신하 대동맥에서 혈액과 지질을 영상화하기 위한 광음향 단층 촬영

광음향 단층 촬영(Photoacoustic tomography, PAT)은 광음향 단층 촬영(optoacoustic tomography)이라고도 하며, 빛에서 생성된 음파를 활용하여 조직에서 구성 정보를 얻는 새로운 생체 의학 이미징 방식입니다.

광음향 단층촬영(PAT)은 특정 파장의 빛을 사용하여 조직의 특정 구성 요소를 이미지화합니다. 이는 지질 기반 질병 진행 모니터링과 같은 다양한 전임상 및 임상 응용 분야에 유용합니다.

현재 사용되는 이미징 기술은 획득 시간, 침투 깊이, 유해한 조영제 사용 및 비용 측면에서 본질적으로 제한적입니다. 반면에 PAT는 빠르고 비침습적이며 조영제가 없는 기술로, 초음파와 같은 기존 이미징 양식과 결합할 때 구조 및 구성 정보를 동시에 제공할 수 있습니다.

이 비디오는 진동 PAT의 기본 원리와 마우스에서 혈액 및 지질 이미징을 설정하는 방법론을 보여줍니다. 다음으로, 초음파와 함께 VPAT 이미지를 해석하는 방법을 시연한 다음 이 기술을 몇 가지 적용하는 방법을 보여줍니다.

이 이미징 기술의 기본 사항에 대해 논의하는 것으로 시작하겠습니다.

VPAT 이미징 중에는 레이저 소스의 단일 파장 광이 관심 영역에 표시됩니다. 그런 다음 이 빛은 생물학적 조직의 파장별 화학 결합에 의해 흡수됩니다. VPAT에서 흡수된 빛은 분자를 진동시킵니다.

이 진동 에너지 중 일부는 일시적인 가열로 변환됩니다. 이러한 열의 생성은 국소 조직의 열탄성 팽창을 일으키고 결과적으로 초음파 전파를 생성합니다. 이를 광음향 효과라고 합니다. 초음파 변환기에 의한 초음파의 검출은 구성에 따른 단층 촬영 이미지를 산출합니다.

수학적으로 광 유도 음파(light-induced acoustic wave P naught)는 온도에 의존하는 그루나이젠(Gruneisen) 매개변수 감마(gamma), 흡수 계수 mu a, 국소 광학 플루언스 F(local optical fluence) F에 의해 제어됩니다. 따라서 각 밀리켈빈 온도 상승에 대해 초음파 변환기를 사용하여 감지할 수 있는 800파스칼 압력파가 있습니다. 이러한 결합 선택적 빛 흡수를 통해 사용자는 빛의 파장을 조정하여 다양한 생물학적 구성 요소를 표적으로 삼을 수 있습니다.

예를 들어, 1,100나노미터 빛은 혈액을 표적으로 삼는 데 사용되고, 1,210나노미터 빛은 지질을 표적으로 삼는 데 사용됩니다. 또한 빛은 음파 전파를 유도하는 데 사용되기 때문에 이 기술은 일반적으로 조영제나 침습적 절차 없이 다른 광학 기술보다 더 깊은 구조를 이미지화하는 데 사용할 수 있습니다.

VPAT의 기본 사항을 검토한 후 이제 아포지단백 E가 결핍된 마우스의 하부 대동맥에서 혈액과 지질을 이미지화하기 위해 VPAT를 설정하고 수행하는 방법의 예를 살펴보겠습니다.

먼저 Nd:YAG 펄스 광 파라메트릭 발진기 레이저, 초음파 시스템, 지연 발생기 및 두 개의 BNC 케이블에 연결된 D 커넥터와 같은 필요한 장비를 구합니다. 그런 다음 Fire BNC 케이블을 지연 발생기의 포트 A에 연결하고 Q-스위치를 지연 발생기의 포트 B에 연결합니다. 포트 C의 BNC 케이블 끝을 연결하여 초음파 시스템 뒷면의 트리거를 연결합니다.

포트 A, B 및 C의 지연을 여기에 나열된 값으로 조정합니다. 포트 A와 B는 구체적으로 반전된 펄스를 출력해야 하고 포트 C는 정상 펄스를 출력해야 합니다. 그런 다음 광섬유 케이블을 레이저에 정렬하고 광섬유 끝을 40메가헤르츠 초음파 변환기의 측면에 부착합니다.

