红外主塔中图像血液和脂质的光声断层扫描

Biomedical Engineering

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Overview

资料来源古尔内特·桑加和克雷格·戈尔根,韦尔登生物医学工程学院,普渡大学,西拉斐特,印第安纳州

光声断层扫描(PAT)是一种新兴的生物医学成像模式,它利用光产生的声波从组织获取组成信息。PAT 可用于成像血液和脂质成分,可用于各种应用,包括心血管和肿瘤成像。目前使用的成像技术有固有的限制,限制他们使用研究人员和医生。例如,采集时间长、成本高、使用有害对比度和极小到高侵入性都是限制实验室和诊所使用各种模式的因素。目前,唯一与PAT相媲美的成像技术是新兴的光学技术。但这些也有缺点,如渗透深度有限和需要外生造影剂。PAT 以快速、无创、无标签的方式提供有意义的信息。当与超声波结合时,PAT可用于从组织获得结构、血液动力学和成分信息,从而补充目前使用的成像技术。PAT 的优点说明了它在临床前和临床环境中产生影响的能力。

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JoVE Science Education Database. 生物医学工程. 红外主塔中图像血液和脂质的光声断层扫描. JoVE, Cambridge, MA, (2020).

Principles

PAT是一种混合模式,利用光诱导的声波从组织获取成分信息。声学传播归因于热弹性膨胀。当组织中特定的化学键吸收光时,当环境温度升高导致组织膨胀时,就会发生这种情况。为了复杂,特定的化学键吸收光,使分子振动,并将一些振动能量转化为热能。这种热量的产生会导致局部组织扩张,从而诱导超声波传感器可以检测到的声学传播。为了诱导光声效应,必须满足热和应力结合条件,以尽量减少散热,并允许热弹性引起的压力在组织内积聚。由此产生的光声压力波可以由方程(1)来表示,光诱导声波(Po)受温度相关格鲁尼森参数(+)、吸收系数(μa)和局部光通度(F)的调节。

Po ==F 方程 1

因此,温度的每升高都会产生800帕斯卡压力波,可以使用超声波传感器检测出来。这种键选择光吸收允许用户通过调整光的波长来瞄准各种生物成分,例如使用1100nm光瞄准血液和1210nm光来靶向脂质。此外,由于光被用来诱导声波传播,这种技术通常可用于成像比其他光学技术更深的结构,而无需造影剂或侵入性程序。这种使用第二近红外视光中的长波长光诱导声波的特定方法为用户提供了许多优势,使振动PAT(或VPAT)有可能用于广泛的生物医学应用。

Procedure

以下程序描述了在脂蛋白-E缺乏(apoE---)小鼠中建立肾上腺主数血脂成像所需的方法。

1. 激光超声耦合

  1. 获得Nd:YAG脉冲光学参数振荡器激光和超声系统。获取脉冲发生器、1 根 BNC 电缆和连接到两根 BNC 电缆的 D 连接器。
  2. 使用 D 连接器设置,将"Fire"BNC 电缆连接到脉冲发生器的端口 A,将"Q 开关"连接到脉冲发生器的端口 B。最后,将 BNC 电缆从端口 C 连接到超声波系统背面的"触发点"。
  3. 将光纤电缆与激光对齐,并将光纤端连接到 40 MHz 超声传感器的侧面。
  4. 将端口 A、B 和 C 的延迟调整为此处列出的值(端口 A: 0.00000000,端口 B: 0.00021440,端口 C: 0.00000910)。将端口 A 和 B 设置为反转信号,将端口 C 设置为正常信号。

2. 动物准备和图像采集

  1. 在麻醉诱导室中使用3%的外孢子来麻醉apoE-/-小鼠。一旦动物被麻醉,将鼠标移动到鼻锥中,以传递1-2%的异二苯。
  2. 对动物眼睛进行眼部润滑,防止角膜干燥。将老鼠的爪子贴在加热阶段的电极上,以监测动物的呼吸和心率。最后,插入直肠探头以监测体温。
  3. 涂抹脱毛霜,去除动物腹部的头发。30 小时后用纱布垫擦去。
  4. 将超声波传感器放在动物的腹部并找到肾上腺主塔。左肾静脉和主动脉三毛进入尾动脉是两个里程碑,这将有助于用户定位此区域。
  5. 运行激光输出 1100 nm 光以瞄准血液,然后以 1210 nm 光瞄准脂质。使用激光时,请使用适当的激光安全护目镜。

