Методическая статья

Универсальный ручной трехмерной оптико-акустической визуализации зонд для Deep Tissue человека ангиографии и функциональных доклинических исследований в режиме реального времени

10.4K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/51864

⸱

4 ноября 2014 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Здесь мы приводим подробное описание экспериментального протокола визуализации с помощью недавно разработанной портативной оптоакустической (фотоакустической) системы для трехмерной функциональной и молекулярной визуализации в реальном времени. Продемонстрированные мощные характеристики и универсальность могут определить новые области применения оптоакустических технологий в доклинических исследованиях и клинической практике.

Аннотация

Исключительное сочетание высокого оптического контраста и превосходного пространственного разрешения делает оптоакустику (фотоакустику) идеальной для одновременного достижения анатомического, функционального и молекулярного контраста в глубоких оптически непрозрачных тканях. Несмотря на то, что в последнее время был продемонстрирован огромный потенциал применения оптоакустики для исследований мелких животных, также были предприняты огромные усилия по внедрению этой технологии визуализации в клиническую практику. Мы представляем здесь недавно разработанный подход к оптоакустической томографии, способный получать объемные изображения морфологии и функции тканей с высоким разрешением и спектрально обогащенными в режиме реального времени. Приведено подробное описание экспериментального протокола для работы с системой визуализации как в ручном, так и в стационарном режимах для различных потенциальных сценариев, включающих функциональные и молекулярные исследования на мышиных моделях и людях. Возможность визуализации в режиме реального времени в трех измерениях наряду с универсальной конструкцией портативного зонда делают недавно разработанный подход уникальным среди пантеона методов визуализации, используемых в современных доклинических исследованиях и клинической практике.

Введение

Оптико-акустические (ФА) изображений привлекает растущий интерес от биологических и медицинских научно-исследовательских сообществ, как проявляется все большее количество публикаций, охватывающих целый ряд новых приложений, которые используют уникальные достоинства по технологии 1-5. В частности, способность изображения спектрально отличительных фото поглощающих агентов с высоким пространственно-временным разрешением на глубине далеко за пределами диффузионного предела света открывает беспрецедентные возможности для функционального и молекулярной визуализации 6-10.

Действительно, перевод ОА технологии в клиническую практику поставляется с многообещающие перспективы в диагностике и мониторинге лечения многих заболеваний. Тем не менее, ограничено распространение фотонов в оптически рассеивающих и поглощающих тканей и вообще слабых реакций, связанных с оптико-акустического явления ограничить применимый глубину метода. В результате ручной optoacoustic зонды были попытался изображения частей доступных извне 11,12 тела во время эндоскопических систем используются для обеспечения изображения с внутри тела, вставляя их через естественные отверстия 13. Некоторые низкий поглощающие части человеческого тела, такие как женской груди, также доступны по томографических ОА сканеров 14,15. Особый интерес представляет ручной подход, поскольку позволяет большую гибкость, так же, как УЗИ. Здесь, адаптация общих ультразвуковых линейных зондов массива для оптико-акустического изображения остается сложной, в основном из-за фундаментальных различий в томографических требований изображений между ультразвуком и оптоакустики. В то время как высокая частота кадров в стандартном УЗИ включены путем последовательной передачи-приема схемы, использующие частоты повторения импульсов в диапазоне кГц, в режиме реального времени трехмерной визуализации ОА достигается за счет одновременного сбора объемной томографического данных из одного Interrogating лазерный импульс. Таким образом, высокое качество изображения ОА подразумевает приобретение трехмерных данных на основе максимально возможной телесного угла вокруг отображаемого объекта.