이제 광음향 단층 촬영을 위해 동물을 준비하는 방법을 시연해 보겠습니다.

먼저, 녹다운 챔버에서 3% 이소플루란을 사용하여 아포지단백 E가 결핍된 마우스를 마취합니다. 동물이 마취되면 마우스를 가열된 스테이지로 이동하고 1-2% 이소플루란을 전달하기 위해 콧방울을 고정합니다. 각막 건조를 방지하기 위해 동물의 눈에 눈 윤활제를 바르십시오. 생쥐의 발을 가열된 스테이지에 내장된 전극에 테이프로 붙여서 동물의 호흡과 심박수를 모니터링합니다. 마지막으로 직장 프로브를 삽입하여 체온을 모니터링합니다.

다음으로 제모 크림을 바르고 동물의 복부 전체에서 털을 제거합니다. 초음파 변환기를 동물의 복부에 놓고 대동맥을 찾습니다. 왼쪽 신장 정맥과 꼬리 동맥으로의 대동맥 삼분은 사용자가 이 영역을 찾는 데 도움이 되는 두 가지 랜드마크입니다.

이미지 획득을 시작하려면 B 모드를 눌러 라이브 B 모드 이미지를 확인합니다. 2D 게인 노브를 사용하여 게인을 조정하고 Focal Zone 및 Focus Depth 노브를 사용하여 초점을 조정합니다. Depth Offset(깊이 오프셋), Image Width(이미지 너비) 및 Image Depth(이미지 깊이) 버튼을 사용하여 이미지 너비와 깊이를 조정합니다.

그런 다음 레이저를 켭니다. PA 모드를 눌러 라이브 B 모드 및 PA 이미지를 봅니다. 2D 게인 노브를 사용하여 PA 게인을 조정하고 화면에서 PA 창과 컬러 맵을 조정합니다. 1,100나노미터 빛으로 레이저를 실행하여 혈액을 표적으로 한 다음 1,210나노미터 광을 목표로 지질을 목표로 합니다.

이제 in vivo에서 지질 및 혈액 특이적 이미징을 수행하기 위한 VPAT 프로토콜의 결과를 검토해 보겠습니다.

초음파 영상을 통해 대동맥 내측에 대한 구조적 정보를 얻을 수 있었습니다. 이는 VPAT 구성 정보를 더 잘 해석하는 데 사용할 수 있습니다. 구체적으로 1,100나노미터의 빛은 대동맥 내의 혈액을 이미지화한 반면, 1,210나노미터의 빛은 피하 및 대동맥 주위 지방 축적을 이미지화했습니다.

이 이미지에서 볼 수 있듯이 피하 지방은 피부의 기하학적 구조를 따릅니다. 그러나 대동맥 주위 지방은 대동맥의 윤곽을 따르며 혈액 신호는 대동맥 내에서 발생합니다.

광음향 단층 촬영은 다양한 전임상 및 임상 응용 분야에 사용할 수 있습니다.

생체 내 소동물 이미징은 전임상 연구에서 중요한 역할을 하며, 광음향 단층 촬영은 근적외선을 사용하여 전자 흡수를 감지하여 신경생물학적 응용 분야에서 뇌 심부 특징의 고해상도 이미징을 가능하게 합니다. 헤모글로빈 산소화, 혈관 해부학 및 혈류에 대한 정확한 데이터가 수집됩니다. 이 내부 뇌 영상 정보는 정상 및 병리학적 뇌 조직을 평가하는 데 사용할 수 있습니다.

혈관 의학에서는 정맥과 동맥을 시각화하고 그 기능을 평가하는 것이 중요합니다. 광음향 단층 촬영은 플라크를 취약하거나 안정적인 것으로 특징짓는 구성 정보를 제공하여 어떤 플라크가 파열되기 쉽고 심근 경색 또는 허혈성 뇌졸중을 유발할 수 있는지 예측하는 데 도움이 됩니다.

방금 JoVE의 광음향 단층 촬영에 대한 소개를 시청했습니다. 이제 이 이미징 기술의 기본 원리를 이해하고 동물을 이미지화하고 결과를 해석할 수 있어야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!