Universale Mano libera tridimensionale optoacustica Imaging Probe per Deep Tissue angiografia umana e funzionali studi preclinici in tempo reale
4 novembre 2014
Forniamo qui una descrizione dettagliata del protocollo sperimentale per l'imaging con un sistema optoacustico portatile (fotoacustico) di nuova concezione per l'imaging tridimensionale, funzionale e molecolare in tempo reale. Le potenti prestazioni e la versatilità dimostrate possono definire nuove aree di applicazione della tecnologia optoacustica nella ricerca preclinica e nella pratica clinica.
L'obiettivo generale del seguente esperimento è quello di illustrare le capacità di imaging di un sistema optoacustico portatile di nuova concezione per l'imaging tridimensionale, funzionale e molecolare in tempo reale. Ciò si ottiene utilizzando una sonda con una matrice sferica di pizo, trasduttori elettrici attorno a un fascio di fibre che guida gli impulsi luminosi quando viene tenuto contro il tessuto. Della durata di nanosecondi, gli impulsi di luce eccitano le risposte ultrasoniche che vengono catturate dalla sonda.
Successivamente, i dati vengono utilizzati per eseguire la ricostruzione dell'immagine in tempo reale, consentendo scansioni in modalità portatile. I risultati mostrano la fattibilità dell'imaging dei tessuti profondi della morfologia vascolare, nonché importanti parametri emodinamici e di perfusione con un sistema portatile. L'obiettivo particolare di tutti i laboratori è lo sviluppo di nuovi strumenti di imaging biomedico basati su acustica ottica, ottica diffusa, ultrasuoni e approcci multimodali.
Il sistema di tomografia ottica acustica portatile di nuova concezione è in grado di fornire essenzialmente una capacità di imaging tridimensionale. Ciò significa che è in grado di fornire immagini volumetriche ad alta risoluzione arricchite spettralmente della morfologia e della funzione dei tessuti in tempo reale. L'approccio di imaging volumetrico della mano, combinato con la funzione in tempo reale, che elimina la capacità, comporta importanti vantaggi per la diagnostica clinica.
Ad esempio, nelle malattie vascolari periferiche, nei disturbi del sistema linfatico, nel cancro al seno, nelle lesioni cutanee, nelle infiammazioni, nell'artrite. In combinazione con la tecnologia laser a regolazione rapida della lunghezza d'onda, il sistema consente l'imaging in tempo reale della biodistribuzione degli agenti fotoassorbenti. Questo è il motivo per cui nuove possibilità possono emergere anche nelle applicazioni di imaging molecolare dei piccoli animali.
Ad esempio, lo studio dell'emodinamica dei tessuti in vivo, il tracciamento cellulare, la visualizzazione della farmacocinetica, la perfusione d'organo o il neuro imaging Inizia preparando l'hardware. Accendere la sorgente laser a infrarossi vicini sintonizzabile per un periodo di riscaldamento di circa 15 minuti. Per stabilizzarne l'uscita, l'uscita laser sarà collegata alla sonda portatile.
La sonda è costituita da una matrice di elementi elettrici piso disposti in modo da coprire parte di una sfera con un'apertura per un fascio di fibre. Al centro, collegare un fascio di fibre per guidare il raggio laser dall'uscita laser alla sonda portatile. Quindi, collegare l'array di rilevamento della matrice sferica della sonda portatile al sistema di acquisizione dati parallelo, che viene attivato dall'interruttore Q L'uscita del laser continua preparando l'accoppiamento acustico per la sonda.
Il trasduttore è dotato di un involucro abbinato ricoperto da una membrana in polietilene otticamente e acusticamente trasparente, che entrerà in contatto con la pelle e chiuderà la superficie attiva del trasduttore con l'involucro. La posizione relativa della superficie di rilevamento attiva rispetto alla superficie del tessuto determina la profondità di imaging effettiva. Collegare una pompa tra il serbatoio e la sonda.
Quindi utilizzarlo per riempire il volume di circa 100 millilitri tra il trasduttore e la membrana. Una volta completato il pompaggio, scollegare la pompa. Ispezionare la sonda per assicurarsi che non vi siano bolle d'aria o perdite.
