טומוגרפיה פוטואקוסטית לדם תמונה ולומנים בבטורה האינפרא-רנאלית

טומוגרפיה פוטואקוסטית, PAT, המכונה לפעמים טומוגרפיה אופטואקוסטית, היא שיטת הדמיה ביו-רפואית מתפתחת המשתמשת בגלים אקוסטיים שנוצרו באור כדי להשיג מידע קומפוזיציוני מרקמה.

טומוגרפיה פוטו-אקוסטית, או PAT, משתמשת באורכי גל מסוימים של אור כדי לדמות רכיבים ספציפיים של הרקמה. זה שימושי למגוון רחב של יישומים פרה-קליניים וקליניים, כגון ניטור התקדמות מחלה מבוססת שומנים.

טכניקות הדמיה המשמשות כיום מוגבלות מטבען מבחינת זמני רכישה, עומק החדירה, שימוש בחומרים מנוגדים מזיקים ועלויות. PAT, לעומת זאת, היא טכניקה מהירה, לא פולשנית ונטולת חומרי ניגוד, אשר בשילוב עם שיטות הדמיה קיימות כמו אולטרסאונד, יכולה לספק מידע מבני וקומפוזיציוני בו זמנית.

סרטון זה ימחיש את העקרונות הבסיסיים של PAT רטט ואת המתודולוגיה להקמת הדמיית דם ושומנים בעכברים. לאחר מכן, נדגים כיצד לפרש תמונות VPAT בשילוב עם אולטרסאונד, ואחריו כמה יישומים של הטכניקה.

נתחיל בדיון ביסודות טכניקת הדמיה זו.

במהלך הדמיית VPAT, אור באורך גל יחיד ממקור לייזר מוצג באזור העניין. אור זה נספג לאחר מכן על ידי קשר כימי ספציפי לאורך גל ברקמה הביולוגית. ב-VPAT, האור הנספג גורם למולקולה לרטוט.

חלק מאנרגיית הרטט הזו מומרת לאחר מכן לחימום חולף. ייצור חום זה גורם להתרחבות תרמו-אלסטית של הרקמה המקומית וכתוצאה מכך מייצר התפשטות גלים קוליים. זה נקרא האפקט הפוטו-אקוסטי. זיהוי הגל האולטראסוני על ידי מתמר אולטרסאונד מניב תמונה טומוגרפית ספציפית להרכב.

מבחינה מתמטית, הגל האקוסטי המושרה על ידי האור P naught נשלט על ידי פרמטר Gruneisen תלוי הטמפרטורה גמא, מקדם הספיגה mu a והשטף האופטי המקומי F. לפיכך, עבור כל עליית מילי-קלווין בטמפרטורה, יש גל לחץ של 800 פסקל שניתן לזהות באמצעות מתמר אולטרסאונד. ספיגת אור סלקטיבית זו מאפשרת למשתמשים למקד רכיבים ביולוגיים שונים על ידי כוונון אורך הגל של האור.

לדוגמה, אור של 1,100 ננומטר משמש למיקוד דם, ואור של 1,210 ננומטר משמש למיקוד שומנים. בנוסף, מכיוון שאור משמש לגרימת התפשטות גלים אקוסטיים, ניתן להשתמש בטכניקה זו כדי לדמות בדרך כלל מבנים עמוקים יותר מאשר טכניקות אופטיות אחרות ללא צורך בחומרי ניגוד או הליכים פולשניים.

לאחר שסקרנו את היסודות של VPAT, הבה נראה כעת דוגמה כיצד להגדיר ולבצע VPAT להדמיית דם ושומנים באבי העורקים האינפרנלי של עכברים חסרי אפוליפופרוטאין E.

ראשית, השג את הציוד הדרוש: לייזר מתנד פרמטרי אופטי פועם Nd:YAG, מערכת אולטרסאונד, מחולל עיכוב ומחבר D המחובר לשני כבלי BNC. לאחר מכן, חבר את כבל Fire BNC ליציאה A של מחולל ההשהיה ואת מתג Q ליציאה B של מחולל ההשהיה. חבר את קצה כבל ה-BNC מיציאה C כדי להפעיל בחלק האחורי של מערכת האולטרסאונד.

התאם את ההשהיה של יציאות A, B ו-C לערכים המפורטים כאן. יציאות A ו-B צריכות להפיק פולסים הפוכים, ויציאה C צריכה להפיק פולסים רגילים. לאחר מכן, יישר את כבל הסיב האופטי עם הלייזר, והצמד את קצות הסיבים לצידי מתמר האולטרסאונד של 40 מגה-הרץ.

