Universal Hand-held Driedimensionale opto-akoestische Imaging Probe voor Deep Tissue Human-angiografie en Functional preklinisch Studies in Real Time

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

Opto-akoestische (foto-akoestische) beeldvorming trekt steeds meer belangstelling uit de biologische en medische research communities, zoals blijkt uit het steeds toenemende aantal publicaties omvat verschillende nieuwe toepassingen die de unieke voordelen van de technologie 1-5 exploiteren. Met name de mogelijkheid om image spectraal onderscheidende foto-absorberende stoffen met een hoge ruimtelijke resolutie op een diepte tot ver buiten de diffuse grens van licht opent ongekende mogelijkheden voor functionele en moleculaire beeldvorming 6-10.

Inderdaad, de vertaling van de opto-akoestische technologie in de klinische praktijk wordt geleverd met veelbelovende perspectieven in de diagnostiek en behandeling te volgen van vele ziekten. Toch is de beperkte verspreiding van fotonen in optisch verstrooiende en absorberende weefsels en de algemeen zwakke reacties geassocieerd met de opto-akoestische verschijnsel beperken de toepassing diepte van de methode. Hierdoor handbediende optoacoustic probes werden geprobeerd beelddelen van buitenaf het lichaam 11,12 tijdens endoscopische systemen worden gebruikt om beelden vanuit het lichaam te voorzien door ze via natuurlijke openingen 13. Sommige low-absorberende delen van het menselijk lichaam, zoals de vrouwelijke borst, zijn ook toegankelijk door tomographic opto-akoestische scanners 14,15. Van bijzonder belang is de handbediende benadering omdat hiermee grote veelzijdigheid, vergelijkbaar met echografie. Hier, aanpassing van de gemeenschappelijke ultrasone lineaire array probes voor opto-akoestische beeldvorming blijft uitdagend, vooral als gevolg van fundamentele verschillen in beeldvormapparaat eisen tussen echografie en optoacoustics. Terwijl de hoge frame rates in standaard echografie zijn ingeschakeld door opeenvolgende zend-ontvangst regelingen gebruik hoge pulsherhalingsfrequenties in het kHz bereik, wordt real-time driedimensionale opto-akoestische beeldvorming bereikt door gelijktijdige ophaling van volumetrische tomografische gegevens van een enkele interrogating laserpuls. Aldus hoogwaardige opto-akoestische beeldvorming veronderstelt acquisitie van driedimensionale gegevens van de grootste mogelijke ruimtehoek rond de afgebeelde object.

Onlangs hebben we de eerste handheld opto-akoestische sonde ingevoerd voor driedimensionale (volumetrische) beeldvorming in real time 16. Het systeem is gebaseerd op een tweedimensionale matrix van 256 piëzo-elektrische elementen aangebracht op een bolvormig oppervlak (blauwe stippen in figuur 1A) die een hoek van 90 °. De grootte van de afzonderlijke elementen van ca. 3 x 3 mm 2, alsmede hun oriëntatie en frequentiebandbreedte (ongeveer 2-6 MHz) garanderen effectieve signaal ophalen van een centimeter-volume rond het middelpunt van de bol (zwarte kubus in figuur 1A). Optische excitatie van het beeldgebied is voorzien van een vezelbundel ingebracht door een centrale cilindrische holte van de array, zodat elke golflengte susceptible van door de vezelbundel wordt uitgezonden kan worden gebruikt voor beeldvorming. Een daadwerkelijk beeld van de reeks omzetters met de optische vezelbundel is getoond in figuur 1B. De efficiënte excitatie en gelijktijdige detectie van signalen maakt een diepe weefsel beeldvorming met enkelvoudige excitatie (één laserpuls), waardoor real-time imaging met een framesnelheid bepaald door de pulsherhalingsfrequentie van de laser verder wordt ingeschakeld met een graphics- processing unit (GPU) uitvoering van de reconstructie procedure 17. Een cilindrische behuizing met een transparante polyethyleen membraan (figuur 1C) aan het transducentstelsel aan een akoestisch overdragen vloeibaar medium (water) omsluiten. Het membraan wordt verder gekoppeld aan het weefsel door middel van akoestische gel. Een beeld van de opto-akoestische sonde gebruikt in draagbare werkingsmodus weergegeven in figuur 1D.

