Summary
본 프로토콜은 생체내 인간 피부 혈관구조의 다중 스펙트럼 광음향 이미지의 획득을 설명한다. 여기에는 기능 분석을 위한 관심 발색단으로 간주되는 헤모글로빈과 멜라닌의 정량화가 포함됩니다.
Abstract
미세 순환 장애는 다양한 질병 과정에서 인식되어 왔으며, 혈관 연구에서 이러한 성장하는 주제의 기초가됩니다. 최근 몇 년 동안 라이브 이미징 시스템의 개발은 임상적 관심과 응용을 통해 정량화 가능한 실시간 엔드포인트를 제공할 수 있는 새로운 기기를 만드는 것을 목표로 기초 및 임상 연구 모두에서 (분석적) 속도를 설정했습니다. 근적외선 분광법(NIRS), 양전자 방출 단층 촬영(PET), 컴퓨터 단층 촬영(CT) 및 자기 공명 영상(MRI) 등을 사용할 수 있지만 비용, 이미지 해상도 및 대비 감소가 일반적인 문제로 인식되고 있습니다. 광음향 단층촬영(OT)은 최첨단 광학 흡수 및 공간 분해능 용량(마이크로미터 광학에서 밀리미터 음향 분해능까지)을 조직 깊이와 결합하여 혈관 기능 영상에 대한 새로운 관점을 제공합니다. 이 연구에서는 기능 이미징을 위한 다중 스펙트럼 광음향 단층 촬영(MSOT)의 적용 가능성을 테스트했습니다. 이 시스템은 Nd: YAG 레이저로 펌핑되는 조정 가능한 광학 파라메트릭 발진기(OPO)를 사용하여 680nm에서 980nm의 파장에서 3D 프로브로 감지되는 여기 펄스를 제공합니다. 인간의 팔뚝에서 얻은 이미지는 특정 발색단의 반응을 기반으로 특정 알고리즘(제조업체의 소프트웨어 내에서 제공됨)을 통해 재구성되었습니다. 최대 산소화 헤모글로빈 (Max HbO2) 및 탈산소화 헤모글로빈 (Max Hb), 총 헤모글로빈 (HbT), 및 평균 산소 포화도 (mSO2) 대 혈관 밀도 (μVu), 단위간 평균 거리 (ζAd), 및 모세관 혈액량 (mm3)을 이 시스템을 사용하여 측정할 수 있다. 이 OT 시스템에서 발견되는 적용 가능성은 관련이 있습니다. 지속적인 소프트웨어 개발은 확실히 이 이미징 시스템의 유용성을 향상시킬 것입니다.
Introduction
심혈관 질환은 전 세계적으로 재발하는 주요 사망 원인이며 모든 의료 시스템에 큰 부담이됩니다 1,2. 기술은 근본적인 심장 및 혈관 병태생리학에 대한 이해를 넓히는 데 크게 기여하여 보다 정확한 진단 도구와 조기 질병 발견 및 보다 효과적인 관리의 가능성을 제공합니다. 영상 기술은 심장 및 주요 혈관 성능을 측정할 수 있을 뿐만 아니라 훨씬 더 작은 규모로 모세관 밀도, 국소 관류 및 부피, 내피 기능 장애 등을 계산할 수 있는 가능성을 제공합니다. 이러한 기술은 직접적인 임상 적용을 통해 혈관 생물학에 대한 최초의 정량적 통찰력을 제공했습니다. 모세관 밀도, 국소 관류 감소 또는 폐색의 변화는 허혈성 상태에 해당할 가능성이 높으며, 이는 영상의 증가하는 역할을 설명하는 데 도움이 되며 심혈관 연구 및 실습 3,4,5에서 없어서는 안 될 도구가 됩니다.