Ora per sicurezza, indossa occhiali protettivi, adatti alle lunghezze d'onda del vicino infrarosso. Procedere impostando le lunghezze d'onda dell'imaging e la frequenza di ripetizione dell'impulso laser. Nel software di controllo, l'intervallo di lunghezze d'onda è compreso tra 690 e 900 nanometri con la scelta ottica, a seconda del particolare tessuto, cromo, quattro e agenti estrinseci somministrati di interesse.
La frequenza di ripetizione dell'impulso è compresa tra 10 e 50 hertz e dipende dalla frequenza dei fotogrammi dell'imaging volumetrico desiderata, ma è anche limitata dai limiti di esposizione del laser. Inoltre, impostare il sistema di acquisizione dati acustici in modo che abbia un'impedenza di ingresso di un mega ohm con una frequenza di campionamento di 40 mega campioni al secondo e una risoluzione verticale di 12 bit. Per operazioni sicure.
Misura i livelli di esposizione nella regione spettrale del vicino infrarosso con un misuratore di potenza laser. Posizionare il misuratore di potenza sulla membrana in polietilene della sonda per la misurazione. Far passare la radiazione laser attraverso la sonda e regolare la potenza del laser e la frequenza di ripetizione.
Quindi, per soddisfare i livelli di esposizione sicuri sulla membrana quando vengono effettuate le regolazioni, rimuovere il misuratore di potenza. La sonda è pronta per l'uso. Il passo successivo è preparare il paziente per la procedura.
Fornire al paziente occhiali protettivi appropriati per le lunghezze d'onda del vicino infrarosso. Ispezionare la regione di cui si desidera acquisire l'immagine. Se sono presenti peli, applicare una lozione esauriente per rimuoverli ed evitare sfondi indesiderati nelle immagini.
Pulisci la regione con un fazzoletto umido. Una volta che la regione è libera, applicare il gel per ultrasuoni sulla pelle nell'area da riprendere. Per fornire un accoppiamento acustico efficiente.
Tenere la sonda in posizione e avviare il software di anteprima, che consente l'output laser e la visualizzazione di immagini tridimensionali. La frequenza dei fotogrammi delle immagini optoacustiche corrisponde alla frequenza di ripetizione dell'impulso laser e viene visualizzata in tempo reale. Quando la ricostruzione tomografica è implementata su un'unità di elaborazione grafica, muovere delicatamente la sonda per ottimizzare la visualizzazione e localizzare la struttura di interesse.
Continuare a utilizzare il software di anteprima e portare l'hardware in modalità di acquisizione dati sul paziente. Muovi delicatamente la sonda di alcuni millimetri al secondo attorno alla regione dell'immagine per tracciare le strutture di interesse. Al termine dell'acquisizione dei dati, arrestare il software, che arresta anche il laser.
L'avambraccio di un volontario sano è a sinistra. La casella bianca rappresenta la regione visualizzata con la sonda. A destra sono riportate le immagini di proiezione di massima intensità della regione sondata.
Poiché la sonda è stata scansionata lentamente sull'avambraccio, è stata ottenuta la visualizzazione in tempo reale dei vasi per tutte le posizioni di scansione. Le immagini hanno utilizzato una luce di 800 nanometri con una frequenza di ripetizione dell'impulso laser di 10 hertz. L'imaging multispettrale è stato eseguito scansionando la sonda lungo il polso di un volontario sano.
È stata utilizzata una frequenza di ripetizione dell'impulso laser di 50 hertz in combinazione con una sintonizzazione della lunghezza d'onda per impulso. Le lunghezze d'onda utilizzate erano comprese tra 730 nanometri e 850 nanometri con incrementi di 30 nanometri. In basso a destra ci sono immagini spettralmente non mescolate che mostrano la distribuzione dell'emoglobina ossigenata in rosso, dell'emoglobina deossigenata in blu e della melanina in giallo.
Partendo dal presupposto che solo questi componenti sono responsabili dell'assorbimento durante la scansione del polso da parte della sonda, la distribuzione di questi tre cromofori tissutali può essere tracciata in tempo reale. Questo filmato dimostra la capacità della sonda di seguire processi dinamici. La circolazione nel dito medio è stata ostruita con un elastico e rilasciata durante l'acquisizione dei dati.
