यूनिवर्सल रीयल टाइम में गहरी ऊतक मानव एंजियोग्राफी और कार्यात्मक पूर्व नैदानिक ​​अध्ययन के लिए तीन आयामी Optoacoustic इमेजिंग जांच हाथ से आयोजित

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Bioengineering

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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).

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Abstract

Introduction

प्रौद्योगिकी 1-5 द्वारा की पेशकश की अद्वितीय फायदे का फायदा उठाने कि नए आवेदनों की विविधता को शामिल प्रकाशनों की बढ़ती संख्या से प्रकट रूप Optoacoustic (photoacoustic) इमेजिंग, जैविक और चिकित्सा अनुसंधान समुदायों से ब्याज बढ़ रहा आकर्षित करती है. विशेष रूप से, दूर के प्रकाश के वाचाल सीमा से परे गहराई में उच्च स्थानिक-लौकिक संकल्प के साथ छवि प्रेतसंबंधी विशिष्ट तस्वीर को अवशोषित एजेंटों के लिए क्षमता कार्यात्मक और आणविक इमेजिंग 6-10 के लिए अभूतपूर्व क्षमताओं को खोलता है.

दरअसल, नैदानिक ​​अभ्यास में optoacoustic प्रौद्योगिकी का अनुवाद निदान और कई बीमारियों के इलाज की निगरानी में आशाजनक संभावनाओं के साथ आता है. फिर भी, ऑप्टिकली बिखरने में फोटॉनों और अवशोषित ऊतकों और optoacoustic घटना के साथ जुड़े आम तौर पर कमजोर प्रतिक्रियाओं का सीमित प्रचार पद्धति के लागू गहराई की सीमा. नतीजतन, हाथ से आयोजित optoaइंडोस्कोपिक सिस्टम प्राकृतिक orifices 13 के माध्यम से उन्हें डालने से शरीर के भीतर से छवियों को प्रदान करने के लिए उपयोग किया जाता है, जबकि coustic जांच शरीर 11,12 के बाहर से सुलभ छवि भागों का प्रयास किया गया है. ऐसी महिला स्तन के रूप में मानव शरीर के कुछ कम अवशोषित भागों, भी tomographic optoacoustic स्कैनर 14,15 से सुलभ हैं. यह इसी तरह अल्ट्रासोनोग्राफी करने के लिए, बड़े बहुमुखी प्रतिभा सक्षम बनाता है के रूप में खास रुचि हाथ से आयोजित दृष्टिकोण है. इधर, optoacoustic इमेजिंग के लिए आम अल्ट्रासाउंड रैखिक सरणी जांच का अनुकूलन मुख्य कारण अल्ट्रासाउंड और optoacoustics के बीच tomographic इमेजिंग आवश्यकताओं में बुनियादी मतभेद को, चुनौती बनी हुई है. मानक अल्ट्रासोनोग्राफी में उच्च फ्रेम दर अनुक्रमिक रूप से सक्षम कर रहे हैं किलोहर्ट्ज़ रेंज में उच्च नाड़ी पुनरावृत्ति आवृत्तियों रोजगार योजनाओं संचारित-प्राप्त, वास्तविक समय तीन आयामी optoacoustic इमेजिंग एक भी पूर्णांक से बड़ा tomographic डेटा के एक साथ संग्रह द्वारा हासिल की हैलेजर पल्स errogating. इस प्रकार, उच्च गुणवत्ता optoacoustic इमेजिंग imaged वस्तु के चारों ओर सबसे बड़ी संभव ठोस कोण से तीन आयामी डेटा के अधिग्रहण निकलता है.

