טומוגרפיה אופטואקוסטית מולטיספקטרלית להדמיה תפקודית בחקר כלי הדם
Summary
הפרוטוקול הנוכחי מתאר רכישה של תמונות אופטואקוסטיות מולטיספקטרליות של כלי דם בעור אנושי in vivo . אלה כוללים כימות של המוגלובין ומלנין, הנחשבים כרומופורים בעלי עניין לניתוח פונקציונלי.
Abstract
פגיעה במיקרו-סירקולטורית הוכרה בתהליכי מחלה שונים, העומדים בבסיס נושא הולך וגדל זה במחקר כלי הדם. בשנים האחרונות, פיתוח מערכות הדמיה חיות קבע את הקצב (האנליטי) הן במחקרים בסיסיים והן במחקרים קליניים, במטרה ליצור מכשירים חדשים המסוגלים לספק נקודות קצה בזמן אמת הניתנות לכימות עם עניין קליני ויישום. ספקטרוסקופיה של אינפרה-אדום קרוב (NIRS), טומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים (PET), טומוגרפיה ממוחשבת (CT) והדמיית תהודה מגנטית (MRI) זמינות, בין היתר, אך עלויות, רזולוציית תמונה וניגודיות מופחתת מוכרות כאתגרים נפוצים. טומוגרפיה אופטואקוסטית (OT) מציעה נקודת מבט חדשה על הדמיה תפקודית של כלי הדם, המשלבת קליטה אופטית חדישה ויכולות רזולוציה מרחביות (ממיקרומטר אופטי לרזולוציה אקוסטית מילימטרית) עם עומק רקמות. במחקר זה בדקנו את הישימות של טומוגרפיה אופטואקוסטית מולטיספקטרלית (MSOT) להדמיה תפקודית. המערכת משתמשת במתנד פרמטרי אופטי הניתן לכוונון (OPO) הנשאב על ידי לייזר Nd: YAG, ומספק פולסי עירור החשים על ידי בדיקה תלת-ממדית באורכי גל מ-680 ננומטר עד 980 ננומטר. תמונות שהתקבלו מהאמה האנושית שוחזרו באמצעות אלגוריתם ספציפי (שסופק בתוך התוכנה של היצרן) בהתבסס על התגובה של כרומופורים ספציפיים. ניתן למדוד באמצעות מערכת זו המוגלובין מחומצן מרבי (Max HbO 2) והמוגלובין לא מחומצן (Max Hb), המוגלובין כולל (HbT) וריווי חמצן ממוצע (mSO2) לצפיפות כלי הדם (μVu), מרחקים ממוצעים בין יחידות (ζAd) ונפח דם נימי (מ”מ3). פוטנציאל הישימות שנמצא במערכת OT זו רלוונטי. פיתוחי תוכנה מתמשכים בוודאי ישפרו את התועלת של מערכת הדמיה זו.
Introduction
מחלות לב וכלי דם הן סיבות המוות המובילות החוזרות ונשנות ברחבי העולם ומהוות נטל עצום על כל מערכת בריאות 1,2. הטכנולוגיה תרמה רבות להרחבת ההבנה שלנו בפתופיזיולוגיה בסיסית של הלב וכלי הדם, ומספקת כלי אבחון מדויקים יותר ואת האפשרות לגילוי מוקדם של מחלות ולניהול יעיל יותר. טכניקות הדמיה מציעות את האפשרות למדוד לא רק את ביצועי הלב וכלי הדם העיקריים, אלא גם, בקנה מידה קטן בהרבה, כדי לחשב את צפיפות נימי, זלוף מקומי ונפח, ותפקוד לקוי של האנדותל, בין מאפיינים אחרים. טכנולוגיות אלה הציעו את התובנות הכמותיות הראשונות בביולוגיה של כלי הדם עם יישום קליני ישיר. שינויים בצפיפות נימי, הפחתת פרפוזיה מקומית או חסימה ככל הנראה מתאימים למצב איסכמי, המסייע להסביר את התפקיד ההולך וגדל של הדמיה, והופך לכלי חיוני במחקר הלב וכלי הדםובפרקטיקה 3,4,5.
