Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Biomedical Engineering

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

טומוגרפיה פוטואקוסטית לדם תמונה ולומנים בבטורה האינפרא-רנאלית
 
Click here for the English version

טומוגרפיה פוטואקוסטית לדם תמונה ולומנים בבטורה האינפרא-רנאלית

Overview

מקור: גורנייט ס. סנגה וקרייג ג'יי גורגן, בית הספר להנדסה ביו-רפואית של ולדון, אוניברסיטת פרדו, מערב לאפייט, אינדיאנה

טומוגרפיה פוטואקוסטית (PAT) היא שיטת הדמיה ביו-רפואית מתפתחת המשתמשת בגלים אקוסטיים שנוצרו על ידי אור כדי לקבל מידע קומפוזיציה מרקמות. PAT יכול לשמש כדי לדמיין דם ורכיבי שומנים, אשר שימושי עבור מגוון רחב של יישומים, כולל הדמיה לב וכלי דם וגידול. לטכניקות הדמיה הנמצאות בשימוש כיום יש מגבלות מובנות המגבילות את השימוש בהן עם חוקרים ורופאים. לדוגמה, זמני רכישה ארוכים, עלויות גבוהות, שימוש בניגודיות מזיקה ומינימום פולשניות הם כל הגורמים המגבילים את השימוש במודלים שונים במעבדה ובמרפאה. נכון לעכשיו, טכניקות ההדמיה הדומות היחידות ל- PAT הן טכניקות אופטיות מתפתחות. אבל אלה יש גם חסרונות, כגון עומק מוגבל של חדירה ואת הצורך סוכני ניגוד אקסוגני. PAT מספק מידע משמעותי באופן מהיר, לא פולשני, ללא תוויות. כאשר בשילוב עם אולטרסאונד, PAT יכול לשמש כדי לקבל מידע מבני, hemodynamic, קומפוזיציה מן הרקמה, ובכך להשלים טכניקות הדמיה בשימוש הנוכחי. היתרונות של PAT ממחישים את היכולות שלה להשפיע הן בסביבה פרה-קלינית והן בסביבה הקלינית.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

PAT היא אודל היברידית המשתמשת בגלים אקוסטיים המושרים באור כדי לקבל מידע קומפוזיציה מרקמה. התפשטות אקוסטית מיוחסת להתרחבות תרמו-אלסטית. זה קורה כאשר קשרים כימיים ספציפיים ברקמה סופגים אור, ואת עליית טמפרטורת הסביבה גורמת לרקמה להתרחב. כדי לפרט, קשרים כימיים ספציפיים סופגים אור, מה שגורם למולקולה לרטוט ולהמיר חלק מאנרגיה רטט זו לחום. ייצור זה של חום גורם להתרחבות רקמות מקומיות, אשר גורם להפצות אקוסטיות שניתן לזהות על ידי מתמר אולטרסאונד. כדי לגרום לאפקט פוטואקוסטי, יש לעמוד בתנאי הכליאה התרמית והלחץ כדי למזער את פיזור החום ולאפשר ללחץ תרמו-אלסטי להצטבר בתוך הרקמה. גל הלחץ הפוטואקוסטי המתקבל יכול להתאפיין במשוואה (1), הקובעת כי הגל האקוסטי המושרה באור (Po) נשלט על ידי הפרמטר Grueneisen התלוי בטמפרטורה (Γ), מקדם הקליטה(μ)ושטף אופטי מקומי (F).

Po = ΓμaF Equation 1

כתוצאה מכך, כל עלייה בטמפרטורה mK באופן אופייני מייצר גל לחץ 800 פסקל שניתן לזהות באמצעות מתמר אולטרסאונד. ספיגה סלקטיבית זו של אור מאפשרת למשתמשים למקד רכיבים ביולוגיים שונים על ידי כוונון אורך הגל של האור כגון שימוש באור 1100 ננומטר כדי למקד דם ואור 1210 ננומטר כדי למקד שומנים. בנוסף, מאז אור משמש כדי לגרום להפצת גל אקוסטי, טכניקה זו יכולה לשמש בדרך כלל תמונה מבנים עמוקים יותר מאשר טכניקות אופטיות אחרות ללא צורך סוכני ניגודיות או הליכים פולשניים. שיטה ספציפית זו המשתמשת באור אורך גל ארוך באור החלון השני הכמעט אינפרא-אדום כדי לגרום לגלים אקוסטיים לספק יתרונות רבים למשתמש, ומאפשרת שימוש פוטנציאלי ב- PAT (או VPAT) בפוטנציה עבור מגוון רחב של יישומים ביו-רפואיים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

ההליך הבא מתאר את השיטות הדרושות כדי להגדיר VPAT עבור הדמיית דם ושומנים של אב העורקים אינפרא-renal ב apolipoprotein-E לקוי (apoE-/-) עכברים.