हाल ही में, हम वास्तविक समय 16 में तीन आयामी (बड़ा) इमेजिंग के लिए पहले हाथ में optoacoustic जांच शुरू की. प्रणाली 90 डिग्री के कोण को कवर एक गोलाकार सतह (चित्रा 1 ए में नीले डॉट्स) पर व्यवस्था की 256 पीजोइलेक्ट्रिक तत्वों के एक दो आयामी सरणी पर आधारित है. लगभग 3 एक्स 3 मिमी 2 के व्यक्तिगत तत्वों का आकार, साथ ही उनके अभिविन्यास और आवृत्ति बैंडविड्थ (लगभग 2-6 मेगाहर्ट्ज) चित्रा में क्षेत्र के केंद्र (काले घन आसपास एक सेंटीमीटर पैमाने पर मात्रा से प्रभावी संकेत संग्रह गारंटी 1 ए). इमेजिंग क्षेत्र की ऑप्टिकल उत्तेजना, सरणी के एक केंद्रीय बेलनाकार गुहा के माध्यम से डाला एक फाइबर बंडल के साथ प्रदान की है, ताकि किसी भी तरंगदैर्ध्य suscफाइबर बंडल के माध्यम से प्रेषित किया जा रहा है की eptible इमेजिंग के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. ऑप्टिकल फाइबर बंडल के साथ transducers के सरणी की एक वास्तविक तस्वीर चित्रा 1 बी में दिखाया गया है. लेजर की नब्ज पुनरावृत्ति आवृत्ति द्वारा निर्धारित एक फ्रेम दर पर वास्तविक समय इमेजिंग आगे एक ग्राफिक्स के साथ सक्षम है कि इतनी कुशल उत्तेजना और संकेतों के एक साथ पता लगाने, एकल शॉट उत्तेजना (एक लेजर पल्स) के साथ गहरे ऊतक इमेजिंग की अनुमति देता है प्रसंस्करण इकाई (GPU) पुनर्निर्माण प्रक्रिया 17 का कार्यान्वयन. एक पारदर्शी पॉलीथीन झिल्ली (चित्रा 1C) के साथ एक बेलनाकार आवरण एक ध्वनिक संचारण तरल मध्यम (जल) लगा देना ट्रांसड्यूसर सरणी से जुड़ा हुआ है. झिल्ली आगे ध्वनिक जेल के माध्यम से ऊतक के लिए युग्मित है. हाथ से आयोजित ऑपरेशन मोड में इस्तेमाल किया जा रहा है के रूप में optoacoustic जांच की एक तस्वीर चित्रा -1 में दिखाया गया है.

प्रदर्शन thrनैदानिक ​​निदान और संभावित अनुप्रयोगों के एक नंबर के लिए महत्वपूर्ण लाभ के साथ आ वास्तविक समय कार्यात्मक इमेजिंग क्षमता के साथ संयुक्त ईई आयामी हाथ से आयोजित optoacoustic इमेजिंग, ऐसे परिधीय रोग के रूप में विभिन्न संकेत, लसीका तंत्र संबंधी विकार, स्तन कैंसर, त्वचा के घावों के लिए कल्पना कर रहे हैं सूजन या गठिया 18. इसके अलावा, तेज इमेजिंग क्षमता एक स्थिर स्थिति में व्यवस्था की जांच के साथ गतिशील जैविक घटनाओं के दृश्य के लिए सक्षम बनाता है. तेजी से तरंगदैर्ध्य ट्यूनिंग ऑप्टिकल पैरामीट्रिक थरथरानवाला (OPO) लेजर तकनीक के साथ संयुक्त, इस दृष्टिकोण तस्वीर को अवशोषित एजेंटों की biodistribution की वास्तविक समय इमेजिंग के लिए अनुमति देता है. इस प्रकार, नई संभावनाओं समान रूप से जैसे, छोटे पशु इमेजिंग अनुप्रयोगों में उभर सकता है., ऊतक hemodynamics अध्ययन में, vivo में सेल ट्रैकिंग, फार्माकोकाइनेटिक्स, अंग छिड़काव के दृश्य, ट्यूमर और हृदय प्रणाली, या न्यूरोइमेजिंग की आणविक इमेजिंग को निशाना बनाया.

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Protocol

बड़ा हाथ से आयोजित optoacoustic जांच के साथ संचालन के लिए विस्तृत प्रक्रिया नीचे वर्णित है. यह प्रक्रिया पशु और मानव प्रयोगों के बारे में अनुमोदित संस्थागत नियमों के अनुसार किया जाता है.

1. सिस्टम तैयारी

  1. उत्पादन प्रकाश बीम स्थिर रखने के लिए पूर्व आपरेशन के लिए 15 मिनट ~ की एक वार्म अप अवधि के लिए लेजर पर स्विच करें.
  2. त्वचा (चित्रा 1) के साथ संपर्क में है कि अलग झिल्ली के साथ पानी enclosing भाग रखें.
    नोट: (त्वचा के संपर्क में) अलग झिल्ली और ट्रांसड्यूसर (गोलाकार जांच का केंद्र) की अधिकतम संवेदनशीलता के साथ क्षेत्र के बीच की दूरी प्रभावी इमेजिंग गहराई स्थापित करता है.
  3. एक पंप के माध्यम से अलग झिल्ली और विआयनीकृत पानी के साथ ट्रांसड्यूसर की सतह के बीच लगभग 100 मिलीलीटर की पूरी मात्रा भरें.
  4. कोई पानी रिसाव और न ही हवा के बुलबुले prese हैं कि सुनिश्चित करेंNT. वैकल्पिक रूप से, पानी की पुनःपरिसंचरण प्रदान करके हवाई बुलबुले से बचने.
  5. आरटी पर प्रयोगों प्रदर्शन और इस तापमान पर बनाए रखा है युग्मन मध्यम (जल) किया जाता है.

