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신하 대동맥에서 혈액과 지질을 영상화하기 위한 광음향 단층 촬영
 
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신하 대동맥에서 혈액과 지질을 영상화하기 위한 광음향 단층 촬영

Overview

출처: 거니트 S. 상하와 크레이그 J. 괴르겐,생명 의학 공학의 용접 학교, 퍼듀 대학, 웨스트 라파예트, 인디애나

광음향 단층 촬영(PAT)은 조직에서 조성 정보를 얻기 위해 빛 생성 음향 파를 활용하는 새로운 생체 의학 이미징 양식입니다. PAT는 혈액 및 지질 성분을 이미지화하는 데 사용할 수 있으며, 이는 심혈관 및 종양 이미징을 포함한 다양한 응용 분야에 유용합니다. 현재 사용되는 이미징 기술은 연구원 및 의사와의 사용을 제한하는 내재된 한계가 있습니다. 예를 들어, 긴 취득 시간, 높은 비용, 유해한 대비사용, 높은 침습성까지 최소화하는 것은 실험실과 클리닉에서 다양한 양식의 사용을 제한하는 모든 요인입니다. 현재 PAT에 대한 유일한 유사한 이미징 기술은 새로운 광학 기술입니다. 그러나 이들은 또한 침투의 제한된 깊이 및 외인성 조영제에 대한 필요성과 같은 단점이 있습니다. PAT는 신속하고 비침습적이며 라벨이 없는 방식으로 의미 있는 정보를 제공합니다. 초음파와 결합하면 PAT를 사용하여 조직에서 구조, 혈역학 및 조성 정보를 얻을 수 있어 현재 사용되는 이미징 기술을 보완할 수 있습니다. PAT의 장점은 전임상 및 임상 환경 모두에 영향을 미칠 수있는 능력을 보여줍니다.

Principles

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PAT는 빛 유도 음향 파를 사용하여 조직으로부터 조성 정보를 얻는 하이브리드 양식입니다. 음향 전파는 열탄성 확장에 기인합니다. 이것은 조직에 있는 특정 화학 결합이 빛을 흡수하고, 주변 온도 상승이 조직을 확장하는 원인이 될 때 생깁니다. 정교하게, 특정 화학 결합은 빛을 흡수, 진동과 열이 진동이 진동과 변환분자의 원인. 열의 이 생산은 초음파 변환기에 의해 검출될 수 있는 음향 전파를 유도하는 국부 조직 확장을 일으키는 원인이 됩니다. 광음향 효과를 유도하기 위해 열 및 응력 감금 조건을 모두 충족하여 열 방출을 최소화하고 열탄력적으로 유도된 압력이 조직 내에서 축적되도록 해야 합니다. 생성된 광음향 압력파는 빛 유발 음향파(Po)가 온도 의존성그루니젠 파라미터(Γ), 흡수 계수(μ), 및 국소광학 연도(F)에 의해 조절된다는 것을 나타내는 방정식(1)을 특징으로 할 수 있다.

Po = ΓμAF 방정식 1

그 결과, 각 mK 의 온도 상승은 특징적으로 초음파 트랜스듀서를 사용하여 검출될 수 있는 800개의 파스칼 압력 파를 생성한다. 이러한 결합 선택적 빛의 흡수를 통해 사용자는 1100nm 광을 사용하여 혈액과 1210 nm 광을 사용하여 지질을 표적으로 하는 등 빛의 파장을 조정하여 다양한 생물학적 성분을 표적으로 삼을 수 있습니다. 또한, 빛이 음향 파 전파를 유도하는 데 사용되기 때문에,이 기술은 일반적으로 조영제 또는 침습 적 절차없이 다른 광학 기술보다 더 깊은 구조를 이미지하는 데 사용할 수 있습니다. 두 번째 근적외선 창광에서 긴 파장 광을 사용하여 음향 파를 유도하는 이 특정 방법은 사용자에게 다양한 생체 의학 응용 분야에 진동 PAT(또는 VPAT)를 사용할 수 있도록 하는 수많은 이점을 제공합니다.

