Introduction
Optoakustische (photoakustische) Bildgebung zieht wachsende Interesse aus den biologischen und medizinischen Forschungsgemeinschaften, wie sie in der ständig wachsenden Zahl von Publikationen umfassenden Vielzahl von neuen Anwendungen, die die einzigartigen Vorteile von der Technik 5.1 zu nutzen manifestiert. Insbesondere eröffnet die Fähigkeit, Bild spektral unverwechselbaren Foto-Absorptionsmittel mit hoher raum-zeitlicher Auflösung in Tiefen weit über die Diffusionsgrenze von Licht beispiellose Fähigkeiten für funktionelle und molekulare Bildgebung 6-10.
Tatsächlich Übersetzung der optoakustischen Technologie in die klinische Praxis kommt mit vielversprechenden Perspektiven in der Diagnostik und Therapieüberwachung von vielen Krankheiten. Noch der begrenzte Ausbreitung von Photonen in optisch streuenden und absorbierenden Gewebe und der generell schwachen Reaktionen mit der optoakustischen Phänomen zu begrenzen den anwendbaren Tiefe des Verfahrens. Als Ergebnis Hand optoacoustic Sonden haben, um Bildteile von außerhalb des Körpers 11,12 zugänglich versucht worden, während endoskopischer Systeme werden verwendet, um Bilder aus dem Körperinneren, indem Sie sie über natürliche Körperöffnungen 13 bereitzustellen. Einige Low absorbierenden Teile des menschlichen Körpers, wie der weiblichen Brust sind auch von tomographischen optoakustische Scanner 14,15 zugänglich. Von besonderem Interesse ist das Hand Ansatz, da es ermöglicht große Vielseitigkeit, ähnlich wie Ultraschall. Hier bleibt die Anpassung der gemeinsamen Ultraschall lineare Anordnung Sonden für optoakustischen Bildgebung anspruchsvoll, vor allem auf grundlegende Unterschiede in Bildgebungsanforderungen zwischen Ultraschall und Optoakustik. Während hohe Frameraten in Standard-Sonographie werden durch sequentielle aktiviert Sende-Empfangs-Systeme, die Hochimpulsfolgefrequenzen im kHz-Bereich, wird in Echtzeit dreidimensionale optoakustischen Bildgebung durch gleichzeitige Sammlung von volumetrischen tomographischen Daten aus einer einzigen int erreichterrogating Laserpuls. Somit impliziert hochwertigen optoakustischen Tomographie-Erfassung von dreidimensionalen Daten aus einem möglichst großen Raumwinkel um das abzubildende Objekt.
Kürzlich haben wir den ersten akusto-optischen Handsonde zur dreidimensionalen (volumetrisch) Bildgebung in Echtzeit 16. Das System basiert auf einem zweidimensionalen Array 256 auf einer Kugeloberfläche (blaue Punkte in 1A) angeordneten piezoelektrischen Elementen abdeckt einen Winkel von 90 ° bezogen. Die Größe der einzelnen Elemente von ca. 3 x 3 mm 2, sowie deren Orientierung und Frequenzbandbreite (ca. 2-6 MHz) garantieren effektive Signal Sammlung von einer zentimetergroßer Lautstärke rund um das Zentrum der Kugel (schwarz Würfel in Abbildung 1A). Optische Anregung der Abbildungsbereich mit einem Faserbündel durch einen zentralen zylindrischen Hohlraum der Anordnung eingesetzt ist, so dass jede Wellenlänge Susceptible der durch das Faserbündel übertragen kann für die Bildgebung verwendet werden. Eine tatsächliche Bild der Anordnung von Wandlern zusammen mit dem optischen Faserbündel ist in 1B gezeigt. Die effiziente Anregung und gleichzeitige Detektion von Signalen ermöglicht tiefen Gewebe-Bildgebung mit Single-Shot-Anregung (ein Laser-Impuls), so daß eine Echtzeitabbildung mit einer Bildrate von der Pulswiederholungsfrequenz des Lasers bestimmt ist ferner mit einer Grafik- aktiviert Verarbeitungseinheit (GPU) Durchführung des Wiederaufbauverfahren 17. Ein zylindrisches Gehäuse mit einem transparenten Polyethylenmembran (1C) mit der Wandleranordnung befestigt ist, um eine akustisch Übertragungsflüssigkeit (Wasser) zu umschließen. Die Membran wird auf die Gewebe mittels akustischer Gel gekoppelt. Ein Bild von der optoakustischen Sonde in handgehaltenen Betriebsmodus verwendet wird in 1D gezeigt.
