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Photoakustische Tomographie zu Bildblut und Lipiden in der Infrarot-Aorta
 

Photoakustische Tomographie zu Bildblut und Lipiden in der Infrarot-Aorta

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Click here for the English version.

Die photoakustische Tomographie PAT, manchmal auch als optoakustische Tomographie bezeichnet, ist eine aufkommende biomedizinische Bildgebungsmodalität, die lichterzeugte akustische Wellen nutzt, um kompositorische Informationen aus einem Gewebe zu erhalten.

Die photoakustische Tomographie (PAT) verwendet bestimmte Wellenlängen des Lichts, um bestimmte Komponenten des Gewebes abzubilden. Dies ist nützlich für eine Vielzahl von präklinischen und klinischen Anwendungen, wie die Überwachung der Lipid-basierten Krankheitsprogression.

Derzeit verwendete bildgebende Verfahren sind in Bezug auf Erfassungszeiten, Penetrationstiefe, Verwendung schädlicher Kontrastmittel und Kosten von Natur aus begrenzt. PAT hingegen ist eine schnelle, nicht-invasive und kontrastmittelfreie Technik, die in Kombination mit bestehenden bildgebenden Modalitäten wie Ultraschall strukturelle und kompositorische Informationen gleichzeitig liefern kann.

Dieses Video wird die Grundprinzipien der vibrationalen PAT und die Methodik zur Einrichtung von Blut- und Lipidbildern bei Mäusen veranschaulichen. Als nächstes zeigen wir, wie VPAT-Bilder in Verbindung mit Ultraschall interpretiert werden, gefolgt von einigen Anwendungen der Technik.

Lassen Sie uns zunächst über die Grundlagen dieser bildgebenden Technik diskutieren.

Während der VPAT-Bildgebung wird ein Wellenlängenlicht aus einer Laserquelle im Interessenbereich angezeigt. Dieses Licht wird dann durch eine wellenlängenspezifische chemische Bindung im biologischen Gewebe absorbiert. In VPAT bewirkt das absorbierte Licht, dass das Molekül vibriert.

Ein Teil dieser Schwingungsenergie wird dann in vorübergehende Erwärmung umgewandelt. Diese Wärmeerzeugung bewirkt dann eine thermoelastische Ausdehnung des lokalen Gewebes und führt dadurch zu einer Ultraschallwellenausbreitung. Dies wird als photoakustischer Effekt bezeichnet. Die Detektion der Ultraschallwelle durch einen Ultraschallwandler ergibt ein kompositografisches Bild.

Mathematisch wird die lichtinduzierte Akustische Welle P naught durch den temperaturabhängigen Gruneisen-Parameter Gamma, den Absorptionskoeffizienten mu a und den lokalen optischen Einfluss F gesteuert. So gibt es für jeden Millikelvin-Temperaturanstieg eine 800-Pascal-Druckwelle, die mit einem Ultraschallwandler erkannt werden kann. Diese bindungsselektive Absorption von Licht ermöglicht es benutzern, verschiedene biologische Komponenten zu zielen, indem die Wellenlänge des Lichts abgestimmt wird.

Zum Beispiel wird 1.100-Nanometer-Licht verwendet, um Blut zu zielen, und 1.210-Nanometer Licht wird verwendet, um Lipide zu zielen. Da Licht zur induzierenden akustischen Wellenausbreitung verwendet wird, kann diese Technik in der Regel dazu verwendet werden, tiefere Strukturen als andere optische Techniken abzubilden, ohne kontrastreiche Mittel oder invasive Verfahren zu benötigen.

Nachdem wir die Grundlagen von VPAT überprüft haben, sehen wir nun ein Beispiel dafür, wie man VPAT aufstellt und durchführt, um Blut und Lipide in der Infrarot-Aorta von Apolipoprotein-E-Mangel-Mäusen abzubilden.

Besorgen Sie sich zunächst die notwendige Ausrüstung: einen nd:YAG gepulsten optischen parametrischen Oszillatorlaser, ein Ultraschallsystem, einen Verzögerungsgenerator und einen D-Anschluss, der an zwei BNC-Kabeln befestigt ist. Schließen Sie dann das Fire BNC-Kabel an Port A des Verzögerungsgenerators und Q-Switch an Port B des Verzögerungsgenerators an. Schließen Sie das Ende des BNC-Kabels von Port C an, um auf der Rückseite des Ultraschallsystems auszulösen.

Passen Sie die Verzögerung der Ports A, B und C an die hier aufgeführten Werte an. Die Ports A und B sollten speziell invertierte Impulse ausgeben, und Port C sollte normale Impulse ausgeben. Richten Sie dann das Glasfaserkabel mit dem Laser aus und befestigen Sie die Faserenden an den Seiten des 40-Megahertz-Ultraschallwandlers.