De aangetoonde three dimensionale draagbare opto-akoestische beeldvorming in combinatie met de real time functionele beeldvorming capaciteit hebben belangrijke voordelen voor klinische diagnostiek en een aantal mogelijke toepassingen beoogd voor verschillende indicaties, zoals perifere vasculaire ziekte, lymfevatenstelsel, borstkanker, huidlaesies, ontsteking of artritis 18. Bovendien is de snelle beeldvorming capaciteit maakt visualisatie van dynamische biologische gebeurtenissen met de probe die in een stilstaande positie. Gecombineerd met snel golflengte-afstemming optische parametrische oscillator (OPO) lasertechnologie, deze benadering maakt real-time beeldvorming van biologische verdeling van foto-absorptiemiddelen. Daardoor kunnen nieuwe mogelijkheden even opduiken in beeldvorming van kleine proefdieren toepassingen, bijv., In het bestuderen weefsel hemodynamiek, in vivo cell tracking, visualisatie van farmacokinetiek, orgaanperfusie, doelgerichte moleculaire beeldvorming van tumoren en het cardiovasculaire systeem, of neuroimaging.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

De werkwijze voor het bedienen van het volume draagbare opto-akoestische probe wordt hieronder beschreven. Deze procedure wordt uitgevoerd volgens erkende institutionele voorschriften betreffende mens en dier experimenten.

1. Voorbereiding van het systeem

  1. Schakel de laser voor een warming-up periode van ~ 15 min voorafgaand aan de operatie voor het stabiliseren van de uitgaande lichtstraal.
  2. Plaats het water omsluiten gedeelte met de isolerende membraan dat in contact met de huid (figuur 1).
    OPMERKING: De afstand tussen de isolerende membraan (in contact met de huid) en het gebied met maximale gevoeligheid van de transducer (midden van de bolvormige sonde) wordt het effectieve beeldvorming diepte.
  3. Vul het hele volume van ongeveer 100 ml van de isolerende membraan en het oppervlak van de transducer met gedeïoniseerd water met behulp van een pomp.
  4. Zorg ervoor dat er geen water lekkage noch luchtbellen zijn present. Als alternatief, vermijd luchtbellen door recirculatie van water.
  5. Voer de experimenten bij kamertemperatuur en zorgen voor koppeling medium (water) wordt gehandhaafd op deze temperatuur.

2. Imaging Voorbereiding

  1. Menselijke imaging voorbereiding.
  2. Verwijder haar van de te-afgebeeld gedeelte met een ontharen lotion teneinde een ongewenste achtergrond in de beelden te voorkomen (deze stap is optioneel).
  3. Solliciteer ultrasound gel op de huid rond de regio af te beelden om efficiënte akoestische koppeling bieden. Plaats de opto-akoestische probe in het gebied van belang. Zorg ervoor dat er geen luchtbellen aanwezig in het ultrasone koppeling gel zijn.
  4. Animal imaging voorbereiding.
  5. Zorg ervoor dat de zorg en experimentele procedures met dieren zijn in overeenstemming met de institutionele en de overheid regels en voorschriften.
  6. Verwijder de vacht van het dier in de omgeving af te beelden met een aftershave. Bescherm de ogen van het dier metdierenarts zalf, die droogheid en beschadiging voorkomt blootstelling aan intense gepulseerde laser straling.
  7. Verdoven dier door intraperitoneale injectie (IP) van ketamine / xylazine (100 mg / kg KG ketamine + 5 mg / kg xylazine KG) voorafgaand aan het experiment of gebruik isofluraan anesthesie (2-3% (volume) met 0,9 l / min gasstroom) tijdens het experiment. Bevestig verdoving door controle van de reflex van de achterpoot van het dier.
  8. Solliciteer ultrasound gel op de huid rond de regio af te beelden om efficiënte akoestische koppeling bieden en plaats de opto-akoestische sonde in de regio van belang. Zorg ervoor dat er geen luchtbellen aanwezig in het ultrasone koppeling gel zijn.

