Summary
הפרוטוקול הנוכחי מתאר רכישה של תמונות אופטואקוסטיות מולטיספקטרליות של כלי דם בעור אנושי in vivo . אלה כוללים כימות של המוגלובין ומלנין, הנחשבים כרומופורים בעלי עניין לניתוח פונקציונלי.
Abstract
פגיעה במיקרו-סירקולטורית הוכרה בתהליכי מחלה שונים, העומדים בבסיס נושא הולך וגדל זה במחקר כלי הדם. בשנים האחרונות, פיתוח מערכות הדמיה חיות קבע את הקצב (האנליטי) הן במחקרים בסיסיים והן במחקרים קליניים, במטרה ליצור מכשירים חדשים המסוגלים לספק נקודות קצה בזמן אמת הניתנות לכימות עם עניין קליני ויישום. ספקטרוסקופיה של אינפרה-אדום קרוב (NIRS), טומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים (PET), טומוגרפיה ממוחשבת (CT) והדמיית תהודה מגנטית (MRI) זמינות, בין היתר, אך עלויות, רזולוציית תמונה וניגודיות מופחתת מוכרות כאתגרים נפוצים. טומוגרפיה אופטואקוסטית (OT) מציעה נקודת מבט חדשה על הדמיה תפקודית של כלי הדם, המשלבת קליטה אופטית חדישה ויכולות רזולוציה מרחביות (ממיקרומטר אופטי לרזולוציה אקוסטית מילימטרית) עם עומק רקמות. במחקר זה בדקנו את הישימות של טומוגרפיה אופטואקוסטית מולטיספקטרלית (MSOT) להדמיה תפקודית. המערכת משתמשת במתנד פרמטרי אופטי הניתן לכוונון (OPO) הנשאב על ידי לייזר Nd: YAG, ומספק פולסי עירור החשים על ידי בדיקה תלת-ממדית באורכי גל מ-680 ננומטר עד 980 ננומטר. תמונות שהתקבלו מהאמה האנושית שוחזרו באמצעות אלגוריתם ספציפי (שסופק בתוך התוכנה של היצרן) בהתבסס על התגובה של כרומופורים ספציפיים. ניתן למדוד באמצעות מערכת זו המוגלובין מחומצן מרבי (Max HbO 2) והמוגלובין לא מחומצן (Max Hb), המוגלובין כולל (HbT) וריווי חמצן ממוצע (mSO2) לצפיפות כלי הדם (μVu), מרחקים ממוצעים בין יחידות (ζAd) ונפח דם נימי (מ"מ3). פוטנציאל הישימות שנמצא במערכת OT זו רלוונטי. פיתוחי תוכנה מתמשכים בוודאי ישפרו את התועלת של מערכת הדמיה זו.
Introduction
מחלות לב וכלי דם הן סיבות המוות המובילות החוזרות ונשנות ברחבי העולם ומהוות נטל עצום על כל מערכת בריאות 1,2. הטכנולוגיה תרמה רבות להרחבת ההבנה שלנו בפתופיזיולוגיה בסיסית של הלב וכלי הדם, ומספקת כלי אבחון מדויקים יותר ואת האפשרות לגילוי מוקדם של מחלות ולניהול יעיל יותר. טכניקות הדמיה מציעות את האפשרות למדוד לא רק את ביצועי הלב וכלי הדם העיקריים, אלא גם, בקנה מידה קטן בהרבה, כדי לחשב את צפיפות נימי, זלוף מקומי ונפח, ותפקוד לקוי של האנדותל, בין מאפיינים אחרים. טכנולוגיות אלה הציעו את התובנות הכמותיות הראשונות בביולוגיה של כלי הדם עם יישום קליני ישיר. שינויים בצפיפות נימי, הפחתת פרפוזיה מקומית או חסימה ככל הנראה מתאימים למצב איסכמי, המסייע להסביר את התפקיד ההולך וגדל של הדמיה, והופך לכלי חיוני במחקר הלב וכלי הדםובפרקטיקה 3,4,5.
