Vasküler Araştırmalarda Fonksiyonel Görüntüleme için Multispektral Optoakustik Tomografi
Summary
Mevcut protokol, in vivo insan derisi vaskülatürünün multispektral optoakustik görüntülerinin elde edilmesini tanımlamaktadır. Bunlar, fonksiyonel analiz için ilgi çekici kromoforlar olarak kabul edilen hemoglobin ve melaninin miktarını içerir.
Abstract
Mikrodolaşım bozukluğu, vasküler araştırmalarda bu büyüyen temanın altında yatan çeşitli hastalık süreçlerinde tanınmıştır. Son yıllarda, canlı görüntüleme sistemlerinin geliştirilmesi, klinik ilgi ve uygulama ile gerçek zamanlı, ölçülebilir son noktalar sağlayabilen yeni araçlar oluşturmak amacıyla hem temel hem de klinik araştırmalarda (analitik) hızı belirlemiştir. Diğer tekniklerin yanı sıra yakın kızılötesi spektroskopi (NIRS), pozitron emisyon tomografisi (PET), bilgisayarlı tomografi (BT) ve manyetik rezonans görüntüleme (MRG) mevcuttur, ancak maliyet, görüntü çözünürlüğü ve azaltılmış kontrast yaygın zorluklar olarak kabul edilmektedir. Optoakustik tomografi (OT), son teknoloji optik absorpsiyon ve uzamsal çözünürlük kapasitelerini (mikrometre optikten milimetre akustik çözünürlüğe) doku derinliği ile birleştirerek vasküler fonksiyonel görüntülemeye yeni bir bakış açısı sunar. Bu çalışmada multispektral optoakustik tomografinin (MSOT) fonksiyonel görüntüleme için uygulanabilirliği test edilmiştir. Sistem, bir Nd: YAG lazer tarafından pompalanan ayarlanabilir bir optik parametrik osilatör (OPO) kullanır ve 680 nm ila 980 nm dalga boylarında bir 3D prob tarafından algılanan uyarma darbeleri sağlar. İnsan önkolundan elde edilen görüntüler, belirli kromoforların tepkisine dayanan belirli bir algoritma (üreticinin yazılımı içinde sağlanan) aracılığıyla yeniden yapılandırıldı. Maksimum Oksijenli Hemoglobin (Max HbO 2) ve Deoksijenli Hemoglobin (Max Hb), Toplam Hemoglobin (HbT) ve vasküler yoğunluğa (μVu) ortalama Oksijen Doygunluğu (mSO2), birimler arası ortalama mesafeler (ζAd) ve kılcal kan hacmi (mm3) bu sistem kullanılarak ölçülebilir. Bu OT sistemi ile bulunan uygulanabilirlik potansiyeli önemlidir. Devam eden yazılım geliştirmeleri kesinlikle bu görüntüleme sisteminin faydasını artıracaktır.
Introduction
Kardiyovasküler hastalıklar dünya çapında tekrarlayan en önemli ölüm nedenleridir ve herhangi bir sağlık sistemi için büyük bir yük oluşturmaktadır 1,2. Teknoloji, temel kardiyak ve vasküler patofizyoloji anlayışımızın genişlemesine, daha kesin tanı araçları ve erken hastalık teşhisi ve daha etkili yönetim imkanı sağlamamıza büyük katkıda bulunmuştur. Görüntüleme teknikleri sadece kardiyak ve majör damar performansını ölçme imkanı sunmakla kalmaz, aynı zamanda diğer özelliklerin yanı sıra kılcal damar yoğunluğunu, lokal perfüzyon ve hacmi ve endotel disfonksiyonunu hesaplamak için çok daha küçük bir ölçekte de olanaklar sunar. Bu teknolojiler, doğrudan klinik uygulama ile vasküler biyolojiye ilk nicel içgörüleri sunmuştur. Kılcal yoğunluktaki değişiklikler, lokal perfüzyonun azaltılması veya tıkanma muhtemelen görüntülemenin artan rolünü açıklamaya yardımcı olan iskemik bir duruma karşılık gelir ve kardiyovasküler araştırma ve uygulamada vazgeçilmez bir araç haline gelir 3,4,5.
Son yıllarda, fonksiyonel görüntüleme, ultrason (ABD) yakın kızılötesi spektroskopi (NIRS), pozitron emisyon tomografisi (PET), bilgisayarlı tomografi (BT) ve manyetik rezonans görüntüleme (MRG) ile teknolojik yeniliklerde hızı sürekli olarak belirlemiştir. Bununla birlikte, maliyet ve hasta güvenliğinden (konforun yanı sıra) görüntü kontrastı ve çözünürlük 6,7’ye kadar birçok endişe uygulamalarını sınırlar. Optoakustik tomografi (OT) son zamanlarda optik tabanlı vasküler araştırmalarda yeni bir yön olarak ortaya çıkmıştır. Ultra kısa lazer darbeleri ile etkilenen dokunun termoelastik genişlemesi ile üretilen ultrasonik dalgaların tespitine odaklanan bu teknoloji, bir süredir bilinmektedir 6,8. Isı gelişiminin ve doku genişlemesinin bu fiziksel reaksiyonu, bir ultrason dönüştürücü tarafından tespit edilen akustik bir sinyali uyandırır. Görünürden yakın kızılötesine ışık darbelerinin kullanılması ve akustik bir arka plan sinyalinin bulunmaması, çözünürlük derinliğine fayda sağlar. Tespit edilen kontrast, mevcut en önemli kromoforlardan (hemoglobin veya melanin) kaynaklanır. Diğer teknolojilerle karşılaştırıldığında, OT (1) kontrasta ihtiyaç duymama (etiketsiz görüntüleme), (2) ultrasonografiden daha az eserle daha iyi kontrast ve çözünürlük ve (3) daha düşük fiyat ve daha hızlı edinme ve kullanım kolaylığı 6,9,10,11 avantajlarına sahiptir.