Das demonstriert three dimensional Handoptoakustischen Bildgebung in Verbindung mit dem Echtzeit-Funktionsabbildungsleistung wichtige Vorteile für die klinische Diagnostik und eine Anzahl von potentiellen Anwendungen sind für verschiedene Indikationen, wie periphere arterielle Verschlusskrankheit, des Lymphsystems, Brustkrebs, Hautläsionen vorgesehen, Entzündung oder Arthritis 18. Weiterhin schnelle Abbildungsleistung ermöglicht die Visualisierung von dynamischen biologischen Ereignisse mit dem in einer stationären Position angeordnet Sonde. Kombiniert mit schneller Wellenlängenabstimmung optischen parametrischen Oszillator (OPO), Lasertechnik, ermöglicht die Echtzeit-Bildgebung von biologischen Verteilung von Photoabsorptionsmittel dieser Ansatz. Dadurch kann neue Möglichkeiten gleichermaßen entstehen in der Kleintierbildgebungsanwendungen, z. B. bei der Untersuchung Gewebe Hämodynamik, in vivo Zellverfolgung, Visualisierung der Pharmakokinetik, Organperfusion, gezielte molekulare Bildgebung von Tumoren und Herz-Kreislauf-System oder Neuroimaging.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Die Einzelheiten des Verfahrens zum Betreiben der volumetrischen Handoptoakustischen Sonde wird nachstehend beschrieben. Dieser Vorgang wird nach anerkannten institutionellen Regelungen zur Tier- und Menschenversuche durchgeführt.
1. Systemvorbereitungs
- Einschalten des Lasers für eine Aufwärmzeit von ca. 15 min vor dem Betrieb zur Stabilisierung der Ausgangslichtstrahl.
- Setzen Sie den Wasser umschließenden Teil mit der Trennmembran, die in Kontakt mit der Haut (Abbildung 1) ist.
HINWEIS: Der Abstand zwischen der Trennmembran (in Kontakt mit der Haut) und die Region mit der maximalen Empfindlichkeit des Wandlers (Zentrum der sphärischen Sonde) stellt die effektive Abbildungstiefe. - Füllen des gesamten Volumens von ca. 100 ml zwischen der Trennmembran und der Oberfläche des Wandlers mit entionisiertem Wasser mittels einer Pumpe.
- Stellen Sie sicher, dass keine Wasserleckage noch Luftblasen Present. Alternativ zu vermeiden Luftblasen durch Rezirkulation des Wassers.
- Führen die Versuche bei RT und gewährleisten die Koppelmedium (Wasser) wird bei dieser Temperatur gehalten.
2. Imaging Vorbereitung
- Menschliche Bildgebung Vorbereitung.
- Entfernen von Haar des zu bild Teil mit einer Depilation Lotion, um einen unerwünschten Hintergrund in den Bildern zu vermeiden (dieser Schritt ist optional).
- Anwendung Ultraschallgel auf die Haut, um den Bereich zu, um eine effiziente akustische Kopplung bereitzustellen abgebildet werden. Legen Sie die optoakustischen Sonde in der Region von Interesse. Darauf, dass keine Luftblasen in der Ultraschallankopplung Gel vorhanden sind.
- Tierbildgebung Vorbereitung.
- Stellen Sie sicher, dass die Pflege und experimentellen Verfahren mit Tieren sind in Übereinstimmung mit institutionellen und staatlichen Vorschriften.