光声断层扫描,PAT,有时被称为光声断层扫描,是一种新兴的生物医学成像模式,利用光产生的声波从组织获取组成信息。

光声断层扫描(PAT)使用特定波长的光来成像组织的特定成分。这对于各种临床前和临床应用非常有用,例如监测基于脂质的疾病进展。

目前使用的成像技术在采集时间、穿透深度、有害对比剂的使用和成本方面受到固有的限制。另一方面,PAT是一种快速、非侵入性和无造影剂的技术,当与现有的成像模式(如超声波)相结合时,可以同时提供结构和成分信息。

本视频将说明振动PAT的基本原理和在小鼠中建立血液和脂质成像的方法。接下来,我们将演示如何将 VPAT 图像与超声波一起解释,然后介绍该技术的一些应用。

让我们首先讨论这种成像技术的基本原理。

在VPAT成像过程中,来自激光源的单波长光显示在感兴趣的区域。然后,这种光被生物组织中波长特定的化学键吸收。在VPAT中,被吸收的光使分子振动。

然后,一些振动能量转换为瞬态加热。这种热量的产生会导致局部组织的热弹性膨胀,从而产生超声波传播。这称为光声效果。超声波传感器对超声波的检测会产生特定于成分的断层图像。

从数学上讲,光诱导的声波P无由温度依赖的格鲁尼森参数伽玛、吸收系数mu a和局部光荧光F控制。因此,对于温度升高时,可以使用超声波传感器检测出 800-帕斯卡压力波。这种键选择光吸收允许用户通过调谐光的波长来瞄准各种生物成分。

例如,1,100 纳米光用于靶向血液,1,210 纳米光用于靶向脂质。此外,由于光被用来诱导声波传播,这种技术通常可用于成像比其他光学技术更深的结构,而无需造影剂或侵入性程序。

在回顾了VPAT的基础知识后,现在让我们看到一个示例,了解如何设置和执行VPAT来成像肾上腺蛋白E缺陷小鼠的肾上腺主数中的血液和脂质。

首先,获得必要的设备:Nd:YAG 脉冲光学参数振荡器激光器、超声系统、延迟发生器和连接到两条 BNC 电缆的 D 连接器。然后,将 Fire BNC 电缆连接到延迟发生器的端口 A,将 Q 开关连接到延迟发生器的端口 B。将 BNC 电缆的末端从端口 C 连接到超声波系统背面触发。

将端口 A、B 和 C 的延迟调整到此处列出的值。端口 A 和 B 应专门输出倒脉冲,端口 C 应输出正常脉冲。然后,将光纤电缆与激光对齐,并将光纤端连接到 40 兆赫超声波传感器的两侧。

现在,让我们演示如何为动物准备光声断层扫描。

首先,在击倒室中使用3%的除胶对一种缺乏蛋白的小鼠进行麻醉。一旦动物被麻醉,将鼠标移动到加热阶段,并固定鼻锥,以提供1至2%的异二苯。在动物的眼睛上涂抹眼睛润滑剂,防止角膜干燥。将老鼠的爪子贴在加热阶段的电极上,以监测动物的呼吸和心率。最后,插入直肠探头以监测体温。

接下来,通过涂抹脱毛霜,从动物的整个腹部去除头发。将超声波传感器放在动物的腹部,并找到肾上腺主塔。左肾静脉和主动脉三毛进入尾动脉是两个里程碑,这将有助于用户定位此区域。

要开始获取图像,请按 B 模式查看实时 B 模式图像。使用 2D 增益旋钮调整增益,并使用焦点区域和对焦深度旋钮调整增益。使用"深度偏移"、"图像宽度"和"图像深度"按钮调整图像宽度和深度。