2. इमेजिंग तैयारी

  1. मानव इमेजिंग तैयारी.
  2. चित्र में किसी अवांछित पृष्ठभूमि से बचने के क्रम में एक depilation लोशन के साथ करने वाली imaged किया जा हिस्से से बालों को हटाने (यह कदम वैकल्पिक है).
  3. क्षेत्र के आसपास की त्वचा कुशल ध्वनिक युग्मन प्रदान करने के क्रम में imaged किया जा पर अल्ट्रासाउंड जेल लागू करें. ब्याज के क्षेत्र में optoacoustic जांच रखें. कोई हवाई बुलबुले अल्ट्रासाउंड युग्मन जेल में मौजूद हैं सुनिश्चित करें.
  4. पशु इमेजिंग तैयारी.
  5. जानवरों के साथ देखभाल और प्रयोगात्मक प्रक्रियाओं संस्थागत और सरकार के नियमों और विनियमों के साथ समझौते में हैं कि सुनिश्चित करें.
  6. क्षेत्र में पशु की खाल निकालें एक शेविंग लोशन के साथ imaged किया जाना है. साथ पशु की आंखों की रक्षातीव्र स्पंदित लेजर विकिरण के संपर्क से सूखापन और नुकसान से बचाता है, जो पशु चिकित्सक मरहम,.
  7. 0.9 एल के साथ ketamine / xylazine मात्रा से (100 मिलीग्राम / किग्रा के.जी. Ketamine 5 मिलीग्राम / किग्रा के.जी. Xylazine) प्रयोग करने से पहले या उपयोग isoflurane संज्ञाहरण (2-3% () की intraperitoneal इंजेक्शन (आईपी) का उपयोग कर पशु anesthetize / प्रयोग के दौरान न्यूनतम गैस प्रवाह). जानवर के पिछले अंग का पलटा जाँच करके anesthetization की पुष्टि करें.
  8. क्षेत्र के आसपास की त्वचा पर अल्ट्रासाउंड जेल लागू करें कुशल ध्वनिक युग्मन प्रदान करते हैं और ब्याज के क्षेत्र में optoacoustic जांच जगह के क्रम में imaged किया जाना है. कोई हवाई बुलबुले अल्ट्रासाउंड युग्मन जेल में मौजूद हैं सुनिश्चित करें.

3. प्री-व्यू ऑपरेशन मोड

  1. 690 एनएम और 900 एनएम और 10 और 50 हर्ट्ज के बीच नाड़ी पुनरावृत्ति दर के बीच इमेजिंग तरंगदैर्ध्य (ओं) स्थापित करना. ध्वनिक डाटा अधिग्रहण प्रणाली के लिए मापदंडों का चयन करें - 1 MΩइनपुट प्रतिबाधा. दूसरे और 12 बिट ऊर्ध्वाधर संकल्प प्रति 40 megasamples का एक नमूना दर से प्रत्येक लेजर पल्स के लिए 2030 नमूने मोल. लेजर के क्यू-स्विच उत्पादन के साथ अधिग्रहण ट्रिगर.
  2. ऑपरेटर और मरीज दोनों ऑप्टिकल उत्तेजना तरंगदैर्ध्य (ओं) के लिए अनुकूलित सुरक्षात्मक काले चश्मे का उपयोग सुनिश्चित करें. मानव प्रयोगों 19 के लिए सुरक्षा जोखिम सीमा को पूरा करने के लिए और पशुओं में थर्मल तनाव और त्वचा को नुकसान को रोकने के लिए ऊतक सतह पर प्रकाश प्रभाव लगभग अवरक्त तरंगदैर्ध्य के लिए प्रयोग के दौरान 20 एमजे / 2 सेमी नीचे बनाए रखा है कि इतनी लेजर शक्ति सेट .
  3. लेजर की नब्ज पुनरावृत्ति दर को इसी एक फ्रेम दर पर तीन आयामी चित्र visualizing अनुमति देने के लिए प्रसंस्करण एल्गोरिदम का एक GPU कार्यान्वयन के साथ प्री-व्यू सॉफ्टवेयर शुरू करो.
  4. जांच ले जाएँ और / या वस्तु दृश्य प्रदर्शन का अनुकूलन और ब्याज की संरचनाओं स्थानीयकरण के क्रम में imaged किया जाना है.