בשנים האחרונות, הדמיה תפקודית קובעת בעקביות את הקצב בחדשנות טכנולוגית, עם ספקטרוסקופיית אולטרסאונד (US) אינפרה-אדום קרוב (NIRS), טומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים (PET), טומוגרפיה ממוחשבת (CT) והדמיית תהודה מגנטית (MRI) כדוגמאות ידועות. עם זאת, חששות מרובים מגבילים את היישום שלהם, החל מעלות ובטיחות המטופל (כמו גם נוחות) לניגודיות תמונה ורזולוציה 6,7. טומוגרפיה אופטואקוסטית (OT) התגלתה לאחרונה ככיוון חדש במחקר כלי דם מבוסס אופטיקה. טכנולוגיה זו, המתמקדת בזיהוי של גלים קוליים הנוצרים על ידי התפשטות תרמואלסטית של הרקמה המושפעת מפעימות לייזר אולטרה-שורט, ידועה מזה זמן מה 6,8. תגובה פיזית זו של התפתחות חום והרחבת רקמות מעוררת אות אקוסטי שזוהה על ידי מתמר אולטרסאונד. השימוש בפולסים של אור מהנראה לאינפרה-אדום הקרוב והיעדר אות רקע אקוסטי מועילים לעומק הרזולוציה. הניגודיות שזוהתה נובעת מהכרומופורים החשובים ביותר הקיימים (המוגלובין או מלנין). בהשוואה לטכנולוגיות אחרות, ל- OT יש את היתרונות של (1) ללא צורך בניגודיות (הדמיה ללא תוויות), (2) ניגודיות ורזולוציה טובות יותר עם פחות ממצאים מאשר אולטרה-סאונד, ו- (3) מחיר נמוך יותר, ורכישה מהירה יותר וקלות הפעלה 6,9,10,11.
טומוגרפיה אופטואקוסטית מולטיספקטרלית (MSOT) היא בין הדור האחרון של מכשירי OT. התמונה התלת-ממדית, הבנויה עם מתנד פרמטרי אופטי (OPO) הניתן לכוונון על ידי לייזר Nd:YAG המספק פולסים של עירור, נרכשת על ידי אותות שנפתרו בזמן שזוהו מפעימות עירור על-קוליות בתדר גבוה באורכי גל מ-680 ננומטר עד 980 ננומטר עם קצב חזרה של עד 50 הרץ12. פלטפורמת ההדמיה האופטואקוסטית מספקת כימות של כרומופורים שונים לעומק (עד 15 מ"מ). משתנים כגון HbO2, Hb ומלנין נגישים בקלות. משתנים אחרים של עניין, כגון המוגלובין מחומצן מקסימלי (מקסימום HbO2) והמוגלובין לא מחומצן (מקסימום Hb), זמינים גם כן. אלגוריתמי שחזור מתוכנת היצרן מאפשרים חישוב של משתנים אחרים כגון צפיפות כלי דם (μVu), מרחק ממוצע בין יחידות (ζAd) ונפח נימי (מ"מ3).
המחקר הנוכחי בוחן את היבטי ההפעלה החיוניים של מערכת חדשה זו כדי להבין טוב יותר את המעשיות שלה ואת היישומים הפוטנציאליים שלה במחקר פרה-קליני קרדיווסקולרי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
פרוטוקול הניסוי אושר בעבר על ידי ועדת האתיקה של בית הספר למדעי הבריאות של האוניברסיטה (EC. ECTS/P10.21). נהלים כיבדו במלואם את עקרונות הפרקטיקה הקלינית הטובה שהוגדרו למחקר בבני אדם13. מדגם נוח של שישה משתתפים בריאים משני המינים (n = 3 לכל מין) עם גיל ממוצע של 32.8 ± 11.9 שנים נבחר מקהילת האוניברסיטה. המשתתפים שנבחרו נדרשו להיות נורמוטנסיבים, לא מעשנים וללא כל תרופה או תוסף מזון. כמו כן נרשמו לחץ דם, תדירות לב ומדד מסת הגוף. כל המשתתפים עודכנו בעבר על מטרות ומשך המחקר ונתנו הסכמה מדעת בכתב.
הערה: מחקר זה בוצע באמצעות MSOTAcuity (ראה טבלת חומרים), המוזכרת מעתה כפלטפורמת ההדמיה האופטואקוסטית.
1. הכנה לרכישה
הערה: בתיאור הניסיוני הבא, פקודות המסך הן מסוג Boldface.
- טוען מידע על הנושא: הפעל את ציוד ההדמיה האופטואקוסטית. בזמן שהציוד מתחמם, הציגו את פרטי המשתתף. חלון קבלת הפנים הראשי של התוכנה נפתח לסקירה הכללית של הסריקה. הצג נתונים (כולל שם, ערך המחקר, נתונים אישיים וכל התצפיות הרלוונטיות) לאחר לחיצה על מזהה מטופל, וסיים את היישום על ידי לחיצה על בחר.
- בחירה מוגדרת מראש: ודא שההודעה לייזר מוכן מופיעה על מסך הציוד. לאחר זמן ההתחממות, שורת מצב הלייזר במסך הציוד חייבת להשתנות ממצב המתנה ללייזר מוכן. עבור פרוטוקול זה, ההגדרה המוגדרת מראש מיועדת לכרומופורים Hb, HbO2 ומלנין. לאחר בחירת הקביעה המוגדרת מראש הנכונה, עוצמת הלייזר תיבדק.