在此之后,打开激光。按 PA 模式查看实时 B 模式和 PA 图像。使用 2D 增益旋钮调整 PA 增益,并调整屏幕上的 PA 窗口和颜色贴图。以1,100纳米光照射激光瞄准血液,然后以1,210纳米光瞄准脂质。

现在让我们回顾一下VPAT协议的结果,在体内进行脂质和血液特异性成像。

超声波成像允许获得有关肾上腺主塔的结构信息。这可用于更好地解释VPAT组合信息。具体来说,1,100纳米光对主动脉内的血液进行成像,而1,210纳米光成像皮下和围动脉脂肪的积累。

从这些图像中可以看出,皮下脂肪遵循皮肤的几何形状。然而,围动脉脂肪遵循主动脉的轮廓,血液信号来自主动脉内。

光声断层扫描可用于各种临床前和临床应用。

体内小动物成像在临床前研究中起着重要作用,光声断层扫描利用近红外光检测电子吸收,从而为神经生物学应用提供深层大脑特征的高分辨率成像。收集关于血红蛋白氧合、血管解剖学和血液通量的精确数据。这种内部脑成像信息可用于评估正常和病理性脑组织。

在血管医学中,对静脉和动脉进行可视化并评估其功能非常重要。光声断层扫描提供组合信息,将斑块描述为脆弱或稳定,从而有助于预测哪些斑块容易破裂,并可能导致心肌梗死或缺血性中风。

您刚刚观看了 JoVE 的光声断层扫描介绍。现在,您应该了解这种成像技术的基本原则,并能够对动物进行成像并解释结果。感谢您的收看!

Results

在这里,VPAT方法用于在体内进行脂质和血液特异性成像。通过耦合激光和超声波系统,将光传递到组织,并检测到产生的声波。超声成像使我们能够获得肾上腺主塔的结构信息(图1a),可用于更好地解释VPAT组合信息。具体来说,使用1100nm光来成像主动脉内的血液(图1b),1210nm光用于成像皮下和近端脂肪积累(图1c)。从超声波和VPAT图像中可以看出,皮下脂肪遵循皮肤的几何形状,围阴脂肪遵循主动脉的轮廓,血液信号来自主动脉内部。这些结果证实,事实上,VPAT可用于图像血液和血脂积累在体内。

Figure 1
图1:超声(左),血液VPAT(中),和脂质VPAT(右)图像的ApoE-/-。皮下脂肪(白色箭头)、围周脂肪(橙色箭头)和血液(红色箭头)清晰可见。

Applications and Summary

VPAT是一种快速、无创、无标签的方法,用于成像体内的血液和脂质积累。通过将脉冲激光传送给组织,诱导声学传播来获得相对密度并定位生物成分。当与超声成像结合时,可解决组织中的组成和血液动力学信息。该技术的一个当前限制是它的穿透深度,这是大约3毫米的脂质成像。虽然这比目前的光学技术更好,但改进光传递技术将提高穿透深度。改善这一状况的一个方法是开发光声传感器,将光传递到感兴趣的区域最大化,同时将反射光重新定向到组织中。虽然VPAT是一种仍处于起步阶段的成像技术,但近年来它受到极大的关注,使得该技术将来有可能用于更多的实验室和诊所。

所述协议可用于临床前和临床领域的各种应用。三个潜在的VPAT应用包括利用该技术1)研究基于脂质的疾病进展,2)评估有前途的治疗,以及3)改善基于脂质的疾病诊断。跟踪结构、血液动力学和成分信息的能力使VPAT成为研究小动物模型中血管脂如何积累的一项有吸引力的技术(图1)。此外,由于VPAT是一种非侵入性方法,它可以用于评估治疗在纵向研究中的影响。这可以通过减少治疗验证所需的动物数量来具体降低研究成本。最后,VPAT提供成分信息的能力使它成为一种有吸引力的技术,以图像不同类型的斑块患者患有动脉粥样硬化相关疾病,如胡萝卜素和周围动脉疾病。心血管医学目前面临的挑战之一是预测哪些斑块容易破裂,从而有诱发心肌梗死和缺血性中风。因此,VPAT在描述脆弱斑块与稳定斑块方面可能也起着重要作用,因为VPAT能够区分生物成分。综合起来,VPAT有可能在医学研究和临床实践中产生重要影响。

