عالمية باليد ثلاثي الأبعاد بصري سمعي التصوير دقق في الأنسجة العميقة تصوير الأوعية الدموية الإنسان والدراسات ما قبل السريرية وظيفية في الوقت الحقيقي

JoVE Journal
Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Bioengineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Deán-Ben, X., Fehm, T. F., Razansky, D. Universal Hand-held Three-dimensional Optoacoustic Imaging Probe for Deep Tissue Human Angiography and Functional Preclinical Studies in Real Time. J. Vis. Exp. (93), e51864, doi:10.3791/51864 (2014).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

بصري سمعي (الضوئي) التصوير يجذب الاهتمام يتزايد من المجتمعات الأبحاث البيولوجية والطبية، كما يتضح من العدد المتزايد من المطبوعات تشمل مجموعة متنوعة من التطبيقات الجديدة التي تستغل المزايا الفريدة التي توفرها تكنولوجيا 1-5. على وجه الخصوص، والقدرة على امتصاص صورة فوتوغرافية مميزة طيفيا وكلاء لقرار المكانية والزمانية عالية على أعماق أبعد بكثير من حدود ناشر للضوء تفتح إمكانيات غير مسبوقة لوظيفية والتصوير الجزيئي 6-10.

في الواقع، ترجمة للتكنولوجيا بصري سمعي في الممارسة السريرية تأتي مع آفاق واعدة في تشخيص ومتابعة علاج الكثير من الأمراض. ومع ذلك، فإن انتشار محدود من الفوتونات في نثر بصريا والأنسجة استيعاب والردود ضعيفة عموما المرتبطة بظاهرة بصري سمعي تحد من عمق المطبق من طريقة. ونتيجة لذلك، باليد optoaوقد حاول تحقيقات coustic إلى أجزاء الصورة يمكن الوصول إليها من خارج 11،12 الجسم في حين تستخدم أنظمة بالمنظار لتوفير صور من داخل الجسم عن طريق إدراج منهم عبر الفوهات الطبيعية 13. بعض أجزاء امتصاص منخفضة من جسم الإنسان، مثل الإناث الثدي، يمكن الوصول إليها من خلال الماسحات الضوئية بصري سمعي 14،15 تصوير الشعاعي الطبقي أيضا. أهمية خاصة هو النهج باليد، لأنها تتيح تعدد كبير، على غرار الموجات فوق الصوتية. هنا، تكييف الموجات فوق الصوتية الشائعة تحقيقات مجموعة خطية للتصوير بصري سمعي يبقى تحديا، ويرجع ذلك أساسا إلى اختلافات جوهرية في متطلبات التصوير بالموجات فوق الصوتية وتصوير الشعاعي الطبقي بين optoacoustics. بينما يتم تمكين إطار معدلات عالية في التصوير بالموجات فوق الصوتية القياسية من قبل متتابعة الإرسال والاستقبال مخططات توظيف نبض ترددات عالية التكرار في نطاق كيلو هرتز، ويتحقق تصوير بصري سمعي الوقت الحقيقي ثلاثي الأبعاد عن طريق جمع البيانات في وقت واحد الشعاعي الطبقي الحجمي من كثافة واحدerrogating نبضة ليزر. وبالتالي، والجودة العالية التصوير بصري سمعي يعني الحصول على البيانات ثلاثية الأبعاد من أكبر زاوية ممكنة الصلبة في جميع أنحاء الجسم تصويرها.

