Universal Håndholdt Tredimensjonal Optoacoustic Imaging Probe for Deep Tissue Menneskelig angiografi og Funksjonell prekliniske studier i 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

Optoacoustic (akustisk) avbildning tiltrekker økende interesse fra de biologiske og medisinske forskningsmiljøer, som manifestert av den stadig økende antall publikasjoner som omfatter rekke nye applikasjoner som utnytter de unike fordelene som tilbys av teknologien 1-5. Spesielt kapasitet til bilde spektralt karakteristiske foto-absorberende midler med høyt rom-tid-oppløsning på dyp langt utover den diffusive grense av lys åpner helt nye muligheter for funksjonell og molekylær avbildning 6-10.

Faktisk kommer oversettelse av optoacoustic teknologi i klinisk praksis med lovende prospekter i diagnostikk og overvåking behandling av mange sykdommer. Likevel, den begrensede spredning av fotoner i optisk spredning og absorberende vev og de generelt svake responser forbundet med optoacoustic fenomen begrenser den aktuelle dybde av fremgangsmåten. Som et resultat av håndholdt optoacoustic sonder har vært forsøkt å image deler som er tilgjengelige fra utsiden av kroppen 11,12 mens endoskop systemer brukes til å gi bilder fra inne i kroppen ved å sette dem via naturlige åpninger 13. Noen lav absorberende deler av menneskekroppen, for eksempel kvinnelige bryst, er også tilgjengelig med tomografiske optoacoustic skannere 14,15. Av spesiell interesse er den håndholdte tilnærming som gjør det mulig stor allsidighet, i likhet med ultralyd. Her, tilpasning av felles ultralyd lineære oppstillings prober for optoacoustic bildebehandling fortsatt utfordrende, hovedsakelig på grunn av fundamentale forskjeller i tomografiske bildebehandling krav mellom ultralyd og optoacoustics. Mens høy bildefrekvens i standard ultralyd er aktivert ved sekvensiell sende-motta ordninger ansette høy puls repetisjonsfrekvenser i kHz, er sanntid tredimensjonale optoacoustic bildebehandling oppnås ved samtidig samling av volumetrisk tomographic data fra en enkelt interrogating laserpuls. Således innebærer høy kvalitet optoacoustic avbildning kjøp av tre-dimensjonale data fra den største mulige romvinkel omkring den avbildede objektet.

Nylig lanserte vi den første håndholdte optoacoustic probe for tredimensjonal (volumetrisk) bildebehandling i sanntid 16. Systemet er basert på en to-dimensjonal matrise av piezoelektriske elementer 256 anordnet på en sfærisk overflate (blå punkter i figur 1A) som dekker en vinkel på 90 °. Størrelsen av de individuelle elementer av ca. 3 x 3 mm 2, så vel som deres orientering og frekvensbåndbredde (ca. 2-6 MHz) garantere effektiv signal samling fra en centimeterskala volum som omgir senteret av kulen (sort kube i figur 1A). Optisk magnetisering av avbildnings regionen er forsynt med en fiberbunt er satt inn gjennom et sentralt sylindrisk hulrom i matrisen, slik at en hvilken som helst bølgelengde susceptible for å bli transmittert gjennom fiberbunten kan brukes for avbildning. En faktisk bilde av rekken av transdusere sammen med den optiske fiberbunten er vist i figur 1B. Den effektive eksitasjon og samtidig deteksjon av signaler tillater dyp-vevet avbildning med enkeltskudd eksitasjon (en laserpuls), slik at sanntids avbildning med en rammehastighet bestemt av pulsrepetisjonsfrekvensen av laser er videre aktivert med et grafikk- prosessering-enhet (GPU) gjennomføringen av rekonstruksjonen prosedyren 17. Et sylindrisk hus med en transparent polyetylen-membran (figur 1C) er festet til transduserrekken for å omslutte en akustisk overføring av flytende medium (vann). Membranen er videre koplet til vevet ved hjelp av akustisk gel. Et bilde av det optoacoustic sonden som blir brukt i håndoperasjonsmodus er vist i figur 1D.