- בשלב זה, וודאו שיש הודעה על המסך שמזכירה לכל משתתף בחדר ליישם גוגל בטיחות לייזר. לחץ על דוושת הרגל של מתג הלייזר (הפעלה) והמתן לבדיקה עצמית של עוצמת הלייזר. לאחר מספר שניות, מופיע חלון עם מצב הלייזר הנוכחי עם דוח בדיקה. שחרר חלון זה על-ידי לחיצה על לחצן אישור זמין.
הערה: פלטפורמת ההדמיה האופטואקוסטית משתמשת בלייזר Nd:YAG, הנחשב לייזר דרגה 4 מסוכן במיוחד לעין האנושית. לכן, לייזר זה חייב להיות מטופל עם טיפול הולם.
התראה: אין לבצע רכישה מבלי לוודא שכל נהלי הבטיחות, כולל הגנה מתאימה על העיניים, מתקיימים.
2. מיצוב ורכישת תמונה
- להתאקלם לסביבת המעבדה (21 °C ± 1 °C; 40%-60% לחות יחסית), בחירת מיקום נוח כדי למזער תנועה מיותרת. ודא שהאזור שיש לסרוק נוקה בעבר.
הערה: המלצת היצרן לנקות את האזור המיועד להדמיה עם תמיסת אתנול/מים של 70%. בנוסף, לרכישת התמונה הטובה ביותר, מוצע להסיר שיער (במידת הצורך). - מחזיק בדיקה וייצוב תמונה
- החל שכבה דקה של ג'ל אולטרסאונד על 3D. ייצוב תמונה דורש החזקת הכוס התלת-ממדית בתנוחת ההדמיה הרצויה. מקם וייצב זרוע הניתנת לנעילה עבור אזור העניין. הזרוע ששימשה במחקר זה תוכננה בתוך החברה ונבנתה עם רכיבי פרופיל אלומיניום (איור 1).
- לאחר הנחת התלת מימד על אזור העניין, נעל חלקית את מנעול הזרוע המייצב לרכישת תמונה.
הערה: האיכות ואפילו היישום של ג'ל האולטרסאונד הוא קריטי; נוכחות של בועות אוויר עלולה לפגוע בהגדרת התמונה.
- רכישת תמונה למצבים דינמיים, באמצעות תמרון היפרמיה תגובתית לאחר החסימה (PORH), בכרטיסיית התפריט בדיקה .
- רכוש את סריקת הבקרה הבסיסית. לאחר מציאת שדה ראייה להדמיה, כאשר השרוול המנופח של לחץ הדם במקומו, יש לנעול היטב את זרוע מיקום הכוס התלת-ממדית.
- הפעל לחץ מינימלי על אתר ההדמיה, מכיוון שלחצים גבוהים יותר עלולים לפגוע בקריאות. דחפו את ההגדרה המוגדרת מראש כברירת מחדל של היצרן Hb, HbO 2 ומלנין, המודדת בו-זמנית כרומופורים עבור Hb, HbO2 ומלנין.
אזהרה: חובה להגן על העיניים עם משקפי מגן מתאימים במהלך הפעולה.
הערה: צילומי עור IV עד VI (עור כהה) מועדים לקריאה שגויה, ודורשים תמונת בקרה בסיסית לעיבוד נוסף. השימוש במשקפי מגן במהלך רכישת התמונה (כאשר הלייזר פעיל) מאפשר רק לעין האנושית לזהות צבעים צהובים וכחולים. ניתן לערוך צבעים במהלך עיבוד תמונה. - בחרו באזור האנטומי לרכישת תמונת בסיס. למטרות גישוש, מומלץ להשתמש באמה הגחונית. המשך על-ידי לחיצה על דוושת הלייזר.
הערה: לחצן מסך המגע שכותרתו תצוגה (בצבע צהוב), המציג את התמונה החיה על המסך בעת לחיצה עליו. מצב יציבות התמונה מוצג כפס אפור במרכז מסך המגע, המציין את יציבות הבדיקה התלת-ממדית.- כאשר יציבות התמונה מוגדלת, צלם (או צלם) תמונה של האזור על-ידי לחיצה על הלחצן Snapshot במסך המגע. כל סריקה תרכוש 10-12 פריימים בעומק אקוסטי של 150 מ"מ לכל אורך גל המוגדר מראש על פני זמן רכישה של 2 שניות. סריקת רכישה בסיסית זו תכלול בסך הכל 30-36 מסגרות.
הערה: 10 מסגרות עבור כל כרומופור שזוהה (Hb, HbO2 ומלנין) נאספות בעומק מרבי של 15 מ"מ. - המשך ללחוץ על דוושת הלייזר לרכישת וידאו רציפה ושים לב ללחצן תצוגה (בצבע צהוב) במסך המגע. התמונה המיוצבת תופיע. לחץ על הקלט (בצבע כחול) כדי להתחיל בהקלטת תמונה חיה.