4. डाटा अधिग्रहण

  1. स्कैनिंग (हाथ से आयोजित) मोड के लिए डाटा अधिग्रहण.
  2. यदि आवश्यक हो, ब्याज के क्षेत्र में विपरीत समृद्ध करने के लिए अधिग्रहण करने से पहले एक विपरीत एजेंट इंजेक्षन.
    नोट: हमारे प्रयोगों में हम इसके विपरीत बढ़ाया मानव इमेजिंग प्रदर्शन नहीं किया. फिर भी, विभिन्न विपरीत एजेंटों संभवतः इस उद्देश्य के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. Indocyanine ग्रीन (भारतीय तट रक्षक) वयस्कों में शरीर के वजन के 2 मिलीग्राम / किलो की अधिकतम सिफारिश की खुराक पर विपरीत बढ़ाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है कि चिकित्सकीय अनुमोदित ऑप्टिकल विपरीत एजेंट का एक उदाहरण है.
  3. पूर्वावलोकन सॉफ्टवेयर के निष्पादन को बनाए रखने के 3.1 में वर्णित मापदंडों के साथ डाटा अधिग्रहण के लिए हार्डवेयर शुरू करो. धीरे ब्याज की संरचनाओं को ट्रैक करने के लिए imaged क्षेत्र के आसपास जांच चाल है.
    नोट: एकाधिक लेजर तरंग दैर्ध्य पर छवियों को एक साथ हासिल कर ली हों, हाथ से आयोजित मोड में जांच गति की गति में काफी कमी आई हो गया है (अधिमानतः नीचे 2 मिमी / सेकंडप्रेतसंबंधी अमिश्रित छवियों में गति से संबंधित कलाकृतियों से बचने के लिए 50 हर्ट्ज की एक लेजर पल्स पुनरावृत्ति दर) के लिए.
  4. स्थिर मोड के लिए डाटा अधिग्रहण.
  5. धारक पर imaged वस्तु (जैसे., पशु) और हाथ से आयोजित की जांच माउंट और पूर्व व्यू सॉफ्टवेयर के निष्पादन को बनाए रखने के 3.1 में वर्णित मापदंडों के साथ अधिग्रहण शुरू.
  6. Optoacoustic जांच और ब्याज के क्षेत्र में गतिशील जैविक घटनाओं कल्पना करने के लिए प्रयोग के दौरान एक ही स्थिति में इमेजिंग हिस्सा बनाए रखें.
  7. ब्याज के क्षेत्र में अपनी गतिशील वितरण ट्रैक करने के लिए एक विपरीत एजेंट इंजेक्षन.
    नोट: हमारी माउस प्रयोगों में, Indocyanine ग्रीन (भारतीय तट रक्षक) विपरीत बढ़ाने के लिए इस्तेमाल किया गया था. एक सामान्य दिशानिर्देश, 10 nmol या 0.4 मिलीग्राम की एक राशि के रूप में / भारतीय तट रक्षक के केजी विवो में मल्टी स्पेक्ट्रल optoacoustics साथ पहचाने विपरीत बनाने के लिए माउस संचलन में पेश किया जाना है.
    नोट: इसके विपरीत एजेंट होना चाहिएसंबंधित प्राधिकारी द्वारा मानव और / या जानवर उपयोग के लिए मंजूरी दे दी है.

5. प्रयोग अंतिम रूप देने

  1. लेजर बंद करो.
  2. Imaged क्षेत्र से optoacoustic जांच निकालें. पशु अध्ययन के लिए, संज्ञाहरण आपूर्ति बंद करो.
  3. यह गर्म रखें और यह पूरी तरह से संज्ञाहरण से बरामद किया जब तक अन्य जानवरों के साथ संपर्क को रोकने के लिए एक अवरक्त हीटर के तहत पशु स्थिति. संज्ञाहरण से वसूली के दौरान नायाब जानवर मत छोड़ो.