في الآونة الأخيرة، قدمنا ​​أول مسبار بصري سمعي محمول باليد لثلاثي الأبعاد (الحجمي) التصوير في الوقت الحقيقي 16. ويستند هذا النظام على صفيف ثنائي الأبعاد من 256 عناصر كهرضغطية رتبت على سطح كروي (النقاط الزرقاء في الشكل 1A) تغطي بزاوية 90 درجة. حجم العناصر الفردية حوالي 3 × 3 مم وكذلك ميولهم وعرض نطاق التردد (حوالي 2-6 ميغاهيرتز) تضمن إشارة جمع فعال من حجم سنتيمتر النطاق المحيطة بها وسط ميدان (المكعب الأسود في الشكل 1A). يتم توفير الإثارة البصرية للمنطقة التصوير مع حزمة الألياف عبارة عن طريق تجويف أسطواني الرئيسي للمجموعة، بحيث أن أي susc الطول الموجيeptible من بثها من خلال حزمة من الألياف يمكن أن تستخدم للتصوير. ويظهر صورة الفعلية لمجموعة من محولات الطاقة جنبا إلى جنب مع حزمة من الألياف البصرية في الشكل 1B. الإثارة الفعالة والكشف المتزامن للإشارات تتيح تصوير الأنسجة العميقة مع احد بالرصاص الإثارة (نبضة ليزر واحد)، بحيث يتم تمكين المزيد من التصوير في الوقت الحقيقي في معدل الإطار الذي يحدده تردد تكرار النبضة ليزر مع graphics- تجهيز وحدة (GPU) تنفيذ الإجراء إعادة الإعمار 17. ومرفق غلاف أسطواني مع البولي إثيلين غشاء شفاف (الشكل 1C) إلى مجموعة المفاتيح لإحاطة وسيلة نقل سمعيا السائل (الماء). ويقترن الغشاء أيضا على الأنسجة عن طريق جل الصوتية. وأظهرت صورة للمجس بصري سمعي كما تستخدم في وضع التشغيل باليد في الشكل 1D.

وأظهرت عبتي وتصور EE باليد الأبعاد التصوير بصري سمعي جنبا إلى جنب مع القدرة في الوقت الحقيقي التصوير الوظيفي تأتي مع مزايا هامة للتشخيص السريري وعدد من التطبيقات المحتملة لمؤشرات مختلفة، مثل أمراض الأوعية الدموية المحيطية، واضطرابات الجهاز اللمفاوي، وسرطان الثدي، والآفات الجلدية، التهاب المفاصل أو 18. وعلاوة على ذلك، فإن قدرة التصوير بسرعة وتمكن من تصور الأحداث البيولوجية الديناميكية مع التحقيق مرتبة في وضع ثابت. جنبا إلى جنب مع سرعة ضبط الطول الموجي حدودي البصرية مذبذب (OPO) تكنولوجيا الليزر، وهذا النهج يسمح في الوقت الحقيقي التصوير من biodistribution وكلاء امتصاص الصورة. وبالتالي، قد تظهر إمكانيات جديدة على قدم المساواة في تطبيقات التصوير الحيوانات الصغيرة، على سبيل المثال، في دراسة ديناميكا الدم الأنسجة في الجسم الحي تتبع الخلايا، تصور الدوائية، نضح الجهاز، استهدف التصوير الجزيئي للأورام ونظام القلب والأوعية الدموية، أو تصوير الأعصاب.

S = "jove_content"> وفي هذا العمل نحن نقدم وصفا مفصلا لبروتوكول التصوير التجريبية للعمل مع مجموعة كروية بصري سمعي التحقيق وعرض الأداء باليد في العديد من السيناريوهات السريرية والتصوير حيوان صغيرة نموذجية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

يتم وصف هذا الإجراء التفصيلي لتشغيل مع باليد الحجمي التحقيق بصري سمعي أدناه. يتم تنفيذ هذا الإجراء وفقا للقواعد المؤسسية المعتمدة بشأن التجارب الحيوانية والبشرية.

1. إعداد النظام

  1. التبديل على الليزر لفترة الاحماء لل~ 15 دقيقة قبل العملية لتحقيق الاستقرار في ضوء الناتج شعاع.
  2. وضع الجزء الماء أرفق مع غشاء عزل هذا هو في تماس مع الجلد (الشكل 1).
    ملاحظة: المسافة بين غشاء عزل (في تماس مع الجلد) والمنطقة مع الحساسية القصوى للمحول (مركز المسبار الكروي) تنص على عمق التصوير الفعلي.
  3. ملء حجم كامل من حوالي 100 مل بين غشاء عزل وسطح محول مع الماء منزوع الأيونات عن طريق المضخة.
  4. ضمان عدم تسرب المياه ولا فقاعات الهواء هي بريسيالإقليم الشمالي. بدلا من ذلك، تجنب فقاعات الهواء من خلال توفير إعادة تدوير المياه.
  5. إجراء التجارب على RT وضمان اقتران المتوسطة (الماء) يتم الحفاظ على درجة الحرارة هذه.