- עצור את ההקלטה על ידי לחיצה על תפסיק כפתור (בצבע שחור). פלטפורמת ההדמיה האופטואקוסטית תפסיק את ההקלטה ותעבד באופן אוטומטי את הווידאו למצב תצוגה מקדימה.
- כאשר יציבות התמונה מוגדלת, צלם (או צלם) תמונה של האזור על-ידי לחיצה על הלחצן Snapshot במסך המגע. כל סריקה תרכוש 10-12 פריימים בעומק אקוסטי של 150 מ"מ לכל אורך גל המוגדר מראש על פני זמן רכישה של 2 שניות. סריקת רכישה בסיסית זו תכלול בסך הכל 30-36 מסגרות.
- מדידות דינמיות (איור PORH): התאם את שרוול הלחץ לזרועו של המטופל מעל המרפק כדי להמחיש תמרון זה. לנפח את השרוול עם לחץ סיסטולי supra (~ 200 מ"מ כספית) ולהמשיך על פי שלבים 2.3.1 עד 2.3.3.1 כדי לרכוש את כלי הדם בתמונה תחת לחץ.
- כדי לרכוש סרטון להערכת ההשפעה של שחרור הלחץ על כלי הדם המצולמים, פתח את שסתום הלחץ תוך כדי רכישת הסרטון כמו ב- 2.3.3.2. כמו קודם, עקוב אחר התמונה החיה על המסך.
הערה: כדי לבצע תמרון זה, לחץ סיסטולי supra צריך להישמר במשך 1-5 דקות; חשוב להיות מודעים לכך שלחץ זה עלול לגרום לדרגות שונות של סובלנות ואי נוחות אצל המטופל. היבט זה צריך להיות מנוהל בקפידה במהלך הניסויים.
3. פרוטוקול ניתוח תמונה
- העתק את הסריקות המוקלטות לתיקייה נבחרת/ייעודית לגיבוי וניתוח נוסף בתחנת עבודה נפרדת במחשב באמצעות תוכנת הניתוח הייעודית של היצרן. כל סריקה מאוחסנת לפי זמן רכישה ומוזמנת על ידי התוכנית בתיקיית לימוד עם קוד פועל.
הערה: מומלץ מאוד להשתמש בעותק גיבוי. עבודה ישירה עם הנתונים הגולמיים המוקלטים אפשרית אך מיואשת מאוד, מכיוון שכל קריסה פוטנציאלית של כונן קשיח עלולה לפגוע בנתונים הגולמיים. - פתח את תוכנית הניתוח במחשב תחנת העבודה. בחר תפריט תוכנית > פתח את 'מחקר' כדי לייבא קבצים ולגשת לסריקות גיבוי. פתח את המחקר וגלול לתחתית התיקיה (עם סריקות מוקלטות) כדי למצוא קבצים עם . סיומת NOD. זהו סוג הקובץ היחיד המוכר על ידי התוכנה לפתיחת מחקר.
הערה:. קבצי NOD נקראים באופן אוטומטי עם מספר רץ שניתן לכל מחקר ואינם נושאים פרטי מטופל בשם הקובץ. - לשחזור תמונה, פתח את מודול ניתוח התמונה על ידי גישה לתוכנה Menu > עיבוד מתקדם.
- ודא שכרטיסיות זרימת העבודה של התוכנית גלויות (בצבע שחור) בשורת התפריטים העליונה (איור משלים 1): תפריט; סקירת סריקה; שחזור; תיקון פלואנס; אי-ערבוב ספקטרלי; ויזואליזציה וניתוח. במהלך הניתוח, כל כרטיסיית זרימת עבודה שהופעלה נצבעת בכחול.
הערה: אם ' עיבוד מתקדם ' אינו נפתח, התוכנה מציגה רק סקירה כללית של הסריקה ותצוגה חזותית וניתוח.
- ודא שכרטיסיות זרימת העבודה של התוכנית גלויות (בצבע שחור) בשורת התפריטים העליונה (איור משלים 1): תפריט; סקירת סריקה; שחזור; תיקון פלואנס; אי-ערבוב ספקטרלי; ויזואליזציה וניתוח. במהלך הניתוח, כל כרטיסיית זרימת עבודה שהופעלה נצבעת בכחול.
- בנה מחדש את התמונה באמצעות הכרטיסייה שחזור של התוכנה. בחר את הסריקות כדי לבנות מחדש מהצד השמאלי של תפריט התוכנית הראשי. סריקות שנטענו מופיעות בצד ימין של המסך. השאר את ברירת המחדל של ששת אורכי הגל של פליטה אופטואקוסטית (700, 730, 760, 800, 850 ו- 900 ננומטר), מכיוון שהם כוללים את האות האופטואקוסטי המרבי עבור HbO2 ב- 900 ננומטר, עבור Hb ב- 760 ננומטר ומלנין ב- 700 ננומטר.