6. ऑफ लाइन डाटा प्रोसेसिंग

  1. डाटा प्रोसेसिंग के लिए इस्तेमाल किया सॉफ्टवेयर आवेदन में अधिग्रहीत optoacoustic संकेतों युक्त फ़ाइल (ओं) को लोड करें.
  2. प्रत्येक फ्रेम और प्रत्येक तरंग दैर्ध्य के लिए ऑप्टिकल अवशोषण का एक बड़ा छवि को इसी एक तीन आयामी मैट्रिक्स सरणी प्राप्त करने के लिए एक पुनर्निर्माण एल्गोरिथ्म का उपयोग करें.
    नोट: यह बेहतर है पुनर्निर्माण के लिए इस तरह के heterogene के रूप में विकृत कारकों, के लिए लेखांकन एक एल्गोरिथ्म का उपयोग करने के लिएimaged वस्तु में ities और क्षीणन, क्रम में अंतिम बैंडविड्थ और पहचान तत्वों और प्रकाश प्रभाव विविधताओं के ज्यामितीय आकार, के प्रभाव को अवशोषित ऊर्जा के वितरण के एक और मात्रात्मक प्रतिनिधित्व प्राप्त करने के लिए.
  3. प्रत्येक बहु-तरंग दैर्ध्य फ्रेम, नमूने में मौजूद प्रत्येक अवशोषित पदार्थ के लिए ऑप्टिकल अवशोषण का प्रतिनिधित्व तीन आयामी मैट्रिक्स सरणियों का एक नया सेट से प्राप्त करने के लिए एक unmixing एल्गोरिथ्म का उपयोग करें.
  4. यदि आवश्यक हो, आगे जैविक रूप से प्रासंगिक मापदंडों का दृश्य और पढ़ने की सुविधा के लिए ऑप्टिकल अवशोषण वितरण का प्रतिनिधित्व मैट्रिक्स सरणियों की प्रक्रिया.

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Representative Results

वर्णित बड़ा हाथ से आयोजित optoacoustic जांच की क्षमताओं का प्रदर्शन प्रतिनिधि परिणाम, इस खंड में प्रदर्शन कर रहे हैं. सभी मामलों में, त्वचा की सतह पर प्रकाश प्रभाव 20 एमजे / 2 सेमी 19 की सुरक्षा जोखिम सीमा से नीचे रखा गया था.

परिधीय मानव वाहिका संरचना पर नज़र रखने के लिए वास्तविक समय में जांच के प्रदर्शन चित्रा 2 में प्रदर्शन किया है. इस प्रयोग के दौरान, जांच धीरे धीरे लेजर संचालन के साथ 800 एनएम के एक एकल तरंगदैर्ध्य पर एक स्वस्थ मानव स्वयंसेवक के हाथ के साथ स्कैन किया गया 10 सेकंड 17 प्रति दालों, ताकि सभी स्कैनिंग पदों के लिए रक्त वाहिकाओं की कि वास्तविक समय दृश्य में हासिल की है. सभी तीन दिशाओं में खंगाला छवियों के प्रतिनिधि अधिकतम तीव्रता प्रक्षेपण (एमआईपी) चित्रा 2 में प्रदर्शित कर रहे हैं. माप के दौरान वास्तविक समय दृश्य एक GPU implementatio साथ सक्षम हैफ़िल्टर्ड वापस प्रक्षेपण एल्गोरिथ्म 17 के एन.

वास्तविक समय multispectral इमेजिंग क्षमता चित्रा 3 में प्रदर्शन किया है. विशेष रूप से, माप अलग अलग आकार और ऑक्सीजन संतृप्ति स्तर के साथ-साथ एक मेलेनिन युक्त त्वचा रंजकता 10 के साथ रक्त वाहिकाओं वाले एक स्वस्थ स्वयंसेवक की कलाई साथ जांच स्कैनिंग द्वारा प्रदर्शन किया गया. एक प्रति पल्स आधार में एक तरंग दैर्ध्य ट्यूनिंग क्षमता के साथ एक 50 हर्ट्ज पल्स पुनरावृत्ति दर लेजर इस मामले में नियुक्त किया गया था. लेजर मेलेनिन, ऑक्सीजन हीमोग्लोबिन के अवशोषण में एक monotonic वृद्धि और ऑक्सीजन रहित के अवशोषण में एक विशेषता शिखर के अवशोषण में एक monotonic कमी करने के लिए इसी, 730 और 30 एनएम कदम (5 तरंग दैर्ध्य) के साथ 850 एनएम के बीच कई तरंग दैर्ध्य को देखते किया गया था हीमोग्लोबिन. एक पूरी multispectral डाटासेट का अधिग्रहण लेजर के तेजी से ट्यूनिंग क्षमता की वजह से केवल 100 मिसे लेता है. गहराई के साथ एमआईपी छवियोंजांच की एक ही स्थिति के लिए इसी 3 अलग तरंग दैर्ध्य, के लिए दिशा, चित्रा 3 ए में प्रदर्शित कर रहे हैं. चित्रा 3B क्रमशः, लाल, नीले और पीले रंग में अमिश्रित ऑक्सीजन हीमोग्लोबिन का वितरण (एचबीओ) 2, ऑक्सीजन रहित हीमोग्लोबिन (HBR) और मेलेनिन से पता चलता है , यह था जबकि आगे अवशोषण इन तीन chromophoric घटकों के लिए पूरी तरह कारण था कि ग्रहण किया. पीला हाजिर त्वचा रंजकता से मेल खाती है, जबकि इस प्रकार, चित्रा 3 में लाल और नीले संरचनाओं सबसे अधिक संभावना है, क्रमशः, धमनियों और नसों का प्रतिनिधित्व करते हैं. आगे की जांच मात्रात्मक निष्कर्ष आकर्षित करने के लिए स्पष्ट रूप से आवश्यक है, हालांकि मेलेनिन द्वारा मजबूत प्रकाश अवशोषण, अंधेरे त्वचा के साथ लोगों में इस विधि के लिए प्रवेश के लागू गहराई कम हो सकता है.