1. צימוד לייזר-אולטרסאונד

  1. להשיג לייזר מתנד אופטי פעום Nd:YAG ומערכת אולטרסאונד. לרכוש מחולל דופק, כבל BNC אחד, ומחבר D המחובר לשני כבלי BNC.
  2. באמצעות הגדרת מחבר D, חבר את כבל ה- BNC 'Fire' ליציאה A של מחולל הדופק, ו- 'מתג Q' ליציאה B של מחולל הדופק. לבסוף, חבר כבל BNC מיציאה C כדי 'להפעיל' בגב מערכת האולטרסאונד.
  3. יישר את כבל הסיבים האופטיים עם הלייזר וחבר את קצות הסיבים לצדי מתמר האולטרסאונד 40 MHz.
  4. התאם את ההשהיה של יציאות A, B ו- C לערכים המפורטים כאן (יציאה A: 0.0000000000, יציאה B: 0.00021440, יציאה C: 0.00000910). הגדר יציאות A ו- B לאות הפוך ויציאה C לאות רגיל.

2. הכנת בעלי חיים ורכישת תמונות

  1. מרדים apoE-/- עכבר באמצעות 3% איזופלוראן בתא אינדוקציה הרדמה. ברגע שהחיה היא מרדים להעביר את העכבר לקונוס האף כדי לספק 1-2% איזופלוראן.
  2. יש למרוח חומר סיכה לעיניים של בעלי החיים כדי למנוע ייבוש קרנית. הדבק את כפות העכבר לאלקטרודות המובנות בתוך הבמה המחוממת כדי לעקוב אחר הנשימה והדופק של בעלי החיים. לבסוף, הכנס בדיקה רקטלית כדי לפקח על טמפרטורת הגוף.
  3. יש למרוח קרם דפילטורי כדי להסיר את השיער מהבטן של החיה. לנגב אחרי 30 s עם כרית גזה.
  4. הנח את מתמר האולטרסאונד על בטנו של החיה ולאתר את בורה העורקים אינפרא-renal. וריד הכליה השמאלי ואת trifurcation בתחום אב העורקים לתוך עורק הזנב הם שני ציוני דרך שיעזרו למשתמש לאתר אזור זה.
  5. הפעל את הלייזר כדי פלט 1100 ננומטר אור כדי למקד דם ואחריו 1210 ננומטר אור כדי למקד שומנים. השתמש במשקפי בטיחות לייזר מתאימים כאשר הלייזר נמצא בשימוש.

טומוגרפיה פוטואקוסטית, PAT, המכונה לעתים טומוגרפיה אופטואקוסטית, היא שיטת הדמיה ביו-רפואית מתפתחת המשתמשת בגלים אקוסטיים שנוצרו על ידי אור כדי לקבל מידע קומפוזיציה מרקמה.

טומוגרפיה פוטואקוסטית, או PAT, משתמשת באורכי גל מסוימים של אור כדי לדמיין רכיבים ספציפיים של הרקמה. זה שימושי עבור מגוון רחב של יישומים פרה קליניים וקליניים, כגון ניטור התקדמות המחלה מבוססי השומנים.

טכניקות ההדמיה הנמצאות בשימוש כיום מוגבלות מטבען מבחינת זמני הרכישה, עומק החדירה, השימוש בסוכנים מנוגדים מזיקים ועלויות. PAT, לעומת זאת, היא טכניקה מהירה, לא פולשנית, וניגודיות ללא סוכן, אשר בשילוב עם שיטות הדמיה קיימות כמו אולטרסאונד, יכול לספק מידע מבני וקומפוזיציה בו זמנית.

