Tomographie optoacoustique multispectrale pour l’imagerie fonctionnelle en recherche vasculaire
Summary
Le présent protocole décrit l’acquisition d’images optoacoustiques multispectrales du système vasculaire cutané humain in vivo . Il s’agit notamment de la quantification de l’hémoglobine et de la mélanine, considérées comme des chromophores d’intérêt pour l’analyse fonctionnelle.
Abstract
L’insuffisance microcirculatoire a été reconnue dans divers processus pathologiques, sous-jacent à ce thème croissant dans la recherche vasculaire. Ces dernières années, le développement de systèmes d’imagerie en direct a donné le ton (analytique) à la recherche fondamentale et clinique, dans le but de créer de nouveaux instruments capables de fournir des critères d’évaluation quantifiables en temps réel présentant un intérêt et une application cliniques. La spectroscopie proche infrarouge (NIRS), la tomographie par émission de positrons (TEP), la tomodensitométrie (TDM) et l’imagerie par résonance magnétique (IRM) sont disponibles, entre autres techniques, mais le coût, la résolution d’image et le contraste réduit sont reconnus comme des défis courants. La tomographie optoacoustique (OT) offre une nouvelle perspective sur l’imagerie fonctionnelle vasculaire, combinant des capacités d’absorption optique et de résolution spatiale de pointe (de la résolution optique micrométrique à la résolution acoustique millimétrique) avec la profondeur des tissus. Dans cette étude, nous avons testé l’applicabilité de la tomographie optoacoustique multispectrale (MSOT) pour l’imagerie fonctionnelle. Le système utilise un oscillateur paramétrique optique accordable (OPO) pompé par un laser Nd: YAG, fournissant des impulsions d’excitation détectées par une sonde 3D à des longueurs d’onde de 680 nm à 980 nm. Les images obtenues à partir de l’avant-bras humain ont été reconstruites à l’aide d’un algorithme spécifique (fourni dans le logiciel du fabricant) basé sur la réponse de chromophores spécifiques. L’hémoglobine oxygénée maximale (Max HbO 2) et l’hémoglobine désoxygénée (Max Hb), l’hémoglobine totale (HbT) et la saturation moyenne en oxygène (mSO2) à la densité vasculaire (μVu), aux distances moyennes inter-unités (ζAd) et au volume sanguin capillaire (mm3) peuvent être mesurées à l’aide de ce système. Le potentiel d’applicabilité trouvé avec ce système OT est pertinent. Les développements logiciels en cours amélioreront sûrement l’utilité de ce système d’imagerie.
Introduction
Les maladies cardiovasculaires sont les principales causes récurrentes de décès dans le monde et représentent un fardeau énorme pour tout système de santé 1,2. La technologie a grandement contribué à l’élargissement de notre compréhension de la physiopathologie cardiaque et vasculaire fondamentale, en fournissant des outils de diagnostic plus précis et la possibilité d’une détection précoce de la maladie et d’une prise en charge plus efficace. Les techniques d’imagerie offrent la possibilité de mesurer non seulement la performance cardiaque et des principaux vaisseaux, mais aussi, à une échelle beaucoup plus petite, de calculer la densité capillaire, la perfusion et le volume locaux et le dysfonctionnement endothélial, entre autres caractéristiques. Ces technologies ont offert les premières perspectives quantitatives en biologie vasculaire avec une application clinique directe. Les changements dans la densité capillaire, la réduction de la perfusion locale ou l’occlusion correspondent probablement à une condition ischémique, ce qui contribue à expliquer le rôle croissant de l’imagerie, devenant un outil indispensable dans la recherche et la pratique cardiovasculaires 3,4,5.
Au cours des dernières années, l’imagerie fonctionnelle a constamment donné le ton en matière d’innovation technologique, avec l’échographie (US), la spectroscopie proche infrarouge (NIRS), la tomographie par émission de positrons (TEP), la tomodensitométrie (TDM) et l’imagerie par résonance magnétique (IRM) comme exemples bien connus. Cependant, de multiples préoccupations limitent leur application, du coût et de la sécurité des patients (ainsi que du confort) au contraste et à la résolutionde l’image 6,7. La tomographie optoacoustique (OT) a récemment émergé comme une nouvelle direction dans la recherche vasculaire optique. Cette technologie, centrée sur la détection des ondes ultrasonores générées par la dilatation thermoélastique du tissu impacté par des impulsions laser ultracourtes, est connue depuis quelques temps 6,8. Cette réaction physique de développement thermique et d’expansion tissulaire évoque un signal acoustique détecté par un transducteur à ultrasons. L’utilisation d’impulsions lumineuses du visible au proche infrarouge et l’absence d’un signal de fond acoustique améliorent la profondeur de résolution. Le contraste détecté résulte des chromophores les plus importants présents (hémoglobine ou mélanine). Par rapport à d’autres technologies, l’OT présente les avantages suivants : (1) ne nécessitant aucun contraste (imagerie sans étiquette), (2) un meilleur contraste et une meilleure résolution avec moins d’artefacts que l’échographie, et (3) un prix inférieur, une acquisition plus rapide et une facilité d’utilisation 6,9,10,11.
La tomographie optoacoustique multispectrale (MSOT) fait partie de la génération la plus récente d’instruments OT. Construite avec un oscillateur paramétrique optique accordable (OPO) pompé par un laser Nd:YAG fournissant des impulsions d’excitation, une image 3D est acquise par des signaux résolus dans le temps détectés à partir d’impulsions d’excitation ultrasonores à haute fréquence à des longueurs d’onde de 680 nm à 980 nm avec un taux de répétition allant jusqu’à 50 Hz12. La plateforme d’imagerie optoacoustique permet de quantifier différents chromophores en profondeur (jusqu’à 15 mm). Des variables telles que HbO2, Hb et mélanine sont facilement accessibles. D’autres variables d’intérêt, telles que l’hémoglobine oxygénée maximale (Max HbO2) et l’hémoglobine désoxygénée (Max Hb), sont également disponibles. Les algorithmes de reconstruction du logiciel du fabricant permettent de calculer d’autres variables telles que la densité vasculaire (μVu), la distance moyenne inter-unités (ζAd) et le volume capillaire (mm3).
La présente étude explore les aspects opérationnels essentiels de ce nouveau système afin de mieux comprendre ses aspects pratiques et ses applications potentielles dans la recherche préclinique cardiovasculaire.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ce protocole met l’accent sur les étapes de travail considérées comme des exigences pratiques pour faire fonctionner ce nouvel instrument d’imagerie optoacoustique, du positionnement adéquat (participant, sonde) nécessaire à la stabilisation de la sonde 3D à l’acquisition d’images, à la sélection du retour sur investissement, en passant par la reconstruction et l’analyse d’images.
L’approche expérimentale proposée, utilisant des acquisitions « instantanées » et des …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette recherche est financée par ALIES et COFAC principaux fournisseurs de la technologie à l’étude, et par la Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) par le biais de la subvention UIDB/04567/2020 au CBIOS.
Materials
| Cuff | PIC | 107001 | |
| Drapes | Pajunk | 021151-1501 | |
| Ethanol 70% | Sigma Aldrich | EX0281 | |
| Gogless | Univet | 559G.00.00.201 | |
| Kimwipes | Amoos | 5601856202331.00 | |
| MSOT | iThera | MSOTAcuity | |
| Stabilizing arm | ITEM | Self designed and assemble | |
| Ultrasound gel | Parker Laboratories | 308 | |
| Waxing cream | Veet | kkdg08hagd |
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