Methodenartikel

Universal Hand-held Driedimensionale opto-akoestische Imaging Probe voor Deep Tissue Human-angiografie en Functional preklinisch Studies in Real Time

10.4K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/51864

⸱

4 november 2014

 ,  , 
1Institute for Biological and Medical Imaging (IBMI), Helmholtz Zentrum München, 2Faculty of Medicine, Technische Universität München

In dit artikel

Samenvatting

We geven hierin een gedetailleerde beschrijving van het experimentele protocol voor beeldvorming met een nieuw ontwikkeld handbediend optoakoestisch (fotoakoestisch) systeem voor driedimensionale functionele en moleculaire beeldvorming in real time. De aangetoonde krachtige prestaties en veelzijdigheid kunnen nieuwe toepassingsgebieden van de optoakoestische technologie in preklinisch onderzoek en klinische praktijk definiëren.

Samenvatting

De exclusieve combinatie van hoog optisch contrast en uitstekende ruimtelijke resolutie maakt opto-akoestiek (foto-akoestiek) ideaal voor het gelijktijdig verkrijgen van anatomisch, functioneel en moleculair contrast in diep optisch ondoorzichtige weefsels. Hoewel er onlangs enorm potentieel is aangetoond in de toepassing van opto-akoestiek voor onderzoek bij kleine dieren, zijn er ook grote inspanningen geleverd om deze beeldvormingstechnologie te vertalen naar de klinische praktijk. We presenteren hier een nieuw ontwikkelde opto-akoestische tomografiebenadering die in staat is om in real time hoge resolutie en spectraal verrijkte volumetrische beelden van weefselmorfologie en functie te leveren. Een gedetailleerde beschrijving van het experimentele protocol voor het werken met het beeldvormingssysteem in zowel handbediende als stationaire modi wordt geboden en getoond voor verschillende potentiële scenario's met functionele en moleculaire studies bij muizenmodellen en mensen. De mogelijkheid voor realtime visualisatie in drie dimensies, samen met het veelzijdige handbediende ontwerp van de beeldvormingssonde, maakt de nieuw ontwikkelde benadering uniek binnen het pantheon van beeldvormingsmodaliteiten die vandaag de dag worden gebruikt in preklinisch onderzoek en klinische praktijk.

Inleiding

Opto-akoestische (foto-akoestische) beeldvorming trekt steeds meer belangstelling uit de biologische en medische research communities, zoals blijkt uit het steeds toenemende aantal publicaties omvat verschillende nieuwe toepassingen die de unieke voordelen van de technologie 1-5 exploiteren. Met name de mogelijkheid om image spectraal onderscheidende foto-absorberende stoffen met een hoge ruimtelijke resolutie op een diepte tot ver buiten de diffuse grens van licht opent ongekende mogelijkheden voor functionele en moleculaire beeldvorming 6-10.

Inderdaad, de vertaling van de opto-akoestische technologie in de klinische praktijk wordt geleverd met veelbelovende perspectieven in de diagnostiek en behandeling te volgen van vele ziekten. Toch is de beperkte verspreiding van fotonen in optisch verstrooiende en absorberende weefsels en de algemeen zwakke reacties geassocieerd met de opto-akoestische verschijnsel beperken de toepassing diepte van de methode. Hierdoor handbediende optoacoustic probes werden geprobeerd beelddelen van buitenaf het lichaam 11,12 tijdens endoscopische systemen worden gebruikt om beelden vanuit het lichaam te voorzien door ze via natuurlijke openingen 13. Sommige low-absorberende delen van het menselijk lichaam, zoals de vrouwelijke borst, zijn ook toegankelijk door tomographic opto-akoestische scanners 14,15. Van bijzonder belang is de handbediende benadering omdat hiermee grote veelzijdigheid, vergelijkbaar met echografie. Hier, aanpassing van de gemeenschappelijke ultrasone lineaire array probes voor opto-akoestische beeldvorming blijft uitdagend, vooral als gevolg van fundamentele verschillen in beeldvormapparaat eisen tussen echografie en optoacoustics. Terwijl de hoge frame rates in standaard echografie zijn ingeschakeld door opeenvolgende zend-ontvangst regelingen gebruik hoge pulsherhalingsfrequenties in het kHz bereik, wordt real-time driedimensionale opto-akoestische beeldvorming bereikt door gelijktijdige ophaling van volumetrische tomografische gegevens van een enkele interrogating laserpuls. Aldus hoogwaardige opto-akoestische beeldvorming veronderstelt acquisitie van driedimensionale gegevens van de grootste mogelijke ruimtehoek rond de afgebeelde object.