- Entfernen das Fell des Tieres in dem Bereich mit einer Rasierwasser abgebildet werden. Schützen Sie die Augen des Tieres mitTierarzt Salbe, die Trockenheit und Schäden durch Einwirkung von intensiver gepulster Laserstrahlung verhindert.
- Betäubt das Tier mit Hilfe intraperitoneale Injektion (IP) von Ketamin / Xylazin (100 mg / kg KG Ketamin + 5 mg / kg KG Xylazin) vor dem Experiment oder mit Isofluran-Narkose (2-3% (Volumen) mit 0,9 l / min Gasstrom) während des Experiments. Betäubung Bestätigen durch Überprüfung der Reflex der hinteren Gliedmaßen des Tieres.
- Anwendung Ultraschallgel auf die Haut um den Bereich zu, um eine effiziente akustische Kopplung bereitzustellen und legen die optoakustischen Sonde in dem interessierenden Bereich abgebildet werden. Darauf, dass keine Luftblasen in der Ultraschallankopplung Gel vorhanden sind.
3. Pre-view Operation Mode
- Stellen die Abbildungswellenlänge (n) zwischen 690 nm und 900 nm und die Pulswiederholungsrate zwischen 10 und 50 Hz. Die Parameter für die akustische Datenerfassungssystem - 1 MEingangsimpedanz. Erwerben 2030 Abtastwerte für jeden Laserpuls mit einer Abtastrate von 40 Megasamples pro Sekunde und 12-Bit-Vertikalauflösung. Auslösen der Erfassung mit Q-Schalter-Ausgang des Lasers.
- Stellen Sie sicher, dass sowohl der Betreiber und der Patient Schutzbrille tragen zur optischen Anregungswellenlänge (n) angepasst. Eingestellt, die Laserleistung so, dass der Lichtfluss auf der Gewebeoberfläche unter 20 mJ / cm 2 während des Experiments zur nahen Infrarotwellenlängen, um die Sicherheit Grenzwerte für Menschenversuche 19 erfüllen und thermische Belastung und Schädigung der Haut bei Tieren verhindern gehalten .
- Starten des pre-view-Software mit einer GPU Umsetzung Verarbeitungsalgorithmen ermöglichen die Visualisierung dreidimensionaler Bilder mit einer Bildrate entsprechend der Impulswiederholungsrate des Lasers.
- Bewegen Sie die Sonde und / oder das Objekt, um Visualisierungsleistung zu optimieren und zu lokalisieren, die Strukturen von Interesse abgebildet werden.
4. Datenerfassung
- Die Datenerfassung für das Scannen (Handheld) Modus.
- Falls erforderlich, Injizieren eines Kontrastmittels nach der Akquisition der Kontrast in der Region von Interesse zu machen.
HINWEIS: In unseren Experimenten haben wir nicht kontrastverstärkten menschlichen Bildgebung durchgeführt. Dennoch können verschiedene Kontrastmittel potentiell für diesen Zweck verwendet werden. Indocyanin-Grün (ICG) ist ein Beispiel einer klinisch zugelassenen optische Kontrastmittel, die für die Kontrastverstärkung bei maximal empfohlenen Dosis von 2 mg / kg Körpergewicht bei Erwachsenen verwendet werden können. - Starten der Hardware für die Datenerfassung mit den in 3.1 beschriebenen Parameter Aufrechterhaltung der Ausführung des Vorschau Software. Bewegen vorsichtig die Sonde um den abgebildeten Bereich, um die Strukturen von Interesse zu verfolgen.
HINWEIS: Wenn Bilder an mehreren Laserwellenlängen gleichzeitig erfasst, hat die Geschwindigkeit der Sondenbewegung im Handbetrieb deutlich verringert werden (vorzugsweise unter 2 mm / secfür eine Laserimpulswiederholungsrate von 50 Hz), um bewegungsbezogenen Artefakten in den spektral entmischten Bilder zu vermeiden. - Die Datenerfassung für den stationären Betrieb.
