Foto-akoestische tomografie om bloed en lipiden in de infrarenale aorta te beeldvormen

Foto-akoestische tomografie, PAT, ook wel opto-akoestische tomografie genoemd, is een opkomende biomedische beeldvormingsmodaliteit die door licht gegenereerde akoestische golven gebruikt om samenstellingsinformatie uit een weefsel te verkrijgen.

Foto-akoestische tomografie, of PAT, gebruikt specifieke golflengten van licht om specifieke componenten van het weefsel te beeldvormen. Dit is nuttig voor een breed scala aan preklinische en klinische toepassingen, zoals het monitoren van de progressie van op lipiden gebaseerde ziekten.

Momenteel gebruikte beeldvormingstechnieken zijn inherent beperkt in termen van acquisitietijden, penetratiediepte, gebruik van schadelijke contrastmiddelen en kosten. PAT daarentegen is een snelle, niet-invasieve en contrastmiddel-vrije techniek die, in combinatie met bestaande beeldvormingsmodaliteiten zoals echografie, structurele en samenstellingsinformatie tegelijkertijd kan leveren.

Deze video zal de basisprincipes van vibratie-PAT en de methodologie voor het opzetten van bloed- en lipidebeeldvorming bij muizen illustreren. Vervolgens zullen we demonstreren hoe VPAT-beelden in combinatie met echografie moeten worden geïnterpreteerd, gevolgd door enkele toepassingen van de techniek.

Laten we beginnen met het bespreken van de fundamenten van deze beeldvormingstechniek.

Tijdens VPAT-beeldvorming wordt enkelgolflengtelicht van een laserbron getoond op het gebied van belang. Dit licht wordt vervolgens geabsorbeerd door een golflengte-specifieke chemische binding in het biologische weefsel. In VPAT veroorzaakt het geabsorbeerde licht dat het molecuul trilt.

Een deel van deze vibratie-energie wordt vervolgens omgezet in tijdelijke verwarming. Deze warmteproductie veroorzaakt vervolgens een thermoelastische expansie van het lokale weefsel en produceert als gevolg hiervan ultrasone golfvoortplanting. Dit wordt de foto-akoestische effect genoemd. De detectie van de ultrasone golf door een ultrasone transducer levert een samenstellingsspecifiek tomografisch beeld op.

Mathematisch wordt de lichtgeïnduceerde akoestische golf P nul bepaald door de temperatuurafhankelijke Gruneisen-parameter gamma, absorptiecoëfficiënt mu a en lokale optische fluence F. Dus voor elke millikelvin temperatuurstijging is er een drukgolf van 800 pascal die kan worden gedetecteerd met behulp van een ultrasone transducer. Deze binding-selectieve absorptie van licht stelt gebruikers in staat om verschillende biologische componenten te targeten door de golflengte van het licht af te stemmen.

Bijvoorbeeld, 1.100-nanometer licht wordt gebruikt om bloed te targeten, en 1.210-nanometer licht wordt gebruikt om lipiden te targeten. Bovendien, omdat licht wordt gebruikt om akoestische golfvoortplanting te induceren, kan deze techniek worden gebruikt om typisch diepere structuren af te beelden dan andere optische technieken zonder de noodzaak van contrastmiddelen of invasieve procedures.

Nadat we de basisprincipes van VPAT hebben besproken, laten we nu een voorbeeld zien van hoe VPAT kan worden ingesteld en uitgevoerd om bloed en lipiden in de infrarenale aorta van apolipoproteïne E-deficiënte muizen af te beelden.

Verkrijg eerst de benodigde apparatuur: een Nd:YAG gepulseerde optische parametrische oscillatorlaser, een ultrasone systeem, een vertragingsgenerator en een D-connector die is bevestigd aan twee BNC-kabels. Bevestig vervolgens de Fire BNC-kabel aan poort A van de vertragingsgenerator en Q-switch aan poort B van de vertragingsgenerator. Verbind het uiteinde van de BNC-kabel van poort C naar trigger in aan de achterkant van het ultrasone systeem.

Stel de vertraging van poorten A, B en C in op de hier vermelde waarden. Poorten A en B moeten specifiek omgekeerde pulsen produceren, en poort C moet normale pulsen produceren. Richt vervolgens de glasvezelkabel uit met de laser en bevestig de uiteinden van de glasvezel aan de zijkanten van de 40-megahertz ultrasone transducer.

Laten we nu demonstreren hoe een dier kan worden voorbereid voor foto-akoestische tomografie.

Anesthesieer eerst een apolipoproteïne E-deficiënte muis met 3% isofluraan in een knock-downkamer. Zodra het dier is verdoofd, verplaats de muis naar de verwarmde stage en bevestig een neuskoker om één tot 2% isofluraan te leveren. Breng oogsmeer aan op de ogen van het dier om cornea-uitdroging te voorkomen. Plak de poten van de muis op elektroden die zijn ingebouwd in de verwarmde stage om de ademhaling en hartslag van het dier te controleren. Plaats tenslotte een rectale sonde om de lichaamstemperatuur te meten.

Verwijder vervolgens het haar van de hele buik van het dier door ontharingscreme aan te brengen. Plaats de ultrasone transducer op de buik van het dier en lokaliseer de infrarenale aorta. De linker niervene en de aortische trifurcatie in de staartarterie zijn twee herkenningspunten die de gebruiker helpen om dit gebied te lokaliseren.

Om te beginnen met het verkrijgen van beelden, drukt u op B Mode om een live B Mode-beeld te zien. Stel de versterking in met de 2D Gain-knop en de focus met de Focal Zone en Focus Depth-knoppen. Stel de beeldbreedte en -diepte in met de Depth Offset-, Image Width- en Image Depth-knoppen.

Schakel vervolgens de laser in. Druk op PA Mode om live B Mode- en PA-beelden te zien. Pas de PA-versterking aan met de 2D Gain-knop en pas het PA-venster en de kleurenkaart op het scherm aan. Laat de laser draaien op 1.100-nanometer licht om bloed te targeten, gevolgd door 1.210-nanometer licht om lipiden te targeten.

Laten we nu de resultaten van het VPAT-protocol bekijken om in vivo lipiden- en bloedspecifieke beeldvorming uit te voeren.

De ultrasone beeldvorming maakte het mogelijk om structurele informatie over de infrarenale aorta te verkrijgen. Dit kan worden gebruikt om de VPAT-samenstellingsinformatie beter te interpreteren. Specifiek, het 1.100-nanometer licht beeldde het bloed binnen de aorta af, terwijl het 1.210-nanometer licht de subcutane en periaortale vetaccumulatie beeldde af.

Zoals te zien is op deze afbeeldingen, volgt het subcutane vet de geometrie van de huid. Het periaortale vet volgt echter de contour van de aorta, en het bloeds