2. إعداد التصوير

  1. إعداد التصوير البشري.
  2. إزالة الشعر من جزء إلى أن يتم تصويرها مع محلول إزالة الشعر من أجل تجنب الخلفية غير مرغوب فيها في الصور (هذه الخطوة اختيارية).
  3. تطبيق هلام الموجات فوق الصوتية على الجلد حول المنطقة المراد تصويرها من أجل توفير كفاءة اقتران الصوتية. وضع مسبار بصري سمعي في المنطقة من الفائدة. ضمان عدم وجود فقاعات هواء موجودة في اقتران هلام الموجات فوق الصوتية.
  4. إعداد التصوير الحيوانية.
  5. تأكد من أن إجراءات الرعاية وتجريبية مع الحيوانات متفقة مع القواعد والأنظمة المؤسسية والحكومية.
  6. إزالة الفراء من الحيوانات في المنطقة ليمكن تصوير مع غسول الحلاقة. حماية العينين من الحيوان معمرهم التعليم والتدريب المهني، والذي يمنع جفاف وتلف من جراء التعرض المكثف لأشعة الليزر النبضي.
  7. تخدير الحيوانات باستخدام حقن داخل الصفاق (IP) من الكيتامين / زيلازين (100 ملغ / كغ كغ الكيتامين + 5 ملغ / كغ كغ زيلازين) قبل التجربة أو استخدام التخدير الأيزوفلورين (2-3٪ (من حيث الحجم) مع 0.9 لتر / تدفق الغاز دقيقة) أثناء التجربة. تأكيد التخدير عن طريق التحقق من ردة فعل من الطرف الخلفي من الحيوان.
  8. تطبيق هلام الموجات فوق الصوتية على الجلد حول المنطقة المراد تصويرها من أجل توفير كفاءة اقتران الصوتية ووضع مسبار بصري سمعي في المنطقة من الفائدة. ضمان عدم وجود فقاعات هواء موجودة في اقتران هلام الموجات فوق الصوتية.

3. قبل عرض وضع التشغيل

  1. تحديد الطول الموجي التصوير (ق) بين 690 نانومتر و 900 نانومتر، ومعدل تكرار النبض بين 10 و 50 هرتز. تحديد معايير لنظام الحصول على البيانات الصوتية - 1 MΩمعاوقة المدخل. الحصول على 2030 عينة لكل نبضة ليزر بمعدل عينة من 40 megasamples في قرار ثان والرأسي 12 بت. تؤدي عملية الاستحواذ مع الانتاج Q-مفتاح ليزر.
  2. تأكد من أن كل من المشغل والمريض استخدام نظارات واقية تكييفها وفقا لطول موجة الإثارة البصرية (ق). تعيين قوة الليزر بحيث يتم الحفاظ على فلوينس خفيفة على سطح الأنسجة أقل من 20 ميغا جول / سم 2 خلال التجربة لموجات الأشعة تحت الحمراء القريبة من أجل إرضاء حدود التعرض لتجارب السلامة البشرية و19 لمنع إجهاد الحراري وتلف الجلد في الحيوانات .
  3. بدء قبل عرض البرنامج مع تنفيذ GPU من خوارزميات معالجة للسماح تصور صورا ثلاثية الأبعاد بمعدل إطار المقابلة لمعدل تكرار نبضة ليزر.
  4. نقل التحقيق و / أو الكائن المراد تصويره من أجل تحسين أداء التصور وتوطين هياكل الفائدة.