- Montieren Sie das abgebildete Objekt (z. B. Tier) und der Handsonde auf den Halter und starten Sie die Übernahme mit den in 3.1 beschriebenen Parameter Aufrechterhaltung der Ausführung des Pre-View Software.
- Aufrechterhaltung der optoakustischen Sonde und das Abbildungsteil in der gleichen Position während des Versuchs, um dynamische biologische Ereignisse in dem Bereich von Interesse darzustellen.
- Injizieren eines Kontrastmittels, um seine dynamische Verteilung in der Region von Interesse zu verfolgen.
HINWEIS: In unserem Mausexperimenten, Indocyaningrün (ICG) wurde zur Kontrastverstärkung eingesetzt. Als allgemeine Richtlinie gilt, einer Menge von 10 nmol oder 0,4 mg / kg ICG hat, um nachweisbare Unterschied multispektralen Optoakustik in vivo erzeugen in den Kreislauf eingebracht werden, der Maus.
HINWEIS: Das Kontrastmittel mussfür den menschlichen und / oder tierischen Gebrauch durch den jeweiligen Behörde genehmigt.
5. Abschließen der Experiment
- Stoppen Sie den Laser.
- Entfernen Sie die optoakustischen Sonde von der abgebildeten Region. Für Tierstudie, stoppen Sie die Anästhesieversorgung.
- Positionieren Sie das Tier unter einer Infrarotheizung, um es warm zu halten und den Kontakt mit anderen Tieren zu verhindern, bis er aus der Narkose vollständig erholt. Sie das Tier nicht unbeaufsichtigt während der Erholung von der Narkose.
6. Off-line Datenverarbeitung
- Laden Sie die Datei (en) enthält, die erworbenen optoakustischen Signale in der Software-Anwendung für die Datenverarbeitung eingesetzt.
- Verwenden eines Rekonstruktionsalgorithmus auf einer dreidimensionalen Matrixanordnung entsprechend einem volumetrischen Bild der optischen Absorption für jeden Rahmen, und jede Wellenlänge zu erhalten.
HINWEIS: Für die Rekonstruktion ist es bevorzugt, einen Algorithmus zu verwenden, entfallen Störfaktoren, wie heterogenekeiten und Dämpfung in dem abgebildeten Objekt, Auswirkungen der endgültigen Bandbreite und geometrische Form der Erfassungselemente und Lichtfluenz Variationen, um eine quantitative Darstellung der Verteilung der absorbierten Energie zu erhalten. - Verwenden einen Algorithmus, um Entmischung zu erhalten, aus jedem Mehrfachwellenlängen-Rahmen, einen neuen Satz von dreidimensionalen Matrixarrays, die die optische Absorption für jeden in der Probe vorhandenen absorbierenden Substanz.
- Bei Bedarf weiterverarbeiten die Matrix-Arrays, die die optischen Absorptionsverteilung bis zur Visualisierung und Lesen von biologisch relevanten Parameter zu erleichtern.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Repräsentative Ergebnisse, demonstriert die Fähigkeiten des beschriebenen volumetrischen Handoptoakustischen Sonde, werden in diesem Abschnitt vorgestellt. In allen Fällen wurde der Lichtfluss auf der Hautoberfläche unter den Sicherheitsgrenzwert von 20 mJ / cm 2 19 gehalten.
Die Leistung der Sonde in Echtzeit-Tracking peripheren menschlichen Gefäß ist in Figur 2 vorgestellt. Im Verlauf dieses Versuches wurde die Sonde langsam entlang der Hand eines gesunden menschlichen Freiwilligen bei einer einzelnen Wellenlänge von 800 nm mit dem Laser abgetastet Betriebs bei 10 Pulsen pro Sekunde 17, so dass die Echtzeit-Visualisierung der Blutgefäße für alle Scanpositionen erreicht. Der Vertreter maximale Intensitätsprojektion (MIP) der rekonstruierten Bilder in allen drei Raumrichtungen sind in Figur 2 dargestellt. Echtzeit-Visualisierung während der Messung mit einer GPU implementatio aktiviertn des gefilterten Rückprojektionsalgorithmus 17.