Den viste three dimensjonal håndholdt optoacoustic bildebehandling kombinert med sanntid funksjonell bildekapasitet kommer med viktige fordeler for klinisk diagnostikk og en rekke potensielle bruksområder er tenkt for ulike indikasjoner, slik som perifer vaskulær sykdom, lymfesystem, brystkreft, hudlesjoner, betennelse eller leddgikt 18. Videre muliggjør den raske avbildningsevne visualisering av dynamiske biologiske hendelser med sonden anordnet i en stasjonær stilling. Kombinert med rask bølgelengde-tuning optisk parametrisk oscillator (OPO) laser-teknologi, gjør denne tilnærmingen for sanntids avbildning av biodistribusjon fotodempende midler. Dermed kan nye muligheter like dukke opp i små dyr bildebehandlingsprogrammer, f.eks., I å studere vev hemodynamics, in vivo celle sporing, visualisering av farmakokinetikk, organperfusjon, målrettet molekylær avbildning av svulster og kardiovaskulære systemet, eller neuroimaging.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Den detaljerte prosedyre for å operere med den volumetriske håndholdt optoacoustic probe er beskrevet nedenfor. Denne prosedyren er utført i henhold til godkjente institusjonelle forskrifter om dyr og menneskelige eksperimenter.

1. Klargjøring av systemet

  1. Slå på laseren for en varm-up periode på ~ 15 min før operasjon for å stabilisere produksjonen lysstråle.
  2. Plasser vannet som omslutter delen med å isolere membranen som er i kontakt med huden (figur 1).
    MERK: Avstanden mellom isolasjonsmembranen (i kontakt med huden) og regionen med maksimal sensitivitet av svingeren (sentrum for den sfæriske probe) etablerer den effektive bildedybde.
  3. Fylle hele volumet av omtrent 100 ml mellom isolasjonsmembranen og overflaten av transduseren med avionisert vann ved hjelp av en pumpe.
  4. Pass på at ingen vannlekkasje eller luftbobler er present. Alternativt, unngå luftbobler ved å tilby resirkulering av vann.
  5. Utføre forsøkene ved RT og sikrer koblingsmediet (vann) blir opprettholdt ved denne temperaturen.

2. Imaging Forberedelse

  1. Menneskelig bildebehandling forberedelse.
  2. Fjern hår fra å-være-avbildes del med hårfjerning lotion for å unngå en uønsket bakgrunn i bildene (dette trinnet er valgfritt).
  3. Anvende ultralyd gel på huden rundt regionen som skal bli avbildet for å tilveiebringe effektiv akustisk kobling. Plasser optoacoustic sonde i regionen av interesse. Sørg for at ingen luftbobler i ultralyd kopling gel.
  4. Animal bildebehandling forberedelse.
  5. Sikre at pleie- og eksperimentelle prosedyrer med dyr er i samsvar med institusjonelle og offentlige lover og regler.
  6. Fjern pelsen til dyret i regionen for å bli avbildet med en barbering lotion. Beskytt øynene til dyret medVeterinæren salve, som hindrer tørrhet og skader fra eksponering for intens pulset laserstråling.
  7. Bedøve dyret ved hjelp av intraperitoneal injeksjon (IP) av ketamin / xylazin (100 mg / kg Ketamin KG + 5 mg / kg xylazin KG) før forsøket, eller bruk isofluran anestesi (2-3% (ved volum) med 0,9 l / min gasstrøm) i løpet av eksperimentet. Bekreft anesthetization ved å sjekke refleks av bakfot av dyret.
  8. Påfør ultralyd gel på huden rundt i regionen for å bli fotografert for å gi effektiv akustisk kobling og plasser optoacoustic sonde i regionen av interesse. Sørg for at ingen luftbobler i ultralyd kopling gel.