최근 몇 년 동안 기능적 영상은 초음파(미국) 근적외선 분광법(NIRS), 양전자 방출 단층 촬영(PET), 컴퓨터 단층 촬영(CT) 및 자기 공명 영상(MRI)을 잘 알려진 예로 사용하여 기술 혁신의 속도를 지속적으로 설정해 왔습니다. 그러나 여러 가지 우려 사항으로 인해 비용 및 환자 안전 (편안함뿐만 아니라)에서 이미지 대비및 해상도 6,7에 이르기까지 적용이 제한됩니다. 광음향 단층 촬영(OT)은 최근 광학 기반 혈관 연구의 새로운 방향으로 부상했습니다. 초단 레이저 펄스에 충격을 받는 조직의 열탄성 팽창에 의해 생성된 초음파의 검출을 중심으로 하는 이 기술은 한동안 알려져 왔습니다 6,8. 열 발생 및 조직 확장의 이러한 물리적 반응은 초음파 변환기에 의해 감지된 음향 신호를 유발합니다. 가시 광선에서 근적외선까지 빛의 펄스를 사용하고 음향 배경 신호가 없으면 해상도 깊이에 도움이됩니다. 검출 된 조영제는 존재하는 가장 중요한 발색단 (헤모글로빈 또는 멜라닌)의 결과입니다. 다른 기술과 비교하여 OT는 (1) 대비가 필요하지 않음(라벨 없는 이미징), (2) 초음파보다 적은 아티팩트로 더 나은 대비 및 해상도, (3) 저렴한 가격, 더 빠른 획득 및 작동 용이성 6,9,10,11.
멀티 스펙트럼 광음향 단층 촬영(MSOT)은 가장 최근 세대의 OT 장비 중 하나입니다. 여기 펄스를 제공하는 Nd:YAG 레이저로 펌핑되는 조정 가능한 광학 파라메트릭 발진기(OPO)로 제작된 3D 이미지는 최대 50Hz의 반복률로 680nm에서 980nm까지의 파장에서 고주파 초음파 여기 펄스에서 감지된 시간 분해 신호에 의해 획득됩니다12. 광음향 이미징 플랫폼은 다양한 발색단의 심층적인 정량화를 제공합니다(최저 15mm). HbO2, Hb 및 멜라닌과 같은 변수에 쉽게 접근 할 수 있습니다. 최대 산소화 헤모글로빈 (Max HbO2) 및 탈산 소화 헤모글로빈 (Max Hb)과 같은 다른 관심 변수가 또한 이용 가능하다. 제조업체 소프트웨어의 재구성 알고리즘을 통해 혈관 밀도(μVu), 단위 간 평균 거리(ζAd) 및 모세관 부피(mm3)와 같은 다른 변수를 계산할 수 있습니다.
본 연구는 심혈관 전임상 연구에서 실용성과 잠재적 응용을 더 잘 이해하기 위해이 새로운 시스템의 필수적인 작동 측면을 탐구합니다.
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Protocol
실험 프로토콜은 이전에 대학 보건 과학 대학의 윤리위원회 (EC. ECTS / P10.21). 절차는 인간 연구를 위해 정의 된 우수한 임상 관행의 원칙을 완전히 존중했습니다13. 평균 연령이 32.8 세에서 11.9 세 인 남녀 (성별 당 n = 3)의 건강한 참가자 6 명± 대한 편리한 샘플이 대학 커뮤니티에서 선택되었습니다. 선정 된 참가자는 정상 혈압, 비 흡연자, 약물이나 식품 보충제가 없어야했습니다. 혈압, 심장 주파수 및 체질량 지수도 등록되었습니다. 모든 참가자는 이전에 연구의 목적과 기간에 대해 통보 받았으며 정보에 입각 한 서면 동의를 제공했습니다.
참고: 이 연구는 MSOTAcuity( 재료 표 참조)를 사용하여 수행되었으며, 이후 광음향 이미징 플랫폼으로 참조됩니다.
1. 취득 준비
참고: 다음 실험적 설명에서 화면 명령은 굵은 글꼴 형식입니다.
- 피사체 정보 로드: 광음향 이미징 장비를 켭니다. 장비가 예열되는 동안 참가자 정보를 소개하십시오. 소프트웨어의 기본 시작 창이 열리고 스캔 개요가 표시됩니다. 환자 ID를 클릭한 후 데이터(이름, 연구 명칭, 개인 데이터 및 관련 관찰 포함)를 소개하고 선택을 눌러 신청을 완료합니다.
- 사전 설정 선택: 레이저 준비 완료 메시지가 장비 화면에 나타나는지 확인합니다. 예열 시간이 지나면 장비 화면의 레이저 상태 표시줄이 레이저 대기 에서 레이저 준비 완료로 변경되어야 합니다. 이 프로토콜의 경우 사전 설정은 발색단 Hb, HbO2 및 멜라닌에 대해 설계되었습니다. 올바른 사전 설정을 선택한 후 레이저 출력이 테스트됩니다.