Onlangs hebben we de eerste handheld opto-akoestische sonde ingevoerd voor driedimensionale (volumetrische) beeldvorming in real time 16. Het systeem is gebaseerd op een tweedimensionale matrix van 256 piëzo-elektrische elementen aangebracht op een bolvormig oppervlak (blauwe stippen in figuur 1A) die een hoek van 90 °. De grootte van de afzonderlijke elementen van ca. 3 x 3 mm 2, alsmede hun oriëntatie en frequentiebandbreedte (ongeveer 2-6 MHz) garanderen effectieve signaal ophalen van een centimeter-volume rond het middelpunt van de bol (zwarte kubus in figuur 1A). Optische excitatie van het beeldgebied is voorzien van een vezelbundel ingebracht door een centrale cilindrische holte van de array, zodat elke golflengte susceptible van door de vezelbundel wordt uitgezonden kan worden gebruikt voor beeldvorming. Een daadwerkelijk beeld van de reeks omzetters met de optische vezelbundel is getoond in figuur 1B. De efficiënte excitatie en gelijktijdige detectie van signalen maakt een diepe weefsel beeldvorming met enkelvoudige excitatie (één laserpuls), waardoor real-time imaging met een framesnelheid bepaald door de pulsherhalingsfrequentie van de laser verder wordt ingeschakeld met een graphics- processing unit (GPU) uitvoering van de reconstructie procedure 17. Een cilindrische behuizing met een transparante polyethyleen membraan (figuur 1C) aan het transducentstelsel aan een akoestisch overdragen vloeibaar medium (water) omsluiten. Het membraan wordt verder gekoppeld aan het weefsel door middel van akoestische gel. Een beeld van de opto-akoestische sonde gebruikt in draagbare werkingsmodus weergegeven in figuur 1D.

De aangetoonde three dimensionale draagbare opto-akoestische beeldvorming in combinatie met de real time functionele beeldvorming capaciteit hebben belangrijke voordelen voor klinische diagnostiek en een aantal mogelijke toepassingen beoogd voor verschillende indicaties, zoals perifere vasculaire ziekte, lymfevatenstelsel, borstkanker, huidlaesies, ontsteking of artritis 18. Bovendien is de snelle beeldvorming capaciteit maakt visualisatie van dynamische biologische gebeurtenissen met de probe die in een stilstaande positie. Gecombineerd met snel golflengte-afstemming optische parametrische oscillator (OPO) lasertechnologie, deze benadering maakt real-time beeldvorming van biologische verdeling van foto-absorptiemiddelen. Daardoor kunnen nieuwe mogelijkheden even opduiken in beeldvorming van kleine proefdieren toepassingen, bijv., In het bestuderen weefsel hemodynamiek, in vivo cell tracking, visualisatie van farmacokinetiek, orgaanperfusie, doelgerichte moleculaire beeldvorming van tumoren en het cardiovasculaire systeem, of neuroimaging.

In dit werk wij een gedetailleerde beschrijving van de experimentele imaging protocol om met de bolvormige matrix opto-akoestische handbediende sonde en showcase prestaties aantal typische klinische en beeldvormingsexperimenten's.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

De werkwijze voor het bedienen van het volume draagbare opto-akoestische probe wordt hieronder beschreven. Deze procedure wordt uitgevoerd volgens erkende institutionele voorschriften betreffende mens en dier experimenten.

