Tomografia Optoacústica Multiespectral para Imagem Funcional em Pesquisa Vascular
Summary
O presente protocolo descreve a aquisição de imagens optoacústicas multiespectrais de vasculatura cutânea humana de vivo. Estes incluem a quantificação de hemoglobina e melanina, considerados cromóforos de interesse para análise funcional.
Abstract
O comprometimento microcirculatório tem sido reconhecido em vários processos de doença, subjacente a esse tema crescente dentro da pesquisa vascular. Nos últimos anos, o desenvolvimento de sistemas de imagem ao vivo estabeleceu o ritmo (analítico) na pesquisa básica e clínica, com o objetivo de criar novos instrumentos capazes de fornecer endpoints quantificáveis em tempo real com interesse clínico e aplicação. Espectroscopia de infravermelho próximo (NIRS), tomografia por emissão de pósitrons (PET), tomografia computadorizada (TC) e ressonância magnética (RM) estão disponíveis, entre outras técnicas, mas o custo, a resolução da imagem e o contraste reduzido são reconhecidos como desafios comuns. A tomografia optoacústica (OT) oferece uma nova perspectiva sobre a imagem funcional vascular, combinando capacidades de absorção óptica e resolução espacial de última geração (da resolução óptica microscópica à acústica milimétrica) com a profundidade do tecido. Neste estudo, testou-se a aplicabilidade da tomografia optoacústica multiespectral (ODM) para imagens funcionais. O sistema usa um oscilador óptico paramétrico ajustável (OPO) bombeado por um laser Nd: YAG, fornecendo pulsos de excitação detectados por uma sonda 3D em comprimentos de onda de 680 nm a 980 nm. As imagens obtidas do antebraço humano foram reconstruídas através de um algoritmo específico (fornecido dentro do software do fabricante) com base na resposta de cromóforos específicos. A Hemoglobina Oxigenada Máxima (HbOMáxima 2) e a Hemoglobina Desoxigenada (Hb Máxima), a Hemoglobina Total (HbT) e a Saturação Média de Oxigênio (mSO2) à densidade vascular (μVu), distâncias médias interunidades (ζAd) e volume sanguíneo capilar (mm3) podem ser medidas usando esse sistema. O potencial de aplicabilidade encontrado com este sistema de OT é relevante. Os desenvolvimentos contínuos de software certamente melhorarão a utilidade desse sistema de imagem.
Introduction
As doenças cardiovasculares são as principais causas recorrentes de morte em todo o mundo e representam um enorme fardo para qualquer sistema de saúde 1,2. A tecnologia tem sido um dos principais contribuintes para a expansão de nossa compreensão da fisiopatologia cardíaca e vascular fundamental, fornecendo ferramentas diagnósticas mais precisas e a possibilidade de detecção precoce de doenças e manejo mais eficaz. As técnicas de imagem oferecem a possibilidade de medir não apenas o desempenho cardíaco e dos vasos maiores, mas também, em uma escala muito menor, calcular a densidade capilar, a perfusão e o volume locais, a disfunção endotelial, entre outras características. Essas tecnologias ofereceram os primeiros insights quantitativos sobre biologia vascular com aplicação clínica direta. Alterações na densidade capilar, redução da perfusão local ou oclusão provavelmente correspondem a uma condição isquêmica, o que ajuda a explicar o crescente papel da imagem, tornando-se uma ferramenta indispensável na pesquisa e prática cardiovascular 3,4,5.
Nos últimos anos, a imagem funcional tem consistentemente definido o ritmo da inovação tecnológica, com espectroscopia de ultrassom (US) no infravermelho próximo (NIRS), tomografia por emissão de pósitrons (PET), tomografia computadorizada (TC) e ressonância magnética (MRI) como alguns exemplos bem conhecidos. No entanto, múltiplas preocupações limitam sua aplicação, desde o custo e a segurança do paciente (bem como o conforto) até o contraste e a resolução da imagem 6,7. A tomografia optoacústica (OT) emergiu recentemente como uma nova direção na pesquisa vascular de base óptica. Essa tecnologia, centrada na detecção de ondas ultrassônicas geradas pela expansão termoelástica do tecido impactado com pulsos de laser ultracurtos, é conhecida há algum tempo 6,8. Esta reação física de desenvolvimento de calor e expansão tecidual evoca um sinal acústico detectado por um transdutor de ultrassom. O uso de pulsos de luz do visível ao infravermelho próximo e a ausência de um sinal acústico de fundo beneficiam a profundidade de resolução. O contraste detectado resulta dos cromóforos mais importantes presentes (hemoglobina ou melanina). Em comparação com outras tecnologias, a OT tem as vantagens de (1) não necessitar de contraste (imagem sem rótulo), (2) melhor contraste e resolução com menos artefatos do que a ultrassonografia, e (3) menor preço, aquisição mais rápida e facilidade de operação 6,9,10,11.
A tomografia optoacústica multiespectral (MSOT) está entre as mais recentes gerações de instrumentos de TO. Construído com um oscilador óptico paramétrico ajustável (OPO) bombeado por um laser Nd:YAG que fornece pulsos de excitação, uma imagem 3D é adquirida por sinais resolvidos pelo tempo detectados a partir de pulsos de excitação ultrassônica de alta frequência em comprimentos de onda de 680 nm a 980 nm com uma taxa de repetição de até 50 Hz12. A plataforma de imagem optoacústica fornece a quantificação de diferentes cromóforos em profundidade (tão baixos quanto 15 mm). Variáveis como HbO2, Hb e melanina são facilmente acessíveis. Outras variáveis de interesse, como a Hemoglobina Oxigenada máxima (HbO Máxima2) e a Hemoglobina Desoxigenada (Hb Máxima), também estão disponíveis. Os algoritmos de reconstrução do software do fabricante permitem o cálculo de outras variáveis, como densidade vascular (μVu), distância média interunidades (ζAd) e volume capilar (mm3).
O presente estudo explora os aspectos operacionais essenciais deste novo sistema para entender melhor seus aspectos práticos e potenciais aplicações em pesquisas pré-clínicas cardiovasculares.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo enfatiza as etapas de trabalho consideradas como requisitos práticos para operar este novo instrumento de imagem optoacústica, desde o posicionamento adequado (participante, sonda) necessário para a estabilização da sonda de copo 3D até a aquisição de imagens, seleção de ROI e reconstrução e análise de imagens.
A abordagem experimental proposta, utilizando aquisições “instantâneas” juntamente com imagens obtidas em condições dinâmicas, ilustra o interesse e a …
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigação é financiada pela ALIES e COFAC principais fornecedores da tecnologia em estudo, e pela Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) através da bolsa UIDB/04567/2020 ao 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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