- 이 시점에서 화면의 모든 참가자에게 레이저 안전 Google을 적용하도록 상기시키는 메시지가 있는지 확인하십시오. 레이저(파워) 스위치 풋 페달을 누르고 레이저 파워 자가 점검을 기다립니다. 몇 초 후 점검 보고서와 함께 현재 레이저 상태가 표시된 창이 나타납니다. 사용 가능한 OK 버튼을 눌러 이 창에서 손을 뗍니다.
참고: 광음향 이미징 플랫폼은 사람의 눈에 특히 위험한 클래스 4 레이저로 간주되는 Nd:YAG 레이저를 사용합니다. 따라서이 레이저는 적절한주의를 기울여 취급해야합니다.
주의 : 적절한 눈 보호 장치를 포함한 모든 안전 절차가 마련되어 있는지 확인하지 않고는 획득해서는 안됩니다.
2. 포지셔닝 및 이미지 획득
- 참가자를 실험실 환경 (21 ° C ± 1 ° C, 40 % -60 % 상대 습도)에 적응시키고 불필요한 움직임을 최소화하기 위해 편안한 자세를 선택하십시오. 스캔할 영역이 이전에 청소되었는지 확인합니다.
알림: 70% 에탄올/물 용액으로 이미징할 영역을 청소하라는 제조업체의 권장 사항이 권장됩니다. 또한 최상의 이미지 획득을 위해 머리카락 제거(해당되는 경우)가 권장됩니다. - 프로브 홀더 및 이미지 안정화
- 3D 컵에 초음파 젤을 얇게 바르십시오. 손떨림 보정을 위해서는 3D 컵을 원하는 이미징 위치에 올려야 합니다. 관심 영역에 대해 잠글 수 있는 암을 배치하고 안정화합니다. 이 연구에 사용된 암은 사내에서 설계되었으며 알루미늄 프로파일 구성 요소로 제작되었습니다(그림 1).
- 관심 영역에 3D 컵을 놓은 후 이미지 획득을 위해 안정화 암 잠금 장치를 부분적으로 잠급니다.
알림: 초음파 젤의 품질과 균일한 적용은 매우 중요합니다. 기포가 있으면 이미지 정의가 손상될 수 있습니다.
- 검사 메뉴 탭에서 폐쇄 후 반응성 충혈(PORH) 조작을 사용하여 동적 조건에 대한 이미지 획득.
- 기준 제어 스캔을 획득합니다. 이미징을 위한 시야를 찾은 후 수축된 혈압 커프를 제자리에 놓고 3D 컵 포지셔닝 암을 단단히 잠급니다.
- 더 높은 압력은 판독값을 손상시킬 수 있으므로 이미징 부위에 최소한의 압력을 가하십시오. Hb, HbO 2 및 멜라닌에 대한 발색단을 동시에 측정하는 제조업체의 기본 사전 설정 Hb, HbO2 및 멜라닌을 푸시합니다.
주의 : 작동 중에는 적절한 안전 고글로 눈을 보호해야합니다.
참고: 피부 광유형 IV에서 VI(어두운 피부)는 잘못 판독되기 쉽기 때문에 추가 처리를 위해 기준 제어 이미지가 필요합니다. 이미지 획득 중(레이저가 활성화된 경우) 안전 고글을 사용하면 사람의 눈만 노란색과 파란색을 인식할 수 있습니다. 이미지 처리 중에 색상을 편집할 수 있습니다. - 기준 이미지 획득을 위한 해부학적 영역을 선택합니다. 탐색 목적으로 복부 팔뚝을 권장합니다. 레이저 풋스위치 페달을 밟아 진행하십시오.
참고: View (노란색)라고 표시된 터치 스크린 버튼은 눌렀을 때 화면에 라이브 이미지를 표시합니다. 이미지 안정성 상태는 터치 스크린 중앙에 회색 막대로 표시되어 3D 프로브의 안정성을 나타냅니다.- 이미지 안정성이 최대화되면 터치스크린의 스냅샷 (Snapshot) 버튼을 눌러 해당 영역의 스냅샷을 촬영(또는 캡처)합니다. 각 스캔은 2초의 획득 시간 동안 사전 설정 내에 정의된 모든 파장에 대해 150mm의 음향 깊이에서 10-12프레임을 획득합니다. 이 기준 획득 스캔에는 총 30-36개의 프레임이 포함됩니다.
알림: 검출된 각 발색단(Hb, HbO2 및 멜라닌)에 대해 10개의 프레임이 최대 깊이 15mm로 수집됩니다. - 연속 비디오 획득을 위해 레이저 풋스위치 페달을 계속 누르고 터치 스크린의 보기 버튼(노란색)에 주의하십시오. 안정화된 이미지가 나타납니다. 녹화 (파란색)를 눌러 라이브 이미지 녹화를 시작합니다.
