Multispektrale optoakustische Tomographie zur funktionellen Bildgebung in der Gefäßforschung
Summary
Das vorliegende Protokoll beschreibt die Aufnahme multispektraler optoakustischer Bilder von in vivo menschlichen Hautgefäßen. Dazu gehört die Quantifizierung von Hämoglobin und Melanin, die als Chromophore von Interesse für die Funktionsanalyse angesehen werden.
Abstract
Mikrozirkulationsstörungen wurden in verschiedenen Krankheitsprozessen erkannt, die diesem wachsenden Thema in der Gefäßforschung zugrunde liegen. In den letzten Jahren hat die Entwicklung von Live-Bildgebungssystemen sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der klinischen Forschung das (analytische) Tempo vorgegeben, mit dem Ziel, neue Instrumente zu schaffen, die in der Lage sind, quantifizierbare Endpunkte in Echtzeit mit klinischem Interesse und Anwendung zu liefern. Nahinfrarotspektroskopie (NIRS), Positronen-Emissions-Tomographie (PET), Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) sind unter anderem verfügbar, aber Kosten, Bildauflösung und reduzierter Kontrast werden als häufige Herausforderungen erkannt. Die optoakustische Tomographie (OT) bietet eine neue Perspektive auf die vaskuläre funktionelle Bildgebung und kombiniert modernste optische Absorptions- und räumliche Auflösungskapazitäten (von der optischen bis zur akustischen Auflösung im Mikrometerbereich) mit der Gewebetiefe. In dieser Studie haben wir die Anwendbarkeit der multispektralen optoakustischen Tomographie (MSOT) für die funktionelle Bildgebung getestet. Das System verwendet einen abstimmbaren optischen parametrischen Oszillator (OPO), der von einem Nd: YAG-Laser gepumpt wird und Anregungsimpulse liefert, die von einer 3D-Sonde bei Wellenlängen von 680 nm bis 980 nm erfasst werden. Bilder, die vom menschlichen Unterarm erhalten wurden, wurden durch einen speziellen Algorithmus (der in der Software des Herstellers enthalten ist) basierend auf der Reaktion bestimmter Chromophore rekonstruiert. Maximales oxygeniertes Hämoglobin (Max HbO 2) und desoxygeniertes Hämoglobin (Max Hb), Gesamthämoglobin (HbT) und mittlere Sauerstoffsättigung (mSO2) bis Gefäßdichte (μVu), mittlere Abstände zwischen Einheiten (ζAd) und kapillares Blutvolumen (mm3) können mit diesem System gemessen werden. Das bei diesem OT-System gefundene Anwendbarkeitspotenzial ist relevant. Laufende Softwareentwicklungen werden sicherlich den Nutzen dieses Bildgebungssystems verbessern.
Introduction
Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind weltweit wiederkehrende häufigste Todesursachen und stellen eine enorme Belastung für jedes Gesundheitssystem dar 1,2. Die Technologie hat wesentlich zur Erweiterung unseres Verständnisses der grundlegenden Herz- und Gefäßpathophysiologie beigetragen, indem sie präzisere Diagnosewerkzeuge und die Möglichkeit der Früherkennung von Krankheiten und eines effektiveren Managements bietet. Bildgebende Verfahren bieten die Möglichkeit, nicht nur die Herz- und Hauptgefäßleistung zu messen, sondern in einem viel kleineren Maßstab unter anderem auch die Kapillardichte, die lokale Perfusion und das Volumen sowie die endotheliale Dysfunktion zu berechnen. Diese Technologien haben erste quantitative Einblicke in die Gefäßbiologie mit direkter klinischer Anwendung ermöglicht. Veränderungen der Kapillardichte, lokale Perfusionsreduktion oder Okklusion entsprechen wahrscheinlich einem ischämischen Zustand, was dazu beiträgt, die wachsende Rolle der Bildgebung zu erklären und zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der kardiovaskulären Forschung und Praxis zu werden 3,4,5.