1. Voorbereiding van het systeem

  1. Schakel de laser voor een warming-up periode van ~ 15 min voorafgaand aan de operatie voor het stabiliseren van de uitgaande lichtstraal.
  2. Plaats het water omsluiten gedeelte met de isolerende membraan dat in contact met de huid (figuur 1).
    OPMERKING: De afstand tussen de isolerende membraan (in contact met de huid) en het gebied met maximale gevoeligheid van de transducer (midden van de bolvormige sonde) wordt het effectieve beeldvorming diepte.
  3. Vul het hele volume van ongeveer 100 ml van de isolerende membraan en het oppervlak van de transducer met gedeïoniseerd water met behulp van een pomp.
  4. Zorg ervoor dat er geen water lekkage noch luchtbellen zijn present. Als alternatief, vermijd luchtbellen door recirculatie van water.
  5. Voer de experimenten bij kamertemperatuur en zorgen voor koppeling medium (water) wordt gehandhaafd op deze temperatuur.

2. Imaging Voorbereiding

  1. Menselijke imaging voorbereiding.
  2. Verwijder haar van de te-afgebeeld gedeelte met een ontharen lotion teneinde een ongewenste achtergrond in de beelden te voorkomen (deze stap is optioneel).
  3. Solliciteer ultrasound gel op de huid rond de regio af te beelden om efficiënte akoestische koppeling bieden. Plaats de opto-akoestische probe in het gebied van belang. Zorg ervoor dat er geen luchtbellen aanwezig in het ultrasone koppeling gel zijn.
  4. Animal imaging voorbereiding.
  5. Zorg ervoor dat de zorg en experimentele procedures met dieren zijn in overeenstemming met de institutionele en de overheid regels en voorschriften.
  6. Verwijder de vacht van het dier in de omgeving af te beelden met een aftershave. Bescherm de ogen van het dier metdierenarts zalf, die droogheid en beschadiging voorkomt blootstelling aan intense gepulseerde laser straling.
  7. Verdoven dier door intraperitoneale injectie (IP) van ketamine / xylazine (100 mg / kg KG ketamine + 5 mg / kg xylazine KG) voorafgaand aan het experiment of gebruik isofluraan anesthesie (2-3% (volume) met 0,9 l / min gasstroom) tijdens het experiment. Bevestig verdoving door controle van de reflex van de achterpoot van het dier.
  8. Solliciteer ultrasound gel op de huid rond de regio af te beelden om efficiënte akoestische koppeling bieden en plaats de opto-akoestische sonde in de regio van belang. Zorg ervoor dat er geen luchtbellen aanwezig in het ultrasone koppeling gel zijn.

3. Pre-view Operation Mode

  1. Bepaal de beeldvormende golflengte (s) tussen 690 nm en 900 nm en de pulsherhalingsfrequentie tussen 10 en 50 Hz. Selecteer de parameters voor de akoestische data acquisitiesysteem - 1 MQingangsimpedantie. Acquire 2030 samples voor elke laserpuls met een sampling rate van 40 megabemonsteringen per seconde en 12-bits verticale resolutie. Leiden tot de overname met Q-switch uitgang van de laser.
  2. Zorg ervoor dat zowel de machinist als de patiënt gebruik veiligheidsbril aangepast aan de optische excitatie golflengte (s). Stel het laservermogen zodat het licht Fluence op het weefsel oppervlak onder de 20 mJ / cm 2 wordt gehandhaafd tijdens het experiment voor nabij-infrarode golflengten om blootstellingslimieten voor menselijke experimenten 19 veiligheidsonderzoek voldoen en om de thermische belasting en beschadiging van de huid bij dieren te voorkomen .
  3. Start de software een GPU uitvoering van algoritmen te visualiseren driedimensionale beelden met een beeldfrequentie die overeenkomt met de pulsherhalingsfrequentie van de laser mogelijk pre-view.
  4. Verplaats de sonde en / of het af te beelden object om visualisatie te optimaliseren en lokaliseren de structuren van belang.