3. Pre-view Operation Mode

  1. Etablere avbildnings bølgelengde (r) mellom 690 nm og 900 nm, og pulsrepetisjonsfrekvens mellom 10 og 50 Hz. Velg parametrene for det akustiske datainnsamling system - en Megohminngangsimpedans. Tilegne 2030 prøver for hver laserpuls på en samplingsfrekvens på 40 megasamples per sekund og 12 bit vertikal oppløsning. Utløse oppkjøpet med Q-switch produksjonen av laser.
  2. Sørg for at både operatøren og pasienten bruker vernebriller tilpasset den optiske eksitasjonsbølgelengden (e). Sett lasereffekten slik at lyset innflytelse på vevsoverflaten blir opprettholdt under 20 mJ / cm 2 under eksperimentet for nær-infrarøde bølgelengder for å tilfredsstille sikkerhets grenseverdier for humane eksperimenter 19 og for å forhindre termisk belastning og hudskade hos dyr .
  3. Start pre-vis programvare med en GPU implementering av behandlingsalgoritmer for å tillate visualisering av tredimensjonale bilder med en rammehastighet som svarer til pulsrepetisjonsfrekvensen for laseren.
  4. Bevege sonden og / eller gjenstanden som skal avbildes, for å optimalisere ytelsen visualisering og lokalisere strukturene av interesse.

4. Data Acquisition

  1. Datainnsamling for skanning (håndholdte) modus.
  2. Hvis det er nødvendig, injiserer et kontrastmiddel før oppkjøpet å berike kontrasten i regionen av interesse.
    MERK: I våre forsøk har vi ikke utført kontrast forbedret menneskelig bildebehandling. Likevel kan forskjellige kontrastmidler være potensielt anvendes for dette formål. Indocyanin Grønn (ICG) er ett eksempel på klinisk godkjent optisk kontrastmiddel som kan anvendes for kontrastforbedring ved maksimal anbefalt dose på 2 mg / kg kroppsvekt hos voksne.
  3. Start maskinvare for datainnsamling med parametrene beskrevet i 3.1 opprettholde gjennomføringen av forhånds programvare. Forsiktig bevege sonden rundt avbildes regionen for å spore de strukturer av interesse.
    MERK: Når bilder på flere laser bølgelengder er kjøpt samtidig, har hastigheten sonden bevegelse i håndholdt modus for å bli redusert betraktelig (helst under 2 mm / sekfor en laserpulsrepetisjonsfrekvens på 50 Hz) for å unngå bevegelsesrelaterte gjenstander i de spektralt ublandede bilder.
  4. Datainnsamling for stasjonær modus.
  5. Monter avbildes gjenstand (f.eks., Dyr) og håndholdt probe på holderen og starte kjøp med parametrene beskrevet i 3.1 opprettholde gjennomføringen av pre-view-programvare.
  6. Opprettholde optoacoustic sonden og bildedelen i samme posisjon under forsøket å visualisere dynamiske biologiske hendelser i regionen av interesse.
  7. Injisere et kontrastmiddel å spore dens dynamiske distribusjon i regionen av interesse.
    MERK: I våre museforsøk, ble indocyanin Grønn (ICG) som brukes for kontrastforbedring. Som en generell retningslinje, en mengde på 10 nmol eller 0,4 mg / kg av ICG har til å bli innført i mus sirkulasjon for å skape detekterbar kontrast med multispektrale optoacoustics in vivo.
    MERK: Den kontrastmiddel må væregodkjent for human og / eller animalsk bruk av den respektive myndighet.

5. Ferdigstillelse av Experiment

  1. Stopp laser.
  2. Fjern optoacoustic sonde fra avbildes regionen. For dyrestudie, stopp anestesitilførselen.
  3. Plasser dyret under en infrarød ovn for å holde den varm og hindre kontakt med andre dyr før det fullt restituert fra anestesi. Ikke la dyret uten tilsyn under utvinning av bedøvelsen.