L'aspetto delle forbici indica il momento in cui l'elastico è stato rimosso. I dati sono stati raccolti a 10 fotogrammi al secondo a una lunghezza d'onda di 900 nanometri. La procedura di imaging portatile può essere padroneggiata in un tempo molto breve e, poiché altre modalità di imaging clinico non sono in grado di fornire una risoluzione volumetrica con un tempo comparabile, siamo fiduciosi che il sistema presentato raggiungerà un nuovo valore per la diagnostica accurata e il monitoraggio del trattamento Gli artefatti da movimento possono ancora influire gravemente sulle prestazioni e sulla qualità dell'immagine quando si utilizza la sonda in modalità portatile.
Come regola generale, la velocità di movimento non deve superare i tre millimetri al secondo. Se si utilizza una frequenza di ripetizione laser di 10 hertz in combinazione con l'acquisizione dati multim, è ovviamente consentito un movimento più rapido. Se viene impiegato un laser con un tasso di ripetizione più elevato Con un nuovo approccio di imaging, speriamo di consentire nuove scoperte biologiche.
Vorremmo anche offrire ai medici un nuovo strumento per la diagnostica clinica in molteplici indicazioni. Ad esempio, malattie cardiovascolari e vascolari periferiche legate al sistema linfatico, lesioni mammarie, artrite e infiammazione.
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Panoramica
In questo articolo vengono descritte le capacità di imaging di un nuovo sistema ottacustico portatile per l'imaging tridimensionale, funzionale e molecolare in tempo reale. Il sistema utilizza una sonda dotata di un array matriciale sferico di trasduttori piezoelettrici per acquisire le risposte ultrasoniche dai tessuti.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Immagini biomediche
- Tecnologia optoacustica
- Ricerca preclinica
Sfondo
- La tomografia optoacustica combina tecniche ottiche e ultrasoniche.
- I sistemi portatili permettono mobilità e semplicità d'uso.
- L'imaging in tempo reale è fondamentale per i processi biologici dinamici.
- Lo sviluppo di nuovi strumenti di imaging è essenziale per far progredire la ricerca biomedica.
Scopo dello studio
- Illustrare le capacità di imaging di un sistema optoacustico portatile.
- Dimostrare l'imaging in tempo reale di strutture tissutali profonde.
- Esplorare la fattibilità della valutazione della morfologia vascolare e dei parametri emodinamici.
Metodi Utilizzati
- Utilizzo di una sonda portatile con un array matriciale sferico.
- Eccitazione di risposte ultrasoniche mediante impulsi luminosi di durata nanoseconda.
- Ricostruzione in tempo reale delle immagini a partire dai dati acquisiti.
- Valutazione della morfologia vascolare e dei parametri di perfusione.
Risultati principali
- Imaging riuscito di strutture tissutali profonde in tempo reale.
- Fattibilità dell'uso di un sistema portatile per l'imaging vascolare.
- Dimostrazione di importanti parametri emodinamici e di perfusione.
- Potenziale per nuove applicazioni in contesti preclinici e clinici.
Conclusioni
- Il sistema ottacustico portatile mostra potenzialità per l'imaging in tempo reale.
- Potrebbe ridefinire le applicazioni nell'imaging biomedico.
- Un ulteriore sviluppo potrebbe aumentarne la versatilità nella ricerca e nella pratica.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Contenuto
Questo sistema portatile di imaging optoacustico consente una visualizzazione tridimensionale in tempo reale della morfologia vascolare e dei parametri emodinamici in tessuti profondi, supportando la validazione precoce di bersagli e la riduzione dei rischi meccanicistici nella scoperta di farmaci cardiovascolari e oncologici. La sua portabilità e le capacità di separazione spettrale facilitano la valutazione traslazionale di biomarcatori e studi funzionali preclinici, riducendo la dipendenza da endpoint terminali e migliorando la sicurezza delle decisioni di avanzamento o interruzione. La tecnologia collega l'imaging molecolare preclinico alla diagnostica clinica, offrendo una piattaforma riutilizzabile per il monitoraggio longitudinale delle risposte farmacodinamiche in sistemi rilevanti per la malattia.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Permette l'analisi di ipotesi terapeutiche mediante la visualizzazione in tempo reale dei cambiamenti emodinamici in risposta a perturbazioni farmacologiche in vivo.