Die Echtzeit-multispektrale Bildkapazität ist in Abbildung 3 präsentiert. Insbesondere Messungen wurden durch Abtasten der Sonde entlang des Handgelenks eines gesunden Freiwilligen mit Blutgefäßen mit unterschiedlichen Größen und Sauerstoffsättigung sowie eine Melanin-reiche Hautpigmentierung 10 durchgeführt. Ein 50 Hz Pulswiederholungsrate Laser mit einer Wellenlängen-Abstimmbarkeit in einem Pro-Impuls-Basis wurde in diesem Fall verwendet. Der Laser wurde für mehrere Wellenlängen zwischen 730 und 850 nm mit 30 nm Schritt (5 Wellenlängen) eingestellt, entsprechend einer monotonen Abnahme der Absorption von Melanin, einem monotonen Anstieg in der Absorption von Oxyhämoglobin und einen charakteristischen Peak bei der Absorption von Sauerstoff befreit Hämoglobin. Akquisition einer gesamten multispektralen Datenmenge dauert nur 100 ms aufgrund der schnellen Abstimmung Kapazität des Lasers. Die MIP-Bildern entlang der TiefeRichtung für 3 verschiedene Wellenlängen, entsprechend der gleichen Position der Sonde sind in 3A dargestellt. 3B zeigt die Verteilung der ungemischten oxygeniertem Hämoglobin (HbO 2), von Sauerstoff befreitem Hämoglobin (HBr) und Melanin in rot, blau und gelb, jeweils , während es weiterhin angenommen, dass die Absorption war allein aufgrund dieser drei farbgebenden Komponenten. Dadurch, rot und blau Strukturen in Abbildung 3 stellen wahrscheinlich Arterien und Venen, wohingegen der gelbe Fleck entspricht Pigmentierung der Haut. Starke Lichtabsorption durch Melanin kann die entsprechende Eindringtiefe für diese Methode bei Menschen mit dunkler Hautfarbe zu reduzieren, obwohl weitere Tests ist eindeutig notwendig, quantitative Schlüsse zu ziehen.
Figur 4 veranschaulicht die Fähigkeit zur Abbildung dynamischer Prozesse in vivo. O Hierin wird der Verkehr in der Mittelfinger warmittels eines Gummibandes bstructed und während der Datenerfassung 18 freigegeben. Eine Sequenz von Einzelwellenlängen-Bilder bei 10 Bildern pro Sekunde erfasst, wie durch die Impulswiederholungsrate des Lasers bestimmt. Vier MIP Bilder entlang der seitlichen Richtung und Tiefe von 1 sec beabstandet sind präsentiert, wobei das zweite Bild entspricht dem Zeitpunkt nach der Zirkulations wiederhergestellt. Die Wellenlänge wurde auf 900 nm eingestellt, so dass die Amplitude der optoakustischen Signale sowohl mit Blutvolumen und Blutsauerstoffsättigung erhöht.