Недавно мы ввели первый карманный ОА зонд для трехмерного (объемного) изображения в режиме реального времени 16. Система основана на двумерном массиве 256 пьезоэлектрических элементов, расположенных на сферической поверхности (голубыми точками на фиг.1А), охватывающий угол 90 °. Размер отдельных элементов примерно 3 х 3 мм 2, а также их ориентация и ширина полосы частот (примерно 2-6 МГц) гарантирует эффективный сбор сигналов от объема сантиметровой шкалы, окружающей центр сферы (черный куб на рисунке 1А). Оптическое возбуждение области формирования изображения снабжено пучка волокон, вставленной через центральную цилиндрическую полость матрицы, так что любой длины волны susceptible быть переданы через пучок волокон может быть использован для работы с изображениями. Фактическая картина массива датчиков вдоль с оптическим пучка волокон показан на фиг.1В. Эффективное возбуждение и одновременное обнаружение сигналов позволяет глубоко в тканях изображений с однократного возбуждения (один лазерного импульса), так что в режиме реального времени изображений с частотой кадров определяется частотой повторения импульсов лазера дополнительно включен с графически обработка-блок (GPU) осуществление процедуры реконструкции 17. Цилиндрический кожух с прозрачной полиэтиленовой мембраны (рис 1С) прикреплен к массиву преобразователя, чтобы приложить акустически передающий жидкую среду (воду). Мембрана дополнительно соединен с тканью с помощью акустического геля. Картина ОА зонда как используется в ручном режиме показан на рисунке 1D.

Продемонстрировали ЧетEE мерной ручной ОА томография в сочетании с в режиме реального времени мощности функциональной визуализации приходят с важных преимуществ для клинической диагностики и ряда потенциальных приложений предусмотрены по различным показаниям, например, заболевания периферических сосудов, лимфатических расстройств системы, рак молочной железы, кожных поражений, воспаление или артрит 18. Кроме того, емкость быстро томография позволяет визуализировать динамических биологических событий с зонда, расположенного в стационарном положении. В сочетании с быстрым волны-тюнинг ПГС (ПГС) лазерной технологии, этот подход позволяет в режиме реального времени визуализации биораспределения фото поглощающих агентов. Таким образом, новые возможности в равной степени может появиться в небольших приложений обработки изображений животных, например., В изучении тканей гемодинамики, естественных слежения в клетки, визуализация фармакокинетики, перфузии органов, направлены молекулярной визуализации опухолей и сердечно-сосудистой системы, или нейровизуализации.

В этой работе мы предоставляем подробное описание протокола экспериментальной визуализации для работы с сферическая массива ОА ручного зонда и витрины производительности в нескольких типичных клинических и небольших сценариев обработки изображений животных.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Подробный порядок работы с объемной ручного оптико-акустического датчика описан ниже. Эта процедура выполняется в соответствии с утвержденными институциональных правил, касающихся животных и человека экспериментов.

1. Система Подготовка

  1. Включите лазер для разминки период ~ 15 мин до операции для стабилизации выходного светового луча.
  2. Поместите часть воды ограждающих с изолирующей мембраной, которая находится в контакте с кожей (рис 1).
    Примечание: Расстояние между изолирующим мембраны (в контакте с кожей) и области с максимальной чувствительности датчика (центр сферического зонда) устанавливает эффективную глубину изображения.
  3. Заполнить весь объем приблизительно 100 мл между изолирующим мембраны и поверхностью датчика с деионизированной водой при помощи насоса.
  4. Убедитесь, что ни утечки воды, ни пузырьков воздуха являются Preseнт. С другой стороны, избежать воздушных пузырей, предоставляя рециркуляцию воды.
  5. Выполните эксперименты при комнатной температуре и обеспечить соединительную среду (воду) выдерживают при этой температуре.

2. изображений Подготовка

  1. Подготовка человека визуализации.
  2. Удалить волосы с к-быть-изображаемого части с депиляции лосьон, чтобы избежать нежелательного фона в изображениях (этот шаг необязателен).
  3. Применение ультразвука гель на кожу вокруг области, чтобы быть отображены с тем чтобы обеспечить эффективную акустическую связь. Поместите ОА зонд в интересующей области. Обеспечить, чтобы пузырьки воздуха не присутствуют в ультразвуковой контактный гель.
  4. Подготовка изображений животных.
  5. Убедитесь, что процедуры по уходу и экспериментальные с животными находятся в согласии с институциональными и государственных норм и правил.
  6. Снимите шерсть животного в области для включения в образ с бритья лосьон. Защитите глаза животного сВетеринар мазь, которая предотвращает сухость и повреждение от воздействия интенсивного импульсного лазерного излучения.
  7. Обезболить животное с помощью внутрибрюшинной инъекции (IP) кетамина / ксилазина (100 мг / кг кг Кетамин + 5 мг / кг кг ксилазина) до эксперимента, или использовать изофлуран анестезии (2-3% (по объему) с 0,9 л / Поток газа мин) в течение эксперимента. Подтвердите обезболивания, проверяя рефлекс задней конечности животного.
  8. Применение ультразвука гель на кожу вокруг области, чтобы быть отображены с тем чтобы обеспечить эффективную акустическую связь и поместите оптико-акустический датчик в области, представляющей интерес. Обеспечить, чтобы пузырьки воздуха не присутствуют в ультразвуковой контактный гель.