6. Off-line Data Processing

  1. Laste inn filen (e) som inneholder de oppkjøpte optoacoustic signaler i det programmet som brukes for databehandling.
  2. Bruke en rekonstruksjonsalgoritme for å oppnå en tredimensjonal matrise matrise svarende til en volumetrisk bilde av den optiske absorpsjonen for hver ramme og hver bølgelengde.
    MERK: For gjenoppbygging er det best å bruke en algoritme regnskap for forvrengende faktorer, som heterogeneteter og dempningen i den avbildede objekt, å virkninger av endelig båndbredde og geometriske form av deteksjonselementer og lys fluence variasjoner, for oppnå en mer kvantitativ representasjon av fordelingen av den absorberte energi.
  3. Bruke en unmixing algoritme for å oppnå, fra hver multi-bølgelengde ramme, et nytt sett med tredimensjonale matrisegrupper som representerer den optiske absorpsjonen for hver absorberende substans i prøven.
  4. Hvis nødvendig, ytterligere behandle den matrisegrupper som representerer den optiske absorpsjon fordeling for å lette visualiseringen og lesningen av biologisk relevante parametre.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Representative resultater, som viser mulighetene i den beskrevne volumetriske håndholdt optoacoustic sonde, blir vist frem i denne delen. I alle tilfeller ble den lys innflytelse på hudoverflaten holdt under sikkerhetsgrenseverdien på 20 mJ / cm 2 19.

Ytelsen av sonden i sanntid sporer humane perifere vaskulatur er vist frem i figur 2. I løpet av dette forsøk ble sonden langsomt skannes langs hånden til en frisk frivillig menneske ved en enkelt bølgelengde på 800 nm med laseroperasjons 10 pulser per sekund 17, slik at det sanntids visualisering av blodkarene for alle skannestillinger er oppnådd. Representanten maksimal intensitet projeksjon (MIP) av de rekonstruerte bilder i alle tre retninger vises i figur 2. Sanntids visualisering under målingen er aktivert med en GPU implementation av den filtrerte back-projeksjon algoritme 17.

Den sanntids avbildning multispektrale kapasitet er vist frem i figur 3. Nærmere bestemt, målinger ble utført ved skanning av sonden langs håndleddet hos en frisk frivillig å ha blodkar med forskjellige størrelser og oksygenmetningsnivåer samt en melanin-rikt pigment i huden 10. En 50 Hz pulsrepetisjonsfrekvens laser med en bølgelengde justerende evne i et per-puls-basis ble anvendt i dette tilfellet. Laseren ble innstilt til flere bølgelengder mellom 730 og 850 nm med 30 nm bølgelengder trinn (5), som svarer til en monoton reduksjon i absorpsjon av melanin, en monoton økning i absorpsjon av oksygenert hemoglobin og en karakteristisk topp i absorpsjon av deoksygenert hemoglobin. Erverv av en hel multispektrale datasettet tar bare 100 msek på grunn av rask-tuning kapasitet på laseren. De MIP-bilder langs dybdenretning for tre ulike bølgelengder, som svarer til den samme posisjon av sonden, er vist i figur 3A. Figur 3B viser den ublandede fordeling av oksygenert hemoglobin (HBO 2), deoksygenert hemoglobin (HBr) og melanin i rødt, blått og gult, respektivt , mens det var videre antatt at absorpsjonen var utelukkende skyldes disse tre komponenter kromofore. Derved, røde og blå strukturer i figur 3 representerer sannsynligvis arterier og vener, respektivt, mens den gule flekk tilsvarer pigment i huden. Sterkt lys absorpsjon av melanin kan redusere aktuelt dyp penetrasjon for denne metoden hos personer med mørk hud, selv om ytterligere testing er helt nødvendig å trekke kvantitative konklusjoner.

Figur 4 illustrerer evnen for avbildning av dynamiske prosesser in vivo. Heri, sirkulasjonen i det langfingeren var obstructed ved hjelp av en gummistrikk og utgitt under datainnsamling 18. En sekvens av enkelt bølgelengde bildene ble kjøpt på 10 bilder per sekund som bestemmes av puls etter hverandre av laseren. Fire MIP-bilder langs den laterale og dybde retninger fordelt med 1 sek blir vist frem, der det andre bildet tilsvarer øyeblikk etter at sirkulasjonen ble gjenopprettet. Bølgelengden var satt til 900 nm, slik at amplituden av de signaler optoacoustic økes både med blodvolum og blodoksygenering.