4. الحصول على البيانات

  1. الحصول على البيانات لمسح الوضع (باليد).
  2. إذا لزم الأمر، حقن عامل تباين قبل الشراء لإثراء التباين في المنطقة ذات الاهتمام.
    ملاحظة: في تجاربنا نحن لم إجراء التصوير الإنسان وتعزيز التباين. ومع ذلك، عوامل التباين المختلفة يمكن المحتمل استخدامها لهذا الغرض. الإندوسيانين الأخضر (ICG) هي مثال واحد من وافق سريريا وكيل النقيض البصرية التي يمكن استخدامها لتعزيز النقيض القصوى في الجرعة الموصى بها من 2 ملغ / كغ من وزن الجسم في البالغين.
  3. بدء تشغيل الجهاز للحصول على البيانات مع المعلمات وصفها في 3.1 الحفاظ على إعدام المعاينة البرمجيات. بلطف تحريك التحقيق حول المنطقة المصورة لتتبع هياكل الفائدة.
    ملاحظة: عندما يتم الحصول على الصور في موجات الليزر متعددة في نفس الوقت، وسرعة التحقيق الحركة في وضع باليد لابد انخفضت بشكل ملحوظ (ويفضل أن يكون أقل من 2 ملم / ثانيةليزر النبض معدل التكرار من 50 هرتز) من أجل تجنب القطع الأثرية المرتبطة الحركة في الصور غير مخلوطة طيفيا.
  4. الحصول على البيانات لوضع ثابت.
  5. جبل الكائن تصوير (على سبيل المثال، الحيوان) والتحقيق باليد على حامل والبدء في عملية الاستحواذ مع المعلمات وصفها في 3.1 الحفاظ على تنفيذ البرنامج قبل عرض.
  6. الحفاظ على التحقيق بصري سمعي والجزء التصوير في نفس الموقف خلال التجربة لتصور الأحداث البيولوجية الديناميكية في المنطقة من الفائدة.
  7. حقن عامل تباين لتتبع التوزيع الديناميكي في المنطقة من الفائدة.
    ملاحظة: في التجارب الماوس لدينا، وقد استخدم الإندوسيانين الأخضر (ICG) لتعزيز التباين. كمبدأ توجيهي عام، مبلغ 10 نانومول أو 0.4 ملغ / كغ من ICG لابد من إدخالها في الدورة الدموية الماوس لخلق النقيض كشفها مع optoacoustics متعدد الأطياف في الجسم الحي.
    ملاحظة: يجب أن يكون عامل تباينوافقت للاستخدام البشري و / أو حيوان من قبل السلطة المعنية.

5. الانتهاء من تجربة

  1. وقف الليزر.
  2. إزالة مسبار بصري سمعي من المنطقة المصورة. لدراسة أجريت على الحيوانات، ووقف إمدادات التخدير.
  3. وضع الحيوان تحت سخان الأشعة تحت الحمراء لإبقائه دافئا ومنع الاتصال مع الحيوانات الأخرى حتى شفيت تماما من التخدير. لا تترك الحيوان غير المراقب أثناء التعافي من التخدير.

6. خارج خط معالجة البيانات

  1. تحميل الملف (الملفات) التي تحتوي على إشارات بصري سمعي المكتسبة في تطبيق البرمجيات المستخدمة في معالجة البيانات.
  2. استخدام خوارزمية إعادة الإعمار للحصول على مجموعة مصفوفة ثلاثية الأبعاد المقابلة للصورة الحجمي لامتصاص البصرية لكل إطار وكل طول موجي.
    ملاحظة: لإعادة الإعمار فمن الأفضل لاستخدام خوارزمية تمثل العوامل المشوهة، مثل heterogeneities والتوهين في كائن المصورة، والآثار من عرض النطاق الترددي النهائي والشكل الهندسي للعناصر الكشف والاختلافات ضوء فلوينس، من أجل الحصول على تمثيل أكثر الكمي لتوزيع الطاقة الممتصة.
  3. استخدام خوارزمية unmixing الحصول عليها، من كل إطار متعدد الطول الموجي، مجموعة جديدة من المصفوفات مصفوفة ثلاثية الأبعاد تمثل الامتصاص الضوئي لكل مادة تمتص الموجودة في العينة.
  4. إذا لزم الأمر، ومواصلة معالجة المصفوفات المصفوفة التي تمثل التوزيع الامتصاص الضوئي لتسهيل التصور والقراءة من المعلمات ذات الصلة من الناحية البيولوجية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