3. Pre-view Operation Mode

  1. Bepaal de beeldvormende golflengte (s) tussen 690 nm en 900 nm en de pulsherhalingsfrequentie tussen 10 en 50 Hz. Selecteer de parameters voor de akoestische data acquisitiesysteem - 1 MQingangsimpedantie. Acquire 2030 samples voor elke laserpuls met een sampling rate van 40 megabemonsteringen per seconde en 12-bits verticale resolutie. Leiden tot de overname met Q-switch uitgang van de laser.
  2. Zorg ervoor dat zowel de machinist als de patiënt gebruik veiligheidsbril aangepast aan de optische excitatie golflengte (s). Stel het laservermogen zodat het licht Fluence op het weefsel oppervlak onder de 20 mJ / cm 2 wordt gehandhaafd tijdens het experiment voor nabij-infrarode golflengten om blootstellingslimieten voor menselijke experimenten 19 veiligheidsonderzoek voldoen en om de thermische belasting en beschadiging van de huid bij dieren te voorkomen .
  3. Start de software een GPU uitvoering van algoritmen te visualiseren driedimensionale beelden met een beeldfrequentie die overeenkomt met de pulsherhalingsfrequentie van de laser mogelijk pre-view.
  4. Verplaats de sonde en / of het af te beelden object om visualisatie te optimaliseren en lokaliseren de structuren van belang.

4. Data Acquisition

  1. Data-acquisitie voor het scannen (hand-held) modus.
  2. Eventueel Injecteer contrastmiddel voor overname het contrast in het gebied van belang te verrijken.
    OPMERKING: In onze experimenten hebben we niet uitgevoerd contrast-versterkte menselijke beeldvorming. Toch kunnen verschillende contrastmiddelen eventueel worden gebruikt voor dit doel. Indocyaninegroen (ICG) is een voorbeeld van klinisch goedgekeurde optische contrastmiddel dat gebruikt kan worden voor contrastversterking bij maximaal aanbevolen dosis van 2 mg / kg lichaamsgewicht bij volwassenen.
  3. Start de hardware voor data acquisitie met de onder 3.1 beschreven parameters handhaven van de uitvoering van het voorbeeld software. Beweeg de sonde rond de afgebeelde regio om de structuren van belang te volgen.
    OPMERKING: Bij beelden op meerdere laser- golflengten gelijktijdig worden verkregen, de snelheid van bewegen van de meetkop in de hand gehouden modus moet aanzienlijk worden verminderd (bij voorkeur minder dan 2 mm / seceen laserpuls herhalingsfrequentie van 50 Hz) om beweging gerelateerde artefacten in het spectraal ongemengde beelden te voorkomen.
  4. Data-acquisitie voor stationaire modus.
  5. Monteer het afgebeelde object (bijv., Dier) en de handbediende sonde op de houder en start de verwerving met 3.1 beschreven parameters handhaven van de uitvoering van de pre-weergave software.
  6. Handhaaf de opto-akoestische probe en de beeldvorming deel in dezelfde positie tijdens het experiment te visualiseren dynamische biologische gebeurtenissen in het gebied van belang.
  7. Injecteer een contrastmiddel de dynamische verdeling in het gebied van belang te volgen.
    Opmerking: In onze muisexperimenten, indocyaninegroen (ICG) werd gebruikt voor contrastverbetering. Als algemene richtlijn, een bedrag van 10 nmol of 0,4 mg / kg van ICG heeft in de muis verkeer zullen worden ingevoerd om detecteerbare contrast met multi-spectrale optoacoustics in vivo te creëren.
    OPMERKING: Het contrastmiddel moet zijngoedgekeurd voor menselijke en / of dierlijke gebruik door de betreffende instantie.

5. finaliseren het Experiment

  1. Stop de laser.
  2. Verwijder de opto-akoestische probe uit de afgebeelde gebied. Voor dierlijke studie, stoppen de anesthesie aanbod.
  3. Plaats het dier onder een infrarood verwarmingselement om het warm te houden en te voorkomen dat het contact met andere dieren totdat hij volledig hersteld van de narcose. Laat het dier niet onbeheerd achter tijdens het herstel van de narcose.