- 중지 버튼(검은색)을 눌러 녹음을 중지 합니다. 광음향 이미징 플랫폼은 녹화를 중지하고 자동으로 비디오를 미리보기 모드로 렌더링합니다.
- 이미지 안정성이 최대화되면 터치스크린의 스냅샷 (Snapshot) 버튼을 눌러 해당 영역의 스냅샷을 촬영(또는 캡처)합니다. 각 스캔은 2초의 획득 시간 동안 사전 설정 내에 정의된 모든 파장에 대해 150mm의 음향 깊이에서 10-12프레임을 획득합니다. 이 기준 획득 스캔에는 총 30-36개의 프레임이 포함됩니다.
- 동적 측정(PORH 그림): 이 동작을 설명하기 위해 팔꿈치 위의 환자 팔에 대한 압력 커프를 조정합니다. 수축기 혈압 (~ 200 mmHg)으로 커프를 팽창시키고 2.3.1에서 2.3.3.1 단계에 따라 진행하여 압력 하에서 이미징 된 혈관 구조를 얻습니다.
- 이미징된 혈관구조에 대한 압력 해제의 영향을 평가하기 위해 비디오를 획득하려면 2.3.3.2에서와 같이 비디오를 획득하는 동안 압력 밸브를 엽니다. 이전과 마찬가지로 화면의 라이브 이미지를 따르십시오.
알림: 이 기동을 실행하려면 수축기 혈압을 1-5분 동안 유지해야 합니다. 이 압력은 환자에게 다른 정도의 내성과 불편 함을 유발할 수 있음을 인식하는 것이 중요합니다. 이 측면은 실험 중에 신중하게 관리해야합니다.
3. 이미지 분석 프로토콜
- 기록된 스캔을 선택/전용 폴더에 복사하여 제조업체의 전용 분석 소프트웨어를 사용하여 별도의 컴퓨터 워크스테이션에서 백업 및 추가 분석을 수행합니다. 각 스캔은 수집 시간별로 저장되고 실행 코드가있는 연구 폴더에 프로그램에 의해 정렬됩니다.
참고: 백업 복사본을 사용하는 것이 좋습니다. 기록 된 원시 데이터로 직접 작업 할 수는 있지만 잠재적 인 하드 드라이브 충돌로 인해 원시 데이터가 손상 될 수 있으므로 권장하지 않는 것이 좋습니다. - 워크스테이션 컴퓨터에서 분석 프로그램을 엽니다. 프로그램 메뉴 > 스터디 열기 를 선택하여 파일을 가져오고 백업 검사에 액세스합니다. 스터디를 열고 폴더 맨 아래로 스크롤하여(기록된 스캔 포함) . 끄덕임 확장자를 사용합니다. 이것은 소프트웨어가 연구를 열 수있는 유일한 파일 형식입니다.
메모:. NOD 파일은 각 연구에 주어진 실행 번호로 자동으로 이름이 지정되며 파일 이름에 환자 정보가 없습니다. - 이미지 재구성을 위해 소프트웨어 메뉴 > 고급 처리에 액세스하여 이미지 분석 모듈을 엽니다.
- 프로그램 워크플로 탭이 상단 메뉴 모음에 표시되는지(검은색) 확인합니다(보충 그림 1): 메뉴; 스캔 개요; 재건; 유창성 교정; 스펙트럼 비혼합; 시각화 및 분석. 분석하는 동안 활성화된 워크플로우 탭은 파란색으로 표시됩니다.
참고: 고급 처리 가 열려 있지 않으면 소프트웨어는 Scan Overview 와 Visualization & Analysis만 표시합니다.
- 프로그램 워크플로 탭이 상단 메뉴 모음에 표시되는지(검은색) 확인합니다(보충 그림 1): 메뉴; 스캔 개요; 재건; 유창성 교정; 스펙트럼 비혼합; 시각화 및 분석. 분석하는 동안 활성화된 워크플로우 탭은 파란색으로 표시됩니다.
- 소프트웨어의 재구성 탭을 통해 이미지를 재구성 합니다. 기본 프로그램 메뉴의 왼쪽에서 재구성할 스캔을 선택합니다. 로드된 스캔이 화면 오른쪽에 나타납니다. 900nm에서HbO2 , 760nm, 760nm에서 Hb에 대한 최대 광음향 신호, 700nm에서 멜라닌에 대한 최대 광음향 신호를 포함하므로 기본 6개의 광음향 방출 파장(700, 730, 760, 800, 850 및 900nm)은 그대로 둡니다.