- Valore operativo: Supporta la validazione funzionale del bersaglio attraverso il monitoraggio longitudinale della perfusione e della dinamica dell'ossigenazione senza richiedere l'eutanasia dell'animale.
- Valore predittivo: Aumenta la fiducia nel bersaglio correlando la distribuzione dell'agente molecolare con gli esiti funzionali vascolari in modelli pertinenti alla malattia.
Sviluppo di screening e saggi
- Prontezza del saggio: Fornisce output quantitativi e risolti spettralmente per l'ossigenazione, la desossigenazione dell'emoglobina e la distribuzione della melanina, consentendo letture funzionali standardizzate.
- Riproducibilità: Il controllo in tempo reale della frequenza dei fotogrammi mediante la frequenza di ripetizione degli impulsi laser garantisce un campionamento temporale costante tra diverse condizioni sperimentali.
- Utilità della piattaforma: La progettazione portatile consente un'adattabilità rapida tra modelli murini e tessuti umani, favorendo la trasferibilità del saggio su diverse piattaforme.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Rilevanza per le malattie: Applicabile direttamente allo studio di modelli di malattia vascolare periferica, cancro al seno, infiammazione e artrite, come indicato nella fonte.
- Continuità traslazionale: Permette una transizione senza interruzioni dall’imaging molecolare in piccoli animali all’angiografia clinica umana, utilizzando la stessa tecnologia di base.
- Progresso basato sulla valutazione del rischio: La visualizzazione in tempo reale della farmacocinetica e della perfusione degli organi supporta l’eliminazione dei rischi meccanicistici prima di costosi studi preclinici.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il sistema si inserisce nel percorso di scoperta che va dalla validazione del bersaglio all'identificazione del capostazione fino ai test di efficacia preclinica, in particolare per modelli di malattie vascolari e infiammatorie in cui l'imaging funzionale fornisce informazioni sul meccanismo d'azione.
- Biologia della scoperta: Facilita la verifica delle ipotesi collegando i composti somministrati a modifiche in tempo reale della perfusione e dell'ossigenazione dei tessuti.
- Screening: Permette la standardizzazione dei saggi mediante regolazione controllata della lunghezza d'onda e aggiustamento in tempo reale della frequenza dei fotogrammi per ottenere misurazioni emodinamiche costanti.
- Analisi: Fornisce output quantitativi, separati spettralmente, di emoglobina ossigenata e deossigenata e di melanina, supportando l'analisi comparativa delle condizioni.
- Ricerca traslazionale: Favorisce la continuità tra studi preclinici e clinici attraverso l'applicazione di identici principi di imaging in modelli murini e volontari umani.
- Riutilizzo aziendale: La progettazione della sonda portatile consente il riutilizzo tra progetti, team e siti con minima riconfigurazione, promuovendo la standardizzazione della piattaforma.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Fornisce una previsione affidabile del meccanismo d'azione consentendo la correlazione in tempo reale tra l'esposizione al farmaco e le risposte vascolari funzionali.
- Valore operativo: Offre portabilità, configurazione rapida e anteprima in tempo reale, riducendo la latenza di acquisizione delle immagini e aumentando la produttività nei flussi di lavoro di scoperta.
- Valore strategico: Migliora l'efficienza del capitale riducendo l'abbandono dei candidati grazie alla valutazione precoce del rischio funzionale dei bersagli vascolari.
- Impatto sul portafoglio: Permette la priorizzazione dei composti in base a endpoint emodinamici e di perfusione misurabili in vivo, adeguata al livello di rischio.
Considerazioni sull'Implementazione
- Richiede competenze specifiche in fisica optoacustica, sicurezza laser e interpretazione emodinamica.
- Richiede una sorgente laser accordabile nel vicino infrarosso, un array di trasduttori piezoelettrici e una workstation di ricostruzione accelerata da GPU.
- Necessita della standardizzazione della potenza laser, della frequenza di ripetizione degli impulsi e dei protocolli di accoppiamento acustico tra diversi utenti e sedi.
- Deve tenere conto degli artefatti dovuti al movimento, limitando l'uso manuale a velocità inferiori a 3 mm/sec in assenza di correzione del movimento.
- Le prestazioni sono limitate dalla profondità di penetrazione ottica e dalla larghezza di banda del rivelatore acustico, con conseguente impatto sulla fedeltà del segnale nei tessuti profondi.