6. Off-line Data Processing

  1. Laad het bestand (en) met daarin de verworven opto-akoestische signalen in de softwaretoepassing die wordt gebruikt voor de verwerking van gegevens.
  2. Gebruik een reconstructie-algoritme om een ​​driedimensionale matrix matrix correspondeert met een volumetrisch beeld van de optische absorptie voor elk frame en elke golflengte te verkrijgen.
    OPMERKING: Bij de reconstructie het de voorkeur om een ​​algoritme goed voor verstorende factoren, zoals heterogeneteiten en verzwakking in het afgebeelde object, effecten van uiteindelijke bandbreedte en geometrische vorm van de detectie-elementen en licht fluentie variaties, teneinde een kwantitatieve weergave van de verdeling van de geabsorbeerde energie verkrijgen.
  3. Gebruik een ontmenging algoritme om, uit elke multi-golflengte frame, een nieuwe set van drie-dimensionale matrix arrays die de optische absorptie voor elke absorberende stof in het monster.
  4. Indien nodig verdere verwerken matrix arrays die de optische absorptie distributie visualisatie en lezen van biologisch relevante parameters vergemakkelijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Representatieve resultaten, het aantonen van de mogelijkheden van de beschreven volumetrische hand-held opto-akoestische sonde, worden tentoongesteld in deze sectie. In alle gevallen werd het licht Fluence op het huidoppervlak onder de blootstellingslimiet veiligheid van 20 mJ / cm2 19 gehouden.

De prestatie van de probe in real-time tracking perifeer menselijk vaatstelsel wordt gedemonstreerd in figuur 2. In de loop van dit experiment werd de probe langzaam langs de kant van een gezonde menselijke vrijwilliger afgetast bij een enkele golflengte van 800 nm met de laser operationele 10 pulsen per sec 17, waardoor real-time visualisatie van de bloedvaten voor het scannen posities bereikt. De representatieve maximum intensiteitsprojectie (MIP) van de gereconstrueerde beelden in drie richtingen worden getoond in figuur 2. Real-time visualisatie tijdens de meting wordt ingeschakeld met een GPU implementation van de gefilterde terugprojectie-algoritme 17.

De real-time multispectrale capaciteit gedemonstreerd in figuur 3. Specifiek werden uitgevoerd door het scannen van de sonde op de pols van een gezonde vrijwilliger met bloedvaten met verschillende afmetingen en zuurstofsaturatie en een melanine-rijke huidpigmentatie 10. Een 50 Hz pulsherhalingsfrequentie laser met een golflengte afstelcapaciteit in een per-puls basis werd gebruikt in dit geval. De laser werd afgestemd op verschillende golflengten tussen 730 en 850 nm 30 nm stap (5 golflengten), overeenkomende met een monotone afname van de absorptie van melanine, een monotone toename van de absorptie van geoxygeneerde hemoglobine en een karakteristieke piek in de absorptie van gedeoxygeneerde hemoglobine. Overname van een hele multispectrale dataset kost slechts 100 msec te wijten aan de snelle-tuning vermogen van de laser. De MIP beelden langs de diepterichting voor 3 verschillende golflengten, overeenkomende met dezelfde positie van de sonde worden weergegeven in Figuur 3A. Figuur 3B toont de verdeling van ongemengde geoxygeneerde hemoglobine (HbO 2), gedeoxygeneerd hemoglobine (HbR) en melanine in rood, blauw en geel, respectievelijk , terwijl het was verder aangenomen dat de absorptie was uitsluitend te wijten aan deze drie chromofore componenten. Daarbij rode en blauwe structuren in figuur 3 waarschijnlijk vertegenwoordigen slagaders en aders, respectievelijk terwijl de gele vlek komt overeen met huidpigmentatie. Sterke lichtabsorptie door melanine kan de toepasselijke diepte van penetratie voor deze methode bij mensen met een donkere huid te verminderen, hoewel verder onderzoek is duidelijk nodig om kwantitatieve conclusies te trekken.

Figuur 4 illustreert het vermogen van beeldvorming dynamische processen in vivo. Hierin, de circulatie in de middelvinger was obstructed door middel van een rubberen band en vrijkomen bij data acquisitie 18. Een reeks van enkele golflengte beelden verworven op 10 frames per seconde zoals bepaald door de pulsherhalingsfrequentie van de laser. Vier MIP beelden langs de laterale en diepte richtingen gescheiden door 1 sec worden tentoongesteld, waar het tweede beeld komt overeen met de direct na de circulatie werd hersteld. De golflengte werd ingesteld op 900 nm, zodat de amplitude van de opto-akoestische signalen wordt verhoogd zowel bloedvolume en bloed oxygenatie.