Schließlich Abbildung 5 zeigt die Fähigkeit des Systems eingeführt, um die Perfusion Dynamik in einem dreidimensionalen Bereich einer Maus unter Verwendung von ICG als Kontrastmittel 9 zu verfolgen. Ein acht Wochen alte weibliche Nackt CD-1-Maus wurde für die in-vivo-Experimenten verwendet. Das experimentelle Verfahren war im Einvernehmen mit institutionellen und bayerische Regierung Regeln und Vorschriften. Des Gehirns Gefäßen wardurch die Positionierung der Maus in Rückenlage und 2% Isofluran in reinem Sauerstoff abgebildet wurde für Anästhesie eingesetzt. Vet Salbe wurde verwendet, um die Augen der Maus zu schützen. 10 nmol des ICG in 50 ml Kochsalzlösung verdünnt wurde 5 s nach dem Start des optoakustischen Erfassung injiziert. Die Wellenlänge des Lasers wurde auf 730, 760, 800, 850 und 900 nm auf einer Pro-Impuls-Basis mit einer Rate von 50 mal pro Sekunde eingestellt ist. Für jeden Satz von Wellenlängen wurde die ICG Verteilung unter der Annahme, dass die optische Absorption ist nur aufgrund dieser Mittel sowie die oxygeniertem und desoxygeniertem Formen von Hämoglobin ungemischt. Die MIP-Bildern entlang der Tiefenrichtung entsprechend der ungemischten ICG Verteilung für 5 verschiedene Zeitpunkte sind in Figur 5A (Zeit nach der Injektion ist ebenfalls angegeben) dargestellt. Das Absorptionsspektrum der ICG im Plasma wird in 5B dargestellt. Diese besondere Experiment zeigt, dass der vorgeschlagene Ansatz ist in der Lage, simultane laufend Rendering wirklich fünfdimensionalen (dh spektral angereicherten zeitaufgelöste dreidimensionale) tomographischen Daten, die anschließend verwendet wird, um zu rekonstruieren und spektral entmischen die Verteilung der verschiedenen intrinsischen Chromophoren und exogener Mittel in Echtzeit.
Abbildung 1: Aufbau des Hand dreidimensionalen optoakustischen Sonde (A) Verteilung der piezoelektrischen Elemente (blaue Punkte) in Bezug auf die Region von Interesse (schwarzer Kubus) (B) aktuelles Bild von der Wandleranordnung (TA.. ) und Faserbündel (FB). (C) Wasser umschließt Teil. (D) Die tatsächlichen Bild der optoakustischen Sonde wie in der Handbetrieb-Modus verwendet. .jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2: Verfolgung von peripheren menschlichen Gefäß Maximum Intensity Projection Bilder der optischen Absorption entlang der drei kartesischen Richtungen für vier aufeinander folgende Bilder.. Hier der Laser bei 10 Impulsen pro Sekunde mit einer Wellenlänge konstant bei 800 nm eingestellt betrieben. Die Graustufen-Farbschema darstellt Intensität der optischen Absorption H in dem Objekt in willkürlichen Einheiten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
s.jpg "width =" 700 "/>
Fig. 3: Handabbildungs bestimmte endogene Chromophore (A) Maximum Intensity Projection Bilder der optischen Absorption entlang der Tiefenrichtung für drei verschiedene Wellenlängen entsprechend drei aufeinanderfolgenden Impulsen. In diesem Fall wird der Laser bei 50 Pulsen pro Sekunde (die Sonde nicht bewegt wurde) betrieben. (B) Spektral ungemischten Bilder die Verteilung von oxygeniertem und desoxygeniertem Hämoglobin und Melanin. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Fig. 4: Echtzeit-Abbildung des Blutflusses Maximum Intensity Projection Bilder der optischen Absorption entlang der Tiefe undseitlichen Richtungen entsprechend den vier verschiedenen Zeitpunkten. Der Verkehr in der Mittelfinger wurde vor dem Experiment blockiert und während des Experiments veröffentlicht (bei 0 s). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 5: Echtzeit-Bildgebung der Verteilung der optischen Kontrastmittel bei Mäusen (A) Verteilung des ICG-Kontrastmittel (Maximum Intensity Projection entlang der Tiefenrichtung) für vier verschiedene Zeitpunkte nach der Injektion des Mittels (bei 0 s).. (B) Extinktionsspektrum ICG im Plasma. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version zu sehen tseine Figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Die einzigartigen Vorteile, die durch optoakustischen Bildgebungstechniken in kleinen Tierforschung angeboten haben starke Motivation für die Übersetzung der Technik in der klinischen Praxis mit einer Reihe von Diagnose und Therapieüberwachung Anwendungen vorgesehen, zB erstellt., Brust- und Hautkrebs, Entzündung oder periphere Gefäßkrankheiten. Jedoch, im Gegensatz zu Mäusen oder kleinere Tiere, die mit einer ausreichenden Anzahl von Lichtquellen und Detektorelementen umgeben sein kann, um eine wirksame tomographischen Bildaufnahmegeometrie zu schaffen, die großen Abmessungen des menschlichen Körpers und begrenzte optische Durchdringung behindern Umsetzung Ganzkörper- optoakustischen Tomographie ähnlich MRT oder CT. Das vorgestellte Handoptoakustischen Bildgebungssonde ist ideal für den menschlichen Bildgebung, wie sie viele der Vorteile der Sonographie, wie den mobilen Einsatz, hohe Auflösung, nichtionisierende Anregung und Echtzeitfähigkeit Aktien. Dennoch ist die optimale Hardware-Design und reconstruction Verfahren zur optoakustischen Bildgebung wesentlich von den gewöhnlich in Ultraschall-Scanner verwendet. Dies ist auf grundlegende Unterschiede zwischen den optimalen Betriebseigenschaften der beiden Modalitäten wie Pulsfrequenz, die Amplitude der detektierten Ultraschallantworten, die Unterstreichung Signalanregungsmechanismen und die resultierenden Bildrekonstruktionsansätze. Insbesondere ist Optoakustik inhärent eine dreidimensionale Bildgebungsverfahren wie volumetrischen Tomographiedatensätze aus dem abzubildenden Objekt kann im Prinzip mit einem einzigen Abfragelaserimpuls erzeugt werden, wie es auch in dieser Arbeit demonstriert. Darüber hinaus kann eine Anpassung der Sonde, um gleichzeitig Ultraschallbilder umgesetzt und bleibt als eine Zukunft Schritt in unserer Forschungsagenda werden.
Verglichen mit anderen etablierten klinischen Bildgebungsmodalitäten, wie beispielsweise Kernspintomographie (MRI) oder Röntgen-Computertomografie (CT), optoaakustischen Tomographie ist keine Ganzkörper-Bildgebungsverfahren kann aber basierend auf Licht Verhör von Geweben wesentlich reicher und präziser Kontrast zu schaffen. Tatsächlich hat endogene optischen Absorptionskontrast liefern nicht nur hochauflösende Gewebemorphologie, sondern macht funktionelle und möglicherweise gezielte molekulare Informationen von hoher Bedeutung für die klinische Entscheidungsfindung. Die molekulare Bildgebung Kapazität wird weiter stark von der deutlich größeren Verfügbarkeit von Kontrastmittel unterstützte nähert optischer Abbildungsmethoden verglichen, die für die anderen bildgebenden Modalitäten verfügbar 20,21. Darüber hinaus die hohe zeitliche Auflösung der optoakustischen Ansatz demonstriert hier, dh., Hohe Bildrate (real-time) dreidimensionale Bildgebung ist in der Regel nicht mit anderen Modalitäten derzeit in der klinischen oder Laborgeräte zur Verfügung. Schließlich simultane Erfassung von Multi-Wellenlängen-Daten bringt eine zusätzliche fünfte Dimension in die Echtzeit volumetric Visualisierung, die Durchführung echte dreidimensionale spektroskopische Beobachtungen von Geweben Chromophor und spezifische Bio-Marker Bioverteilungen ermöglicht.
Die potenziellen Anwendungen der dreidimensionalen optoakustischen Hand gehaltenen Sonde nicht an die klinische Bildgebung beschränkt, sondern es kann auch eine hoch wichtiges Werkzeug in der biologischen Forschung mit Tiermodellen dar. Tatsächlich Tieren größer als Mäuse sind im allgemeinen nicht geeignet, um in einem optoakustischen Tomographiesystem und dem Handansatz abzubildende wahrscheinlich bequemer. Auch volumetrische (dreidimensionale) Darstellung von bestimmten Regionen in Echtzeit mit optischen Kontrast und Ultraschallauflösung stellt einen einzigartigen Vorteil bei der Untersuchung der Arzneimittelabgabe, die hämodynamische Veränderungen oder Pharmakokinetik.
