Tomografia fotoakustyczna do obrazowania krwi i lipidów w aorcie podnerkowej

Tomografia fotoakustyczna, PAT, czasami nazywana tomografią optoakustyczną, to nowa metoda obrazowania biomedycznego, która wykorzystuje fale akustyczne generowane przez światło do uzyskiwania informacji o składzie tkanki.

Tomografia fotoakustyczna (PAT) wykorzystuje określone długości fal światła do obrazowania określonych elementów tkanki. Jest to przydatne w wielu różnych zastosowaniach przedklinicznych i klinicznych, takich jak monitorowanie postępu choroby na bazie lipidów.

Obecnie stosowane techniki obrazowania są z natury ograniczone pod względem czasu akwizycji, głębokości penetracji, stosowania szkodliwych środków kontrastowych i kosztów. Z drugiej strony PAT jest szybką, nieinwazyjną i wolną od środków kontrastowych techniką, która w połączeniu z istniejącymi metodami obrazowania, takimi jak ultradźwięki, może jednocześnie dostarczać informacji strukturalnych i kompozycyjnych.

Ten film zilustruje podstawowe zasady wibracyjnego PAT oraz metodologię obrazowania krwi i lipidów u myszy. Następnie pokażemy, jak interpretować obrazy VPAT w połączeniu z ultradźwiękami, a następnie przedstawimy kilka zastosowań tej techniki.

Zacznijmy od omówienia podstaw tej techniki obrazowania.

Podczas obrazowania VPAT światło o pojedynczej długości fali ze źródła laserowego jest wyświetlane w obszarze zainteresowania. Światło to jest następnie absorbowane przez specyficzne dla długości fali wiązanie chemiczne w tkance biologicznej. W VPAT pochłonięte światło powoduje wibracje cząsteczki.

Część tej energii wibracyjnej jest następnie przekształcana w przejściowe ogrzewanie. Ta produkcja ciepła powoduje następnie termoelastyczne rozszerzanie się lokalnej tkanki, w wyniku czego dochodzi do rozchodzenia się fal ultradźwiękowych. Nazywa się to efektem fotoakustycznym. Wykrycie fali ultradźwiękowej przez przetwornik ultradźwiękowy daje obraz tomograficzny specyficzny dla składu.

Matematycznie indukowana światłem fala akustyczna P naught jest regulowana przez zależny od temperatury parametr Gruneisena gamma, współczynnik absorpcji mu a i lokalną fluencję optyczną F. Tak więc na każdy wzrost temperatury o milikelwinach przypada fala ciśnienia o wartości 800 paskalów, którą można wykryć za pomocą przetwornika ultradźwiękowego. Ta selektywna absorpcja światła pozwala użytkownikom celować w różne składniki biologiczne poprzez dostrojenie długości fali światła.

Na przykład światło o długości 1100 nanometrów jest używane do celowania w krew, a światło o długości 1210 nanometrów jest używane do celowania w lipidy. Dodatkowo, ponieważ światło jest wykorzystywane do indukowania propagacji fal akustycznych, technika ta może być zazwyczaj stosowana do obrazowania głębszych struktur niż inne techniki optyczne bez konieczności stosowania środków kontrastowych lub inwazyjnych procedur.

Po zapoznaniu się z podstawami VPAT, zobaczmy teraz przykład, jak skonfigurować i wykonać VPAT do obrazowania krwi i lipidów w aorcie podnerkowej myszy z niedoborem apolipoproteiny E.

Po pierwsze, zaopatrz się w niezbędny sprzęt: impulsowy optyczny oscylator laserowy Nd:YAG, system ultradźwiękowy, generator opóźnień oraz złącze D podłączone do dwóch kabli BNC. Następnie podłącz kabel Fire BNC do portu A generatora opóźnienia, a przełącznik Q do portu B generatora opóźnienia. Podłącz koniec kabla BNC od portu C, aby wyzwolić z tyłu systemu ultradźwiękowego.

Dostosuj opóźnienie portów A, B i C do wartości podanych tutaj. Porty A i B powinny specjalnie wyprowadzać odwrócone impulsy, a port C powinien wyprowadzać normalne impulsy. Następnie wyrównaj kabel światłowodowy z laserem i przymocuj końce światłowodu do boków 40-megahercowego przetwornika ultradźwiękowego.