Tenslotte Figuur 5 toont het vermogen van het ingevoerde systeem perfusie dynamiek in een driedimensionaal gebied van een muis bijhouden via ICG als contrastmiddel 9. Een acht weken oude vrouwelijke CD-1 naakt muis werd gebruikt voor de in vivo experimenten. De experimentele procedure was in overeenstemming met de institutionele en Beierse regelgeving van overheidswege. De hersenen vasculatuur wasafgebeeld door het positioneren van de muis in rugligging en 2% isofluraan in zuivere zuurstof werd gebruikt voor anesthesie. Vet zalf werd gebruikt om de ogen van de muis beschermen. 10 nmol van ICG verdund in 50 ml zoutoplossing geïnjecteerd 5 sec na aanvang van de opto-akoestische data acquisitie. De golflengte van de laser is afgestemd op 730, 760, 800, 850 en 900 nm op een per-puls basis met een snelheid van 50 keer per seconde. Voor elke reeks van golflengten, werd de verdeling ICG ongemengde de veronderstelling dat de optische absorptie alleen door deze agent en de zuurstof en deoxygenated vormen van hemoglobine. De MIP beelden langs de diepterichting overeenkomt met het onvermengde ICG distributiesysteem voor 5 verschillende tijdstippen worden getoond in figuur 5A (na injectie ook aangegeven). Het absorptiespectrum van ICG in plasma wordt getoond in figuur 5B. Deze bijzondere experiment toont aan dat de voorgestelde benadering kan simultaan reometrisc DUREND rendering werkelijk vijfdimensionale (dwz spectraal verrijkt tijdsopgeloste driedimensionale) tomografische data, die vervolgens wordt gebruikt voor het reconstrueren en spectraal scheiden, de verdeling van verschillende intrinsieke chromoforen en exogene stoffen in real time.

Figuur 1
Figuur 1: Lay-out van de hand-held driedimensionale opto-akoestische sonde (A) Verdeling van de piëzo-elektrische elementen (blauwe stippen) met betrekking tot de regio van belang (zwarte kubus) (B) het daadwerkelijk beeld van de transducer array (TA.. ) en fiber bundel (FB). (C) Water omsluit deel. (D) Werkelijke beeld van de opto-akoestische sonde wordt gebruikt in de hand-held werkingsmodus. .jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2: Tracking van perifeer menselijk vaatstelsel Maximale intensiteit projectie beelden van optische absorptie langs de drie cartesiaanse richtingen gedurende vier opeenvolgende beelden.. Hier is de laser bedreven bij 10 pulsen per seconde met een golflengte constant ingesteld op 800 nm. De grijs-schaal kleurenschema vertegenwoordigt de intensiteit van optische absorptie H in het object in willekeurige eenheden. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

