Universal de mão tridimensional Optoacoustic imagem Sonda para Deep Tissue Angiografia Humano e Estudos pré-clínicos funcionais em Tempo Real

O objetivo geral do experimento a seguir é ilustrar as capacidades de imagem de um sistema optoacústico portátil recém-desenvolvido para imagens tridimensionais, funcionais e moleculares em tempo real. Isso é conseguido usando uma sonda com uma matriz esférica de transdutores elétricos pizo em torno de um feixe de fibras que guia os pulsos de luz quando mantidos contra o tecido. Com duração de nanossegundos, pulsos de luz excitam respostas ultrassônicas que são capturadas pela sonda.

Em seguida, os dados são usados para realizar a reconstrução da imagem em tempo real, permitindo digitalizações em modo portátil. Os resultados mostram a viabilidade da imagem de tecidos profundos da morfologia vascular, bem como importantes parâmetros hemodinâmicos e de perfusão com um sistema portátil. O foco particular de todos os laboratórios é o desenvolvimento de novas ferramentas de imagem biomédica baseadas em acústica óptica, óptica difusa, ultrassom e abordagens multimodais.

O recém-desenvolvido sistema de tomografia óptica acústica portátil pode essencialmente fornecer capacidade de imagem verdadeiramente pentadimensional. Isso significa que ele pode fornecer imagens volumétricas espectralmente enriquecidas de alta resolução da morfologia e função do tecido em tempo real. A abordagem volumétrica de imagem da mão combinada com a função em tempo real, eliminando a capacidade, traz vantagens importantes para o diagnóstico clínico.

Por exemplo, em doenças vasculares periféricas, distúrbios do sistema linfático, câncer de mama, lesões cutâneas, inflamação, artrite. Combinado com a tecnologia laser de ajuste rápido de comprimento de onda, o sistema permite imagens em tempo real da biodistribuição de agentes fotoabsorventes. É por isso que novas possibilidades podem surgir igualmente em aplicações de imagem molecular de pequenos animais.

Por exemplo, estudar hemodinâmica tecidual in vivo rastreamento celular, visualização de farmacocinética, perfusão de órgãos ou neuroimagem Comece preparando o hardware. Ligue a fonte de laser sintonizável de infravermelho próximo por um período de aquecimento de cerca de 15 minutos. Para estabilizar sua saída, a saída do laser será conectada à sonda portátil.

A sonda consiste em uma matriz de elementos elétricos dispostos para cobrir parte de uma esfera com uma abertura para um feixe de fibras. No centro, conecte um feixe de fibras para guiar o feixe de laser da saída do laser para a sonda portátil. Em seguida, conecte a matriz de detecção de matriz esférica da sonda portátil ao sistema de aquisição de dados paralelo, que é acionado pela saída do interruptor Q do laser, continue preparando o acoplamento acústico para a sonda.

O transdutor possui um invólucro correspondente tampado com uma membrana de polietileno óptica e acusticamente transparente, que fará contato com a pele e fechará a superfície ativa do transdutor com o invólucro. A posição relativa da superfície de detecção ativa em relação à superfície do tecido determina a profundidade efetiva da imagem. Conecte uma bomba entre o tanque e a sonda.

Em seguida, use-o para preencher o volume de aproximadamente 100 mililitros entre o transdutor e a membrana. Quando o bombeamento estiver concluído, desconecte a bomba. Inspecione a sonda para garantir que não haja bolhas de ar ou vazamentos.

Agora, por segurança, coloque óculos de proteção, apropriados para comprimentos de onda infravermelhos próximos. Prossiga definindo os comprimentos de onda da imagem e a taxa de repetição do pulso do laser. No software de controle, a faixa de comprimento de onda é de 690 a 900 nanômetros com a escolha óptica, dependendo do tecido específico, cromo, quatro e agentes extrinsecamente administrados de interesse.

A taxa de repetição de pulso está na faixa de 10 a 50 hertz e depende da taxa de quadros de imagem volumétrica desejada, mas também é limitada pelos limites de exposição do laser. Além disso, configure o sistema de aquisição de dados acústicos para ter uma impedância de entrada de mega ohm com uma taxa de amostragem de 40 mega samples por segundo e resolução vertical de 12 bits. Para operações seguras.

