التصوير المقطعي البصري الصوتي متعدد الأطياف للتصوير الوظيفي في أبحاث الأوعية الدموية
Summary
يصف هذا البروتوكول الحصول على صور صوتية بصرية متعددة الأطياف للأوعية الدموية في جلد الإنسان في الجسم الحي . وتشمل هذه القياس الكمي للهيموغلوبين والميلانين ، والتي تعتبر كروموفورات ذات أهمية للتحليل الوظيفي.
Abstract
تم التعرف على ضعف الدورة الدموية الدقيقة في عمليات المرض المختلفة ، الكامنة وراء هذا الموضوع المتنامي في أبحاث الأوعية الدموية. في السنوات الأخيرة ، حدد تطوير أنظمة التصوير الحية الوتيرة (التحليلية) في كل من البحوث الأساسية والسريرية ، بهدف إنشاء أدوات جديدة قادرة على توفير نقاط نهاية قابلة للقياس الكمي في الوقت الفعلي مع الاهتمام والتطبيق السريري. يتوفر التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRS) ، والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) ، والتصوير المقطعي المحوسب (CT) ، والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) ، من بين تقنيات أخرى ، ولكن يتم التعرف على التكلفة ودقة الصورة والتباين المنخفض كتحديات شائعة. يقدم التصوير المقطعي البصري الصوتي (OT) منظورا جديدا للتصوير الوظيفي للأوعية الدموية ، حيث يجمع بين أحدث قدرات الامتصاص البصري والدقة المكانية (من الدقة البصرية الدقيقة إلى الدقة الصوتية المليمترية) مع عمق الأنسجة. في هذه الدراسة ، اختبرنا قابلية تطبيق التصوير المقطعي البصري الصوتي متعدد الأطياف (MSOT) للتصوير الوظيفي. يستخدم النظام مذبذبا بارامتريا بصريا قابلا للضبط (OPO) يتم ضخه بواسطة ليزر Nd: YAG ، مما يوفر نبضات إثارة مستشعرة بواسطة مسبار 3D بأطوال موجية من 680 نانومتر إلى 980 نانومتر. تم إعادة بناء الصور التي تم الحصول عليها من الساعد البشري من خلال خوارزمية محددة (يتم توفيرها داخل برنامج الشركة المصنعة) بناء على استجابة كروموفورات محددة. يمكن قياس الحد الأقصى للهيموغلوبين المؤكسج (Max HbO 2) والهيموغلوبين غير المؤكسج (Max Hb) والهيموغلوبين الكلي (HbT) ومتوسط تشبع الأكسجين (mSO2) لكثافة الأوعية الدموية (μVu) ومتوسط المسافات بين الوحدات (ζAd) وحجم الدم الشعري (مم3) باستخدام هذا النظام. إمكانات التطبيق الموجودة مع نظام OT هذا ذات صلة. من المؤكد أن التطورات البرمجية المستمرة ستحسن فائدة نظام التصوير هذا.
Introduction
أمراض القلب والأوعية الدموية هي الأسباب الرئيسية المتكررة للوفاة في جميع أنحاء العالم وتمثل عبئا كبيرا على أي نظام صحي 1,2. لقد كانت التكنولوجيا مساهما رئيسيا في توسيع فهمنا للفيزيولوجيا المرضية الأساسية للقلب والأوعية الدموية ، وتوفير أدوات تشخيصية أكثر دقة وإمكانية الكشف المبكر عن الأمراض وإدارة أكثر فعالية. توفر تقنيات التصوير إمكانية قياس ليس فقط أداء القلب والأوعية الدموية الرئيسية ولكن أيضا ، على نطاق أصغر بكثير ، لحساب كثافة الشعيرات الدموية ، والتروية والحجم الموضعي ، والخلل البطاني ، من بين خصائص أخرى. قدمت هذه التقنيات أول رؤى كمية في بيولوجيا الأوعية الدموية مع التطبيق السريري المباشر. من المحتمل أن تتوافق التغييرات في كثافة الشعيرات الدموية أو تقليل التروية المحلية أو الانسداد مع حالة نقص تروية ، مما يساعد على تفسير الدور المتنامي للتصوير ، ليصبح أداة لا غنى عنها في أبحاث وممارسات القلب والأوعية الدموية3،4،5.