In den letzten Jahren hat die funktionelle Bildgebung konsequent den Takt in der technologischen Innovation vorgegeben, mit Ultraschall (US), Nahinfrarotspektroskopie (NIRS), Positronen-Emissions-Tomographie (PET), Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) als einige bekannte Beispiele. Mehrere Bedenken schränken jedoch ihre Anwendung ein, von Kosten und Patientensicherheit (sowie Komfort) bis hin zu Bildkontrast und Auflösung 6,7. Die optoakustische Tomographie (OT) hat sich in jüngster Zeit als neue Richtung in der optisch-basierten Gefäßforschung herausgebildet. Diese Technologie, die sich auf die Detektion von Ultraschallwellen konzentriert, die durch thermoelastische Expansion des mit ultrakurzen Laserpulsen getroffenen Gewebes erzeugt werden, ist seit einiger Zeit bekannt 6,8. Diese physikalische Reaktion von Wärmeentwicklung und Gewebeausdehnung ruft ein akustisches Signal hervor, das von einem Ultraschallwandler detektiert wird. Die Verwendung von Lichtimpulsen vom sichtbaren bis zum nahen Infrarot und das Fehlen eines akustischen Hintergrundsignals kommen der Auflösungstiefe zugute. Der festgestellte Kontrast ergibt sich aus den wichtigsten vorhandenen Chromophoren (Hämoglobin oder Melanin). Im Vergleich zu anderen Technologien hat OT die Vorteile, dass (1) kein Kontrast benötigt wird (markierungsfreie Bildgebung), (2) besserer Kontrast und Auflösung mit weniger Artefakten als Ultraschall und (3) niedrigerer Preis sowie schnellere Erfassung und einfache Bedienung 6,9,10,11.
Die multispektrale optoakustische Tomographie (MSOT) gehört zur neuesten Generation von OT-Instrumenten. Gebaut mit einem abstimmbaren optischen parametrischen Oszillator (OPO), der von einem Nd:YAG-Laser gepumpt wird, der Anregungspulse liefert, wird ein 3D-Bild von zeitaufgelösten Signalen aufgenommen, die von hochfrequenten Ultraschall-Anregungspulsen bei Wellenlängen von 680 nm bis 980 nm mit einer Wiederholrate von bis zu 50 Hz12 detektiert werden. Die optoakustische Bildgebungsplattform ermöglicht die Quantifizierung verschiedener Chromophore in der Tiefe (bis zu 15 mm). Variablen wie HbO2, Hb und Melanin sind leicht zugänglich. Andere Variablen von Interesse, wie maximales sauerstoffreiches Hämoglobin (Max HbO2) und desoxygeniertes Hämoglobin (Max Hb), sind ebenfalls verfügbar. Rekonstruktionsalgorithmen aus der Software des Herstellers erlauben die Berechnung weiterer Variablen wie Gefäßdichte (μVu), mittlerer Abstand zwischen Einheiten (ζAd) und Kapillarvolumen (mm3).
Die vorliegende Studie untersucht die wesentlichen operativen Aspekte dieses neuen Systems, um seine praktischen Aspekte und potenziellen Anwendungen in der kardiovaskulären präklinischen Forschung besser zu verstehen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Protokoll betont die Arbeitsschritte, die als praktische Anforderungen für den Betrieb dieses neuen optoakustischen Bildgebungsinstruments angesehen werden, von der geeigneten Positionierung (Teilnehmer, Sonde), die für die Stabilisierung der 3D-Bechersonde erforderlich ist, bis hin zur Bildaufnahme, ROI-Auswahl und Bildrekonstruktion und -analyse.
Der vorgeschlagene experimentelle Ansatz, bei dem “sofortige” Aufnahmen zusammen mit Bildern verwendet werden, die unter dynamischen Bedin…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Forschung wird von ALIES und COFAC, den Hauptanbietern der untersuchten Technologie, und von der Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) durch den Zuschuss UIDB/04567/2020 an CBIOS finanziert.
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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