혈관 연구의 기능적 이미징을 위한 다중 스펙트럼 광음향 단층 촬영
Summary
본 프로토콜은 생체내 인간 피부 혈관구조의 다중 스펙트럼 광음향 이미지의 획득을 설명한다. 여기에는 기능 분석을 위한 관심 발색단으로 간주되는 헤모글로빈과 멜라닌의 정량화가 포함됩니다.
Abstract
미세 순환 장애는 다양한 질병 과정에서 인식되어 왔으며, 혈관 연구에서 이러한 성장하는 주제의 기초가됩니다. 최근 몇 년 동안 라이브 이미징 시스템의 개발은 임상적 관심과 응용을 통해 정량화 가능한 실시간 엔드포인트를 제공할 수 있는 새로운 기기를 만드는 것을 목표로 기초 및 임상 연구 모두에서 (분석적) 속도를 설정했습니다. 근적외선 분광법(NIRS), 양전자 방출 단층 촬영(PET), 컴퓨터 단층 촬영(CT) 및 자기 공명 영상(MRI) 등을 사용할 수 있지만 비용, 이미지 해상도 및 대비 감소가 일반적인 문제로 인식되고 있습니다. 광음향 단층촬영(OT)은 최첨단 광학 흡수 및 공간 분해능 용량(마이크로미터 광학에서 밀리미터 음향 분해능까지)을 조직 깊이와 결합하여 혈관 기능 영상에 대한 새로운 관점을 제공합니다. 이 연구에서는 기능 이미징을 위한 다중 스펙트럼 광음향 단층 촬영(MSOT)의 적용 가능성을 테스트했습니다. 이 시스템은 Nd: YAG 레이저로 펌핑되는 조정 가능한 광학 파라메트릭 발진기(OPO)를 사용하여 680nm에서 980nm의 파장에서 3D 프로브로 감지되는 여기 펄스를 제공합니다. 인간의 팔뚝에서 얻은 이미지는 특정 발색단의 반응을 기반으로 특정 알고리즘(제조업체의 소프트웨어 내에서 제공됨)을 통해 재구성되었습니다. 최대 산소화 헤모글로빈 (Max HbO2) 및 탈산소화 헤모글로빈 (Max Hb), 총 헤모글로빈 (HbT), 및 평균 산소 포화도 (mSO2) 대 혈관 밀도 (μVu), 단위간 평균 거리 (ζAd), 및 모세관 혈액량 (mm3)을 이 시스템을 사용하여 측정할 수 있다. 이 OT 시스템에서 발견되는 적용 가능성은 관련이 있습니다. 지속적인 소프트웨어 개발은 확실히 이 이미징 시스템의 유용성을 향상시킬 것입니다.
Introduction
심혈관 질환은 전 세계적으로 재발하는 주요 사망 원인이며 모든 의료 시스템에 큰 부담이됩니다 1,2. 기술은 근본적인 심장 및 혈관 병태생리학에 대한 이해를 넓히는 데 크게 기여하여 보다 정확한 진단 도구와 조기 질병 발견 및 보다 효과적인 관리의 가능성을 제공합니다. 영상 기술은 심장 및 주요 혈관 성능을 측정할 수 있을 뿐만 아니라 훨씬 더 작은 규모로 모세관 밀도, 국소 관류 및 부피, 내피 기능 장애 등을 계산할 수 있는 가능성을 제공합니다. 이러한 기술은 직접적인 임상 적용을 통해 혈관 생물학에 대한 최초의 정량적 통찰력을 제공했습니다. 모세관 밀도, 국소 관류 감소 또는 폐색의 변화는 허혈성 상태에 해당할 가능성이 높으며, 이는 영상의 증가하는 역할을 설명하는 데 도움이 되며 심혈관 연구 및 실습 3,4,5에서 없어서는 안 될 도구가 됩니다.
최근 몇 년 동안 기능적 영상은 초음파(미국) 근적외선 분광법(NIRS), 양전자 방출 단층 촬영(PET), 컴퓨터 단층 촬영(CT) 및 자기 공명 영상(MRI)을 잘 알려진 예로 사용하여 기술 혁신의 속도를 지속적으로 설정해 왔습니다. 그러나 여러 가지 우려 사항으로 인해 비용 및 환자 안전 (편안함뿐만 아니라)에서 이미지 대비및 해상도 6,7에 이르기까지 적용이 제한됩니다. 광음향 단층 촬영(OT)은 최근 광학 기반 혈관 연구의 새로운 방향으로 부상했습니다. 초단 레이저 펄스에 충격을 받는 조직의 열탄성 팽창에 의해 생성된 초음파의 검출을 중심으로 하는 이 기술은 한동안 알려져 왔습니다 6,8. 열 발생 및 조직 확장의 이러한 물리적 반응은 초음파 변환기에 의해 감지된 음향 신호를 유발합니다. 가시 광선에서 근적외선까지 빛의 펄스를 사용하고 음향 배경 신호가 없으면 해상도 깊이에 도움이됩니다. 검출 된 조영제는 존재하는 가장 중요한 발색단 (헤모글로빈 또는 멜라닌)의 결과입니다. 다른 기술과 비교하여 OT는 (1) 대비가 필요하지 않음(라벨 없는 이미징), (2) 초음파보다 적은 아티팩트로 더 나은 대비 및 해상도, (3) 저렴한 가격, 더 빠른 획득 및 작동 용이성 6,9,10,11.
멀티 스펙트럼 광음향 단층 촬영(MSOT)은 가장 최근 세대의 OT 장비 중 하나입니다. 여기 펄스를 제공하는 Nd:YAG 레이저로 펌핑되는 조정 가능한 광학 파라메트릭 발진기(OPO)로 제작된 3D 이미지는 최대 50Hz의 반복률로 680nm에서 980nm까지의 파장에서 고주파 초음파 여기 펄스에서 감지된 시간 분해 신호에 의해 획득됩니다12. 광음향 이미징 플랫폼은 다양한 발색단의 심층적인 정량화를 제공합니다(최저 15mm). HbO2, Hb 및 멜라닌과 같은 변수에 쉽게 접근 할 수 있습니다. 최대 산소화 헤모글로빈 (Max HbO2) 및 탈산 소화 헤모글로빈 (Max Hb)과 같은 다른 관심 변수가 또한 이용 가능하다. 제조업체 소프트웨어의 재구성 알고리즘을 통해 혈관 밀도(μVu), 단위 간 평균 거리(ζAd) 및 모세관 부피(mm3)와 같은 다른 변수를 계산할 수 있습니다.
본 연구는 심혈관 전임상 연구에서 실용성과 잠재적 응용을 더 잘 이해하기 위해이 새로운 시스템의 필수적인 작동 측면을 탐구합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 프로토콜은 3D 컵 프로브 안정화에 필요한 적절한 위치(참가자, 프로브)에서 이미지 획득, ROI 선택, 이미지 재구성 및 분석에 이르기까지 이 새로운 광음향 이미징 기기를 작동하기 위한 실용적인 요구 사항으로 간주되는 작업 단계를 강조합니다.
동적 조건에서 얻은 이미지와 함께 “순간적인” 획득을 사용하는 제안된 실험적 접근 방식은 생체 내 인간 혈관 생리학에 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 연구 중인 기술의 ALIES 및 COFAC 주요 제공업체와 CBIOS에 UIDB/04567/2020 보조금을 통해 FCT(Fundação para a Ciência e a Tecnologia)의 자금 지원을 받습니다.
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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