Til slutt, figur 5 viser evnen av det innførte system for å spore perfusjon dynamikk i et tredimensjonalt regionen til en mus ved hjelp av ICG som et kontrastmiddel 9. En åtte uker gammel kvinnelig naken CD-en mus ble brukt til in vivo eksperimenter. Den eksperimentelle prosedyren var i samsvar med institusjonelle og bayerske offentlige regler og forskrifter. Hjernen vasculature varavbildes ved å plassere musen i en liggende stilling, og 2% isofluran i rent oksygen ble anvendt for anestesi. Vet salve ble brukt for å beskytte øynene til musen. 10 nmol av ICG fortynnet i 50 ml saltvann ble injisert 5 sekunder etter start av optoacoustic datainnsamling. Bølgelengden til laseren ble innstilt til 730, 760, 800, 850 og 900 nm på en per-pulsbasis i en hastighet på 50 ganger per sekund. For hvert sett av bølgelengder, ble ICG fordeling ublandet ved å anta at den optiske absorpsjonen er kun på grunn av dette middel, så vel som de oksygenerte, oksygenfritt former av hemoglobin. De MIP-bilder langs dybderetningen som svarer til den ublandede ICG fordeling for 5 forskjellige tidspunkter er vist i figur 5A (tid etter injeksjonen er også angitt). Den absorpsjonsspektrum av ICG i plasma er vist i figur 5B. Denne spesielle eksperimentet demonstrerer at den foreslåtte tilnærmingen er i stand til simultane gere rende virkelig fem-dimensjonale (dvs. spektralt anriket tids-oppløst tredimensjonal) tomografisk data, som deretter blir brukt til å rekonstruere og spektralt unmix fordelingen av forskjellige iboende kromoforer og eksogene midler i sanntid.

Figur 1
Figur 1: Oppsett av håndholdt tredimensjonale optoacoustic probe (A) Fordeling av de piezoelektriske elementer (blå prikker) med hensyn til regionen av interesse (svart kube) (B) Faktisk bilde av transduserrekken (TA.. ) og fiberbunten (FB). (C) Vann omsluttende del. (D) Den faktiske bilde av optoacoustic sonden som blir brukt i den håndholdte operasjonsmodus. .jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2: Sporing av perifer menneskelig blodkar maksimal intensitet projeksjon bilder av optisk absorpsjon langs de tre kartesiske retninger for fire etterfølgende bilder.. Her laseren ble operert ved 10 pulser i sekundet med en konstant bølgelengde satt til 800 nm. Den grå-skala fargevalget representerer intensiteten av optisk absorpsjon H i objekt i vilkårlige enheter. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