Multispektral optoakustik tomografi (MSOT) en yeni nesil OT aletleri arasındadır. Uyarma darbeleri sağlayan bir Nd:YAG lazer tarafından pompalanan ayarlanabilir optik parametrik osilatör (OPO) ile üretilen 3D görüntü, 50 Hz12’ye kadar tekrarlama hızına sahip 680 nm ila 980 nm dalga boylarında yüksek frekanslı ultrasonik uyarma darbelerinden algılanan zamana bağlı sinyallerle elde edilir. Optoakustik görüntüleme platformu, farklı kromoforların derinlemesine (15 mm’ye kadar düşük) ölçülmesini sağlar. HbO2, Hb ve melanin gibi değişkenlere kolayca erişilebilir. Maksimum Oksijenli Hemoglobin (Max HbO2) ve Deoksijenli Hemoglobin (Max Hb) gibi diğer ilgi çekici değişkenler de mevcuttur. Üreticinin yazılımından alınan rekonstrüksiyon algoritmaları, vasküler yoğunluk (μVu), birimler arası ortalama mesafe (ζAd) ve kılcal hacim (mm3) gibi diğer değişkenlerin hesaplanmasına izin verir.
Bu çalışma, kardiyovasküler preklinik araştırmalarda pratikliklerini ve potansiyel uygulamalarını daha iyi anlamak için bu yeni sistemin temel işletim yönlerini araştırmaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol, 3D fincan probu stabilizasyonu için gereken yeterli konumlandırmadan (katılımcı, prob) görüntü elde etmeye, ROI seçimine ve görüntü rekonstrüksiyonu ve analizine kadar, bu yeni optoakustik görüntüleme cihazını çalıştırmak için pratik gereksinimler olarak kabul edilen çalışma adımlarını vurgulamaktadır.
Dinamik koşullar altında elde edilen görüntülerle birlikte “anlık” edinimleri kullanan önerilen deneysel yaklaşım, bu aracın in vivo…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma, ALIES ve COFAC tarafından incelenen teknolojinin başlıca sağlayıcıları ve Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) tarafından CBIOS’a UIDB/04567/2020 hibesi ile finanse edilmektedir.
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 |
Riferimenti
- Iskander-Rizk, S., vander Steen, A. F. W., van Soest, G. Photoacoustic imaging for guidance of interventions in cardiovascular medicine. Physics in Medicine and Biology. 64 (16), (2019).
- Cakmak, H. A., Demir, M. MicroRNA and cardiovascular diseases. Balkan Medical Journal. 37 (2), 60-71 (2020).
- Li, Z., Gupte, A. A., Zhang, A., Hamilton, D. J. Pet imaging and its application in cardiovascular diseases. Methodist DeBakey Cardiovascular Journal. 13 (1), 29-33 (2017).
- Karlas, A., et al. Cardiovascular optoacoustics: From mice to men – A review. Photoacoustics. 14, 19-30 (2019).
- MacRitchie, N., Noonan, J., Guzik, T. J., Maffia, P. Molecular imaging of cardiovascular inflammation. British Journal of Pharmacology. 178 (21), 4216-4245 (2021).
- Granja, T., Andrade, S., Rodrigues, L. Optoaccoustic tomography – good news for microcirculatory research. Biomedical and Biopharmaceutical Research. 18 (2), 1-13 (2022).
- Tan, H., et al. Total-body PET/CT: Current applications and future perspectives. American Journal of Roentgenology. 215 (2), 325-337 (2020).
- Masthoff, M., et al. Multispectral optoacoustic tomography of systemic sclerosis. Journal of Biophotonics. 11 (11), 201800155 (2018).
- Hu, S., Wang, L. V. Photoacoustic imaging and characterization of the microvasculature. Journal of Biomedical Optics. 15 (1), 011101 (2010).
- Wu, M., Awasthi, N., Rad, N. M., Pluim, J. P. W., Lopata, R. G. P. Advanced ultrasound and photoacoustic imaging in cardiology. Sensors (Basel). 21 (23), 7947 (2021).
- Yang, H., et al. Soft ultrasound priors in optoacoustic reconstruction: Improving clinical vascular imaging. Photoacoustics. 19, 100172 (2020).
- Dean-Ben, X. L., Gottschalk, S., Mc Larney, B., Shoham, S., Razansky, D. Advanced optoacoustic methods for multiscale imaging of in vivo dynamics. Chemical Society Reviews. 46 (8), 2158-2198 (2017).
- World Medical Association. World Medical Association Declaration of Helsinki: ethical principles for medical research involving human subjects. JAMA. 310 (20), 2191-2194 (2013).