材料列表

名字 公司 目录号 评论
VPAT 设备
超声波系统 视觉声波 Vevo2100
Nd:YAG OPO 激光 连续 苏利特 EX
蓝宝石脉冲发生器 量子作曲家 9200 需要 4 个端口
BNC 电缆 托尔实验室 2249-C-120 外径0.2',BNC电缆的长度取决于用户偏好。
连接到两条 BNC 电缆的 B 连接器 L-com CTL4CAD-1.5 连续也提供此连接器
光学护目镜 激光护罩 #37 0914 UV400 任何具有 OD 7+ 的护目镜都就足够了。

以下程序描述了在脂蛋白-E缺乏(apoE---)小鼠中建立肾上腺主数血脂成像所需的方法。

1. 激光超声耦合

  1. 获得Nd:YAG脉冲光学参数振荡器激光和超声系统。获取脉冲发生器、1 根 BNC 电缆和连接到两根 BNC 电缆的 D 连接器。
  2. 使用 D 连接器设置,将"Fire"BNC 电缆连接到脉冲发生器的端口 A,将"Q 开关"连接到脉冲发生器的端口 B。最后,将 BNC 电缆从端口 C 连接到超声波系统背面的"触发点"。
  3. 将光纤电缆与激光对齐,并将光纤端连接到 40 MHz 超声传感器的侧面。
  4. 将端口 A、B 和 C 的延迟调整为此处列出的值(端口 A: 0.00000000,端口 B: 0.00021440,端口 C: 0.00000910)。将端口 A 和 B 设置为反转信号,将端口 C 设置为正常信号。

2. 动物准备和图像采集

  1. 在麻醉诱导室中使用3%的外孢子来麻醉apoE-/-小鼠。一旦动物被麻醉,将鼠标移动到鼻锥中,以传递1-2%的异二苯。
  2. 对动物眼睛进行眼部润滑,防止角膜干燥。将老鼠的爪子贴在加热阶段的电极上,以监测动物的呼吸和心率。最后,插入直肠探头以监测体温。
  3. 涂抹脱毛霜,去除动物腹部的头发。30 小时后用纱布垫擦去。
  4. 将超声波传感器放在动物的腹部并找到肾上腺主塔。左肾静脉和主动脉三毛进入尾动脉是两个里程碑,这将有助于用户定位此区域。
  5. 运行激光输出 1100 nm 光以瞄准血液,然后以 1210 nm 光瞄准脂质。使用激光时,请使用适当的激光安全护目镜。

光声断层扫描,PAT,有时被称为光声断层扫描,是一种新兴的生物医学成像模式,利用光产生的声波从组织获取组成信息。

光声断层扫描(PAT)使用特定波长的光来成像组织的特定成分。这对于各种临床前和临床应用非常有用,例如监测基于脂质的疾病进展。

目前使用的成像技术在采集时间、穿透深度、有害对比剂的使用和成本方面受到固有的限制。另一方面,PAT是一种快速、非侵入性和无造影剂的技术,当与现有的成像模式(如超声波)相结合时,可以同时提供结构和成分信息。

本视频将说明振动PAT的基本原理和在小鼠中建立血液和脂质成像的方法。接下来,我们将演示如何将 VPAT 图像与超声波一起解释,然后介绍该技术的一些应用。

让我们首先讨论这种成像技术的基本原理。

在VPAT成像过程中,来自激光源的单波长光显示在感兴趣的区域。然后,这种光被生物组织中波长特定的化学键吸收。在VPAT中,被吸收的光使分子振动。

然后,一些振动能量转换为瞬态加热。这种热量的产生会导致局部组织的热弹性膨胀,从而产生超声波传播。这称为光声效果。超声波传感器对超声波的检测会产生特定于成分的断层图像。