s.jpg "width =" 700 "/>
Figuur 3:. Draagbare beeldvorming van specifieke endogene chromoforen (A) Maximale intensiteitsprojectie afbeeldingen optische absorptie langs de diepterichting drie verschillende golflengten overeenkomen met drie opeenvolgende pulsen. In dit geval, de laser werkt bij 50 pulsen per seconde (de sonde is niet verplaatst). (B) van spectraal ongemengde beelden tonen de verdeling van zuurstofrijk en zuurstofarm hemoglobine en melanine. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 4
Figuur 4:. Real-time beeldvorming van de bloedstroom Maximale intensiteit projectie beelden van optische absorptie langs de diepte endwarsrichting overeenstemmen met vier verschillende tijdstippen. De circulatie in de middelvinger werd voorafgaand aan het experiment geblokkeerd en vrijgegeven tijdens het experiment (bij 0 sec). Klik hier voor een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 5
Figuur 5: Real-time beeldvorming van de distributie van optische contrastmiddel bij muizen (A) Verdeling van de ICG contrastmiddel (maximale intensiteit projectie langs de diepterichting) vier verschillende tijdstippen na injectie van het agens (bij 0 sec).. (B) Uitsterven spectrum van ICG in plasma. Klik hier om een grotere versie van t bekijkenzijn figuur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De unieke voordelen van opto-akoestische beeldvorming in kleine dierproeven hebben sterke motivatie gemaakt voor het vertalen van de technologie in klinische praktijk, met een aantal diagnostiek en behandeling bewakingstoepassingen ogen bijv. In borst- en huidkanker, ontsteking of perifere vasculatuur ziekten. Echter, in tegenstelling tot muizen of kleinere dieren, die worden omgeven door een voldoende aantal lichtbronnen en detectie-elementen een effectief tomografische acquisitie geometrie, de grote afmetingen van het menselijk lichaam en beperkte optische penetratie hinder uitvoering van het gehele lichaam opto-akoestische tomografie vergelijkbaar met MRI of CT. De gepresenteerde draagbare opto-akoestische beeldvorming probe geschikt voor menselijke beeldvorming als over veel van de voordelen van echografie, zoals mobiel gebruik, hoge resolutie, niet-ioniserende excitatie en real-time capaciteit. Toch is de optimale hardware-ontwerp en reconstruction procedures voor opto-akoestische beeldvorming aanzienlijk verschillen van die vaak worden gebruikt bij ultrasound scanners. Dit komt door fundamentele verschillen tussen de optimale operationele kenmerken van de twee modaliteiten, zoals pulsherhalingsfrequentie, amplitude van de gedetecteerde ultrasone reacties, de onderstreping signaal excitatie mechanismen en de resulterende beeldreconstructie benaderingen. Vooral optoacoustics inherent een driedimensionale beeldvormende modaliteit volledige tomografische volumetrische datasets van het afgebeelde object kan in principe worden opgewekt met een enkele laserpuls ondervragen, zoals ook aangetoond in dit werk. Bovendien kan een aanpassing van de probe om gelijktijdig echobeelden worden uitgevoerd en blijft als een toekomstige stap in ons onderzoek agenda.

In vergelijking met andere gevestigde klinische beeldvormende modaliteiten, zoals magnetische resonantie beeldvorming (MRI) of x-ray computertomografie (CT), optoacoustic tomografie is niet een hele-body imaging modaliteit, maar kan op basis van licht ondervraging van weefsels aanzienlijk rijkere en meer specifieke contrast bieden. Inderdaad, endogene optische absorptie contrast leveren niet alleen een hoge resolutie weefselmorfologie maar maakt ook functioneel en mogelijk doelgerichte moleculaire informatie van groot belang voor de klinische besluitvorming. De moleculaire beeldvorming capaciteit wordt verder sterk ondersteund door de aanzienlijk grotere beschikbaarheid van contrastmiddel benadert van optische beeldvorming methoden vergeleken die beschikbaar zijn voor de andere beeldvormende modaliteiten 20,21. Bovendien is de hoge temporele resolutie van de opto-akoestische aanpak gedemonstreerd hier, dwz., Hoge framerate (real-time) driedimensionale beeldvorming, is niet algemeen beschikbaar met andere modaliteiten die momenteel in klinische of laboratorium gebruik. Tenslotte gelijktijdige aankoop van multi-golflengte data brengt een extra vijfde dimensie in de real-time volumetric visualisatie die het mogelijk maakt het uitvoeren van echte driedimensionale spectroscopische waarnemingen van weefsels chromofoor en specifieke biomerker biodistributies.

De potentiële toepassingen van een driedimensionaal opto-akoestische handbediende sonde niet beperkt tot klinische beeldvorming, maar het kan ook een zeer belangrijk instrument biologisch onderzoek met diermodellen vertegenwoordigen. Dieren die groter dan muizen algemeen niet geschikt om te worden afgebeeld in een tomografisch opto-akoestische systeem en de draagbare benadering waarschijnlijk handiger. Ook volumetrische (driedimensionaal) beeldvorming van bepaalde gebieden in real time met optische contrast en ultrageluid resolutie als een uniek voordeel in de studie van geneesmiddelafgifte, hemodynamische veranderingen en farmacokinetiek.

Tot slot verwachten wij dat de geïntroduceerde methode voor hand-held opto-akoestische beeldvorming klinische vertaling van de technologie zal vragen en aanzienlijke vooruitgang van pre-klinische en biological onderzoek op vele grenzen ook.

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 sign in or create an account.

Usage Statistics