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Procedure

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다음 절차는 아포이포프로틴-E 결핍(apoE-/-) 마우스에서 frarenal 대동맥의 혈액 및 지질 화상진찰을 위해 VPAT를 설정하는 데 필요한 방법을 설명합니다.

1. 레이저 초음파 커플링

  1. Nd: YAG 펄스 광학 파라메트릭 발진기 레이저 및 초음파 시스템을 가져옵니다. 두 개의 BNC 케이블에 연결된 펄스 생성기, 1BNC 케이블 및 D 커넥터를 획득합니다.
  2. D 커넥터 설정을 사용하여 펄스 발생기의 A를 포트하기 위해 'Fire' BNC 케이블을 연결하고 펄스 발생기의 포트 B에 'Q 스위치'를 부착합니다. 마지막으로, 항만 C에서 BNC 케이블을 초음파 시스템 뒷면에 '트리거인'에 부착합니다.
  3. 광섬유 케이블을 레이저와 정렬하고 40MHz 초음파 트랜스듀서의 측면에 섬유 끝을 부착합니다.
  4. 포트 A, B 및 C의 지연을 여기에 나열된 값으로 조정합니다(포트 A: 0.000000000, 포트 B: 0.0002140, 포트 C: 0.00000910). 포트 A와 B를 반전된 신호로 설정하고 C를 포트 C를 정상 신호로 설정합니다.

2. 동물 준비 및 이미지 수집

  1. 마취 유도 챔버에서 3 % 이소플루란을 사용하여 apoE-/- 마우스를 마취합니다. 동물이 마취되면 마우스를 코 콘으로 이동하여 1-2 % 이소플루란을 전달합니다.
  2. 각막 건조를 방지하기 위해 동물의 눈에 눈 윤활제를 적용합니다. 동물의 호흡과 심박수를 모니터링하기 위해 가열 된 단계에 내장 된 전극에 마우스의 발을 테이프. 마지막으로 직장 프로브를 삽입하여 체온을 모니터링합니다.
  3. 동물의 복부에서 머리카락을 제거하기 위해 탈모 크림을 바르습니다. 거즈 패드로 30 s 후 닦아.
  4. 초음파 트랜스듀서를 동물의 복부에 놓고 부관 대명을 찾습니다. 왼쪽 신장 정맥과 꼬리 동맥에 대동맥 세리케이션은 사용자가이 영역을 찾는 데 도움이 될 두 개의 랜드 마크입니다.
  5. 1100nm 의 빛을 출력하여 레이저를 실행하여 혈액을 표적으로 한 다음 1210 nm 광을 표적지질을 대상으로 합니다. 레이저가 사용 중일 때 적절한 레이저 안전 고글을 사용하십시오.

광음향 단층 촬영, PAT, 때로는 광 음향 단층 촬영이라고도, 조직에서 조성 정보를 얻기 위해 빛 생성 음향 파를 활용하는 신흥 생물 의학 이미징 양식입니다.

광음향 단층 촬영 또는 PAT는 특정 파장을 사용하여 조직의 특정 구성 요소를 이미지화합니다. 이는 지질계 질병 진행을 모니터링하는 등 다양한 전임상 및 임상 적 적용에 유용하다.

현재 사용되는 이미징 기술은 획득 시간, 침투 깊이, 유해한 대조제 사용 및 비용 측면에서 본질적으로 제한됩니다. 반면 PAT는 초음파와 같은 기존 이미징 양식과 결합될 때 구조적 및 조성 정보를 동시에 제공할 수 있는 신속하고 비침습적이며 조영제가 없는 기술입니다.

이 비디오는 진동 PAT의 기본 원리와 마우스에서 혈액과 지질 이미징을 설정하는 방법론을 보여줍니다. 다음으로, 초음파와 함께 VPAT 이미지를 해석하는 방법과 몇 가지 응용 프로그램을 시연할 것입니다.

이 이미징 기술의 기초를 논의하는 것으로 시작합시다.