- בצע את שחזור הסריקה באמצעות הסמל בצד ימין. עקוב אחר זרימת העבודה של התוכנית על-ידי בחירה בהגדרה המוגדרת מראש של סריקה ובשדה הראייה (רזולוציה). המידע מוצג בפינה השמאלית העליונה של המסך הראשי. התאימו את מהירות הקול כדי לכוונן את מיקוד הסריקה (איור משלים 2). לוח השחזור מציג גם את מספר המסגרות של כל סריקה שנרכשה ומאפשר לנתח את בחירת החזרות (במידת הצורך).
הערה: כל סריקה נטענת במהירות ברירת מחדל של צליל של -90, אשר צריכה להיות מותאמת על ידי המשתמש. ניתן גם לכוונן את מהירות הקול באופן אוטומטי באמצעות פונקציית מיקוד אוטומטי (AF).
- בצע את שחזור הסריקה באמצעות הסמל בצד ימין. עקוב אחר זרימת העבודה של התוכנית על-ידי בחירה בהגדרה המוגדרת מראש של סריקה ובשדה הראייה (רזולוציה). המידע מוצג בפינה השמאלית העליונה של המסך הראשי. התאימו את מהירות הקול כדי לכוונן את מיקוד הסריקה (איור משלים 2). לוח השחזור מציג גם את מספר המסגרות של כל סריקה שנרכשה ומאפשר לנתח את בחירת החזרות (במידת הצורך).
- לחצו על הלחצן ' בנה מחדש סריקות' בחלק העליון של המסך כדי להתקדם לשחזור הסריקה. לוח מחוונים זמני יופיע עם ההודעה עיבוד עבודות. ניתן לגשת לחלונית זו גם מהתפריט > מצב עיבוד. לאחר סיום השחזור, ניתוח התמונה לאחר עיבוד חייב להתקדם לתיקון פלואנס.
- הפעל תיקון פלואנס של תמונות משוחזרות בתפריט לוח המחוונים. יש לטעון תמונות משוחזרות לצורך תיקון פלואנס. אלה מופיעים עם דגל לצד כל מספר סריקה. קבצים שנטענו יוצגו מיד בצד ימין של המסך כשחזורים נבחרים. הפעל את תיקון השטף על-ידי אינטראקציה עם הסמל בצד ימין של המסך (איור משלים 3). דחף את תיקוני השטף השמורים כדי להתקדם.
- לאחר שמירת תיקון הפלואנס, בצע את הפירוק הספקטרלי של הקביעה המוגדרת מראש שנרכשה (Hb, HbO2 ומלנין). בחר בכרטיסיה ביטול ערבוב ספקטרלי כדי לפתוח את רשימת השחזורים שנבחרו לביטול ערבוב ספקטרלי. רשימה עם כל סריקה של המחקר שנבחר תוצג עם ההיסטוריה של שלבי עיבוד התמונה הקודמים.
- טען את קבצי תיקון השטף שנשמרו בעבר. סריקות שנטענו יוצגו מיד בצד ימין של המסך כשחזורים נבחרים (איור משלים 4). הפעל ביטול ערבוב ספקטרלי על-ידי דחיפת הסמל בצד ימין של המסך.
- שימו לב לאורכי הגל שיש לבטל. כל ששת אורכי הגל של פליטה אופטואקוסטית (700, 730, 760, 800, 850 ו-900 ננומטר) שנלקחו לשלב השחזור (שלב 3.4) נבחרים באופן אוטומטי לפירוק ספקטרלי. ערוך את הספקטרום הרצוי לעיבוד (לדוגמה, ספקטרה: Hb, HbO2 ומלנין) באמצעות סמל XYZ , במידת הצורך.
- לאחר אישור הפרמטרים המותאמים, לחץ על התחל ביטול ערבוב ספקטרלי כדי שהביטול הספקטרלי יתקדם. מופיעה שורת תפריטים לעיבוד, המציגה את התקדמות הפעולה.
הערה: התאמות פרמטרים שונות אפשריות במהלך ביטול ערבוב ספקטרלי, ומספר שיטות ביטול ערבוב זמינות. בפרוטוקול זה, שיטת הרגרסיה הליניארית משמשת כתקן לביטול ערבוב Hb, HbO2 ומלנין.
- גש לכרטיסיה תצוגה חזותית וניתוח . לחץ על סריקה מופעלת כדי להציג את כל המידע וההערות של הנושא שהוצגו בשלב 1.1 (איור משלים 5).