النتائج تمثيلية، مما يدل على قدرات باليد الحجمي مسبار بصري سمعي وصفها، وعرضت في هذا القسم. في جميع الحالات، وقد أبقى فلوينس الخفيف على سطح الجلد دون الحد من التعرض سلامة 20 ميغا جول / سم 2 19.

وعرضت أداء لجنة التحقيق في الوقت الحقيقي تتبع الأوعية الدموية الطرفية البشري في الشكل 2. وخلال هذه التجربة، تم مسحها ضوئيا التحقيق ببطء على يد متطوعين من البشر الأصحاء عند طول موجي واحد من 800 نانومتر مع التشغيل الليزر في 10 نبضات في الثانية 17، حتى ذلك الوقت الحقيقي التصور الأوعية الدموية لجميع المناصب المسح يتحقق. يتم عرض الإسقاط كثافة الحد الأقصى التمثيلي (MIP) من الصور التي أعيد بناؤها في كل الاتجاهات الثلاثة في الشكل 2. يتم تمكين التصور في الوقت الحقيقي خلال قياس مع implementatio GPUن من تصفيتها خوارزمية الإسقاط الخلفي 17.

وعرضت في الوقت الحقيقي قدرة التصوير متعدد الأطياف في الشكل 3. على وجه التحديد، وأجريت القياسات عن طريق مسح مسبار طول المعصم من المتطوعين الأصحاء وجود الأوعية الدموية ذات أحجام مختلفة ومستويات التشبع بالأكسجين وكذلك-الميلانين الجلد الغني تصبغ 10. كان يعمل A 50 هرتز معدل تكرار النبضة الليزر مع الطول الموجي قدرة الضبط في أساس كل نبض في هذه الحالة. تم ضبطها الليزر لموجات متعددة بين 730 و 850 نانومتر مع 30 خطوة نانومتر (5 موجات)، الموافق انخفاض رتيب في امتصاص الميلانين، وزيادة رتيب في امتصاص الهيموغلوبين المؤكسج وذروة مميزة في امتصاص غير المؤكسج الهيموغلوبين. اقتناء مجموعة البيانات متعددة الأطياف كامل يأخذ 100 مللي ثانية فقط بسبب القدرات ضبط سريع ليزر. الصور MIP على عمقالاتجاه لمدة 3 أطوال موجية مختلفة، والمقابلة لنفس الموقف من التحقيق، يتم عرض في الشكل 3A. ويبين الشكل 3B التوزيع غير مخلوط من خضاب الدم المؤكسج (HBO 2)، خضاب الدم غير المؤكسج (HBR) والميلانين في الأحمر والأزرق والأصفر على التوالي ، في حين أنه كان من المفترض أيضا أن امتصاص يرجع فقط لهذه المكونات الثلاثة حامل اللون. وبالتالي، الهياكل الحمراء والزرقاء في الشكل 3 الأرجح تمثل الشرايين والأوردة، على التوالي، في حين أن البقعة الصفراء يناظر تصبغ الجلد. امتصاص الضوء القوي من قبل الميلانين قد يقلل من عمق الاختراق المطبق لهذا الأسلوب في الناس من ذوي البشرة الداكنة، على الرغم من إجراء مزيد من التجارب ضروري بوضوح إلى استخلاص النتائج الكمية.

ويوضح الشكل (4) القدرة على تصوير عمليات ديناميكية في الجسم الحي. هنا، كان التداول في الاصبع الوسطى سbstructed بواسطة الشريط المطاطي وأفرج عنه خلال الحصول على البيانات 18. تم الحصول على سلسلة من الصور الطول الموجي واحدة في 10 لقطة في الثانية على النحو الذي يحدده معدل تكرار نبضة ليزر. وعرضت أربع صور MIP على طول الاتجاهين الأفقي وعمق متباعدة بمقدار 1 ثانية، حيث تقابل الصورة الثانية لحظة بعد استعادة الدورة الدموية. تم تعيين الطول الموجي 900 نانومتر، بحيث السعة من إشارات بصري سمعي يزداد مع كل من حجم الدم والأوكسجين في الدم.