VPAT 이미징 동안 레이저 소스의 단일 파장 광이 관심 영역에 표시됩니다. 이 빛은 생물학적 조직에서 파장 특정 화학 결합에 의해 흡수됩니다. VPAT에서 흡수된 빛은 분자가 진동하게 합니다.

이 진동 에너지 중 일부는 일시적인 가열로 변환됩니다. 열의 이 생산은 그 때 현지 조직의 열탄성 확장을 일으키는 원인이 되고, 그 결과로, 초음파 전파를 일으킵니다. 이를 광음향 효과라고 합니다. 초음파 트랜스듀서에 의한 초음파 검출은 조성별 토모그래피 이미지를 산출한다.

수학적으로, 빛 유발 음향파 P naught는 온도 의존적인 그루니젠 파라미터 감마, 흡수 계수 mu a 및 국소 광학 플루오라이트 F에 의해 지배된다. 따라서, 각 밀리켈빈의 온도 상승에 대해, 초음파 트랜스듀서를 사용하여 검출될 수 있는 800-파스칼 압력 파동이 있다. 빛의 결합 선택적 흡수는 사용자가 빛의 파장을 조정하여 다양한 생물학적 구성 요소를 대상으로 할 수 있습니다.

예를 들어, 1,100나노미터 광이 혈액을 표적으로 하는 데 사용되며, 1,210나노미터 광은 지질을 표적으로 하는 데 사용된다. 또한, 빛이 음향 파 전파를 유도하는 데 사용되기 때문에,이 기술은 일반적으로 조영제 또는 침습 적 절차없이 다른 광학 기술보다 더 깊은 구조를 이미지하는 데 사용할 수 있습니다.

VPAT의 기초를 검토한 결과, 이제 아폴리포프로틴 E-결핍 마우스의 frarenal 대동맥에서 혈액과 지질을 이미지하기 위해 VPAT를 설정하고 수행하는 방법의 예를 살펴보겠습니다.

첫째, 필요한 장비를 얻습니다: Nd:YAG 펄스 광학 파라메트릭 발진기 레이저, 초음파 시스템, 지연 발생기 및 두 개의 BNC 케이블에 부착된 D 커넥터. 그런 다음, 지연 발생기의 A를 포트하기 위해 화재 BNC 케이블을 부착하고 지연 발생기의 포트 B에 Q-스위치를 연결합니다. 항만 C에서 BNC 케이블의 끝을 연결하여 초음파 시스템의 뒷면에 트리거합니다.

포트 A, B 및 C의 지연을 여기에 나열된 값으로 조정합니다. 포트 A와 B는 반전된 펄스를 구체적으로 출력해야 하며 포트 C는 정상 펄스를 출력해야 합니다. 그런 다음 광섬유 케이블을 레이저와 정렬하고 섬유 끝을 40메가헤르츠 초음파 트랜스듀서의 측면에 부착합니다.

이제 광음향 단층 촬영을 위해 동물을 준비하는 방법을 보여 드리겠습니다.

첫째, 녹다운 챔버에서 3% 이소플루란을 사용하여 아폴리포프로틴 E-결핍 마우스를 마취한다. 동물이 마취되면 마우스를 가열 된 단계로 이동하고 코 콘을 고정하여 1 ~ 2 %의 이소플루란을 전달하십시오. 각막 탈수를 방지하기 위해 동물의 눈에 눈 윤활유를 바르세요. 동물의 호흡과 심박수를 모니터링하기 위해 가열 된 단계에 내장 된 전극에 마우스의 발을 테이프. 마지막으로 직장 프로브를 삽입하여 체온을 모니터링합니다.

다음으로, 탈모 크림을 적용하여 동물의 전체 복부에서 머리카락을 제거합니다. 초음파 트랜스듀서를 동물의 복부에 놓고 부관 대명을 찾습니다. 왼쪽 신장 정맥과 꼬리 동맥에 대동맥 세리케이션은 사용자가이 영역을 찾는 데 도움이 될 두 개의 랜드 마크입니다.