- 오른쪽에 있는 아이콘을 사용하여 스캔 재구성을 수행합니다. 프로그램 워크플로를 따라 스캔 사전 설정과 시야(해상도) 를 선택합니다. 정보는 메인 화면의 왼쪽 상단에 표시됩니다. 음속을 조정하여 스캔 초점을 조정합니다(보조 그림 2). 재구성 패널은 또한 획득한 각 스캔의 프레임 수를 표시하고 분석할 반복 선택을 허용합니다(필요한 경우).
참고: 각 스캔은 기본 음속 -90으로 로드되며 사용자가 조정해야 합니다. 자동 초점 기능(AF)으로 음속을 자동으로 조정할 수도 있습니다.
- 오른쪽에 있는 아이콘을 사용하여 스캔 재구성을 수행합니다. 프로그램 워크플로를 따라 스캔 사전 설정과 시야(해상도) 를 선택합니다. 정보는 메인 화면의 왼쪽 상단에 표시됩니다. 음속을 조정하여 스캔 초점을 조정합니다(보조 그림 2). 재구성 패널은 또한 획득한 각 스캔의 프레임 수를 표시하고 분석할 반복 선택을 허용합니다(필요한 경우).
- 버튼을 누릅니다 스캔 재구성 화면 상단의 스캔 재구성으로 진행하려면 스캔 재구성으로 이동합니다. 작업 처리 중 메시지와 함께 임시 대시보드가 나타납니다. 이 패널은 처리 상태의 메뉴 >에서도 액세스할 수 있습니다. 재구성을 마친 후 이미지 후처리 분석은 Fluence 보정으로 진행되어야 합니다.
- 대시보드 메뉴에서 재구성된 이미지의 Fluence 보정 을 활성화합니다. 재구성된 이미지는 플루언스 보정을 위해 로드해야 합니다. 각 스캔 번호 옆에 플래그와 함께 표시됩니다. 로드된 파일은 화면 오른쪽에 선택한 재구성으로 즉시 표시됩니다. 화면 오른쪽에 있는 아이콘과 상호 작용하여 Fluence 교정 을 활성화합니다(보충 그림 3). 저장 유창성 수정 을 눌러 진행합니다.
- 플루언스 보정을 저장한 후, 획득한 프리셋(Hb, HbO2 및 멜라닌)의 스펙트럼 비혼합을 수행한다. 스펙트럼 혼합 해제 탭을 선택하여 스펙트럼 혼합 해제에 대해 선택된 재구성 목록을 엽니다. 선택한 스터디의 각 스캔 목록이 이전 이미지 처리 단계의 기록과 함께 표시됩니다.
- 이전에 저장한 플루언스 보정 파일을 로드합니다. 로드된 스캔은 화면 오른쪽에 선택된 재구성 으로 즉시 표시됩니다(보충 그림 4). 화면 오른쪽에 있는 아이콘을 눌러 스펙트럼 혼합 해제를 활성화합니다.
- 혼합되지 않은 파장을 관찰하십시오. 재구성 단계 (단계 3.4)로 취해진 6 개의 광음향 방출 파장 (700, 730, 760, 800, 850 및 900nm)은 스펙트럼 비혼합을 위해 자동으로 선택됩니다. 필요한 경우 XYZ 아이콘을 사용하여 처리할 원하는 스펙트럼(예를 들어, 스펙트럼: Hb, HbO2, 및 멜라닌)을 편집한다.
- 조정된 파라미터를 확인한 후 스펙트럼 비혼합이 진행되도록 스펙트럼 비혼합 시작을 클릭합니다. 작업 진행률을 표시하는 처리 메뉴 모음이 나타납니다.
참고: 스펙트럼 비혼합 중에 다양한 매개변수 조정이 가능하며 여러 혼합 해제 방법을 사용할 수 있습니다. 이 프로토콜에서 선형 회귀 방법은 Hb, HbO2 및 멜라닌을 혼합하지 않는 표준으로 사용됩니다.
- 시각화 및 분석 탭에 액세스합니다. 활성화된 스캔을 클릭하면 1.1단계에서 소개된 모든 주제 정보와 설명이 표시됩니다(보충 그림 5).