أخيرا، يوضح الشكل (5) قدرة النظام قدم لتتبع ديناميات نضح في منطقة ثلاثية الأبعاد للماوس باستخدام ICG كعامل النقيض 9. تم استخدام ثمانية أسابيع من العمر أنثى عارية CD-1 الماوس لفي التجارب المجراة. كان الإجراء التجريبي في اتفاق مع القواعد واللوائح الحكومية والمؤسسية ولاية بافاريا. كانت الأوعية الدموية في الدماغتصوير عن طريق وضع الماوس في موقف ضعيف و 2٪ الأيزوفلورين في الأكسجين النقي كان يستخدم للتخدير. تم استخدام مرهم البيطرية لحماية العيون من الفأرة. 10 نانومول من ICG مخففة في 50 مل من المياه المالحة تم حقن 5 ثانية بعد بدء الحصول على البيانات بصري سمعي. تم ضبطها الطول الموجي لليزر إلى 730، 760، 800، 850 و 900 نانومتر على أساس لكل نبض بمعدل 50 مرة في الثانية. لكل مجموعة من الأطوال الموجية، وغير مخلوط توزيع ICG بافتراض أن الامتصاص الضوئي ليست سوى نتيجة لهذا العامل، فضلا عن أشكال الاوكسيجين وغير المؤكسج من الهيموغلوبين. وتظهر الصور MIP على طول اتجاه عمق المقابلة لتوزيع ICG غير المخلوط لمدة 5 لحظات مختلفة في الشكل 5A (الوقت بعد حقن أشار أيضا). يتم عرض الطيف امتصاص ICG في البلازما في الشكل 5B. وتوضح هذه التجربة خاصة أن النهج المقترح هو قادر على simultane تقديم سابقاً حقا خمسة الأبعاد (أي وقت حل المخصب طيفيا ثلاثي الأبعاد) البيانات الشعاعي الطبقي، والذي يستخدم بعد ذلك لإعادة بناء وunmix طيفيا توزيع مختلف حاملات الجوهرية وكلاء خارجي في الوقت الحقيقي.

الشكل 1
الشكل 1: تخطيط لجنة التحقيق بصري سمعي ثلاثي الأبعاد باليد (A) توزيع العناصر كهرضغطية (النقاط الزرقاء) فيما يتعلق المنطقة ذات الاهتمام (المكعب الأسود) (B) الصورة الفعلية للمجموعة محول (TA. ) والألياف باقة (FB). (C) المياه أرفق جزء. (D) الصورة الفعلية للمسبار بصري سمعي كما تستخدم في وضع التشغيل باليد. .jpg و"الهدف =" _ فارغا "> الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 2
الشكل 2: تتبع من الأوعية الدموية الطرفية البشري القصوى الصور الإسقاط الضوئي امتصاص كثافة على طول الاتجاهات الديكارتية الثلاثة لأربع صور متتالية. هنا تم تشغيل الليزر على 10 نبضات في الثانية الواحدة مع تحديد الطول الموجي باستمرار في 800 نانومتر. يمثل نظام الألوان مقياس الرمادية-H شدة الامتصاص الضوئي في كائن في وحدة تعسفية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