चित्रा 4 विवो में गतिशील प्रक्रियाओं इमेजिंग की क्षमता दिखाता है. इस के साथ साथ, बीच की उँगली में प्रचलन था ओएक रबर बैंड के माध्यम से bstructed और डाटा अधिग्रहण 18 के दौरान जारी किया. लेजर की नब्ज पुनरावृत्ति दर से निर्धारित रूप में एकल तरंगदैर्ध्य चित्रों के एक दृश्य प्रति सेकंड 10 फ्रेम में अधिग्रहण कर लिया था. संचलन बहाल किया गया के बाद दूसरी छवि तुरंत मेल खाती है जहां 1 सेकंड के अंतराल पर पार्श्व और गहराई दिशाओं साथ चार एमआईपी छवियों, प्रदर्शन कर रहे हैं. तरंग दैर्ध्य 900 एनएम के लिए स्थापित किया गया था, ताकि optoacoustic संकेतों के उस आयाम रक्त की मात्रा और रक्त oxygenation के साथ दोनों में वृद्धि हुई है.

अंत में, चित्रा 5 एक विपरीत एजेंट 9 के रूप में भारतीय तट रक्षक का उपयोग करके एक माउस की एक तीन आयामी क्षेत्र में छिड़काव गतिशीलता को ट्रैक करने के लिए शुरू की प्रणाली की क्षमता को दर्शाता है. एक आठ सप्ताह पुराने महिला नग्न सीडी-1 माउस में विवो प्रयोगों के लिए इस्तेमाल किया गया था. प्रायोगिक प्रक्रिया संस्थागत और बवेरियन सरकार के नियमों और विनियमों के साथ समझौते में था. मस्तिष्क vasculature थाशुद्ध ऑक्सीजन में एक लापरवाह स्थिति और 2 isoflurane% में माउस स्थिति ने उतारी संज्ञाहरण के लिए इस्तेमाल किया गया था. डॉक्टर मरहम माउस की आंखों की रक्षा करने के लिए इस्तेमाल किया गया था. खारा की 50 मिलीलीटर में पतला भारतीय तट रक्षक के 10 nmol optoacoustic डाटा अधिग्रहण शुरू करने के बाद 5 सेकंड इंजेक्ट किया गया था. लेजर की तरंग दैर्ध्य प्रति सेकंड 50 गुना की दर से प्रति पल्स आधार पर 730, 760, 800, 850 और 900 एनएम से परिचित था. तरंग दैर्ध्य के प्रत्येक सेट के लिए, भारतीय तट रक्षक वितरण ऑप्टिकल अवशोषण के कारण इस एजेंट के साथ ही हीमोग्लोबिन की ऑक्सीजन और ऑक्सीजन रहित रूपों के लिए ही है यह मानते अमिश्रित गया था. 5 अलग अलग instants के लिए अमिश्रित भारतीय तट रक्षक वितरण के लिए इसी गहराई दिशा साथ एमआईपी छवियों चित्रा 5A में (इंजेक्शन भी संकेत दिया है के बाद समय) दिखाए जाते हैं. प्लाज्मा में भारतीय तट रक्षक के अवशोषण स्पेक्ट्रम चित्रा 5 ब में प्रदर्शित किया जाता है. यह विशेष रूप से प्रयोग का सुझाव दिया दृष्टिकोण simultane में सक्षम है यह दर्शाता है कि ously प्रतिपादन सही मायने में पांच-आयामी (यानी, प्रेतसंबंधी समृद्ध समय हल तीन आयामी) बाद में फिर से संगठित करने के लिए इस्तेमाल किया और प्रेतसंबंधी विभिन्न आंतरिक chromophores और वास्तविक समय में बहिर्जात एजेंटों का वितरण unmix है जो tomographic डेटा,.