בשנים האחרונות, הדמיה תפקודית קובעת בעקביות את הקצב בחדשנות טכנולוגית, עם ספקטרוסקופיית אולטרסאונד (US) אינפרה-אדום קרוב (NIRS), טומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים (PET), טומוגרפיה ממוחשבת (CT) והדמיית תהודה מגנטית (MRI) כדוגמאות ידועות. עם זאת, חששות מרובים מגבילים את היישום שלהם, החל מעלות ובטיחות המטופל (כמו גם נוחות) לניגודיות תמונה ורזולוציה 6,7. טומוגרפיה אופטואקוסטית (OT) התגלתה לאחרונה ככיוון חדש במחקר כלי דם מבוסס אופטיקה. טכנולוגיה זו, המתמקדת בזיהוי של גלים קוליים הנוצרים על ידי התפשטות תרמואלסטית של הרקמה המושפעת מפעימות לייזר אולטרה-שורט, ידועה מזה זמן מה 6,8. תגובה פיזית זו של התפתחות חום והרחבת רקמות מעוררת אות אקוסטי שזוהה על ידי מתמר אולטרסאונד. השימוש בפולסים של אור מהנראה לאינפרה-אדום הקרוב והיעדר אות רקע אקוסטי מועילים לעומק הרזולוציה. הניגודיות שזוהתה נובעת מהכרומופורים החשובים ביותר הקיימים (המוגלובין או מלנין). בהשוואה לטכנולוגיות אחרות, ל- OT יש את היתרונות של (1) ללא צורך בניגודיות (הדמיה ללא תוויות), (2) ניגודיות ורזולוציה טובות יותר עם פחות ממצאים מאשר אולטרה-סאונד, ו- (3) מחיר נמוך יותר, ורכישה מהירה יותר וקלות הפעלה 6,9,10,11.
טומוגרפיה אופטואקוסטית מולטיספקטרלית (MSOT) היא בין הדור האחרון של מכשירי OT. התמונה התלת-ממדית, הבנויה עם מתנד פרמטרי אופטי (OPO) הניתן לכוונון על ידי לייזר Nd:YAG המספק פולסים של עירור, נרכשת על ידי אותות שנפתרו בזמן שזוהו מפעימות עירור על-קוליות בתדר גבוה באורכי גל מ-680 ננומטר עד 980 ננומטר עם קצב חזרה של עד 50 הרץ12. פלטפורמת ההדמיה האופטואקוסטית מספקת כימות של כרומופורים שונים לעומק (עד 15 מ”מ). משתנים כגון HbO2, Hb ומלנין נגישים בקלות. משתנים אחרים של עניין, כגון המוגלובין מחומצן מקסימלי (מקסימום HbO2) והמוגלובין לא מחומצן (מקסימום Hb), זמינים גם כן. אלגוריתמי שחזור מתוכנת היצרן מאפשרים חישוב של משתנים אחרים כגון צפיפות כלי דם (μVu), מרחק ממוצע בין יחידות (ζAd) ונפח נימי (מ”מ3).
המחקר הנוכחי בוחן את היבטי ההפעלה החיוניים של מערכת חדשה זו כדי להבין טוב יותר את המעשיות שלה ואת היישומים הפוטנציאליים שלה במחקר פרה-קליני קרדיווסקולרי.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מדגיש את צעדי העבודה הנחשבים לדרישות מעשיות להפעלת מכשיר ההדמיה האופטואקוסטי החדש הזה, החל מהמיקום המתאים (משתתף, בדיקה) הדרוש לייצוב גשושית תלת-ממדית ועד לרכישת תמונה, בחירת ROI ושחזור וניתוח תמונה.
הגישה הניסויית המוצעת, תוך שימוש ברכישות “מיידיות” יחד עם תמונות…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה ממומן על ידי ALIES ו- COFAC הספקים העיקריים של הטכנולוגיה הנחקרת, ועל ידי Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) באמצעות המענק UIDB/04567/2020 ל- 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).