s.jpg "width =" 700 "/>
Figur 3:. Håndholdt avbildning av spesifikke endogene kromoforer (A) Maksimal intensitet projeksjon bilder av optisk absorpsjon langs dybderetningen for tre forskjellige bølgelengder som tilsvarer tre påfølgende pulser. I dette tilfellet, laser operert på 50 pulser pr sek (sonden ble ikke flyttet). (B) spektralt ublandede bilder som viser fordeling av oksygenrikt og oksygenfritt hemoglobin og melanin. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4:. Sanntids avbildning av blodstrøm Maksimal intensitet projeksjon bilder av optisk absorpsjon langs dybde ogsideretninger som tilsvarer fire forskjellige tidspunkter. Sirkulasjonen i langfinger ble blokkert før forsøket og gitt ut under forsøket (ved 0 sek). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5: Sanntids avbildning av fordelingen av optisk kontrastmiddel i mus (A) Fordeling av ICG-kontrastmiddel (maksimum intensitet projeksjon langs dybderetningen) for fire forskjellige tidspunkter etter injeksjon av midlet (ved 0 sek).. (B) Extinction spekteret av ICG i plasma. Klikk her for å se en større versjon av thans figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De unike fordelene som tilbys av optoacoustic bildeteknikker i små dyr forskning har skapt sterk motivasjon for å oversette den teknologien i klinisk praksis, med en rekke av diagnostikk og behandling overvåkingsprogrammer så for seg f.eks., I bryst og hudkreft, betennelse eller perifere blodkar sykdommer. Men i motsetning til mus eller mindre dyr, som kan være omgitt av et tilstrekkelig antall belysning kilder og deteksjons elementer for å skape en effektiv tomographic image oppkjøpet geometri, de store dimensjonene av menneskekroppen og begrenset optisk penetrasjon hinder gjennomføring av hele kroppen optoacoustic tomografi på samme måte som MR eller CT. Den presenterte håndholdt optoacoustic avbildning probe er ideell for human avbildning som den deler mange av fordelene ved ultralyd, for eksempel bærbar bruk, høy oppløsning, ikke-ioniserende eksitasjon og real-time kapasitet. Likevel, den optimale hardware design og reconstruction prosedyrer for optoacoustic bildebehandling avvike vesentlig fra de som vanligvis brukes i ultralyd skannere. Dette er på grunn av fundamentale forskjeller mellom de optimale operasjonelle egenskapene til de to modaliteter, slik som pulsrepetisjonsfrekvens, amplitude for de detekterte responser, de ultrasoniske signalet som understreker eksitasjon mekanismer og de resulterende bilderekonstruksjons tilnærminger. Spesielt er optoacoustics iboende en tre-dimensjonal billeddannelse modalitet som fullstendige volumetriske tomografiske datasett fra den avbildede objekt kan i prinsippet bli generert med en enkelt utspørrende laserpuls, som også ble demonstrert i dette arbeidet. Videre kan en tilpasning av sonden å samtidig gi ultralydbilder implementeres og fortsatt som en fremtidig skritt i vår forskning agenda.

Sammenlignet med andre godt etablerte kliniske bildediagnostikk, som for eksempel magnetisk resonans imaging (MRI) eller x-ray computertomografi (CT), optoacoustic tomografi er ikke en hel-kropp avbildningsfunksjonalitet, men kan gi betydelig rikere og mer spesifikk kontrast basert på lys avhør av vev. Faktisk gjør endogen optisk absorpsjon kontrast ikke bare levere høyoppløselig vev morfologi, men også gjengir funksjonell og potensielt målrettet molekylær informasjon av stor betydning for klinisk beslutningstaking. Den molekylær avbildning kapasiteten er videre sterkt støttet av den betydelig større tilgjengelighet av kontrastmiddel tilnærminger av optiske avbildningsmetoder sammenlignet de som er tilgjengelige for den andre bildediagnostikk 20,21. Videre høy tidsoppløsning av optoacoustic tilnærming demonstrert her, altså., Høy bildefrekvens (real-time) tre-dimensjonal avbildning, er ikke generelt tilgjengelig med andre modaliteter for tiden i klinisk eller laboratoriebruk. Til slutt, samtidig kjøp av multi-bølgelengde data bringer en ekstra femte dimensjon inn i sanntid volumetric visualisering som gjør det mulig å utføre ekte tredimensjonale spektroskopiske observasjoner av vev kromofor og spesifikke bio-markør biofordelinger.

De potensielle anvendelser av en tredimensjonal optoacoustic håndholdt proben er ikke begrenset til klinisk avbilding, men det kan også representere et meget viktig verktøy i biologisk forskning med dyremodeller. Faktisk dyr større enn mus er generelt ikke egnet til å bli avbildet i en tomografisk optoacoustic system og den håndholdte tilnærming er sannsynligvis mer praktisk. Også volumetrisk (tredimensjonal) avbildning av visse regioner i sanntid med optisk kontrast og ultralyd oppløsning representerer en unik fordel i studiet av stoffet levering, hemodynamiske endringer eller farmakokinetikk.

I konklusjonen, forventer vi at den innførte metodikk for håndholdt optoacoustic bildebehandling vil be klinisk oversettelse av teknologi og betydelig løft pre-kliniske og biological forskning på mange grenser også.

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