이미지 수집을 시작하려면 B 모드를 눌러 라이브 B 모드 이미지를 확인합니다. 초점 영역 및 초점 깊이 노브를 사용하여 2D 게인 노브와 포커스를 사용하여 게인을 조정합니다. 깊이 간격띄우기, 이미지 너비 및 이미지 깊이 버튼을 사용하여 이미지 너비와 깊이를 조정합니다.

이 후 레이저를 켭니다. PA 모드를 눌러 라이브 B 모드 및 PA 이미지를 볼 수 있습니다. 2D 게인 노브를 사용하여 PA 게인을 조정하고 화면의 PA 창 및 색상 맵을 조정합니다. 1,100나노미터 의 빛에서 레이저를 실행하여 혈액을 표적으로 한 다음 1,210나노미터의 빛을 표적으로 삼습니다.

이제 VPAT 프로토콜의 결과를 검토하여 생체 내에서 지질 및 혈액 별 이미징을 수행합시다.

초음파 화상 진찰은 관성 대금사에 관하여 구조적인 정보를 얻기를 허용했습니다. 이 VPAT 구성 정보를 더 잘 해석하는 데 사용할 수 있습니다. 구체적으로, 1,100나노미터 광은 대동맥 내의 혈액을 심화시켰고, 1,210나노미터광은 피하 및 백리동맥 축적을 이미지화하였다.

이러한 이미지에서 볼 수 있듯이 피하 지방은 피부의 기하학적 을 따릅니다. 그러나, periaortic 지방 대동맥의 윤곽을 따르고, 혈액 신호는 대동맥 안에서 유래합니다.

광음향 단층 촬영은 다양한 전임상 및 임상 응용 분야에 사용될 수 있습니다.

생체 내에서 작은 동물 화상 진찰은 전임상 연구에서 중요한 역할을 하며, 광음향 단층 촬영은 가까운 적외선을 사용하여 전자 흡수를 감지하여 신경 생물학적 응용 을 위한 심층 뇌 기능의 고해상도 이미징을 가능하게 합니다. 정확한 데이터는 헤모글로빈 산소화, 혈관 해부학 및 혈액 플럭스상에서 수집됩니다. 이 내부 뇌 이미징 정보는 정상 및 병리학적 뇌 조직을 평가하는 데 사용할 수 있습니다.

혈관 의학에서는 정맥과 동맥을 시각화하고 기능을 평가하는 것이 중요합니다. 광음향 단층 촬영은 플라크를 취약하거나 안정적으로 특성화하는 조성 정보를 제공하므로 파열되기 쉽고 심근 경색 또는 허혈성 뇌졸중을 유발할 수 있는 플라크를 예측하는 데 도움이 됩니다.

당신은 방금 조브의 포토음향 단층 촬영 소개를 보았습니다. 이제 이 이미징 기술의 기본 원리를 이해하고 동물을 이미지화하고 결과를 해석할 수 있어야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!

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Results

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여기서, VPAT 방법은 생체 내에서지질 및 혈액 특이적 이미징을 수행하는 데 사용되었다. 레이저 및 초음파 시스템을 결합하여 빛이 조직에 전달되었고 그 결과 음향 파가 검출되었습니다. 초음파 이미징을 통해 VPAT 조성 정보를 더 잘 해석하는 데 사용할 수 있는 부프레날 대오르타(도1a)의구조적 정보를 얻을 수 있었습니다. 구체적으로, 1100nm 광은 대동맥(도1b)내의 혈액을 이미지화하는 데 사용되었고, 1210nm 광은 피하 및 양구지방 축적(도1c)을이미지화하는 데 사용되었다. 초음파 및 VPAT 심상에서, 피하 지방이 피부의 기하학을 따르는 것을 볼 수 있고, 양등지방은 대동맥의 윤곽을 따르고, 혈액 신호는 대동맥 내부에서 유래한다는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 실제로 VPAT가 생체 내에서 혈액및 지질 축적을 이미지화하는 데 사용될 수 있음을 확인합니다.