הערה: ניתן להמחיש סריקות מרובות במקביל.- לחץ על הלחצן + כדי ליצור ניתוח סריקה מרובה. בחלון זה, הצג תצוגת סריקה מרובה ולחץ על הלחצן שמור . לאחר שמירת שם התצוגה, מוצג לוח מחוונים חדש, כולל כל הסריקות של המחקר המנותחות.
- בחר כל סריקה רצויה להוספה (כל אחת) לתצוגת הניתוח שנשמרה. הוסף סריקות נוספות בסמל הפינה הימנית העליונה, והן יוצגו באופן אוטומטי בתצוגת הניתוח.
- בתוך תצוגת הניתוח, הגדר טבלאות בדיקת צבע מתאימות כדי להכין את התמונה לניתוח. לחץ על אפשרויות בקרת תמונה נוספות בשורת התפריטים העליונה והפעל את סמל הקרנת עוצמה מרבית . ייחסו צבעים לשכבות על-ידי לחיצה על הסמל הזמין בפינה השמאלית התחתונה של תצוגת התמונה, הסמוכה לתצוגת התמונה הדו-ממדית+.
- בחרו 'עוד' כדי לערוך את הצבעים של כל הערוצים בו-זמנית. תפריט זה מציג את כל הכרומופורים שאינם מעורבבים ומאפשר בחירה של שכבות מרובות לתצוגה.
הערה: הזזת העכבר מעל סמלי התוכנה מציגה את שמם באפור כפי שמוצג בפרוטוקול. - התאם את עוצמת הצבע של כל שכבה בעזרת הכלים הזמינים בפינה השמאלית התחתונה של המסך.
הערה: התאמה עם אינטרפולציה מינימלית/מקסימלית עבור כל ערוץ מניבה בדרך כלל תוצאות טובות.
4. ניתוח אזור עניין (ROI)
הערה: הבחירה של אזור עניין (ROI) היא חובה לניתוח נתונים.
- זהה את ההחזר על ההשקעה שיש לנתח. הקף את החזר ההשקעה עם הצורות הזמינות (בשורת התפריטים) בתמונת XY תוך התחקות אחר אותו ROI בתוך התצוגות האורתוגונליות הזמינות בציר XZ ו- YZ (איור משלים 6).
הערה: צורת מצולע שימשה לניתוח החזר ההשקעה הנוכחי.- עקבו אחר צורת החזר ההשקעה בציר XZ ו-YZ הנותרים (דוגמה באיור 2) תוך הצבת שכבות מצולעים מרובות עם הפונקציה ' הוסף אינטרפולאט' ו'הסר אזורי משנה' . ניתן להתוות את הנתונים לאחר הגדרה/בחירה של ההחזר על ההשקעה הרצוי.
- לחץ על הסמל ייבוא אזור עניין לכימות וצפה ברכיב המולטי ספקטרה המוצג בצד ימין של המסך כפרט גרפי של החזר ההשקעה שנבחר.
- ייצא נתוני ROI על-ידי לחיצה על סמל Excel בתחתית התצוגה הגרפית של נתוני החזר ההשקעה. חבילת הנתונים כולה מכל האזורים מיוצאת כחבילה לגיליון אלקטרוני לצורך ניתוח עוקב. איור 3 מראה נתונים של משתתף אחד שנכנע לאזיק לחץ מנופח ל-200 מ"מ כספית וכלי דם נותחו בהשוואה למצב מנוחה של כלי דם ב-0 מ"מ כספית.
- כמת אובייקטי ROI מרובים בו-זמנית על-ידי ביצוע השלבים 4.1-4.1.3.
- ייצוא תמונות מאותו תפריט שבו נמצאים קובצי TIFF עם כל הנתונים המוטבעים וקווי מתאר מובנים של ROI (איור 2).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ניתן לנתח נתונים המסופקים על-ידי הדמיה אופטואקוסטית בתמונות ייצוא לאחר עיבוד (איור 2) ובנתונים מתווים (איור 3). המטרה כאן הייתה להציג את הפעולה של הדמיה תפקודית אופטואקוסטית ולחקור את יישומה במחקר כלי דם ידוע יותר. לשם כך, השווינו תמונות שנרכשו במהלך מנוחה ולאחר חסימה של 200 מ"מ כספית של עורק אספקה מרכזי (איור 2). תצפיות אלה ניתנות לכימות לאחר ניתוח ROI וייצוא. במישור XY ניתן לראות את האות הגבוה יותר של מלנין בהשוואה למטוסים YZ ו- XZ, המציין את גבול האפידרמיס. חסימת העורק הברכיאלי (זרוע) מעוררת קיפאון מסוים בכלי הדם לפני מיקום הבדיקה OT (אמה גחונית). כתוצאה מכך, זיהינו עלייה באותות הכוללים המוצגת כעלייה של כחול (Hb) ואדום (HbO2) בצירים XY, YZ ו-XZ. ניתן לעקוב אחר סטזיס במישור XY תוך החזקת לחץ של 200 מ"מ כספית בתוך השרוול. צירי YZ ו-XZ מתארים נפח דם מוגבר עקב החסימה לעיל בהשוואה לתנאי הזלוף הרגילים (ללא חסימה), המודגשים על ידי האזורים עם מסיכות המג'נטה.