וידאו זה ימחיש את העקרונות הבסיסיים של PAT רטט ואת המתודולוגיה כדי להגדיר הדמיית דם ושומנים בעכברים. לאחר מכן, אנו להדגים כיצד לפרש תמונות VPAT בשילוב עם אולטרסאונד, ואחריו כמה יישומים של הטכניקה.

הבה נתחיל בדיון ביסודות של טכניקת הדמיה זו.

במהלך הדמיית VPAT, אור אורך גל יחיד ממקור לייזר מוצג באזור העניין. אור זה נספג לאחר מכן על ידי קשר כימי ספציפי לאורכי גל ברקמה הביולוגית. ב- VPAT, האור הנספג גורם למולקולה לרטוט.

חלק מאנרגיה רטט זו מומרת לאחר מכן לחימום ארעי. ייצור זה של חום אז גורם הרחבה תרמו אלסטית של הרקמה המקומית, וכתוצאה מכך, מייצר התפשטות גל קולי. זה נקרא אפקט פוטואקוסטי. גילוי הגל הקולי על ידי מתמר אולטרסאונד מניב תמונה טומוגרפית ספציפית לקומפוזיציה.

מתמטית, הגל האקוסטי המושרה באור P כלום נשלט על ידי גמא פרמטר Gruneisen תלוי טמפרטורה, מקדם ספיגה mu a, ושטף אופטי מקומי F. לכן, עבור כל עלייה מיליקלבין בטמפרטורה, יש גל לחץ 800 פסקל שניתן לזהות באמצעות מתמר אולטרסאונד. ספיגה סלקטיבית זו של אור מאפשרת למשתמשים למקד רכיבים ביולוגיים שונים על ידי כוונון אורך הגל של האור.

לדוגמה, אור 1,100 ננומטר משמש למקד דם, ואור 1,210 ננומטר משמש למיקוד שומנים. בנוסף, מאז אור משמש כדי לגרום להפצת גל אקוסטי, טכניקה זו יכולה לשמש בדרך כלל תמונה מבנים עמוקים יותר מאשר טכניקות אופטיות אחרות ללא צורך סוכני ניגודיות או הליכים פולשניים.

לאחר שבדקנו את היסודות של VPAT, הבה נראה כעת דוגמה כיצד להגדיר ולבצע VPAT כדי לדמיין דם ושומנים באפהעורקים האינפרא-renal של עכברים E-לקויים אפוליפופרוטאין.

ראשית, להשיג את הציוד הדרוש: לייזר מתנד אופטי Nd:YAG פעמו, מערכת אולטרסאונד, מחולל עיכובים, ומחבר D מחובר לשני כבלי BNC. לאחר מכן, חבר את כבל Fire BNC ליציאה A של מחולל ההשהיה ו- Q-switch ליציאה B של מחולל ההשהיה. חבר את הקצה של כבל BNC מיציאה C כדי להפעיל בחלק האחורי של מערכת האולטרסאונד.

התאם את ההשהיה של יציאות A, B ו- C לערכים המפורטים כאן. יציאות A ו- B אמורות להפיק באופן ספציפי פולסים הפוכים, ויציאה C אמורה להפיק פולסים רגילים. לאחר מכן, ליישר את כבל סיבים אופטיים עם הלייזר, ולחבר את קצות הסיבים לצדדים של מתמר אולטרסאונד 40 מגה-הרץ.

עכשיו, בואו להדגים איך להכין חיה לטומוגרפיה פוטואקוסטית.

ראשית, להרסם עכבר e-לקוי אפוליפופרוטאין באמצעות 3% איזופלוראן בתא נוקאאוט. לאחר החיה הוא מרדים, להעביר את העכבר לשלב מחומם ולהבטיח חרוט האף כדי לספק אחד עד 2% איזופלוראן. יש למרוח חומר סיכה לעיניים של החיה כדי למנוע ייבוש קרנית. הדבק את כפות העכבר לאלקטרודות המובנות בתוך הבמה המחוממת כדי לעקוב אחר הנשימה והדופק של החיה. לבסוף, הכנס בדיקה רקטלית כדי לפקח על טמפרטורת הגוף.

לאחר מכן, להסיר את השיער מכל הבטן של החיה על ידי החלת קרם depilatory. מניחים את מתמר האולטרסאונד על בטנו של בעל החיים, ולאתר את בהבין העורקים האינפרא-renal. וריד הכליה השמאלי ואת trifurcation בתחום אב העורקים לתוך עורק הזנב הם שני ציוני דרך שיעזרו למשתמש לאתר אזור זה.