Figure 1
그림 1: 초음파 (왼쪽), 혈액 VPAT (가운데), 및 지질 VPAT (오른쪽) ApoE의 이미지-/-. 피하 지방 (흰 화살표), 백리동맥 지방 (주황색 화살표), 혈액 (붉은 화살표)이 명확하게 볼 수 있습니다.

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Applications and Summary

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VPAT는 생체 내에서혈액과 지질 축적을 이미지하는 신속하고 비침습적이며 라벨이 없는 방법입니다. 조직에 펄스 레이저 광을 전달함으로써, 음향 전파는 상대밀도를 얻고 생물학적 성분을 찾기 위해 유도되었다. 초음파 이미징과 결합하면 조직으로부터의 구조적 및 혈역학 적 정보뿐만 아니라 조성물을 해결할 수 있습니다. 이 기술의 현재 한계는 지질 기반 이미징을 위한 대략 3 mm인 침투 깊이입니다. 이것은 현재광학 기술보다 낫지만, 광 전달 기술의 개선은 침투 깊이를 향상시킬 것입니다. 이를 개선하는 한 가지 방법은 반사된 빛을 조직으로 다시 리디렉션하면서 관심 영역으로 의광 전달을 극대화하는 광음향 트랜스듀서를 개발하는 것입니다. VPAT는 아직 초기 단계에 있는 화상 진찰 기술인 동안, 최근 몇 년 동안많은 관심을 받고 있습니다, 이 기술은 미래에 더 많은 실험실 및 진료소에서 이용될 가능성이 있습니다.

기재된 프로토콜은 전임상 및 임상 공간 모두에서 다양한 응용 분야에 사용될 수 있다. 3개의 잠재적인 VPAT 응용 프로그램은 1) 연구 지질 기지를 둔 질병 진행을 연구하기 위하여 기술을 이용하고, 2) 유망한 치료학을 평가하고, 3) 지질 기지를 둔 질병의 진단을 향상하는 것을 포함합니다. 구조, 혈역학 및 조성 정보를 추적하는 기능은 VPAT가 작은 동물모델(그림 1)에서혈관 지질이 어떻게 축적되는지 연구하는 매력적인 기술입니다. 더욱이, VPAT는 비침습적 인 방법이기 때문에 종방향 연구에서 치료의 효과를 평가하기 위해 적용 될 수있다. 이것은 특히 치료 검증에 필요한 동물의 수를 감소시킴으로써 연구 비용을 낮출 수 있었습니다. 마지막으로, 조성 정보를 제공하는 VPAT의 능력은 경동맥 및 말초 동맥 질병 같이 동맥 경화성 관련 질병으로 손해를 입는 환자에 있는 패의 다른 모형을 이미지하는 매력적인 기술입니다. 심혈관 의학의 현재 과제 중 하나는 어떤 플라크가 파열되기 쉬운지 예측하고, 따라서 심근 경색과 허혈성 뇌졸중을 유도할 가능성이 있습니다. 따라서 VPAT는 생물학적 성분을 차별화하는 능력으로 인해 취약한 플라크와 안정적인 플라크를 특성화하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 종합하면, VPAT는 의학의 연구 및 임상 사례 둘 다에 있는 중요한 충격을 만들 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

재료 목록

이름 회사 카탈로그 번호 코멘트
VPAT 장비
초음파 시스템 비주얼소닉스 Vevo2100
Nd:YAG OPO 레이저 연속체 Surelite EX
사파이어 펄스 발생기 양자 작곡가 9200 4개의 포트 필요
BNC 케이블 토르 연구소 2249-C-120 외부 직경 0.2'',BNC 케이블의 길이는 사용자 선호도에 따라 다릅니다.
두 개의 BNC 케이블에 연결된 B 커넥터 L-com CTL4CAD-1.5 연속체는 또한이 커넥터를 제공합니다
광학 고글 레이저 쉴드 #37 0914 UV400 OD 7+가 있는 고글은 충분합니다.

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