s.jpg و"العرض =" 700 "/>
الرقم 3: التصوير باليد من حاملات الذاتية محددة (A) القصوى الصور الإسقاط الضوئي امتصاص كثافة على طول اتجاه عمق لمدة ثلاثة أطوال موجية مختلفة مطابقة لثلاث نبضات متتالية. في هذه الحالة، ليزر تعمل في 50 نبضات في الثانية (لم تحرك المسبار). (ب) غير مخلوطة طيفيا الصور تظهر توزيع الهيموجلوبين المؤكسج وغير المؤكسج والميلانين. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 4
الرقم 4: في الوقت الحقيقي التصوير من تدفق الدم القصوى الصور الإسقاط الضوئي امتصاص كثافة على امتداد عمق والاتجاهات الجانبية المقابلة لأربع اللحظات المختلفة. تم حظر تداولها في الإصبع الأوسط قبل التجربة وأفرج عنه خلال التجربة (عند 0 ثانية). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5
الرقم 5: في الوقت الحقيقي التصوير من توزيع عامل تباين بصري في الفئران (A) توزيع وكيل ICG النقيض (الإسقاط كثافة أقصى طول اتجاه العمق) لمدة أربعة حظات مختلفة بعد حقن من وكيل (عند 0 ثانية). (ب) الانقراض طيف ICG في البلازما. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من رشخصية له.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

خلقت المزايا الفريدة التي توفرها تقنيات التصوير بصري سمعي في البحوث الحيوانية صغير دافعا قويا لترجمة التكنولوجيا في الممارسة السريرية، مع عدد من وسائل التشخيص والعلاج مراقبة التطبيقات مثل تصوره، في الثدي، وسرطان الجلد، والتهاب الأوعية الدموية أو الأمراض الطرفية. ومع ذلك، بدلا من الفئران والحيوانات الصغيرة، والتي يمكن أن تحيط بها عدد كاف من مصادر الإضاءة والكشف عن العناصر لخلق تصوير الشعاعي الطبقي الهندسة فعالة الحصول على الصور، أبعاد كبيرة للجسم البشري ومحدودية اختراق تعيق تنفيذ البصري كامل الجسم التصوير المقطعي بالرنين المغناطيسي بصري سمعي مماثل لأو CT. وباليد بصري سمعي التحقيق التصوير عرض مثالية للتصوير البشري كما يشارك العديد من مزايا التصوير بالموجات فوق الصوتية، مثل استخدام المحمول، وارتفاع القرار، والإثارة غير المؤين والقدرة في الوقت الحقيقي. ومع ذلك، فإن تصميم الجهاز الأمثل وريكوإجراءات nstruction للتصوير بصري سمعي تختلف كثيرا عن تلك التي تستخدم عادة في الماسحات الضوئية فوق الصوتية. ويرجع ذلك إلى الاختلافات الجوهرية بين الخصائص التشغيلية المثلى لطرائق اثنين، مثل تردد تكرار النبضة، اتساع الردود الكشف بالموجات فوق الصوتية، وآليات إشارة الإثارة يؤكد وأدى النهج إعادة الإعمار هذه الصورة. على وجه الخصوص، optoacoustics بطبيعته وطريقة التصوير ثلاثية الأبعاد، كما يمكن من حيث المبدأ أن تتولد كاملة قواعد البيانات المقطعي الحجمي من وجوه تصوير مع واحد استجواب نبضة ليزر، كما تجلى أيضا في هذا العمل. وعلاوة على ذلك، للتكيف من التحقيق في وقت واحد لتوفير صور الموجات فوق الصوتية يمكن أن تنفذ ويبقى خطوة واحدة في المستقبل كما في جدول أبحاثنا.

بالمقارنة مع طرائق التصوير الأخرى الراسخة السريرية، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) أو الأشعة السينية المقطعي المحوسب (CT)، optoaالتصوير المقطعي coustic ليس طريقة التصوير كامل الجسم ولكنها قد توفر على النقيض أغنى بكثير وأكثر تحديدا بناء على الاستجواب خفيفة من الأنسجة. في الواقع، الذاتية المقابل الامتصاص الضوئي لا يتم تسليم سوى عالية الدقة التشكل الأنسجة ولكن أيضا يجعل المعلومات الجزيئية وظيفية ويحتمل أن تكون مستهدفة من أهمية عالية لصنع القرار السريري. ويدعم قدرات التصوير الجزيئي مزيد بقوة توافر أكبر بكثير من عامل تباين نهج أساليب التصوير الضوئي مقارنة تلك المتاحة لغيرهم من طرائق التصوير 20،21. وعلاوة على ذلك، أظهرت ارتفاع القرار الزماني للنهج بصري سمعي هنا، أي.، وارتفاع معدل الإطار (في الوقت الحقيقي) التصوير ثلاثي الأبعاد، لا تتوفر عادة مع أي طرائق أخرى حاليا في الاستخدام السريري أو المخبري. أخيرا، واكتساب المتزامن للبيانات متعددة الطول الموجي يجلب بعدا إضافيا الخامس في volumet في الوقت الحقيقيريك التصور الذي يسمح أداء الملاحظات الطيفية ثلاثية الأبعاد الحقيقية لحامل اللون الأنسجة وbiodistributions محددة الحيوي علامة.