Pokażmy teraz, jak przygotować zwierzę do tomografii fotoakustycznej.

Najpierw znieczulij mysz z niedoborem apolipoproteiny E za pomocą 3% izofluranu w komorze do wybijania. Gdy zwierzę zostanie znieczulone, przenieś mysz do podgrzanego etapu i zabezpiecz stożek nosowy, aby dostarczyć od jednego do 2% izofluranu. Nałóż smar do oczu zwierzęcia, aby zapobiec wysuszeniu rogówki. Przyklej łapy myszy do elektrod wbudowanych w podgrzewaną scenę, aby monitorować oddech i tętno zwierzęcia. Na koniec włóż sondę doodbytniczą, aby monitorować temperaturę ciała.

Następnie usuń sierść z całego brzucha zwierzęcia, nakładając krem do depilacji. Umieść przetwornik ultrasonograficzny na brzuchu zwierzęcia i zlokalizuj aortę podnerkową. Lewa żyła nerkowa i trifurkacja aorty do tętnicy ogonowej to dwa punkty orientacyjne, które pomogą użytkownikowi zlokalizować ten obszar.

Aby rozpocząć pobieranie obrazów, naciśnij przycisk B Mode, aby wyświetlić obraz na żywo w trybie B. Dostosuj wzmocnienie za pomocą pokrętła 2D Gain (Wzmocnienie 2D), a ostrość za pomocą pokręteł Focal Zone (Strefa ogniskowej) i Focus Depth (Głębokość ostrości). Dostosuj szerokość i głębię obrazu za pomocą przycisków Przesunięcie głębi, Szerokość obrazu i Głębia obrazu.

Następnie włącz laser. Naciśnij tryb PA, aby zobaczyć na żywo tryb B i obrazy PA. Dostosuj wzmocnienie PA za pomocą pokrętła 2D Gain i dostosuj okno PA oraz mapę kolorów na ekranie. Uruchom laser przy świetle o długości 1,100 nanometrów, aby celować w krew, a następnie przy świetle 1,210-nanometrowym, aby celować w lipidy.

Przyjrzyjmy się teraz wynikom protokołu VPAT w celu wykonania obrazowania in vivo specyficznego dla lipidów i krwi.

Obrazowanie ultrasonograficzne pozwoliło na uzyskanie informacji strukturalnych o aorcie podnerkowej. Można to wykorzystać do lepszej interpretacji informacji o składzie VPAT. W szczególności światło o długości 1100 nanometrów obrazowało krew w aorcie, podczas gdy światło o długości 1210 nanometrów obrazowało nagromadzenie tłuszczu podskórnego i okołoaortalnego.

Jak widać na tych obrazach, podskórny tłuszcz podąża za geometrią skóry. Jednak tłuszcz okołoaortalny podąża za konturem aorty, a sygnał krwi pochodzi z wnętrza aorty.

Tomografia fotoakustyczna może być wykorzystywana w wielu różnych zastosowaniach przedklinicznych i klinicznych.

Obrazowanie małych zwierząt in vivo odgrywa ważną rolę w badaniach przedklinicznych, a tomografia fotoakustyczna wykorzystuje światło bliskiej podczerwieni do wykrywania absorpcji elektronicznej, umożliwiając obrazowanie w wysokiej rozdzielczości głębokich cech mózgu do zastosowań neurobiologicznych. Zbierane są dokładne dane na temat natlenienia hemoglobiny, anatomii naczyniowej i przepływu krwi. Te wewnętrzne informacje z obrazowania mózgu można wykorzystać do oceny normalnej i patologicznej tkanki mózgowej.

W medycynie naczyniowej ważne jest uwidocznienie żył i tętnic oraz ocena ich funkcjonalności. Tomografia fotoakustyczna dostarcza informacji o składzie chemicznym, które charakteryzują blaszki miażdżycowe jako wrażliwe lub stabilne, pomagając w ten sposób przewidzieć, które z nich są podatne na pęknięcie i mogą wywołać zawał mięśnia sercowego lub udar niedokrwienny.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do tomografii fotoakustycznej. Powinieneś teraz zrozumieć podstawowe zasady tej techniki obrazowania i być w stanie zobrazować zwierzę i zinterpretować wyniki. Dzięki za oglądanie!