ניתוח ROI מיוצא של אותו אזור מיקרו-וסקולטורה מכמת כרומופורים HbO 2 (אדום), Hb (כחול) ו- HbT (ורוד), mSO2 (אדום עמוק) ומלנין (צהוב) מתמונות מיוצבות שנאספו מעל 8.6 שניות. שחרור הלחץ מזוהה מיד; איור 3 מראה את האבולוציה שלאחר החסימה של התאוששות Hb, HbO2 ו-HbT, בעוד שפלט הנתונים האופטואקוסטיים עוקב אחר התצפיות באיור 1. התוכנה מחשבת את ריווי החמצן בדם (mSO 2) וערכי HbT מתוספת של אותות שרירותיים Hb ו- HbO2. ריכוז המלנין נשאר קבוע בתוך החסימה של 200 מ"מ כספית ובמצב מנוחה בתוך מרווח הזמן של רכישת התמונה.
איור 1: דיאגרמה סכמטית המייצגת את הזרוע הגמישה שנועדה להחזיק את גשושית המדידה במגע מיוצב עם עורו של המשתתף. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 2: תמונות אופטואקוסטיות מייצגות המדגישות את השינויים של כלי הדם במנוחה או בלחץ של 200 מ"מ כספית. התמונה המוצגת כוללת שלושה צבעים, המייצגים Hb (כחול), HbO2 (אדום) ומלנין (צהוב), כמתואר בניתוח התמונה בסעיף 4. כל תמונה אופטואקוסטית מייצגת הקרנה בעוצמה מרבית של כל המישורים המשויכים לכל כרומופור סרוק. (A) מישור XY של הרכישה האופטואקוסטית. (B) התצוגה האורתוגונלית YZ של אותו אתר תמונה אופטואקוסטית. (C) תצוגת XZ של האזור הסרוק. חיצי המג'נטה מצביעים על האזורים עם קיפאון מוגבר; האזור עם מסיכת המג'נטה מסמן את הנפח המוגבר של הדם הכלוא בתוך כלי הדם עקב חסימת העורק הברכיאלי בהשוואה לתנאי הזלוף הרגילים (ללא חסימה). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 3: ייצוא נתונים מייצג של החזר השקעה מכומת. כרומופורים טבעיים של HbO 2 (אדום), Hb (כחול) ו- HbT (ורוד), mSO2 (אדום עמוק) ומלנין (צהוב) מתוארים מהנתונים שחולצו מהתמונות המיוצבות שנאספו במשך 8.6 שניות. הגרפים מ-Hb, HbO2 ו-HbT מראים שיפוע התאוששות מהסתימות לכיוון מצב המנוחה שאינו חסום. חמצון הדם המחושב mSO2 וריכוז המלנין נשארים קבועים בתוך החסימה של 200 מ"מ כספית ובמצב מנוחה בתוך מרווח הזמן של רכישת התמונה. תמונות שחולצו הן נקודות נתונים המתוארות כממוצע ± sd של n = 10 תמונות לכל מסגרת. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור משלים 1: לוח סקירת סריקה ותפריט ראשי של תוכנת הניתוח. לחיצה על כפתור התפריט (בשחור), התפריט הראשי ישחרר אפשרויות לבחירת המחקר שנבחר. פעולה זו תבחר ותטען את הקובץ ".nod" המזוהה על-ידי התוכנה. סקירת הסריקה (בכחול) מציגה את כל הסריקות של המחקר. פרטים (שחורים) מופיעים מימין. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
איור משלים 2: זרימת עבודה של ניתוח שחזור. לוח 1 - בחר את הסריקה לשחזור ולחץ על החץ הפונה ימינה בצד ימין של התצוגה (חץ סגול) כדי להתקדם. לוח 2 - שימו לב למהירות הקול והתאימו את המחוון למיקוד הטוב ביותר (חץ כחול); א) מיקוד מותאם המוצג בחלון בצד ימין; ב) בחר חזרות לניתוח (חץ צהוב); ג) לחץ על הלחצן בנה מחדש סריקות כדי להמשיך (חץ ירוק). אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
איור משלים 3: זרימת עבודה של לוח תיקון פלואנס. לוח 1 - בחר סריקות לתיקון ולחץ על החץ הפונה ימינה בצד ימין של המסך. לוח 2 - לחץ על שמור תיקוני פלואנס כדי להמשיך (חץ ירוק). אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