3. Предварительно вид Режим работы

  1. Определить длину волны (ы) формирования изображения между 690 нм и 900 нм и частоты следования импульсов от 10 до 50 Гц. Выберите параметры для акустической системы сбора данных - 1 МОмвходное сопротивление. Приобретать 2030 образцов для каждого лазерного импульса с частотой дискретизации 40 megasamples в секунду и 12 бит вертикального разрешения. Trigger приобретение с Q-переключателя выхода лазера.
  2. Убедитесь, что оба оператора и пациента использовать защитные очки, приспособленные к длине волны (ы) Оптический возбуждения. Установите мощность лазера так, чтобы свет флюенс на поверхности ткани поддерживают ниже 20 мДж / см 2 в течение эксперимента для ближней инфракрасной длин волн, с тем, чтобы удовлетворить пределов безопасности воздействия для человека экспериментов 19 и чтобы предотвратить термическое напряжение и повреждение кожи у животных ,
  3. Запустите предварительно вид программного обеспечения с осуществлением GPU алгоритмов обработки, чтобы позволить визуализации трехмерных изображений с частотой кадров, соответствующей частоте повторения импульсов лазера.
  4. Перемещение зонда и / или объект для включения в образ, чтобы оптимизировать производительность визуализации и локализации структур интерес.

4. Сбор данных

  1. Сбор данных для сканирования режиме (ручной).
  2. При необходимости вводят контрастное вещество до приобретения обогатить контраст в области, представляющей интерес.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В наших экспериментах мы не проводили человеческое воображение контрастным усилением. Тем не менее, различные контрастные агенты могут быть потенциально использованы для этой цели. Индоцианиновая зеленый (ICG) является одним из примеров клинически одобренного оптического контрастного агента, который может использоваться для усиления контраста при максимальной рекомендованной дозе 2 мг / кг массы тела у взрослых.
  3. Запустить средство для сбора данных с параметрами, описанными в 3,1 поддерживающих выполнение программного обеспечения предварительного просмотра. Осторожно перемещать зонд вокруг отображаемого области для отслеживания структур, представляющих интерес.
    Примечание: Когда изображения в нескольких лазерных длин волн приобретаются одновременно, скорость движения зонда в режиме ручного должен быть значительно снизилась (предпочтительно ниже 2 мм / секдля лазерного частотой повторения импульсов 50 Гц) для того, чтобы избежать артефактов движения, связанных в спектрально несмешанных изображений.
  4. Сбор данных для стационарного режима.
  5. Установите отображаемого объекта (например., Животное) и ручной зонд на держатель и запустить сканирование с параметрами, описанными в 3.1, поддерживающих выполнение предварительно зрения программного обеспечения.
  6. Поддержание оптико-акустический датчик и часть изображения в таком же положении, в ходе эксперимента, чтобы визуализировать динамические биологические события в области, представляющей интерес.
  7. Вводят контрастное вещество, чтобы отслеживать свое динамическое распределение в области, представляющей интерес.
    Примечание: В наших экспериментах мыши, Индоцианиновая зеленый (ICG) был использован для усиления контраста. В качестве общей рекомендации, количестве 10 нмоль или 0,4 мг / кг МКГ должен быть введен в обращение мыши, чтобы создать детектируемую контраст с мульти-спектральные оптоакустики в естественных условиях.
    ПРИМЕЧАНИЕ: контрастное вещество должно бытьодобрен для применения у человека и / или животного соответствующего органа.

5. Завершение эксперимента

  1. Остановите лазер.
  2. Снимите ОА зонд от отображаемого региона. Для исследования на животных, прекратить подачу наркоза.
  3. Расположите животное под инфракрасным обогревателем, чтобы держать его теплым и предотвратить контакт с другими животными, пока он полностью не оправилась от наркоза. Не оставляйте животное без присмотра во время восстановления от анестезии.