참고: 여러 스캔을 병렬로 시각화할 수 있습니다.- + 버튼을 눌러 다중 스캔 분석을 생성합니다. 이 창에서 다중 스캔 보기를 소개하고 저장 버튼을 누릅니다. 뷰 이름을 저장하면 분석 중인 스터디의 모든 스캔을 포함한 새 대시보드가 표시됩니다.
- 원하는 각 스캔을 선택하여 저장된 분석 뷰에 추가(각각)합니다. 왼쪽 상단 모서리 아이콘에 스캔을 추가하면 분석 보기에 자동으로 표시됩니다.
- 분석 뷰 내에서 적절한 색상 조회 테이블을 설정하여 분석할 이미지를 준비합니다. 상단 메뉴 모음에서 추가 이미지 제어 옵션을 클릭하고 최대 강도 투영 아이콘을 활성화합니다. 2D+ 이미지 디스플레이에 인접한 이미지 디스플레이의 오른쪽 하단 모서리에 있는 아이콘을 눌러 레이어에 색상을 부여합니다.
- 모든 채널의 색상을 동시에 편집하려면 자세히 를 선택합니다. 이 메뉴는 혼합되지 않은 모든 발색단을 표시하고 표시할 여러 레이어를 선택할 수 있습니다.
참고: 소프트웨어 아이콘 위로 마우스를 이동하면 프로토콜에 표시된 대로 이름이 회색으로 표시됩니다. - 화면 왼쪽 하단에 있는 도구를 사용하여 각 레이어의 색상 강도를 조정합니다.
참고: 각 채널에 대해 최소/최대 보간으로 조정하면 일반적으로 좋은 결과를 얻을 수 있습니다.
4. 관심 영역(ROI) 분석
참고: 데이터 분석을 위해서는 관심 영역(ROI)을 선택해야 합니다.
- 분석할 ROI를 식별합니다. XY 이미지에서 사용 가능한 모양(메뉴 모음 내)으로 ROI를 둘러싸고 XZ 및 YZ 축에서 사용할 수 있는 직교 보기 내에서 동일한 ROI를 추적합니다(보충 그림 6).
참고: 현재 ROI 분석에 다각형 모양이 사용되었습니다.- 나머지 XZ 및 YZ 축( 그림 2의 예)에서 ROI 모양을 따르고 보 간 추가 및 하위 영역 제거 기능을 사용하여 여러 다각형 레이어를 배치합니다. 원하는 ROI를 정의/선택한 후 데이터를 플롯할 수 있습니다.
- 아이콘을 누르십시오 관심 영역을 정량화로 가져 오기 화면 오른쪽에 표시된 다중 스펙트럼 구성 요소를 선택한 ROI의 그래픽 세부 정보로 관찰하십시오.
- ROI 데이터의 그래픽 보기 하단에 있는 Excel 아이콘을 눌러 ROI 데이터를 내보냅니다. 모든 리전의 전체 데이터 패키지는 후속 분석을 위해 번들로 스프레드시트로 내보내집니다. 그림 3 은 200mmHg로 팽창된 압력 커프에 제출한 한 참가자의 데이터를 보여주고 0mmHg에서 혈관구조 휴지 상태와 비교하여 혈관구조를 분석했습니다.
- 4.1-4.1.3단계에 따라 여러 ROI 개체를 동시에 정량화합니다.
- TIFF 파일과 동일한 메뉴에서 모든 임베디드 데이터와 기본 제공 ROI 윤곽선이 있는 이미지를 내보냅니다(그림 2).
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Representative Results
광음향 이미징에서 제공하는 데이터는 후처리된 내보내기 이미지(그림 2) 및 플롯된 데이터(그림 3)에서 분석할 수 있습니다. 여기의 목적은 광음향 기능 이미징의 작동을 소개하고 보다 일반적으로 알려진 혈관 연구에서 그 적용을 탐구하는 것이었습니다. 이를 위해 휴식 중과 주요 공급 동맥의 200mmHg 폐색 후 획득한 이미지를 비교했습니다(그림 2). 이러한 관찰은 ROI 분석 및 내보내기 후에 정량화 할 수 있습니다. XY 평면에서, 평면 YZ 및 XZ에 비해 더 높은 멜라닌 신호가 관찰 될 수 있으며, 이는 표피 한계를 나타낸다. 상완 동맥 (팔)의 폐색은 OT 프로브 배치 (복부 팔뚝)에 앞서 혈관에 약간의 정체를 유발합니다. 결과적으로 축 XY, YZ 및 XZ에서 파란색 (Hb)과 빨간색 (HbO2)의 증가로 표시된 전체 신호의 증가를 감지했습니다. 커프 내에서 200mmHg 압력을 유지하면서 XY 평면에서 정지 상태를 따를 수 있습니다. YZ 및 XZ 축은 마젠타 마스킹 영역으로 강조 표시된 정상 관류 조건(폐색 없음)과 비교하여 위의 폐색으로 인해 증가된 혈액량을 나타냅니다.