चित्रा 1
चित्रा 1: हाथ से आयोजित तीन आयामी optoacoustic जांच के लेआउट ब्याज (काले घन) के क्षेत्र के संबंध में एक piezoelectric तत्व (नीले डॉट्स) (ए) वितरण (बी) ट्रांसड्यूसर सरणी की वास्तविक तस्वीर (टीए.. ) और फाइबर बंडल (एफबी). (सी) जल enclosing हिस्सा. (डी) हाथ से आयोजित ऑपरेशन मोड में इस्तेमाल किया जा रहा है के रूप में optoacoustic जांच की वास्तविक तस्वीर. .jpg "लक्ष्य =" _blank "> इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

चित्रा 2
चित्रा 2: परिधीय मानव vasculature की ट्रैकिंग लगातार चार छवियों के लिए तीन कार्तीय दिशाओं साथ ऑप्टिकल अवशोषण की अधिकतम तीव्रता प्रक्षेपण छवियों.. यहाँ लेजर लगातार 800 एनएम पर सेट तरंग दैर्ध्य के साथ प्रति सेकंड 10 दालों में संचालित किया गया था. ग्रे पैमाने पर रंग योजना मनमाना इकाइयों में वस्तु में ऑप्टिकल अवशोषण एच की तीव्रता का प्रतिनिधित्व करता है. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

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चित्रा 3:. विशिष्ट अंतर्जात chromophores के हाथ से आयोजित इमेजिंग (ए) लगातार तीन दालों के लिए इसी तीन अलग तरंग दैर्ध्य के लिए गहराई दिशा साथ ऑप्टिकल अवशोषण की अधिकतम तीव्रता प्रक्षेपण छवियों. इस मामले में, लेजर प्रति सेकंड 50 दालों (जांच नहीं ले जाया गया था) में संचालित. (बी) प्रेतसंबंधी अमिश्रित छवियों ऑक्सीजन और ऑक्सीजन रहित हीमोग्लोबिन और मेलानिन का वितरण दिखा. यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

चित्रा 4
चित्रा 4:. रक्त प्रवाह की वास्तविक समय इमेजिंग गहराई के साथ ऑप्टिकल अवशोषण की अधिकतम तीव्रता प्रक्षेपण छवियों औरचार अलग instants के लिए इसी पार्श्व दिशाओं. बीच की उँगली में प्रचलन प्रयोग करने से पहले अवरुद्ध और (0 सेकंड में) प्रयोग के दौरान जारी किया गया था. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

चित्रा 5
चित्रा 5: चूहों में ऑप्टिकल विपरीत एजेंट के वितरण की वास्तविक समय इमेजिंग (0 सेकंड में) एजेंट के इंजेक्शन के बाद चार अलग instants के लिए (गहराई दिशा साथ अधिकतम तीव्रता प्रक्षेपण) भारतीय तट रक्षक विपरीत एजेंट की (ए) के वितरण.. (बी) प्लाज्मा में भारतीय तट रक्षक के विलुप्त होने स्पेक्ट्रम. टी का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करेंउसका आंकड़ा.

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Discussion

छोटे पशु अनुसंधान में optoacoustic इमेजिंग तकनीक द्वारा की पेशकश की अद्वितीय फायदे जैसे कल्पना निदान और उपचार की निगरानी के अनुप्रयोगों के एक नंबर के साथ, नैदानिक ​​अभ्यास में प्रौद्योगिकी के अनुवाद के लिए मजबूत प्रेरणा पैदा की है., स्तन और त्वचा कैंसर, सूजन या परिधीय वाहिका रोगों में. हालांकि, एक प्रभावी tomographic छवि अधिग्रहण ज्यामिति बनाने के लिए रोशनी स्रोतों और पहचान तत्वों की पर्याप्त संख्या से घिरा हुआ जा सकता है, जो चूहों या छोटे जानवरों, विरोध के रूप में, मानव शरीर और पूरे शरीर की सीमित ऑप्टिकल पैठ बाधा कार्यान्वयन के बड़े आयाम optoacoustic टोमोग्राफी इसी प्रकार एमआरआई या सीटी के लिए. यह ऐसी पोर्टेबल उपयोग, उच्च संकल्प, गैर ionizing उत्तेजना और वास्तविक समय क्षमता के रूप में अल्ट्रासोनोग्राफी के फायदे के कई शेयरों के रूप में प्रस्तुत हाथ से आयोजित optoacoustic इमेजिंग जांच मानव इमेजिंग के लिए आदर्श है. फिर भी, इष्टतम हार्डवेयर डिजाइन और सिफारिशoptoacoustic इमेजिंग के लिए nstruction प्रक्रियाओं काफी सामान्यतः अल्ट्रासाउंड स्कैनर में इस्तेमाल उन लोगों से भिन्न होते हैं. यह एक ऐसी नाड़ी पुनरावृत्ति आवृत्ति, पता चला अल्ट्रासोनिक प्रतिक्रियाओं, रेखांकित संकेत उत्तेजना तंत्र और जिसके परिणामस्वरूप छवि पुनर्निर्माण दृष्टिकोण के आयाम के रूप में दो तौर तरीकों का इष्टतम परिचालन विशेषताओं के बीच बुनियादी मतभेद की वजह से है. विशेष रूप से, optoacoustics भी इस कार्य में प्रदर्शन किया गया था के रूप में imaged वस्तु से पूरा बड़ा tomographic डेटासेट सिद्धांत रूप में, एक भी पूछताछ लेजर पल्स के साथ उत्पन्न किया जा सकता है के रूप में एक तीन आयामी इमेजिंग साधन स्वाभाविक है. इसके अलावा, एक साथ अल्ट्रासाउंड छवियों को प्रदान करने के लिए जांच की एक अनुकूलन लागू किया और हमारे अनुसंधान के एजेंडे में एक भविष्य कदम के रूप में बनी हुई किया जा सकता है.