כדי להתחיל ברכישת תמונות, הקש B Mode כדי לראות תמונה חיה של מצב B. התאם את הרווח באמצעות ידית הרווח הדו-ממדית והמוקד באמצעות ידיות 'אזור מוקד' ו'עומק פוקוס'. התאם את הרוחב והעומק של התמונה באמצעות הלחצנים 'היסט עומק', 'רוחב תמונה' ו'עומק תמונה'.

אחרי זה, תדליק את הלייזר. הקש על מצב PA כדי לראות תמונות חיות של מצב B ו- PA. התאם את הרווח של הרשות הפלסטינית באמצעות ידית הרווח הדו-תכ-חמצני, והתאם את חלון PA ואת מפת הצבעים על המסך. הפעל את הלייזר באור 1,100 ננומטר כדי למקד דם, ואחריו אור 1,210 ננומטר כדי למקד שומנים.

בואו עכשיו לסקור את התוצאות של פרוטוקול VPAT לבצע הדמיה ספציפית שומנים ודם ב vivo.

הדמיית אולטרסאונד מותרת להשגת מידע מבני על בתחום העורקים האינפרא-ריאליים. זה יכול לשמש כדי לפרש טוב יותר את המידע קומפוזיציה VPAT. באופן ספציפי, אור 1,100 ננומטר דמה את הדם בתוך העורקים, בעוד אור 1,210 ננומטר דמה את הצטברות השומן תת עורית ופריאורטית.

כפי שניתן לראות מתמונות אלה, השומן התת עורי עוקב אחר הגיאומטריה של העור. עם זאת, השומן periaortic בעקבות קווי המתאר של בצטו של בצטו, ואת אות הדם מקורו בתוך בתחום העורקים.

טומוגרפיה פוטואקוסטית יכולה לשמש למגוון רחב של יישומים פרה-קליניים וקליניים.

בהדמיה של בעלי חיים קטנים של In vivo יש תפקיד חשוב במחקרים פרה-קליניים, וטומוגרפיה פוטואקוסטית משתמשת באור כמעט אינפרא אדום כדי לזהות ספיגה אלקטרונית, ומאפשרת הדמיה ברזולוציה גבוהה של תכונות מוח עמוקות ליישומים נוירוביולוגיים. נתונים מדויקים נאספים על חמצון המוגלובין, אנטומיה של כלי הדם ושטף הדם. מידע הדמיה מוחית פנימי זה יכול לשמש להערכת רקמת מוח נורמלית ופתולוגית.

ברפואה כלי הדם, חשוב לדמיין ורידים ועורקים ולהעריך את הפונקציונליות שלהם. טומוגרפיה פוטואקוסטית מספקת מידע קומפוזיציה המאפיין לוחות כפגיעים או יציבים, ובכך מסייעת לחזות אילו מהם מועדים לקרע ועלולים לגרום לאוטם שריר הלב או שבץ איסכמי.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לטומוגרפיה פוטואקוסטית. עכשיו אתה צריך להבין את העקרונות הבסיסיים של טכניקת הדמיה זו ולהיות מסוגל לדמיין בעל חיים ולפרש את התוצאות. תודה שצפיתם!

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

כאן, שיטות VPAT שימשו לביצוע הדמיה ספציפית שומנים ודם ב vivo. על ידי צימוד מערכת לייזר ואולטרסאונד, האור נמסר לרקמה והגלים האקוסטיים שהתקבלו זוהו. הדמיית אולטרסאונד אפשרה לנו להשיג מידע מבני של בינוי אינפרא-renal (איור 1a) שניתן להשתמש בו כדי לפרש טוב יותר מידע קומפוזיציה VPAT. באופן ספציפי, אור 1100 ננומטר שימש לדימוי דם בתוך אב העורקים (איור 1b), ואור של 1210 ננומטר שימש לצילום הצטברות שומן תת עורית ופריאורטית (איור 1c). מתמונות אולטרסאונד ו- VPAT, ניתן לראות כי השומן התת עורי עוקב אחר הגיאומטריה של העור, השומן periaortic עוקב אחר קווי המתאר של ביש העורקים, ואת אות הדם מקורו בתוך ביש העורקים. תוצאות אלה מאשרות כי, אכן, VPAT יכול לשמש תמונה דם הצטברות שומנים ב vivo.

