournit des informations sur la composition qui caractérisent les plaques comme étant vulnérables ou stables, aidant ainsi à prédire celles qui sont sujettes à la rupture et pourraient induire un infarctus du myocarde ou un accident vasculaire cérébral ischémique.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la tomographie photoacoustique. Vous devez maintenant comprendre les principes de base de cette technique d’imagerie et être capable d’imager un animal et d’interpréter les résultats. Merci d’avoir regardé !