ऐसे चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) या एक्स-रे गणना टोमोग्राफी (सीटी), optoa के रूप में अन्य अच्छी तरह से स्थापित नैदानिक ​​इमेजिंग तौर तरीकों, की तुलना मेंcoustic टोमोग्राफी एक पूरे शरीर इमेजिंग साधन नहीं है लेकिन ऊतकों के प्रकाश पूछताछ के आधार पर काफी अमीर और अधिक विशिष्ट विपरीत प्रदान कर सकता है. दरअसल, अंतर्जात ऑप्टिकल अवशोषण इसके विपरीत केवल उच्च संकल्प ऊतक आकृति विज्ञान वितरित नहीं करता है, लेकिन यह भी नैदानिक ​​निर्णय लेने के लिए उच्च महत्व के लक्षित संभावित कार्यात्मक और आणविक जानकारी प्रदान करता है. अन्य इमेजिंग के लिए उपलब्ध उन 20,21 तौर तरीकों की तुलना में आणविक इमेजिंग क्षमता आगे जोरदार विपरीत एजेंट का काफी बड़ा उपलब्धता द्वारा समर्थित है ऑप्टिकल इमेजिंग तरीकों के दृष्टिकोण. इसके अलावा, optoacoustic दृष्टिकोण के उच्च अस्थायी समाधान अर्थात्., उच्च फ्रेम दर (वास्तविक समय) तीन आयामी इमेजिंग, नैदानिक ​​या प्रयोगशाला में प्रयोग में किसी भी अन्य तौर तरीकों के साथ आम तौर पर उपलब्ध नहीं है, यहां प्रदर्शन किया. अंत में, बहु तरंगदैर्ध्य डेटा के एक साथ अधिग्रहण वास्तविक समय volumet में एक अतिरिक्त पांचवें आयाम लाता हैऊतकों क्रोमोफोर और विशिष्ट जैव मार्कर biodistributions का असली तीन आयामी स्पेक्ट्रोस्कोपी टिप्पणियों प्रदर्शन की अनुमति देता है कि रिक दृश्य.

एक तीन आयामी optoacoustic हाथ से आयोजित की जांच के संभावित अनुप्रयोगों नैदानिक ​​इमेजिंग तक सीमित नहीं हैं, लेकिन यह भी पशु मॉडलों के साथ जैविक अनुसंधान के क्षेत्र में एक अत्यधिक महत्वपूर्ण उपकरण प्रतिनिधित्व कर सकते हैं. दरअसल, चूहों की तुलना में बड़े जानवरों शायद आम तौर पर और अधिक सुविधाजनक एक tomographic optoacoustic प्रणाली और हाथ से आयोजित दृष्टिकोण में imaged किया जा उपयुक्त नहीं हैं. इसके अलावा, बड़ा ऑप्टिकल विपरीत और अल्ट्रासाउंड संकल्प के साथ वास्तविक समय में कुछ क्षेत्रों का (तीन आयामी) इमेजिंग दवा वितरण, hemodynamic परिवर्तन या फार्माकोकाइनेटिक्स के अध्ययन में एक अनूठा लाभ का प्रतिनिधित्व करता है.

अंत में, हम हाथ से आयोजित optoacoustic इमेजिंग के लिए शुरू की कार्यप्रणाली प्रौद्योगिकी के नैदानिक ​​अनुवाद का संकेत है और काफी पूर्व नैदानिक ​​और ख अग्रिम जाएगा कि उम्मीदसाथ ही कई सीमाओं पर iological अनुसंधान.

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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.

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References

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Comments

1 Comment

  1. A technological breakthrough.

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

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