في السنوات الأخيرة ، حدد التصوير الوظيفي باستمرار وتيرة الابتكار التكنولوجي ، مع التحليل الطيفي بالموجات فوق الصوتية (الولايات المتحدة) بالأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRS) ، والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) ، والتصوير المقطعي المحوسب (CT) ، والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) كبعض الأمثلة المعروفة. ومع ذلك ، فإن المخاوف المتعددة تحد من تطبيقها ، من التكلفة وسلامة المرضى (وكذلك الراحة) إلى تباين الصورة والدقة 6,7. ظهر التصوير المقطعي البصري الصوتي (OT) مؤخرا كاتجاه جديد في أبحاث الأوعية الدموية القائمة على البصريات. هذه التقنية ، التي تركز على الكشف عن الموجات فوق الصوتية الناتجة عن التمدد الحراري المرن للأنسجة المتأثرة بنبضات الليزر فائقة القصر ، معروفة منذ بعض الوقت 6,8. هذا التفاعل الفيزيائي لتطور الحرارة وتمدد الأنسجة يثير إشارة صوتية يكتشفها محول الموجات فوق الصوتية. إن استخدام نبضات الضوء من الأشعة تحت الحمراء المرئية إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة وغياب إشارة الخلفية الصوتية يفيد عمق الدقة. ينتج التباين المكتشف عن أهم الكروموسومات الموجودة (الهيموجلوبين أو الميلانين). بالمقارنة مع التقنيات الأخرى ، تتمتع OT بمزايا (1) عدم الحاجة إلى تباين (تصوير خال من الملصقات) ، (2) تباين ودقة أفضل مع عدد أقل من القطع الأثرية من التصوير بالموجات فوق الصوتية ، و (3) سعر أقل ، واكتساب أسرع وسهولة التشغيل6،9،10،11.
يعد التصوير المقطعي البصري الصوتي متعدد الأطياف (MSOT) من بين أحدث جيل من أدوات OT. بنيت مع مذبذب حدودي بصري قابل للضبط (OPO) يتم ضخه بواسطة ليزر Nd: YAG يوفر نبضات الإثارة ، يتم الحصول على صورة 3D من خلال إشارات تم حلها بمرور الوقت تم اكتشافها من نبضات الإثارة بالموجات فوق الصوتية عالية التردد بأطوال موجية من 680 نانومتر إلى 980 نانومتر مع معدل تكرار يصل إلى 50 هرتز12. توفر منصة التصوير الصوتي البصري القياس الكمي للكروموفورات المختلفة بعمق (منخفضة تصل إلى 15 مم). يمكن الوصول بسهولة إلى المتغيرات مثل HbO2 و Hb والميلانين. تتوفر أيضا متغيرات أخرى ذات أهمية ، مثل الحد الأقصى للهيموغلوبين المؤكسج (Max HbO2) والهيموجلوبين غير المؤكسج (Max Hb). تسمح خوارزميات إعادة البناء من برنامج الشركة المصنعة بحساب المتغيرات الأخرى مثل كثافة الأوعية الدموية (μVu) ومتوسط المسافة بين الوحدات (ζAd) وحجم الشعيرات الدموية (مم3).
تستكشف هذه الدراسة الجوانب التشغيلية الأساسية لهذا النظام الجديد لفهم أفضل لتطبيقاته العملية وتطبيقاته المحتملة في أبحاث القلب والأوعية الدموية قبل السريرية.
Protocol
Representative Results
Discussion
يؤكد هذا البروتوكول على خطوات العمل التي تعتبر متطلبات عملية لتشغيل أداة التصوير الصوتي البصري الجديدة هذه ، من تحديد المواقع المناسبة (مشارك ، مسبار) اللازمة لتثبيت مسبار الكأس 3D إلى الحصول على الصور ، واختيار عائد الاستثمار ، وإعادة بناء الصورة وتحليلها.
يوضح النهج التجر…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يتم تمويل هذا البحث من قبل ALIES ومقدمي COFAC الرئيسيين للتكنولوجيا قيد الدراسة ، ومن قبل Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) من خلال المنحة UIDB / 04567/2020 إلى 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).