Figure 1
איור 1: אולטראסאונד (משמאל), דם VPAT (אמצע), ותמונות VPAT שומנים (מימין) של ApoE-/-. השומן התת עורי (חצים לבנים), שומן פריאורטי (חצים כתומים) ודם (חצים אדומים) גלוי בבירור.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

VPAT היא שיטה מהירה, לא פולשנית, ללא תווית כדי לדמיין דם והצטברות שומנים ב vivo. על ידי אספקת אור לייזר פעמו לרקמה, התפשטות אקוסטית הושרו כדי להשיג צפיפות יחסית ולאתר רכיבים ביולוגיים. כאשר בשילוב עם הדמיית אולטרסאונד, קומפוזיציה, כמו גם מידע מבני והמודינמי מרקמות, ניתן לפתור. מגבלה נוכחית של טכניקה זו היא עומק החדירה שלה, שהוא בערך 3 מ"מ עבור הדמיה מבוססת שומנים בדם. למרות שזה טוב יותר מאשר טכניקות אופטיות הנוכחי, שיפורים בטכניקות משלוח אור ישפרו את עומק החדירה. אחת הדרך לשפר זאת היא על ידי פיתוח מתמר פוטואקוסטי שממקסם את אספקת האור לאזור העניין תוך ניתוב מחדש של אור משתקף בחזרה לרקמה. בעוד VPAT היא טכניקת הדמיה כי הוא עדיין בחיתוליו, זה קיבל עניין רב בשנים האחרונות, מה שהופך את זה סביר כי טכניקה זו תשמש מעבדות ומרפאות יותר בעתיד.

הפרוטוקול המתואר יכול לשמש עבור מגוון רחב של יישומים הן במרחב פרה-קליני והן במרחב הקליני. שלושה יישומי VPAT פוטנציאליים כוללים ניצול הטכניקה כדי 1) מחקר התקדמות המחלה מבוססי השומנים, 2) להעריך טיפולים מבטיחים, ו 3) לשפר את האבחון של מחלות מבוססות שומנים בדם. היכולת לעקוב אחר מידע מבני, המודינמי וקומפוזיציה הופכת את VPAT לטכנולוגיה מושכת לחקר האופן שבו שומנים וסקולריים מצטברים במודלים של בעלי חיים קטנים(איור 1). יתר על כן, מאז VPAT היא שיטה לא פולשנית זה יכול להיות מיושם כדי להעריך את ההשפעות של טיפולית במחקרים אורך. זה יכול במיוחד להפחית את עלות המחקר על ידי הפחתת מספר בעלי החיים הדרושים לאימות טיפול. לבסוף, היכולת של VPAT לספק מידע קומפוזיציה הופכת אותו לטכניקה אטרקטיבית לדמיין סוגים שונים של לוחות בחולים הסובלים ממחלות הקשורות לאטרשת עורקים כמו עורק עורקים ומחלת עורקים היקפית. אחד האתגרים הנוכחיים ברפואת הלב וכלי הדם הוא לחזות אילו לוחות מועדים לקרע, ולכן יש פוטנציאל לגרום לאוטם שריר הלב ושבץ איסכמי. לכן, VPAT עשוי גם לשחק תפקיד חשוב באפיון לוחות פגיעים לעומת יציבים, בשל יכולתו להבדיל מרכיבים ביולוגיים. יחד, VPAT יש פוטנציאל לעשות השפעה משמעותית הן במחקר והן בפועל קליני של הרפואה.

רשימת חומרים

שם חברה מספר קטלוג הערות
ציוד VPAT
מערכת אולטראסאונד VisualSonics Vevo2100
nd:יאגד אופו לייזר הרצף Surelite EX
מחולל פעימות ספיר מלחינים קוונטים 9200 נדרשות 4 יציאות
כבלי BNC מעבדות ת'ור 2249-C-120 קוטר חיצוני 0.2'', אורך כבל BNC תלוי בהעדפת המשתמש.
מחבר B המחובר לשני כבלי BNC אל-קום CTL4CAD-1.5 הרצף מספק גם מחבר זה
משקפי מגן אופטיים לייזרשייילד #37 0914 UV400 כל משקפי מגן עם OD 7+ יספיקו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter