Фотоакустическая томография для визуализации крови и липидов в подкожной аорте

Фотоакустическая томография, иногда называемая оптоакустической томографией, представляет собой новый метод биомедицинской визуализации, который использует акустические волны, генерируемые светом, для получения информации о составе ткани.

Фотоакустическая томография, или ПАТ, использует определенные длины волн света для визуализации конкретных компонентов ткани. Это полезно для широкого спектра доклинических и клинических применений, таких как мониторинг прогрессирования заболевания на основе липидов.

Используемые в настоящее время методы визуализации по своей сути ограничены с точки зрения времени получения, глубины проникновения, использования вредных контрастных веществ и стоимости. ПАТ, с другой стороны, является быстрым, неинвазивным и не содержащим контрастных веществ методом, который в сочетании с существующими методами визуализации, такими как ультразвук, может предоставить структурную и композиционную информацию одновременно.

В этом видео будут проиллюстрированы основные принципы вибрационной ПАТ и методология организации визуализации крови и липидов у мышей. Далее мы продемонстрируем, как интерпретировать изображения VPAT в сочетании с ультразвуком, а затем рассмотрим несколько применений этой техники.

Давайте начнем с обсуждения основ этой техники визуализации.

Во время визуализации VPAT на исследуемой области отображается одноволновый свет от лазерного источника. Затем этот свет поглощается специфической для длины волны химической связью в биологической ткани. В VPAT поглощенный свет заставляет молекулу вибрировать.

Часть этой вибрационной энергии затем преобразуется в переходный нагрев. Это производство тепла затем вызывает термоупругое расширение локальной ткани и, как следствие, приводит к распространению ультразвуковой волны. Это называется фотоакустическим эффектом. Обнаружение ультразвуковой волны ультразвуковым преобразователем позволяет получить томографическое изображение, специфичное для состава.

Математически индуцированная светом акустическая волна P nought управляется температурно-зависимым параметром Грюнейзена gamma, коэффициентом поглощения mu a и локальным оптическим флюенсом F. Таким образом, на каждое повышение температуры в милликельвине приходится волна давления силой 800 Паскаль, которую можно обнаружить с помощью ультразвукового преобразователя. Это селективное поглощение света позволяет пользователям нацеливаться на различные биологические компоненты, настраивая длину волны света.

Например, свет с яркостью 1100 нанометров используется для нацеливания на кровь, а свет с яркостью 1210 нанометров используется для нацеливания на липиды. Кроме того, поскольку свет используется для индуцирования распространения акустической волны, этот метод может быть использован для получения изображений более глубоких структур, чем другие оптические методы, без необходимости использования контрастных веществ или инвазивных процедур.

Рассмотрев основы VPAT, давайте теперь рассмотрим пример того, как настроить и выполнить VPAT для визуализации крови и липидов в инфраренальной аорте мышей с дефицитом аполипопротеина Е.

Во-первых, приобретите необходимое оборудование: импульсный оптический параметрический лазер Nd:YAG, ультразвуковую систему, генератор задержки и D-разъем, подключенный к двум кабелям BNC. Затем подключите кабель Fire BNC к порту A генератора задержки, а Q-switch — к порту B генератора задержки. Подключите конец кабеля BNC к порту C для запуска на задней панели ультразвуковой системы.

Отрегулируйте задержку портов A, B и C в соответствии со значениями, указанными здесь. Порты A и B должны специально выдавать инвертированные импульсы, а порт C должен выдавать нормальные импульсы. Затем совместите оптоволоконный кабель с лазером и прикрепите концы оптоволокна к боковым сторонам ультразвукового преобразователя с частотой 40 мегагерц.

Теперь давайте покажем, как подготовить животное к фотоакустической томографии.

Во-первых, обезболите мышей с дефицитом аполипопротеина Е, используя 3% изофлуран в нокдаун-камере. После того, как животное будет обезболито, переместите мышь в нагретую стадию и закрепите носовой конус, чтобы доставить от одного до 2% изофлурана. Нанесите на глаза животного глазную смазку, чтобы предотвратить высыхание роговицы. Прикрепите лапы мыши скотчем к электродам, встроенным в нагреваемую сцену, чтобы контролировать дыхание животного и частоту сердечных сокращений. Наконец, введите ректальный зонд для контроля температуры тела.

Далее удалите шерсть со всего живота животного, нанеся крем для депиляции. Поместите ультразвуковой датчик на брюшную полость животного и найдите инфраренальную аорту. Левая почечная вена и трифуркация аорты в хвостовую артерию являются двумя ориентирами, которые помогут пользователю локализовать эту область.

Чтобы начать получение изображений, нажмите B Mode, чтобы просмотреть изображение в реальном времени в режиме B. Отрегулируйте усиление с помощью ручки 2D Gain, а фокусировку — с помощью ручек Focal Zone и Focus Depth. Настройте ширину и глубину изображения с помощью кнопок «Смещение глубины», «Ширина изображения» и «Глубина изображения».

После этого включите лазер. Нажмите режим PA для просмотра изображений в режиме B и PA в реальном времени. Отрегулируйте усиление усилителя мощности с помощью ручки 2D Gain, а также отрегулируйте окно усилителя мощности и цветовую карту на экране. Запустите лазер на 1100 нанометровом свете, чтобы нацелиться на кровь, а затем на 1210 нанометровом свете, чтобы нацелиться на липиды.

Теперь рассмотрим результаты протокола VPAT для проведения липидно-специфической визуализации и визуализации крови in vivo.

Ультразвуковая визуализация позволила получить структурную информацию об инфраренальной аорте. Это может быть использовано для лучшей интерпретации композиционной информации VPAT. В частности, свет с яркостью 1100 нанометров визуализировал кровь в аорте, в то время как свет с яркостью 1210 нанометров визуализировал накопление подкожного и периаортального жира.

Как видно из этих изображений, подкожный жир следует геометрии кожи. Тем не менее, периаортальный жир повторяет контур аорты, и сигнал крови исходит изнутри аорты.

Фотоакустическая томография может использоваться для широкого спектра доклинических и клинических применений.

Визуализация мелких животных in vivo играет важную роль в доклинических исследованиях, а фотоакустическая томография использует ближний инфракрасный свет для обнаружения электронного поглощения, что позволяет получать изображения глубоких особенностей мозга с высоким разрешением для нейробиологических приложений. Собираются точные данные о насыщении гемоглобина кислородом, анатомии сосудов и потоке крови. Эта информация о внутренней визуализации мозга может быть использована для оценки нормальной и патологической ткани мозга.

В сосудистой медицине важно визуализировать вены и артерии и оценить их функциональность. Фотоакустическая томография предоставляет информацию о составе, которая характеризует бляшки как уязвимые или стабильные, тем самым помогая предсказать, какие из них склонны к разрыву и могут вызвать инфаркт миокарда или ишемический инсульт.

Вы только что посмотрели введение JoVE в фотоакустическую томографию. Теперь вы должны понять основные принципы этой техники визуализации и уметь визуализировать животное и интерпретировать результаты. Спасибо за просмотр!