عالمية باليد ثلاثي الأبعاد بصري سمعي التصوير دقق في الأنسجة العميقة تصوير الأوعية الدموية الإنسان والدراسات ما قبل السريرية وظيفية في الوقت الحقيقي
Summary
We provide herein a detailed description of the experimental protocol for imaging with a newly developed hand-held optoacoustic (photoacoustic) system for three-dimensional functional and molecular imaging in real time. The demonstrated powerful performance and versatility may define new application areas of the optoacoustic technology in preclinical research and clinical practice.
Abstract
The exclusive combination of high optical contrast and excellent spatial resolution makes optoacoustics (photoacoustics) ideal for simultaneously attaining anatomical, functional and molecular contrast in deep optically opaque tissues. While enormous potential has been recently demonstrated in the application of optoacoustics for small animal research, vast efforts have also been undertaken in translating this imaging technology into clinical practice. We present here a newly developed optoacoustic tomography approach capable of delivering high resolution and spectrally enriched volumetric images of tissue morphology and function in real time. A detailed description of the experimental protocol for operating with the imaging system in both hand-held and stationary modes is provided and showcased for different potential scenarios involving functional and molecular studies in murine models and humans. The possibility for real time visualization in three dimensions along with the versatile handheld design of the imaging probe make the newly developed approach unique among the pantheon of imaging modalities used in today’s preclinical research and clinical practice.
Introduction
بصري سمعي (الضوئي) التصوير يجذب الاهتمام يتزايد من المجتمعات الأبحاث البيولوجية والطبية، كما يتضح من العدد المتزايد من المطبوعات تشمل مجموعة متنوعة من التطبيقات الجديدة التي تستغل المزايا الفريدة التي توفرها تكنولوجيا 1-5. على وجه الخصوص، والقدرة على امتصاص صورة فوتوغرافية مميزة طيفيا وكلاء لقرار المكانية والزمانية عالية على أعماق أبعد بكثير من حدود ناشر للضوء تفتح إمكانيات غير مسبوقة لوظيفية والتصوير الجزيئي 6-10.
في الواقع، ترجمة للتكنولوجيا بصري سمعي في الممارسة السريرية تأتي مع آفاق واعدة في تشخيص ومتابعة علاج الكثير من الأمراض. ومع ذلك، فإن انتشار محدود من الفوتونات في نثر بصريا والأنسجة استيعاب والردود ضعيفة عموما المرتبطة بظاهرة بصري سمعي تحد من عمق المطبق من طريقة. ونتيجة لذلك، باليد optoaوقد حاول تحقيقات coustic إلى أجزاء الصورة يمكن الوصول إليها من خارج 11،12 الجسم في حين تستخدم أنظمة بالمنظار لتوفير صور من داخل الجسم عن طريق إدراج منهم عبر الفوهات الطبيعية 13. بعض أجزاء امتصاص منخفضة من جسم الإنسان، مثل الإناث الثدي، يمكن الوصول إليها من خلال الماسحات الضوئية بصري سمعي 14،15 تصوير الشعاعي الطبقي أيضا. أهمية خاصة هو النهج باليد، لأنها تتيح تعدد كبير، على غرار الموجات فوق الصوتية. هنا، تكييف الموجات فوق الصوتية الشائعة تحقيقات مجموعة خطية للتصوير بصري سمعي يبقى تحديا، ويرجع ذلك أساسا إلى اختلافات جوهرية في متطلبات التصوير بالموجات فوق الصوتية وتصوير الشعاعي الطبقي بين optoacoustics. بينما يتم تمكين إطار معدلات عالية في التصوير بالموجات فوق الصوتية القياسية من قبل متتابعة الإرسال والاستقبال مخططات توظيف نبض ترددات عالية التكرار في نطاق كيلو هرتز، ويتحقق تصوير بصري سمعي الوقت الحقيقي ثلاثي الأبعاد عن طريق جمع البيانات في وقت واحد الشعاعي الطبقي الحجمي من كثافة واحدerrogating نبضة ليزر. وبالتالي، والجودة العالية التصوير بصري سمعي يعني الحصول على البيانات ثلاثية الأبعاد من أكبر زاوية ممكنة الصلبة في جميع أنحاء الجسم تصويرها.
في الآونة الأخيرة، قدمنا أول مسبار بصري سمعي محمول باليد لثلاثي الأبعاد (الحجمي) التصوير في الوقت الحقيقي 16. ويستند هذا النظام على صفيف ثنائي الأبعاد من 256 عناصر كهرضغطية رتبت على سطح كروي (النقاط الزرقاء في الشكل 1A) تغطي بزاوية 90 درجة. حجم العناصر الفردية حوالي 3 × 3 مم 2، وكذلك ميولهم وعرض نطاق التردد (حوالي 2-6 ميغاهيرتز) تضمن إشارة جمع فعال من حجم سنتيمتر النطاق المحيطة بها وسط ميدان (المكعب الأسود في الشكل 1A). يتم توفير الإثارة البصرية للمنطقة التصوير مع حزمة الألياف عبارة عن طريق تجويف أسطواني الرئيسي للمجموعة، بحيث أن أي susc الطول الموجيeptible من بثها من خلال حزمة من الألياف يمكن أن تستخدم للتصوير. ويظهر صورة الفعلية لمجموعة من محولات الطاقة جنبا إلى جنب مع حزمة من الألياف البصرية في الشكل 1B. الإثارة الفعالة والكشف المتزامن للإشارات تتيح تصوير الأنسجة العميقة مع احد بالرصاص الإثارة (نبضة ليزر واحد)، بحيث يتم تمكين المزيد من التصوير في الوقت الحقيقي في معدل الإطار الذي يحدده تردد تكرار النبضة ليزر مع graphics- تجهيز وحدة (GPU) تنفيذ الإجراء إعادة الإعمار 17. ومرفق غلاف أسطواني مع البولي إثيلين غشاء شفاف (الشكل 1C) إلى مجموعة المفاتيح لإحاطة وسيلة نقل سمعيا السائل (الماء). ويقترن الغشاء أيضا على الأنسجة عن طريق جل الصوتية. وأظهرت صورة للمجس بصري سمعي كما تستخدم في وضع التشغيل باليد في الشكل 1D.