从数学上讲,光诱导的声波P无由温度依赖的格鲁尼森参数伽玛、吸收系数mu a和局部光荧光F控制。因此,对于温度升高时,可以使用超声波传感器检测出 800-帕斯卡压力波。这种键选择光吸收允许用户通过调谐光的波长来瞄准各种生物成分。

例如,1,100 纳米光用于靶向血液,1,210 纳米光用于靶向脂质。此外,由于光被用来诱导声波传播,这种技术通常可用于成像比其他光学技术更深的结构,而无需造影剂或侵入性程序。

在回顾了VPAT的基础知识后,现在让我们看到一个示例,了解如何设置和执行VPAT来成像肾上腺蛋白E缺陷小鼠的肾上腺主数中的血液和脂质。

首先,获得必要的设备:Nd:YAG 脉冲光学参数振荡器激光器、超声系统、延迟发生器和连接到两条 BNC 电缆的 D 连接器。然后,将 Fire BNC 电缆连接到延迟发生器的端口 A,将 Q 开关连接到延迟发生器的端口 B。将 BNC 电缆的末端从端口 C 连接到超声波系统背面触发。

将端口 A、B 和 C 的延迟调整到此处列出的值。端口 A 和 B 应专门输出倒脉冲,端口 C 应输出正常脉冲。然后,将光纤电缆与激光对齐,并将光纤端连接到 40 兆赫超声波传感器的两侧。

现在,让我们演示如何为动物准备光声断层扫描。

首先,在击倒室中使用3%的除胶对一种缺乏蛋白的小鼠进行麻醉。一旦动物被麻醉,将鼠标移动到加热阶段,并固定鼻锥,以提供1至2%的异二苯。在动物的眼睛上涂抹眼睛润滑剂,防止角膜干燥。将老鼠的爪子贴在加热阶段的电极上,以监测动物的呼吸和心率。最后,插入直肠探头以监测体温。

接下来,通过涂抹脱毛霜,从动物的整个腹部去除头发。将超声波传感器放在动物的腹部,并找到肾上腺主塔。左肾静脉和主动脉三毛进入尾动脉是两个里程碑,这将有助于用户定位此区域。

要开始获取图像,请按 B 模式查看实时 B 模式图像。使用 2D 增益旋钮调整增益,并使用焦点区域和对焦深度旋钮调整增益。使用"深度偏移"、"图像宽度"和"图像深度"按钮调整图像宽度和深度。

在此之后,打开激光。按 PA 模式查看实时 B 模式和 PA 图像。使用 2D 增益旋钮调整 PA 增益,并调整屏幕上的 PA 窗口和颜色贴图。以1,100纳米光照射激光瞄准血液,然后以1,210纳米光瞄准脂质。

现在让我们回顾一下VPAT协议的结果,在体内进行脂质和血液特异性成像。

超声波成像允许获得有关肾上腺主塔的结构信息。这可用于更好地解释VPAT组合信息。具体来说,1,100纳米光对主动脉内的血液进行成像,而1,210纳米光成像皮下和围动脉脂肪的积累。

从这些图像中可以看出,皮下脂肪遵循皮肤的几何形状。然而,围动脉脂肪遵循主动脉的轮廓,血液信号来自主动脉内。

光声断层扫描可用于各种临床前和临床应用。

体内小动物成像在临床前研究中起着重要作用,光声断层扫描利用近红外光检测电子吸收,从而为神经生物学应用提供深层大脑特征的高分辨率成像。收集关于血红蛋白氧合、血管解剖学和血液通量的精确数据。这种内部脑成像信息可用于评估正常和病理性脑组织。

在血管医学中,对静脉和动脉进行可视化并评估其功能非常重要。光声断层扫描提供组合信息,将斑块描述为脆弱或稳定,从而有助于预测哪些斑块容易破裂,并可能导致心肌梗死或缺血性中风。

您刚刚观看了 JoVE 的光声断层扫描介绍。现在,您应该了解这种成像技术的基本原则,并能够对动物进行成像并解释结果。感谢您的收看!

JoVE Science Education is free through June 15th 2020.

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