Мультиспектральная оптоакустическая томография для функциональной визуализации в сосудистых исследованиях
Summary
Настоящий протокол описывает получение мультиспектральных оптоакустических изображений in vivo сосудистой системы кожи человека. К ним относятся количественная оценка гемоглобина и меланина, рассматриваемых как хромофоры, представляющие интерес для функционального анализа.
Abstract
Микроциркуляторные нарушения были признаны в различных болезненных процессах, лежащих в основе этой растущей темы в сосудистых исследованиях. В последние годы разработка систем визуализации в реальном времени задала (аналитический) темп как в фундаментальных, так и в клинических исследованиях с целью создания новых инструментов, способных предоставлять в режиме реального времени поддающиеся количественной оценке конечные точки с клиническим интересом и применением. Спектроскопия ближнего инфракрасного диапазона (NIRS), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), компьютерная томография (КТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ) доступны, среди других методов, но стоимость, разрешение изображения и снижение контрастности признаны общими проблемами. Оптоакустическая томография (ОТ) предлагает новый взгляд на функциональную визуализацию сосудов, сочетая современное оптическое поглощение и пространственное разрешение (от микрометрового оптического до миллиметрового акустического разрешения) с глубиной ткани. В этом исследовании мы проверили применимость мультиспектральной оптоакустической томографии (MSOT) для функциональной визуализации. Система использует перестраиваемый оптический параметрический генератор (OPO), накачиваемый лазером Nd: YAG, обеспечивающий импульсы возбуждения, воспринимаемые 3D-зондом на длинах волн от 680 нм до 980 нм. Изображения, полученные с предплечья человека, были реконструированы с помощью определенного алгоритма (поставляемого в программном обеспечении производителя) на основе отклика конкретных хромофоров. С помощью этой системы можно измерить максимальный оксигенированный гемоглобин (Max HbO2) и дезоксигенированный гемоглобин (Max Hb), общий гемоглобин (HbT) и среднее насыщение кислородом (mSO2) до плотности сосудов (мкВу), средние расстояния между единицами (ζAd) и объем капиллярной крови (мм3). Потенциал применимости, обнаруженный в этой системе ОТ, имеет значение. Текущие разработки программного обеспечения, безусловно, улучшат полезность этой системы обработки изображений.
Introduction
Сердечно-сосудистые заболевания являются повторяющимися основными причинами смерти во всем мире и представляют собой огромное бремя для любой системы здравоохранения 1,2. Технология внесла основной вклад в расширение нашего понимания фундаментальной сердечной и сосудистой патофизиологии, обеспечивая более точные диагностические инструменты и возможность раннего выявления заболеваний и более эффективного управления. Методы визуализации дают возможность измерить не только работу сердца и крупных сосудов, но и, в гораздо меньшем масштабе, рассчитать плотность капилляров, местную перфузию и объем, а также эндотелиальную дисфункцию, среди других характеристик. Эти технологии предложили первое количественное понимание сосудистой биологии с прямым клиническим применением. Изменения плотности капилляров, локальное снижение перфузии или окклюзии, вероятно, соответствуют ишемическому состоянию, что помогает объяснить растущую роль визуализации, становясь незаменимым инструментом в сердечно-сосудистых исследованиях и практике 3,4,5.
В последние годы функциональная визуализация последовательно задает темп в технологических инновациях, с ультразвуковой (США) ближней инфракрасной спектроскопией (NIRS), позитронно-эмиссионной томографией (ПЭТ), компьютерной томографией (КТ) и магнитно-резонансной томографией (МРТ) в качестве некоторых хорошо известных примеров. Тем не менее, многочисленные проблемы ограничивают их применение, от стоимости и безопасности пациента (а также комфорта) до контрастности изображения и разрешения 6,7. Оптоакустическая томография (ОТ) в последнее время стала новым направлением в оптических сосудистых исследованиях. Эта технология, основанная на обнаружении ультразвуковых волн, генерируемых термоупругим расширением ткани, пораженной ультракороткими лазерными импульсами, была известна в течение некоторого времени 6,8. Эта физическая реакция развития тепла и расширения тканей вызывает акустический сигнал, обнаруженный ультразвуковым преобразователем. Использование импульсов света от видимого до ближнего инфракрасного диапазона и отсутствие акустического фонового сигнала улучшают глубину разрешения. Обнаруженный контраст является результатом наиболее важных присутствующих хромофоров (гемоглобин или меланин). По сравнению с другими технологиями, OT имеет преимущества в том, что (1) не требует контрастности (визуализация без меток), (2) лучшей контрастности и разрешения с меньшим количеством артефактов, чем ультрасонография, и (3) более низкой цены, а также более быстрого получения и простоты эксплуатации 6,9,10,11.
Мультиспектральная оптоакустическая томография (MSOT) является одним из самых последних поколений инструментов OT. Построенный с перестраиваемым оптическим параметрическим генератором (OPO), накачиваемым лазером Nd:YAG, обеспечивающим импульсы возбуждения, 3D-изображение получается сигналами с временным разрешением, обнаруженными из высокочастотных ультразвуковых импульсов возбуждения на длинах волн от 680 нм до 980 нм с частотой повторения до 50 Гц12. Платформа оптоакустической визуализации обеспечивает количественную оценку различных хромофоров в глубину (до 15 мм). Переменные, такие как HbO2, Hb и меланин, легко доступны. Другие переменные, представляющие интерес, такие как максимальный оксигенированный гемоглобин (Max HbO2) и дезоксигенированный гемоглобин (Max Hb), также доступны. Алгоритмы реконструкции из программного обеспечения производителя позволяют рассчитывать другие переменные, такие как плотность сосудов (мкВу), среднее расстояние между единицами (ζAd) и объем капилляров (мм3).
В настоящем исследовании исследуются основные операционные аспекты этой новой системы, чтобы лучше понять ее практические аспекты и потенциальные применения в сердечно-сосудистых доклинических исследованиях.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол подчеркивает рабочие шаги, рассматриваемые как практические требования для работы этого нового оптоакустического инструмента визуализации, от адекватного позиционирования (участник, зонд), необходимого для стабилизации зонда 3D-чашки, до получения изображения, выбора ROI…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование финансируется основными поставщиками исследуемой технологии ALIES и COFAC, а также Фондом социальной и технологической науки (FCT) через грант UIDB/04567/2020 для CBIOS.
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 |
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. 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).