وأظهرت عبتي وتصور EE باليد الأبعاد التصوير بصري سمعي جنبا إلى جنب مع القدرة في الوقت الحقيقي التصوير الوظيفي تأتي مع مزايا هامة للتشخيص السريري وعدد من التطبيقات المحتملة لمؤشرات مختلفة، مثل أمراض الأوعية الدموية المحيطية، واضطرابات الجهاز اللمفاوي، وسرطان الثدي، والآفات الجلدية، التهاب المفاصل أو 18. وعلاوة على ذلك، فإن قدرة التصوير بسرعة وتمكن من تصور الأحداث البيولوجية الديناميكية مع التحقيق مرتبة في وضع ثابت. جنبا إلى جنب مع سرعة ضبط الطول الموجي حدودي البصرية مذبذب (OPO) تكنولوجيا الليزر، وهذا النهج يسمح في الوقت الحقيقي التصوير من biodistribution وكلاء امتصاص الصورة. وبالتالي، قد تظهر إمكانيات جديدة على قدم المساواة في تطبيقات التصوير الحيوانات الصغيرة، على سبيل المثال، في دراسة ديناميكا الدم الأنسجة في الجسم الحي تتبع الخلايا، تصور الدوائية، نضح الجهاز، استهدف التصوير الجزيئي للأورام ونظام القلب والأوعية الدموية، أو تصوير الأعصاب.
<p class = "jove_content"> وفي هذا العمل نحن نقدم وصفا مفصلا لبروتوكول التصوير التجريبية للعمل مع مجموعة كروية بصري سمعي التحقيق وعرض الأداء باليد في العديد من السيناريوهات السريرية والتصوير حيوان صغيرة نموذجية.Protocol
Representative Results
Discussion
خلقت المزايا الفريدة التي توفرها تقنيات التصوير بصري سمعي في البحوث الحيوانية صغير دافعا قويا لترجمة التكنولوجيا في الممارسة السريرية، مع عدد من وسائل التشخيص والعلاج مراقبة التطبيقات مثل تصوره، في الثدي، وسرطان الجلد، والتهاب الأوعية الدموية أو الأمراض الط?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The research leading to these results has received funding from the European Research Council under grant agreement ERC-2010-StG-260991.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Optical parametric oscillator (OPO)-based laser | Innolas Laser GmbH, Krailling (Germany) | custom-made | The laser provides laser pulses with a duration around 10ns and an energy up to 80mJ. The wavelength is tunable between 680-950nm. |
| 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 3x3mm2, a central frequency of 4MHz 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 2030 samples. The input impedance is 1MW. |
| 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) | N/A | 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 | N/A | 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 | N/A | 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. |
References
- 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).
- Herzog, E., et al. Optical Imaging of Cancer Heterogeneity with Multispectral Optoacoustic Tomography. Radiology. 263 (2), 461-468 (2012).
- 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).
- Yao, J. J., et al. Noninvasive photoacoustic computed tomography of mouse brain metabolism in vivo. Neuroimage. 64, 257-266 (2013).
- 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).
- Beard, P. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus. 1, 602-631 (2011).
- Wang, L. H. V., Hu, S. Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs. Science. 335 (6075), 1458-1462 (2012).
- Xiang, L. Z., Wang, B., Ji, L. J., Jiang, H. B. 4-D Photoacoustic Tomography. Sci Rep-Uk. 3, 10-1038 (2013).
- 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).
- Dean-Ben, X. L., Razansky, D. Adding fifth dimension to optoacoustic imaging: volumetric time-resolved spectrally-enriched tomography. Light: Science and Applications. 3, (2014).
- Fronheiser, M. P., et al. Real-time optoacoustic monitoring and three-dimensional mapping of a human arm vasculature. J Biomed Opt. 15 (2), (2010).
- Buehler, A., Kacprowicz, M., Taruttis, A., Ntziachristos, V. Real-time handheld multispectral optoacoustic imaging. Opt Lett. 38 (9), 1404-1406 (2013).
- Yang, J. M., et al. Simultaneous functional photoacoustic and ultrasonic endoscopy of internal organs in vivo. Nat Med. 18 (8), 1297-1302 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Dean-Ben, X. L., Razansky, D. Functional optoacoustic human angiography with handheld video rate three dimensional scanner. Photoacoustics. 1 (3-4), 68-73 (2013).
- . . American National Standards for the Safe Use of Lasers ANSI Z136.1.. , (2000).
- Ntziachristos, V., Razansky, D. Molecular imaging by means of multispectral optoacoustic tomography (MSOT). Chemical reviews. 110 (5), 2783-2794 (2010).
- 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).