Abschließend erwarten wir, dass die eingeführte Methodik für Handoptoakustischen Bildgebung klinische Umsetzung der Technologie prompt und deutlich voran vorklinischen und biologische Erforschung vieler Grenzen auch.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Optical parametric oscillator (OPO)-based laser | Innolas Laser GmbH, Krailling (Germany) | custom-made | The laser provides laser pulses with a duration around 10 nsec and an energy up to 80 mJ. The wavelength is tunable between 680-950 nm. |
| Spherical array of piezocomposite detectors | Imasonic SaS, Voray (France) | custom-made | The array consists of 256 piezoelectric sensors distributed on a spherical surface. Each element has dimensions 3 x 3 mm2, a central frequency of 4 MHz and a bandwidth of 100%. |
| Data acquisition system (DAQ) | Falkenstein Mikrosysteme GmbH, Taufkirchen (Germany) | custom-made | The DAQ simultaneously acquires 256 signals at 40 megasamples per second and 2,030 samples. The input impedance is 1 MW. |
| Fiber bundle | CeramOptec GmbH, Bonn (Germany) | custom-made | The bundle consists of 480 individual fibers randomly distributed in the input and output. The numerical aperture of each individual fiber is 0.22. |
| Athymic nude mouse | Harlan Laboratories (The Netherlands) | Athymic nude - Foxn1nu | The mouse was 8 weeks old (adult) at the time of the experiment. The ethical protocol was approved by the Bavarian goverment (number 55.2.1.54-2632-102-11) |
| Bepanthen cream | Bayer AG (Germany) | Vet ointment to protect the eyes during anesthesia | |
| Data processing software | Matlab (Mathworks, Natick, MA, USA) | custom-made | The data processing software was devoped at our institute. It allows reconstruction at each wavelength and multi-wavelength unmixing, as well as further data processing. |
| Water-enclosing part | custom-made | This part contains the water that acts as an acoustic coupling medium between skin and transducer elements | |
| Indocyanine green (ICG) | PULSION Medical Systems SE | ICG-PULSION (active ingredient: indocyanine green dye) is a drug used in cardiac, circulatory and micro-circulatory diagnostics, liver function diagnostics and ophthalmic angiography diagnostics. |
References
- 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).
- Herzog, E., et al. Optical Imaging of Cancer Heterogeneity with Multispectral Optoacoustic Tomography. Radiology. 263 (2), 461-468 (2012).
- 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).
- Yao, J. J., et al. Noninvasive photoacoustic computed tomography of mouse brain metabolism in vivo. Neuroimage. 64, 257-266 (2013).
- 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).
- Beard, P. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus. 1, 602-631 (2011).
- Wang, L. H. V., Hu, S. Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs. Science. 335 (6075), 1458-1462 (2012).
- Xiang, L. Z., Wang, B., Ji, L. J., Jiang, H. B. 4-D Photoacoustic Tomography. Sci Rep-Uk. 3, 10-1038 (2013).
- 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).
- Dean-Ben, X. L., Razansky, D. Adding fifth dimension to optoacoustic imaging: volumetric time-resolved spectrally-enriched tomography. Light: Science and Applications. 3, (2014).
- Fronheiser, M. P., et al. Real-time optoacoustic monitoring and three-dimensional mapping of a human arm vasculature. J Biomed Opt. 15 (2), (2010).
- Buehler, A., Kacprowicz, M., Taruttis, A., Ntziachristos, V. Real-time handheld multispectral optoacoustic imaging. Opt Lett. 38 (9), 1404-1406 (2013).
- Yang, J. M., et al. Simultaneous functional photoacoustic and ultrasonic endoscopy of internal organs in vivo. Nat Med. 18 (8), 1297-1302 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Dean-Ben, X. L., Razansky, D. Functional optoacoustic human angiography with handheld video rate three dimensional scanner. Photoacoustics. 1 (3-4), 68-73 (2013).
- 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).
- Ntziachristos, V., Razansky, D. Molecular imaging by means of multispectral optoacoustic tomography (MSOT). Chemical reviews. 110 (5), 2783-2794 (2010).
- 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).