동일한 미세혈관 영역의 내보낸 ROI 분석은 8.6초 동안 수집된 안정화된 이미지에서 발색단 HbO2(빨간색), Hb(파란색) 및 HbT(분홍색), mSO2(진한 빨간색) 및 멜라닌(노란색)을 정량화합니다. 압력 방출이 즉시 감지됩니다. 그림 3은 Hb, HbO2 및 HbT 회복의 폐색 후 진화를 보여 주며 광음향 데이터 출력은 그림 1의 관찰을 따릅니다. 소프트웨어는 Hb 및 HbO2 임의 신호의 추가로부터 혈중 산소 포화도(mSO2) 및 HbT 값을 계산한다. 멜라닌 농도는 200mmHg 폐색 내에서 그리고 이미지 획득 시간 간격 내에서 휴지 상태에서 일정하게 유지됩니다.
그림 1: 측정 프로브를 참가자의 피부에 안정적으로 접촉하도록 설계된 유연한 암을 나타내는 개략도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 정지 시 또는 200mmHg의 압력 하에서 혈관구조의 변화를 강조하는 대표적인 광음향 이미지. 도시된 이미지는 섹션 4의 이미지 분석에 설명된 바와 같이 Hb(파란색), HbO2(빨간색) 및 멜라닌(노란색)을 나타내는 세 가지 색상을 포함합니다. 각 광음향 이미지는 스캔된 각 발색단과 관련된 모든 평면의 최대 강도 투영을 나타냅니다. (A) 광음향 획득의 XY 평면. (B) 동일한 광음향 이미지 사이트의 YZ 직교도. (C) 스캔 영역의 XZ 보기. 자홍색 화살표는 스테이 시스가 증가한 영역을 가리 킵니다. 자홍색 마스크 영역은 정상적인 관류 조건 (폐색 없음)에 비해 상완 동맥의 폐색으로 인해 혈관 내부에 갇힌 혈액의 양이 증가했음을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 정량화된 ROI의 대표적인 데이터 내보내기. HbO2 (적색), Hb (청색) 및 HbT (분홍색), mSO2 (진한 적색) 및 멜라닌 (황색)의 천연 발색단은 8.6초에 걸쳐 수집된 안정화된 이미지로부터 추출된 데이터로부터 묘사된다. Hb, HbO2 및 HbT의 그래프는 폐색에서 비 폐색 휴식 상태로의 회복 기울기를 보여줍니다. 계산된 혈액 산소화mSO2 및 멜라닌 농도는 200mmHg 폐색 내에서 및 화상 획득 시간 간격 내의 휴지 상태에서 일정하게 유지된다. 추출된 이미지는 프레임당 n = 10개 이미지의 평균 ± sd로 표시된 데이터 포인트입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 1: 스캔 개요 패널과 분석 소프트웨어의 메인 메뉴. 메뉴 버튼(검은색)을 누르면 기본 메뉴 가 선택한 스터디를 선택할 수 있는 드롭다운 옵션을 표시합니다. 이 작업은 소프트웨어에서 인식하는 ".nod"파일을 선택하고로드합니다. 스캔 개요 (파란색)에는 모든 스터디의 스캔이 표시됩니다. 세부 정보(검은색)가 오른쪽에 나타납니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 2: 재구성 분석 워크플로우. 패널 1 - 재구성할 스캔을 선택하고 디스플레이 오른쪽에 있는 오른쪽 화살표(보라색 화살표)를 눌러 계속 진행합니다. 패널 2 - 음속을 관찰하고 슬라이더를 최상의 초점(파란색 화살표)으로 조정합니다. a) 창 오른쪽에 표시된 조정 된 초점; b) 분석 할 반복 선택 (노란색 화살표); c) 스캔 재구성 버튼을 눌러 계속 진행합니다(녹색 화살표). 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 3: 플루언스 보정 패널 워크플로. 패널 1 - 수정할 스캔을 선택하고 화면 오른쪽에 있는 오른쪽 화살표를 누릅니다. 패널 2 - Fluence 수정 저장을 눌러 계속 진행합니다(녹색 화살표). 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 4: 스펙트럼 혼합 해제 패널 워크플로우. 패널 1 - 혼합을 해제할 스캔을 선택하고 오른쪽 화살표(보라색 화살표)를 누릅니다. 