Meça os níveis de exposição na região espectral do infravermelho próximo com um medidor de potência a laser. Coloque o medidor de potência na membrana de polietileno da sonda para a medição. Passe a radiação laser pela sonda e ajuste a potência do laser e a taxa de repetição.

Portanto, para atender aos níveis de exposição seguros na membrana quando os ajustes forem feitos, remova o medidor de potência. A sonda está pronta para uso. O próximo passo é preparar o paciente para o procedimento.

Forneça ao paciente óculos de proteção apropriados para comprimentos de onda do infravermelho próximo. Inspecione a região a ser fotografada. Se houver cabelo, aplique uma loção de depleção para removê-lo e evitar fundo indesejado nas imagens.

Limpe a região com um lenço úmido. Quando a região estiver limpa, aplique gel de ultrassom na pele na área a ser fotografada. Para fornecer acoplamento acústico eficiente.

Mantenha a sonda no lugar e inicie o software de visualização, que permite a saída do laser e permite a visualização de imagens tridimensionais. A taxa de quadros das imagens optoacústicas corresponde à taxa de repetição do pulso do laser e é exibida em tempo real. Quando a reconstrução tomográfica for implementada em uma unidade de processamento gráfico, mova suavemente a sonda para otimizar a visualização e localizar a estrutura de interesse.

Continue a usar o software de visualização e mude o hardware para o modo de aquisição de dados no paciente. Mova suavemente a sonda alguns milímetros por segundo ao redor da região da imagem para rastrear as estruturas de interesse. Após a conclusão da aquisição de dados, pare o software, que também interrompe o laser.

O antebraço de um voluntário saudável está à esquerda. A caixa branca representa a região visualizada com a sonda. À direita estão as imagens de projeção de intensidade máxima da região sondada.

Como a sonda foi escaneada lentamente sobre o antebraço, a visualização em tempo real dos vasos foi alcançada para todas as posições de varredura. As imagens usaram luz de 800 nanômetros com a taxa de repetição de pulso de laser de 10 hertz. A imagem multiespectral foi realizada por meio da varredura da sonda ao longo do pulso de um voluntário saudável.

Uma taxa de repetição de pulso de laser de 50 hertz foi usada em conjunto com um ajuste de comprimento de onda por pulso. Os comprimentos de onda usados estavam entre 730 nanômetros e 850 nanômetros em passos de 30 nanômetros. No canto inferior direito estão imagens espectralmente não misturadas mostrando a distribuição da hemoglobina oxigenada em vermelho, hemoglobina desoxigenada em azul e melanina em amarelo.

Sob a suposição de que apenas esses componentes são responsáveis pela absorção à medida que a sonda examina o pulso, a distribuição desses três cromóforos de tecido pode ser rastreada em tempo real. Este filme demonstra a capacidade da sonda de seguir processos dinâmicos. A circulação no dedo médio foi obstruída com um elástico e liberada durante a aquisição dos dados.

A aparência da tesoura indica o momento em que o elástico foi removido. Os dados foram coletados a 10 quadros por segundo no comprimento de onda de 900 nanômetros. O procedimento de imagem portátil pode ser dominado em um tempo muito curto e, como outras modalidades de imagem clínica não são capazes de fornecer volumétrico com resolução de tempo comparável, estamos confiantes de que o sistema apresentado alcançará um novo valor para diagnósticos precisos e monitoramento do tratamento Os artefatos de movimento ainda podem afetar gravemente o desempenho e a qualidade da imagem ao usar a sonda no modo portátil.

Como regra geral, a velocidade do movimento não deve exceder três milímetros por segundo. Se uma taxa de repetição de laser de 10 hertz for usada em combinação com a aquisição de dados multim, é claro, um movimento mais rápido é permitido. Se um laser de taxa de repetição mais alta for empregado Com uma nova abordagem de imagem, esperamos permitir novas descobertas biológicas.

Também gostaríamos de oferecer aos médicos uma nova ferramenta para diagnóstico clínico em múltiplas indicações. Por exemplo, distúrbios cardiovasculares e doenças vasculares periféricas relacionados ao sistema linfático, lesões mamárias, artrite e inflamação.