4. Data Acquisition

  1. Data-acquisitie voor het scannen (hand-held) modus.
  2. Eventueel Injecteer contrastmiddel voor overname het contrast in het gebied van belang te verrijken.
    OPMERKING: In onze experimenten hebben we niet uitgevoerd contrast-versterkte menselijke beeldvorming. Toch kunnen verschillende contrastmiddelen eventueel worden gebruikt voor dit doel. Indocyaninegroen (ICG) is een voorbeeld van klinisch goedgekeurde optische contrastmiddel dat gebruikt kan worden voor contrastversterking bij maximaal aanbevolen dosis van 2 mg / kg lichaamsgewicht bij volwassenen.
  3. Start de hardware voor data acquisitie met de onder 3.1 beschreven parameters handhaven van de uitvoering van het voorbeeld software. Beweeg de sonde rond de afgebeelde regio om de structuren van belang te volgen.
    OPMERKING: Bij beelden op meerdere laser- golflengten gelijktijdig worden verkregen, de snelheid van bewegen van de meetkop in de hand gehouden modus moet aanzienlijk worden verminderd (bij voorkeur minder dan 2 mm / seceen laserpuls herhalingsfrequentie van 50 Hz) om beweging gerelateerde artefacten in het spectraal ongemengde beelden te voorkomen.
  4. Data-acquisitie voor stationaire modus.
  5. Monteer het afgebeelde object (bijv., Dier) en de handbediende sonde op de houder en start de verwerving met 3.1 beschreven parameters handhaven van de uitvoering van de pre-weergave software.
  6. Handhaaf de opto-akoestische probe en de beeldvorming deel in dezelfde positie tijdens het experiment te visualiseren dynamische biologische gebeurtenissen in het gebied van belang.
  7. Injecteer een contrastmiddel de dynamische verdeling in het gebied van belang te volgen.
    Opmerking: In onze muisexperimenten, indocyaninegroen (ICG) werd gebruikt voor contrastverbetering. Als algemene richtlijn, een bedrag van 10 nmol of 0,4 mg / kg van ICG heeft in de muis verkeer zullen worden ingevoerd om detecteerbare contrast met multi-spectrale optoacoustics in vivo te creëren.
    OPMERKING: Het contrastmiddel moet zijngoedgekeurd voor menselijke en / of dierlijke gebruik door de betreffende instantie.

5. finaliseren het Experiment

  1. Stop de laser.
  2. Verwijder de opto-akoestische probe uit de afgebeelde gebied. Voor dierlijke studie, stoppen de anesthesie aanbod.
  3. Plaats het dier onder een infrarood verwarmingselement om het warm te houden en te voorkomen dat het contact met andere dieren totdat hij volledig hersteld van de narcose. Laat het dier niet onbeheerd achter tijdens het herstel van de narcose.

6. Off-line Data Processing

  1. Laad het bestand (en) met daarin de verworven opto-akoestische signalen in de softwaretoepassing die wordt gebruikt voor de verwerking van gegevens.
  2. Gebruik een reconstructie-algoritme om een ​​driedimensionale matrix matrix correspondeert met een volumetrisch beeld van de optische absorptie voor elk frame en elke golflengte te verkrijgen.
    OPMERKING: Bij de reconstructie het de voorkeur om een ​​algoritme goed voor verstorende factoren, zoals heterogeneteiten en verzwakking in het afgebeelde object, effecten van uiteindelijke bandbreedte en geometrische vorm van de detectie-elementen en licht fluentie variaties, teneinde een kwantitatieve weergave van de verdeling van de geabsorbeerde energie verkrijgen.
  3. Gebruik een ontmenging algoritme om, uit elke multi-golflengte frame, een nieuwe set van drie-dimensionale matrix arrays die de optische absorptie voor elke absorberende stof in het monster.
  4. Indien nodig verdere verwerken matrix arrays die de optische absorptie distributie visualisatie en lezen van biologisch relevante parameters vergemakkelijken.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Representatieve resultaten, het aantonen van de mogelijkheden van de beschreven volumetrische hand-held opto-akoestische sonde, worden tentoongesteld in deze sectie. In alle gevallen werd het licht Fluence op het huidoppervlak onder de blootstellingslimiet veiligheid van 20 mJ / cm2 19 gehouden.