Lassen Sie uns nun zeigen, wie man ein Tier auf die photoakustische Tomographie vorbereitet.

Zuerst anästhesieren Sie eine Apolipoprotein E-defizide Maus mit 3% Isofluran in einer Knockdown-Kammer. Sobald das Tier betäut wird, bewegen Sie die Maus auf die erhitzte Stufe und sichern Sie einen Nasenkegel, um ein bis 2% Isofluran zu liefern. Tragen Sie Augenschmierstoff auf die Augen des Tieres auf, um Hornhautaustrocknung zu verhindern. Kleben Sie die Pfoten der Maus an Elektroden, die in die beheizte Stufe eingebaut sind, um die Atmung und Herzfrequenz des Tieres zu überwachen. Legen Sie schließlich eine rektale Sonde ein, um die Körpertemperatur zu überwachen.

Als nächstes entfernen Sie das Haar aus dem gesamten Bauch des Tieres, indem Sie Enthaarungscreme auftragen. Legen Sie den Ultraschallwandler auf den Bauch des Tieres und lokalisieren Sie die Infrarot-Aorta. Die linke Nierenvene und die Aortentrifurkation in die Schwanzarterie sind zwei Sehenswürdigkeiten, die dem Benutzer helfen, diesen Bereich zu lokalisieren.

Um mit dem Aufnehmen von Bildern zu beginnen, drücken Sie den B-Modus, um ein Live-B-Modusbild anzuzeigen. Passen Sie die Verstärkung mit dem 2D Gain-Regler und den Fokus mit den Focal Zone und Focus Depth-Reglern an. Passen Sie die Bildbreite und -tiefe mithilfe der Schaltflächen Tiefenversatz, Bildbreite und Bildtiefe an.

Schalten Sie danach den Laser ein. Drücken Sie den PA-Modus, um Live-B-Modus- und PA-Bilder anzuzeigen. Passen Sie die PA-Verstärkung mit dem 2D Gain-Regler an, und passen Sie das PA-Fenster und die Farbkarte auf dem Bildschirm an. Führen Sie den Laser bei 1.100-Nanometer Licht laufen, um Blut anzuvisieren, gefolgt von 1.210-Nanometer-Licht, um Lipide zu zielen.

Lassen Sie uns nun die Ergebnisse des VPAT-Protokolls überprüfen, um lipid- und blutspezifische Bildgebung in vivo durchzuführen.

Die Ultraschall-Bildgebung ermöglichte die Gewinnung struktureller Informationen über die Infrarot-Aorta. Dies kann verwendet werden, um die VPAT-Kompositionsinformationen besser zu interpretieren. Insbesondere das 1.100-Nanometer-Licht bildte das Blut innerhalb der Aorta ab, während das 1.210-Nanometer-Licht die subkutane und periaortische Fettansammlung abbildte.

Wie aus diesen Bildern zu sehen, folgt das subkutane Fett der Geometrie der Haut. Das periaortische Fett folgt jedoch der Kontur der Aorta, und das Blutsignal stammt aus der Aorta.

Die photoakustische Tomographie kann für eine Vielzahl präklinischer und klinischer Anwendungen eingesetzt werden.

In vivo spielt die Bildgebung von Kleintieren eine wichtige Rolle in präklinischen Studien, und die photoakustische Tomographie nutzt Nahinfrarotlicht, um die elektronische Absorption zu erkennen, was die hochauflösende Bildgebung von tiefen Gehirnfunktionen für neurobiologische Anwendungen ermöglicht. Genaue Daten werden über Hämoglobin-Sauerstoffversorgung, vaskuläre Anatomie und Blutfluss gesammelt. Diese internen Bildinformationen des Gehirns können verwendet werden, um normales und pathologisches Hirngewebe zu bewerten.

In der Gefäßmedizin ist es wichtig, Venen und Arterien zu visualisieren und deren Funktionalität zu bewerten. Die photoakustische Tomographie liefert kompositorische Informationen, die Plaques entweder als anfällig oder stabil charakterisieren und so vorhersagen können, welche bruchanfällig sind und einen Myokardinfarkt oder ischämischen Schlaganfall auslösen könnten.

Sie haben gerade JoVeVes Einführung in die Fototokustomographie gesehen. Sie sollten nun die Grundprinzipien dieser bildgebenden Technik verstehen und in der Lage sein, ein Tier abzubilden und die Ergebnisse zu interpretieren. Danke fürs Zuschauen!

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