יוניברסל כף היד תלת ממדי Optoacoustic הדמיה בדיקה לרקמות עמוקות אנגיוגרפיה אדם ופונקציונליים פרה-קליניים מחקרים בזמן אמת
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
הדמיה Optoacoustic (photoacoustic) מושכת עניין הולכת וגובר קהילות מחקר הביולוגיות ורפואיות, כפי שבאה לידי ביטוי במספר הולכים וגובר של פרסומים הכוללים מגוון רחב של יישומים חדשים המנצלים את היתרונות הייחודיים שמציעים הטכנולוגיה 1-5. בפרט, את היכולת לסוכנים-קליטת תמונה ספקטרלי ייחודיים תמונה עם רזולוציה מרחב ובזמן גבוהה בעומקים הרבה מעבר לגבול diffusive של אור פותחת יכולות חסרות תקדים להדמיה תפקודית ומולקולרית 6-10.
ואכן, תרגום של טכנולוגית optoacoustic לתוך פרקטיקה קלינית מגיע עם לקוחות פוטנציאליים מבטיחים באבחון וניטור טיפול במחלות רבות. עם זאת, ההתפשטות המוגבלת של פוטונים בפיזור אופטי ורקמות קליטה ותגובות בדרך כלל חלשות הקשורים לתופעת optoacoustic להגביל את העומק הישים של השיטה. כתוצאה מכך, optoa כף ידבדיקות coustic כבר ניסו לחלקי תמונה לנגישים מחוץ ל11,12 הגוף תוך מערכות אנדוסקופיות משמשות כדי לספק תמונות מתוך הגוף על ידי החדרתם דרך פתחים טבעיים 13. כמה חלקים נמוכים קליטה של גוף אדם, כגון שד נשי, נגישים גם על ידי סורקי optoacoustic טומוגרפית 14,15. מעניין במיוחד היא הגישה שנערכה ביד כפי שהוא מאפשר גמישות גדולה, בדומה לבדיקת אולטרה סאונד. כאן, הסתגלות של בדיקות המערך ליניארי אולטרסאונד המשותף להדמית optoacoustic נותרת מאתגרת, בעיקר בשל הבדלים מהותיים בדרישות הדמיה טומוגרפית בין אולטרסאונד וoptoacoustics. בעוד שיעורי מסגרת גבוהים בבדיקת אולטרה סאונד הסטנדרטי מופעלים על ידי רציף שידור-קבלת תוכניות העסקת תדרי חזרת דופק גבוה בטווח kHz, ההדמיה optoacoustic בזמן אמת תלת-ממדית מושגת על ידי אוסף בו-זמני של נתונים טומוגרפית נפח מint אחדerrogating דופק לייזר. כך, ההדמיה optoacoustic איכות גבוהה מרמזת רכישה של נתונים תלת-ממדיים מהזווית המוצקה הגדולה ביותר האפשרית מסביב לאובייקט צילם.
לאחרונה, הצגנו את הבדיקה optoacoustic כף היד הראשונה להדמיה תלת ממדית (נפח) בזמן אמת 16. המערכת מבוססת על מערך דו-ממדי של 256 אלמנטים פיזואלקטריים המסודרים על משטח כדורי (נקודות כחולות באיור 1 א) המשתרעים על זווית של 90 מעלות. הגודל של האלמנטים הבודדים של כ 3 x 3 מ"מ 2, כמו גם האורינטציה ורוחב פס תדרים (כ 2-6 מגה-הרץ) שלהם מבטיחים אוסף אות אפקטיבי ממקיף את מרכז הכדור (קובייה שחורה באיור נפח סנטימטר בקנה מידה 1A). עירור אופטי של אזור ההדמיה מסופק עם חבילת סיבים מוחדרת דרך חלל גלילי מרכזי של המערך, כך שכל susc אורך גלeptible של משודרים דרך חבילת הסיבים יכול לשמש הדמיה. תמונה אמיתית של המערך של חיישנים יחד עם חבילת הסיבים האופטית מוצגת באיור 1. העירור יעיל וזיהוי סימולטני של אותות מאפשר הדמיה רקמות עמוקות עם עירור זריקה אחת (דופק לייזר אחד), כך שהדמיה בזמן אמת במסגרת שיעור שנקבע על ידי תדירות החזרה הדופק של הלייזר מופעלת נוספת עם גרפיקה עיבוד יחידה (GPU) יישומו של נוהל השחזור 17. מארז גלילי עם קרום פוליאתילן שקוף (איור 1 ג) מחובר למערך מתמר לצרף בינוני אקוסטית העברת נוזל (מים). הקרום מצמיד נוסף לרקמה באמצעות ג'ל אקוסטי. תמונה של חללית optoacoustic כבשימוש במצב פעולת כף יד מוצגת באיור 1D.
Thr הפגין ההדמיה EE ממדים שנערכו ביד optoacoustic בשילוב עם ההדמיה תפקודית היכולת בזמן אמת מגיעה עם יתרונות חשובים לאבחון קליני ומספר היישומים הפוטנציאליים חזתה להתוויות שונות, כגון מחלת כלי דם היקפית, הפרעות במערכת הלימפה, סרטן השד, נגעים בעור, דלקת או דלקת פרקים 18. יתר על כן, את יכולת ההדמיה מהירה מאפשרת הדמיה של אירועים ביולוגיים דינמיים עם החללית מסודרת במצב נייח. בשילוב עם טכנולוגיית לייזר באורך גל-כוונון מהיר פרמטרים אופטיים מתנד (OPO), גישה זו מאפשרת הדמיה של biodistribution של סוכנים-קליטת תמונה בזמן אמת. וכך, אפשרויות חדשות עשויות באותה מידה לצאת ביישומי הדמיה חיה קטנים, למשל., בלימוד פרמטרים המודינמיים רקמה, in vivo מעקב תא, ויזואליזציה של פרמקוקינטיקה, זלוף איבר, ממוקד הדמיה מולקולרית של גידולים ומערכת לב וכלי דם, או סריקת מוח.
<p class = "jove_content"> בעבודה זו אנו מספקים תיאור מפורט של פרוטוקול ההדמיה הניסיוני להפעלה עם ביצועי מערך הכדורי optoacoustic כף יד הבדיקה וחלון ראווה במספר תרחישי הדמיה חיה קליניות וקטנים טיפוסיים.Protocol
Representative Results
Discussion
היתרונות הייחודיים המוצעים על ידי שיטות הדמיה optoacoustic במחקר בבעלי חיים קטנים שיצרו מוטיבציה חזקה לתרגום הטכנולוגיה לפרקטיקה קלינית, עם מספר של כלי אבחון וניטור יישומי טיפול חזו למשל., בשד ובסרטן העור, דלקת או מחלות כלי דם היקפיים. עם זאת, בניגוד לעכברים או חיות קט…
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).