De prestatie van de probe in real-time tracking perifeer menselijk vaatstelsel wordt gedemonstreerd in figuur 2. In de loop van dit experiment werd de probe langzaam langs...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

De unieke voordelen van opto-akoestische beeldvorming in kleine dierproeven hebben sterke motivatie gemaakt voor het vertalen van de technologie in klinische praktijk, met een aantal diagnostiek en behandeling bewakingstoepassingen ogen bijv. In borst- en huidkanker, ontsteking of perifere vasculatuur ziekten. Echter, in tegenstelling tot muizen of kleinere dieren, die worden omgeven door een voldoende aantal lichtbronnen en detectie-elementen een effectief tomografische acquisitie geometrie, de grote afmetinge...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Het onderzoek dat tot deze resultaten heeft geleid, heeft financiering ontvangen van de European Research Council onder subsidieovereenkomst ERC-2010-StG-260991.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Optical parametric oscillator (OPO)-based laserInnolas Laser GmbH, Krailling (Germany)op maat gemaaktDe laser levert laserpulsen met een duur van ongeveer 10 nsec en een energie tot 80 mJ.
De golflengte is instelbaar tussen 680-950 nm.
Sferische array van piezocomposite detectorenImasonic SaS, Voray (Frankrijk)op maat gemaaktDe array bestaat uit 256 piëzo-elektrische sensoren verdeeld over een sferische oppervlakte.
Elk element heeft afmetingen van 3 x 3 mm2, een centrale frequentie van 4 MHz en een bandbreedte van 100%. 
Data acquisitie systeem (DAQ)Falkenstein Mikrosysteme GmbH, Taufkirchen (Germany)op maat gemaaktDe DAQ verzamelt gelijktijdig 256 signalen met 40 megasamples per seconde en 2.030 samples.
De ingangsweerstand is 1 MW.
VezelbundelCeramOptec GmbH, Bonn (Germany)op maat gemaaktDe bundel bestaat uit 480 individuele vezels willekeurig verdeeld in de ingang en uitgang.
De numerieke opening van elke individuele vezel is 0,22.
Athymische naakte muisHarlan Laboratories (Nederland)Athymisch naakt - Foxn1nuDe muis was 8 weken oud (volwassen) ten tijde van het experiment.
Het ethische protocol werd goedgekeurd door de Beierse overheid (nummer 55.2.1.54-2632-102-11)
Bepanthen crèmeBayer AG (Duitsland)Diergeneeskundig zalf om de ogen tijdens anesthesie te beschermen
Data verwerkingssoftwareMatlab (Mathworks, Natick, MA, USA)op maat gemaaktDe data verwerkingssoftware werd ontwikkeld op ons instituut.
Het maakt reconstructie bij elke golflengte en multi-golflengte unmixing mogelijk, evenals verdere gegevensverwerking.
Waterbevattend onderdeelop maat gemaaktDit onderdeel bevat het water dat fungeert als akoestisch koppelingsmedium tussen huid en transducer elementen
Indocyanine groen (ICG)PULSION Medical Systems SEICG-PULSION (werkzame stof: indocyaninegroen kleurstof) is een geneesmiddel dat wordt gebruikt bij cardiale, circulatie- en microcirculatoire diagnostiek, leverfunctiediagnostiek en oogheelkundige angiografie diagnostiek.