כעת, בואו נדגים כיצד להכין בעל חיים לטומוגרפיה פוטו-אקוסטית.

ראשית, להרדים עכבר עם מחסור באפוליפופרוטאין E באמצעות 3% איזופלורן בתא נוקדאון. לאחר שהחיה מורדמת, העבירו את העכבר לשלב המחומם ואבטחו חרוט אף כדי לספק 1% עד 2% איזופלורן. מרחו חומר סיכה לעיניים על עיני החיה כדי למנוע התייבשות בקרנית. הדביקו את כפות העכבר לאלקטרודות המובנות בבמה המחוממת כדי לנטר את הנשימה וקצב הלב של החיה. לבסוף, הכנס בדיקה רקטלית כדי לנטר את טמפרטורת הגוף.

לאחר מכן, הסר את השיער מכל הבטן של החיה על ידי מריחת קרם אפילציה. הנח את מתמר האולטרסאונד על בטן החיה, ואתר את אבי העורקים האינפרא כליתי. וריד הכליה השמאלי והתפצלות אבי העורקים לעורק הזנב הם שני ציוני דרך שיעזרו למשתמש לאתר אזור זה.

כדי להתחיל לצלם תמונות, לחץ על מצב B כדי לראות תמונה חיה במצב B. כוונן את הרווח באמצעות כפתור הרווח הדו-ממדי והמיקוד באמצעות כפתורי אזור המוקד ועומק המיקוד. התאימו את הרוחב והעומק של התמונה באמצעות הלחצנים Depth Offset, Image Width ו-Image Depth.

לאחר מכן, הפעל את הלייזר. לחץ על מצב PA כדי לראות תמונות חיות של מצב B ו-PA. כוונן את רווח הרשות באמצעות כפתור הרווח הדו-ממדי, והתאם את חלון הרשות ומפת הצבעים על המסך. הפעל את הלייזר באור של 1,100 ננומטר כדי למקד דם, ואחריו אור של 1,210 ננומטר כדי למקד שומנים.

הבה נסקור כעת את התוצאות של פרוטוקול VPAT לביצוע הדמיה ספציפית לשומנים ודם in vivo.

הדמיית האולטרסאונד אפשרה לקבל מידע מבני על אבי העורקים האינפרנלי. זה יכול לשמש כדי לפרש טוב יותר את המידע הקומפוזיציוני של VPAT. באופן ספציפי, האור של 1,100 ננומטר דימה את הדם בתוך אבי העורקים, בעוד שהאור של 1,210 ננומטר דימה את הצטברות השומן התת עורי והפרי-אורטקי.

כפי שניתן לראות מהתמונות הללו, השומן התת עורי עוקב אחר הגיאומטריה של העור. עם זאת, השומן הפריאורטי עוקב אחר קווי המתאר של אבי העורקים, ואות הדם מקורו מתוך אבי העורקים.

ניתן להשתמש בטומוגרפיה פוטו-אקוסטית למגוון רחב של יישומים פרה-קליניים וקליניים.

הדמיה של בעלי חיים קטנים in vivo ממלאת תפקיד חשוב במחקרים פרה-קליניים, וטומוגרפיה פוטו-אקוסטית משתמשת באור אינפרא אדום קרוב כדי לזהות ספיגה אלקטרונית, ומאפשרת הדמיה ברזולוציה גבוהה של תכונות מוח עמוקות ליישומים נוירוביולוגיים. נתונים מדויקים נאספים על חמצון המוגלובין, אנטומיה של כלי הדם ושטף הדם. מידע הדמיה פנימי זה יכול לשמש להערכת רקמת מוח תקינה ופתולוגית.

ברפואת כלי דם, חשוב לדמיין ורידים ועורקים ולהעריך את הפונקציונליות שלהם. טומוגרפיה פוטואקוסטית מספקת מידע קומפוזיציוני המאפיין את הפלאקים כפגיעים או יציבים, ובכך מסייעת לחזות אילו מהם מועדים לקרע ועלולים לגרום לאוטם שריר הלב או שבץ איסכמי.

זה עתה צפיתם בהקדמה של JoVE לטומוגרפיה פוטו-אקוסטית. כעת עליך להבין את העקרונות הבסיסיים של טכניקת הדמיה זו ולהיות מסוגל לדמיין בעל חיים ולפרש את התוצאות. תודה שצפית!