6. Автономная обработки данных

  1. Загрузите файл (ы), содержащий полученные ОА сигналов в приложении, используемые для обработки данных.
  2. Использование алгоритмом восстановления, чтобы получить трехмерную матрицу матрицы, соответствующей объемной изображение оптического поглощения для каждого кадра и каждой длины волны.
    Примечание: Для восстановления предпочтительно использовать алгоритм учета искажающих факторов, таких как гетерогенныхтельности и затухание в изображаемого объекта, эффекты конечного пропускной способности и геометрической формы элементов обнаружения света и вариаций плотности энергии, с тем, чтобы получить более количественное представление о распределении поглощенной энергии.
  3. Используйте алгоритм расслоение получить, от каждого многоволнового рамы, новый набор трехмерных массивов матричных представляющего оптического поглощения для каждого поглощающего вещества, присутствующего в образце.
  4. При необходимости, дополнительно обрабатывать матричные массивы, представляющие распределение оптического поглощения для удобства представления и чтение биологически релевантных параметров.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Представитель результаты, демонстрирующие возможности описанного объемного ручного ОА зонда, которые продемонстрированы в этом разделе. Во всех случаях, свет флюенс на поверхности кожи держали ниже ПДК в воздухе безопасность 20 мДж / см 2 19.

Производительность зонда в режиме реального времени отслеживать периферическую сосудистую человека продемонстрированы на фиг.2. В ходе этого эксперимента, зонд медленно сканировать вдоль руки здорового человека добровольца на...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Уникальные преимущества, предлагаемые ОА методов визуализации в небольшом исследовании животных создали сильную мотивацию для перевода технологии в клиническую практику, с рядом диагностики и приложений мониторинга лечения предусмотренных например., В груди и рака кожи, воспаления или заболевания периферической сосудистой сети. Тем не менее, в отличие от мышей или мелких животных, которые могут быть окружены достаточного количества источников освещения и детекторных элементов, чтобы создать эффективную томограф...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Исследование, приведшее к этим результатам, получило финансирование от Европейского исследовательского совета в рамках грантового соглашения ERC-2010-StG-260991.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Лазер на основе оптического параметрического генератора (ОПО)Innolas Laser GmbH, Krailling (Германия)по индивидуальному заказуЛазер обеспечивает лазерные импульсы длительностью около 10 нс и энергией до 80 мДж.<бр/> Длина волны перестраивается в диапазоне 680-950 нм.
Сферическая решетка пьезокомпозитных детекторовImasonic SaS, Voray (Франция)по индивидуальному заказуРешетка состоит из 256 пьезоэлектрических датчиков, распределенных по сферической поверхности.<бр/> Каждый элемент имеет размеры 3 х 3 мм2, центральную частоту 4 МГц и пропускную способность 100%. 
Система сбора данных (DAQ)Falkenstein Mikrosysteme GmbH, Тауфкирхен (Германия)изготовленная по индивидуальному заказуСистема сбора данных одновременно регистрирует 256 сигналов со скоростью 40 мегавыборок в секунду и 2 030 выборок.< бр/> Входное сопротивление составляет 1 МВт.
Пучок волоконCeramOptec GmbH, Бонн (Германия)изготовлен по индивидуальному заказуПучок состоит из 480 отдельных волокон, случайным образом распределенных на входе и выходе.
Числовая апертура каждого отдельного волокна составляет 0,22.
Атимическая обнаженная мышьHarlan Laboratories (Нидерланды)Атимическая обнаженная мышь - Foxn1nuНа момент проведения эксперимента мышке было 8 недель (взрослая особь).
Этический протокол утвержден правительством Баварии (номер 55.2.1.54-2632-102-11)
Крем БепантенBayer AG (Германия)Ветеринарная мазь для защиты глаз во время анестезии
Программное обеспечениедля обработки данныхСШАПрограммноеобеспечение для обработки данных было разработано в нашем институте.
Оно позволяет реконструировать на каждой длине волны и многоволновое несмешивание, а также дальнейшую обработку данных.
Водонепроницаемая частьизготовлена поиндивидуальному заказу Эта часть содержит воду, которая действует как акустическая связующая среда между кожей и элементами преобразователя
Индоцианин зеленый (ICG)ПУЛЬСИОН Медицинские системы SEICG-PULSION (активный ингредиент: индоцианин зеленый краситель) - это препарат, используемый в кардиологической, сердечной и микроциркуляторной диагностике, диагностике функции печени и офтальмологической ангиографии.

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи