Multispectrale optoakoestische tomografie voor functionele beeldvorming in vasculair onderzoek
Summary
Het huidige protocol beschrijft de verwerving van multispectrale optoakoestische beelden van in vivo menselijke huidvasculatuur. Deze omvatten de kwantificering van hemoglobine en melanine, beschouwd als chromoforen van belang voor functionele analyse.
Abstract
Microcirculatiestoornissen zijn erkend in verschillende ziekteprocessen, die ten grondslag liggen aan dit groeiende thema binnen vasculair onderzoek. In de afgelopen jaren heeft de ontwikkeling van live imaging-systemen het (analytische) tempo bepaald in zowel fundamenteel als klinisch onderzoek, met als doel nieuwe instrumenten te creëren die in staat zijn om real-time, kwantificeerbare eindpunten te bieden met klinische interesse en toepassing. Nabij-infraroodspectroscopie (NIRS), positronemissietomografie (PET), computertomografie (CT) en magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) zijn beschikbaar, naast andere technieken, maar kosten, beeldresolutie en verminderd contrast worden erkend als veelvoorkomende uitdagingen. Optoakoestische tomografie (OT) biedt een nieuw perspectief op vasculaire functionele beeldvorming, waarbij state-of-the-art optische absorptie- en ruimtelijke resolutiecapaciteiten (van micrometer optische tot millimeter akoestische resolutie) worden gecombineerd met weefseldiepte. In deze studie testten we de toepasbaarheid van multispectrale optoakoestische tomografie (MSOT) voor functionele beeldvorming. Het systeem maakt gebruik van een instelbare optische parametrische oscillator (OPO) gepompt door een Nd: YAG-laser, die excitatiepulsen levert die worden waargenomen door een 3D-sonde op golflengten van 680 nm tot 980 nm. Beelden verkregen uit de menselijke onderarm werden gereconstrueerd via een specifiek algoritme (geleverd in de software van de fabrikant) op basis van de respons van specifieke chromoforen. Maximaal zuurstofrijk hemoglobine (max HbO2) en gedeoxygeneerd hemoglobine (max Hb), totaal hemoglobine (HbT) en gemiddelde zuurstofverzadiging (mSO2) tot vasculaire dichtheid (μVu), gemiddelde afstanden tussen eenheden (ζAd) en capillair bloedvolume (mm3) kunnen met dit systeem worden gemeten. Het toepasbaarheidspotentieel dat met dit OT-systeem wordt gevonden, is relevant. Voortdurende softwareontwikkelingen zullen het nut van dit beeldvormingssysteem zeker verbeteren.
Introduction
Hart- en vaatziekten zijn wereldwijd terugkerende top doodsoorzaken en vormen een enorme last voor elk gezondheidssysteem 1,2. Technologie heeft een belangrijke bijdrage geleverd aan de uitbreiding van ons begrip van fundamentele cardiale en vasculaire pathofysiologie, door nauwkeurigere diagnostische hulpmiddelen en de mogelijkheid van vroege ziektedetectie en effectiever management te bieden. Beeldvormingstechnieken bieden de mogelijkheid om niet alleen de prestaties van hart- en grote bloedvaten te meten, maar ook, op veel kleinere schaal, om de capillaire dichtheid, lokale perfusie en volume en endotheeldisfunctie te berekenen, naast andere kenmerken. Deze technologieën hebben de eerste kwantitatieve inzichten in vasculaire biologie met directe klinische toepassing geboden. Veranderingen in capillaire dichtheid, lokale perfusiereductie of occlusie komen waarschijnlijk overeen met een ischemische aandoening, die helpt om de groeiende rol van beeldvorming te verklaren en een onmisbaar hulpmiddel te worden in cardiovasculair onderzoek en praktijk 3,4,5.
In de afgelopen jaren heeft functionele beeldvorming consequent het tempo bepaald in technologische innovatie, met echografie (VS) nabij-infraroodspectroscopie (NIRS), positronemissietomografie (PET), computertomografie (CT) en magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) als enkele bekende voorbeelden. Meerdere zorgen beperken echter de toepassing ervan, van kosten en patiëntveiligheid (evenals comfort) tot beeldcontrast en resolutie 6,7. Optoakoestische tomografie (OT) is onlangs naar voren gekomen als een nieuwe richting in optisch gebaseerd vasculair onderzoek. Deze technologie, gericht op de detectie van ultrasone golven gegenereerd door thermo-elastische expansie van het weefsel beïnvloed met ultrakorte laserpulsen, is al enige tijd bekend 6,8. Deze fysische reactie van warmteontwikkeling en weefselexpansie roept een akoestisch signaal op dat wordt gedetecteerd door een ultrasone transducer. Het gebruik van lichtpulsen van zichtbaar tot nabij-infrarood en de afwezigheid van een akoestisch achtergrondsignaal komen de resolutiediepte ten goede. Het gedetecteerde contrast is het resultaat van de belangrijkste aanwezige chromoforen (hemoglobine of melanine). In vergelijking met andere technologieën heeft OT de voordelen van (1) geen contrast nodig hebben (labelvrije beeldvorming), (2) beter contrast en resolutie met minder artefacten dan echografie, en (3) lagere prijs, en snellere acquisitie en bedieningsgemak 6,9,10,11.
Multispectrale optoakoestische tomografie (MSOT) behoort tot de meest recente generatie OT-instrumenten. Gebouwd met een instelbare optische parametrische oscillator (OPO) gepompt door een Nd: YAG-laser die excitatiepulsen levert, wordt een 3D-beeld verkregen door tijd-opgeloste signalen gedetecteerd door hoogfrequente ultrasone excitatiepulsen op golflengten van 680 nm tot 980 nm met een herhalingsfrequentie van maximaal 50 Hz12. Het optoakoestische beeldvormingsplatform biedt de kwantificering van verschillende chromoforen in de diepte (zo laag als 15 mm). Variabelen zoals HbO2, Hb en melanine zijn gemakkelijk toegankelijk. Andere variabelen van belang, zoals maximaal zuurstofrijk hemoglobine (Max HbO2) en gedeoxygeneerd hemoglobine (Max Hb), zijn ook beschikbaar. Reconstructie-algoritmen uit de software van de fabrikant maken de berekening van andere variabelen mogelijk, zoals vasculaire dichtheid (μVu), gemiddelde afstand tussen eenheden (ζAd) en capillair volume (mm3).
De huidige studie onderzoekt de essentiële operationele aspecten van dit nieuwe systeem om de praktische aspecten en potentiële toepassingen ervan in cardiovasculair preklinisch onderzoek beter te begrijpen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol benadrukt de werkstappen die worden beschouwd als praktische vereisten om dit nieuwe optoakoestische beeldvormingsinstrument te bedienen, van de adequate positionering (deelnemer, sonde) die nodig is voor 3D cup-sondestabilisatie tot beeldacquisitie, ROI-selectie en beeldreconstructie en -analyse.
De voorgestelde experimentele benadering, waarbij gebruik wordt gemaakt van “ogenblikkelijke” acquisities samen met beelden verkregen onder dynamische omstandigheden, illustreert het bel…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek wordt gefinancierd door ALIES en COFAC, de belangrijkste leveranciers van de bestudeerde technologie, en door Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) via de subsidie UIDB/04567/2020 aan 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).