패널 2 a) 혼합할 스캔(파란색 화살표)을 선택하면 조정된 이미지의 미리보기가 오른쪽에 표시됩니다. b) 혼합을 해제 할 반복을 선택하십시오 (노란색 화살표). c) 스펙트럼 언믹싱 시작을 눌러 계속 진행합니다(녹색 화살표). 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 5: 시각화 패널 및 발색단 색상 선택. 패널 1) 더블 클릭(보라색 화살표)으로 표시할 스캔을 선택합니다. 패널 2) 축 XY (파란색 사각형), XZ (노란색 사각형) 및 YZ (녹색 사각형)에서 획득 한 이미지; 2a) 획득한 파장을 보여주는 이미지 분석 버튼; 2b) 상단 메뉴 표시 줄에서 추가 이미지 제어 옵션을 선택하고 최대 강도 투영 아이콘을 활성화하십시오. 자세히 를 선택하여 채널의 색상을 편집합니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 6: 관심 영역(ROI) 선택. 올가미 도구(노란색 화살표)를 선택하고 XY 축(자홍색 화살표) 내에서 ROI의 경계를 정의합니다. 다양한 모양 영역(다각형, 직사각형, 정사각형, 원 또는 타원)을 정의할 수 있습니다. XZ 및 YZ 축의 ROI를 따르고 초기 선택에 하위 영역 (녹색 화살표)을 추가합니다. 여러 하위 영역이 표시됩니다(청록색 화살표). 선택한 ROI에서 데이터를 추출하려면 아이콘을 누르십시오 관심 영역을 정량화로 가져 오기 계속하십시오. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
이 프로토콜은 3D 컵 프로브 안정화에 필요한 적절한 위치(참가자, 프로브)에서 이미지 획득, ROI 선택, 이미지 재구성 및 분석에 이르기까지 이 새로운 광음향 이미징 기기를 작동하기 위한 실용적인 요구 사항으로 간주되는 작업 단계를 강조합니다.
동적 조건에서 얻은 이미지와 함께 "순간적인" 획득을 사용하는 제안된 실험적 접근 방식은 생체 내 인간 혈관 생리학에 접근하는 데 있어 이 기기의 관심과 유용성을 보여줍니다. 그림과 같이 최대 15mm3의 부피로 수집된 150μm 음향 이미지 해상도는 다른 단층 촬영 기술과 비교할 수 없습니다.
(i) 이미지 획득을 위한 프로브 안정화의 중요성; 유연하고 안전한 프로브 홀더를 사용하면 이미지 획득이 명확하게 향상됩니다. (ii) 혈관 구조의 정확한 식별; 표피-진피 전이에서 멜라닌과 같은 초음파 참조는 피부의 상부 신경총 혈관을 식별하기 위한 마커로 사용될 수 있습니다. (iii) 제조업체의 재구성 소프트웨어를 통해 수행되는 기능적 이미지 분석.
ROI 데이터 및 이미지 내보내기에 대한 고급 분석을 위해서는 전용 소프트웨어와 개발된 알고리즘에 대한 더 깊은 이해가 필요합니다. 현재의 광음향 이미징 기기는 150μm의 해상도로 15mm3의 조직 3D 부피를 재구성할 수 있습니다. 이 능력은 미세 혈관 기능을 더 깊이 정량화하기 위해 강화되어야합니다. 그럼에도 불구하고 기본 작동을 통해 기준 발색단을 직접 관찰하고 동일한 영역에서 여러 사전 설정을 획득할 수 있어 빠른 스캔 및 라이브 비디오 녹화가 가능합니다.
광음향 이미징 시스템에서 발견되는 적용 가능성은 관련이 있습니다. 지속적인 소프트웨어 개발은 확실히 이 이미징 시스템의 유용성을 향상시킬 것입니다.
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Disclosures
저자는 이해 상충이 없다고보고합니다.
Acknowledgments
이 연구는 연구 중인 기술의 ALIES 및 COFAC 주요 제공업체와 CBIOS에 UIDB/04567/2020 보조금을 통해 FCT(Fundação para a Ciência e a Tecnologia)의 자금 지원을 받습니다.
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
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