التطبيقات المحتملة لباليد بصري سمعي التحقيق ثلاثي الأبعاد لا تقتصر على التصوير السريري لكنها قد تمثل أيضا أداة مهمة للغاية في الأبحاث البيولوجية مع نماذج حيوانية. في الواقع، والحيوانات الكبيرة من الفئران هي عموما ليست مناسبة ليتم تصويرها في نظام بصري سمعي الشعاعي الطبقي والمنهج باليد وربما أكثر ملاءمة. أيضا، الحجمي (ثلاثي الأبعاد) التصوير من مناطق معينة في الزمن الحقيقي مع النقيض البصرية والموجات فوق الصوتية قرار يمثل ميزة فريدة في دراسة تسليم المخدرات، والتغيرات الدورة الدموية أو الدوائية.

في الختام، فإننا نتوقع أن المنهجية أدخلت لباليد التصوير بصري سمعي سيدفع الترجمة السريرية لهذه التكنولوجيا وتتقدم بشكل كبير ما قبل السريرية وبالبحث iological على العديد من الحدود أيضا.

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Herzog, E., et al. Optical Imaging of Cancer Heterogeneity with Multispectral Optoacoustic Tomography. Radiology. 263, (2), 461-468 (2012).
  3. 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).
  4. Yao, J. J., et al. Noninvasive photoacoustic computed tomography of mouse brain metabolism in vivo. Neuroimage. 64, 257-266 (2013).
  5. 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).
  6. Beard, P. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus. 1, 602-631 (2011).
  7. Wang, L. H. V., Hu, S. Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs. Science. 335, (6075), 1458-1462 (2012).
  8. Xiang, L. Z., Wang, B., Ji, L. J., Jiang, H. B. 4-D Photoacoustic Tomography. Sci Rep-Uk. 3, 10-1038 (2013).
  9. 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).
  10. Dean-Ben, X. L., Razansky, D. Adding fifth dimension to optoacoustic imaging: volumetric time-resolved spectrally-enriched tomography. Light: Science and Applications. 3, (2014).
  11. Fronheiser, M. P., et al. Real-time optoacoustic monitoring and three-dimensional mapping of a human arm vasculature. J Biomed Opt. 15, (2), (2010).
  12. Buehler, A., Kacprowicz, M., Taruttis, A., Ntziachristos, V. Real-time handheld multispectral optoacoustic imaging. Opt Lett. 38, (9), 1404-1406 (2013).
  13. Yang, J. M., et al. Simultaneous functional photoacoustic and ultrasonic endoscopy of internal organs in vivo. Nat Med. 18, (8), 1297-1302 (2012).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Dean-Ben, X. L., Razansky, D. Functional optoacoustic human angiography with handheld video rate three dimensional scanner. Photoacoustics. 1, (3-4), 68-73 (2013).
  19. 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).
  20. Ntziachristos, V., Razansky, D. Molecular imaging by means of multispectral optoacoustic tomography (MSOT). Chemical reviews. 110, (5), 2783-2794 (2010).
  21. 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).

Comments

1 Comment

  1. A technological breakthrough.

    Reply
    Posted by: Mayanglambam S.
    April 25, 2016 - 5:06 AM

Post a Question / Comment / Request

You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

Usage Statistics