Referenties

  1. Stritzker, J., et al. Vaccinia virus-mediated melanin production allows MR and optoacoustic deep tissue imaging and laser-induced thermotherapy of cancer. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (9), 3316-3320 (2013).
  2. Herzog, E., et al. Optical Imaging of Cancer Heterogeneity with Multispectral Optoacoustic Tomography. Radiology. 263 (2), 461-468 (2012).
  3. Johnson, S. P., Laufer, J. G., Zhang, E. Z., Beard, P. C., Pedley, R. B. Determination of Differential Tumour Vascular Pathophysiology in Vivo by Photoacoustic Imaging. Eur J Cancer. 48, 186-187 (2012).
  4. Yao, J. J., et al. Noninvasive photoacoustic computed tomography of mouse brain metabolism in vivo. Neuroimage. 64, 257-266 (2013).
  5. Strohm, E. M., Berndl, E. S. L., Kolios, M. C. High frequency label-free photoacoustic microscopy of single cells. Photoacoustics. 1 (3-4), 49-53 (2013).
  6. Beard, P. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus. 1, 602-631 (2011).
  7. Wang, L. H. V., Hu, S. Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs. Science. 335 (6075), 1458-1462 (2012).
  8. Xiang, L. Z., Wang, B., Ji, L. J., Jiang, H. B. 4-D Photoacoustic Tomography. Sci Rep-Uk. 3, 10-1038 (2013).
  9. Buehler, A., Dean-Ben, X. L., Claussen, J., Ntziachristos, V., Razansky, D. Three-dimensional optoacoustic tomography at video rate. Optics express. 20 (20), 22712-22719 (2012).
  10. Dean-Ben, X. L., Razansky, D. Adding fifth dimension to optoacoustic imaging: volumetric time-resolved spectrally-enriched tomography. Light: Science and Applications. 3, (2014).
  11. Fronheiser, M. P., et al. Real-time optoacoustic monitoring and three-dimensional mapping of a human arm vasculature. J Biomed Opt. 15 (2), (2010).
  12. Buehler, A., Kacprowicz, M., Taruttis, A., Ntziachristos, V. Real-time handheld multispectral optoacoustic imaging. Opt Lett. 38 (9), 1404-1406 (2013).
  13. Yang, J. M., et al. Simultaneous functional photoacoustic and ultrasonic endoscopy of internal organs in vivo. Nat Med. 18 (8), 1297-1302 (2012).
  14. Kruger, R. A., Lam, R. B., Reinecke, D. R., Del Rio, S. P., Doyle, R. P. Photoacoustic angiography of the breast. Med Phys. 37 (11), 6096-6100 (2010).
  15. Heijblom, M., et al. Visualizing breast cancer using the Twente photoacoustic mammoscope: What do we learn from twelve new patient measurements. Optics express. 20 (11), 11582-11597 (2012).
  16. Dean-Ben, X. L., Razansky, D. Portable spherical array probe for volumetric real-time optoacoustic imaging at centimeter-scale depths. Optics express. 21 (23), 28062-28071 (2013).
  17. Dean-Ben, X. L., Ozbek, A., Razansky, D. Volumetric real-time tracking of peripheral human vasculature with GPU-accelerated three-dimensional optoacoustic tomography. IEEE transactions on medical imaging. 32 (11), 2050-2055 (2013).
  18. Dean-Ben, X. L., Razansky, D. Functional optoacoustic human angiography with handheld video rate three dimensional scanner. Photoacoustics. 1 (3-4), 68-73 (2013).
  19. American National Standards for the Safe Use of Lasers ANSI Z136.1.. , Americal Laser Institute. http://www.lia.org/PDF/Z136_1_s.pdf (2000).
  20. Ntziachristos, V., Razansky, D. Molecular imaging by means of multispectral optoacoustic tomography (MSOT). Chemical reviews. 110 (5), 2783-2794 (2010).
  21. Luke, G. P., Yeager, D., Emelianov, S. Y. Biomedical Applications of Photoacoustic Imaging with Exogenous Contrast Agents. Ann Biomed Eng. 40 (2), 422-437 (2012).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Handheld probedriedimensionale beeldvormingreal time beeldvormingangiografie van diep weefselspectrale ontmenginghemodynamische parametersvasculaire morfologienabij infrarode laser

Gerelateerde artikelen