איור משלים 4: זרימת עבודה של לוח ביטול ערבוב של ספקטרה. לוח 1 - בחר סריקות כדי לבטל את הערבוב ולחץ על החץ הפונה ימינה (חץ סגול). לוח 2 א) בחר את הסריקה כדי לבטל את הערבוב (חץ כחול) ותצוגה מקדימה של התמונה המותאמת תוצג בצד ימין; ב) בחר את החזרות כדי לבטל את הערבוב (חץ צהוב); ג) לחץ על התחל ביטול ערבוב ספקטרלי כדי להמשיך (חץ ירוק). אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
איור משלים 5: לוח הדמיה ובחירת צבעי כרומופור. לוח 1) בחר סריקות להצגה בלחיצה כפולה (חץ סגול); לוח 2) תמונה נרכשת בציר XY (ריבוע כחול), XZ (ריבוע צהוב) ו- YZ (ריבוע ירוק); 2א) כפתור ניתוח תמונה המציג אורכי גל נרכשים; 2ב) בחר אפשרויות בקרת תמונה נוספות בשורת התפריטים העליונה והפעל את סמל הקרנת עוצמה מקסימלית ; בחר עוד כדי לערוך את צבעי הערוצים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
תרשים משלים 6: בחירת אזור העניין (ROI). בחרו בכלי לאסו (חץ צהוב) והגדירו את גבולות ההחזר על ההשקעה בתוך ציר XY (חץ מגנטה). ניתן להגדיר אזורי צורה שונים (מצולע, מלבן, ריבוע, עיגול או אליפסה). עקוב אחר ההחזר על ההשקעה בציר XZ ו- YZ והוסף אזורי משנה (חץ ירוק) לבחירה הראשונית. אזורי משנה מרובים מוצגים (חץ ציאן). כדי לחלץ נתונים מההחזר על ההשקעה שנבחר, לחץ על הסמל ייבוא אזור עניין לכימות והמשך. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
פרוטוקול זה מדגיש את צעדי העבודה הנחשבים לדרישות מעשיות להפעלת מכשיר ההדמיה האופטואקוסטי החדש הזה, החל מהמיקום המתאים (משתתף, בדיקה) הדרוש לייצוב גשושית תלת-ממדית ועד לרכישת תמונה, בחירת ROI ושחזור וניתוח תמונה.
הגישה הניסויית המוצעת, תוך שימוש ברכישות "מיידיות" יחד עם תמונות המתקבלות בתנאים דינמיים, ממחישה את העניין והתועלת של מכשיר זה בגישה לפיזיולוגיה של כלי הדם האנושיים in vivo . כפי שמוצג, רזולוציית התמונה האקוסטית של 150 מיקרומטר שנאספה בנפח של עד 15 מ"מ3 אינה דומה לטכניקות טומוגרפיה אחרות.
תשומת לב מיוחדת נדרשת לגבי (1) החשיבות של ייצוב הבדיקה לרכישת תמונה; השימוש במחזיק בדיקה גמיש ומאובטח משפר בבירור את רכישת התמונה; (2) זיהוי נכון של מבני כלי הדם; אזכורים סונוגרפיים כגון מלנין במעבר האפידרמלי-עורי עשויים לשמש כסמן לזיהוי כלי המקלעת העליונה בעור; וכן (iii) ניתוח התמונה הפונקציונלי המבוצע באמצעות תוכנת השחזור של היצרן.
ניתוח מתקדם של נתוני ROI וייצוא תמונות דורש הבנה מעמיקה יותר של התוכנה הייעודית והאלגוריתמים שפותחו. מכשיר ההדמיה האופטואקוסטי הנוכחי מסוגל לשחזר נפח תלת מימדי של 15 מ"מ3 של רקמה ברזולוציה של 150 מיקרומטר. קיבולת זו צריכה להיות חזקה כדי לכמת טוב יותר את תפקודי כלי הדם לעומק. עם זאת, הפעולה הבסיסית מאפשרת תצפית ישירה של כרומופורים ייחוס ורכישת הגדרות קבועות מראש מרובות מאותו אזור, ומספקת סריקה מהירה והקלטות וידאו חיות.
פוטנציאל הישימות שנמצא במערכת ההדמיה האופטואקוסטית רלוונטי. פיתוחי תוכנה מתמשכים בוודאי ישפרו את התועלת של מערכת הדמיה זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים אינם מדווחים על ניגוד עניינים.
Acknowledgments
מחקר זה ממומן על ידי ALIES ו- COFAC הספקים העיקריים של הטכנולוגיה הנחקרת, ועל ידי Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) באמצעות המענק UIDB/04567/2020 ל- CBIOS.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- 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.
- 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.
- 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).
