ディープティシュ人間血管造影および機能前臨床研究のためのユニバーサルハンドヘルド三次元光音響イメージングプローブリアルタイムで

次の実験の全体的な目標は、3次元、機能、分子イメージングのための新しく開発されたハンドヘルド光音響システムのイメージング機能をリアルタイムで示すことです。これは、組織に保持されたときに光パルスをガイドするファイバーバンドルの周りに電気トランスデューサーであるpizoの球状マトリックスアレイを備えたプローブを使用して達成されます。ナノ秒の持続時間では、光のパルスが超音波応答を励起し、プローブによって捕捉されます。

次に、データを使用してリアルタイムの画像再構築を行い、ハンドヘルドモードでのスキャンを可能にします。この結果は、血管形態の深部組織イメージングの実現可能性と、ポータブルシステムによる重要な血行動態および灌流パラメータを示しています。すべての研究室が特に注目しているのは、光学音響、拡散光学、超音波、およびマルチモダリティアプローチに基づく新しい生物医学イメージングツールの開発です。

新開発のハンドヘルド光学音響断層撮影システムは、基本的に真の5次元イメージング機能を提供できます。これは、組織の形態と機能の高解像度のスペクトルに富んだ体積イメージングをリアルタイムで提供できることを意味します。ボリュームハンドイメージングアプローチとリアルタイム機能を組み合わせることで、容量を排除することは、臨床診断に重要な利点をもたらします。

例えば、末梢血管疾患、リンパ系障害、乳がん、皮膚病変、炎症、関節炎などです。高速波長同調レーザー技術と組み合わせることで、光吸収剤の生体分布をリアルタイムにイメージングすることができます。これが、小動物の分子イメージングアプリケーションでも同様に新しい可能性が生まれる理由です。

例えば、生体内細胞追跡、薬物動態の可視化、臓器灌流、またはニューロイメージングの組織血行動態の研究は、ハードウェアを準備することから始める。チューナブル近赤外線レーザー光源を約15分間ウォームアップ時間オンにします。出力を安定させるために、レーザー出力はハンドヘルドプローブに接続されます。

プローブは、ファイバーバンドル用の開口部を持つ球の一部を覆うように配置されたピソ電気素子のマトリックスアレイで構成されています。中央でファイバーバンドルを接続して、レーザー出力からハンドヘルドプローブにレーザービームを導きます。次に、ハンドヘルドプローブの球面マトリックス検出アレイを並列データ収集システムに接続し、レーザーのQスイッチ出力によってトリガーされ、プローブの音響結合を準備することによって続行されます。

トランスデューサには、光学的および音響的に透明なポリエチレン膜で覆われたマッチングケーシングがあり、皮膚と接触し、アクティブなトランスデューサの表面をケーシングで閉じます。組織表面に対する活性検出面の相対位置によって、有効なイメージング深度が決まります。タンクとプローブの間にポンプを接続します。

次に、それを使用して、トランスデューサーとメンブレンの間の約100ミリリットルの容量を満たします。ポンピングが完了したら、ポンプを切断します。プローブを検査して、気泡や漏れがないことを確認します。

安全のため、近赤外線波長に適した保護ゴーグルを着用してください。撮像波長とレーザーパルスの繰り返し周波数を設定して進めます。制御ソフトウェアでは、波長範囲は690〜900ナノメートルで、特定の組織、クロモ、フォー、および外部投与される対象薬剤に応じて光学的に選択できます。

パルスの繰り返し率は10〜50ヘルツの範囲であり、目的の体積イメージングフレームレートに依存しますが、レーザーの露出制限によっても制限されます。また、音響データ集録システムの入力インピーダンスを1メガオームに設定し、サンプリングレートは40メガサンプル/秒、垂直分解能は12ビットです。安全な操作のために。

レーザーパワーメーターで近赤外スペクトル領域の露光レベルを測定します。パワーメーターをプローブのポリエチレン膜に配置して測定します。レーザー放射をプローブに通し、レーザー出力と繰り返し率を調整します。

したがって、調整が行われたときにメンブレンで安全な露出レベルを満たすには、パワーメーターを取り外します。プローブを使用する準備が整いました。次のステップは、患者が手順のために準備することです。

近赤外線波長に適した保護ゴーグルを患者に提供します。イメージ化する領域を検査します。髪の毛がある場合は、枯渇ローションを塗って髪を取り除き、画像内の望ましくない背景を避けます。

濡れたティッシュでその領域をきれいにします。領域が明確になったら、画像化する領域の皮膚に超音波ジェルを塗布します。効率的な音響カップリングを提供します。

プローブを所定の位置に保持し、プレビューソフトウェアを起動すると、レーザー出力が可能になり、3次元画像の視覚化が可能になります。光音響画像のフレームレートは、レーザーパルスの繰り返し率に対応し、リアルタイムで表示されます。グラフィックプロセッシングユニットで断層撮影の再構築を実装する場合は、プローブをゆっくりと動かして視覚化を最適化し、目的の構造を特定します。

プレビューソフトウェアを引き続き使用し、ハードウェアを患者のデータ収集モードに切り替えます。プローブを撮像された領域の周りを毎秒数ミリメートルゆっくりと動かして、目的の構造を追跡します。データ取得が完了したら、ソフトウェアを停止し、レーザーも停止します。

健康なボランティアの前腕は左側にあります。白いボックスは、プローブで視覚化された領域を表します。右側は、プローブされた領域の最大強度投影画像です。

プローブが前腕上をゆっくりとスキャンされたため、すべてのスキャン位置で血管のリアルタイムの視覚化が達成されました。画像は800ナノメートルの光を使用し、レーザーパルスの繰り返し周波数は10ヘルツです。マルチスペクトルイメージングは、健康なボランティアの手首に沿ってプローブをスキャンすることによって実行されました。

50ヘルツのレーザーパルス繰り返し周波数を、パルスごとの波長チューニングと組み合わせて使用しました。使用した波長は、730ナノメートルから850ナノメートルの間で、30ナノメートル刻みでした。右下には、酸素化ヘモグロビンの分布を赤、脱酸素化ヘモグロビンを青、メラニンを黄色で示したスペクトル非混合画像があります。

プローブが手首をスキャンするときに、これらの成分のみが吸収に関与していると仮定すると、これら3つの組織発色団の分布をリアルタイムで追跡できます。この動画は、プローブが動的なプロセスを追跡する能力を示しています。中指の循環を輪ゴムで塞ぎ、データ取得中に解放しました。

はさみの外観は、輪ゴムが取り外された瞬間を示しています。データは、900ナノメートルの波長で毎秒10フレームで収集されました。ハンドヘルドイメージング手順は非常に短時間で習得でき、他の臨床イメージングモダリティは同等の時間分解能でボリュームを提供することができないため、提示されたシステムは正確な診断と治療モニタリングのための新しい価値を達成すると確信していますモーションアーティファクトは、ハンドヘルドモードでプローブを使用する場合、パフォーマンスと画質に深刻な影響を与える可能性があります。

原則として、運動速度は毎秒3ミリメートルを超えてはなりません。10ヘルツのレーザー繰り返し周波数をマルチMデータ取得と組み合わせて使用すると、もちろん、より高速な動きが可能になります。新しいイメージングアプローチにより、より高い繰り返し率のレーザーが採用されれば、新しい生物学的発見が可能になることを願っています。

また、複数の適応症における臨床診断のための新しいツールを医師に提供したいと考えています。例えば、リンパ系、乳房病変、関節炎、炎症に関連する心血管疾患および末梢血管疾患。