संवहनी अनुसंधान में कार्यात्मक इमेजिंग के लिए मल्टीस्पेक्ट्रल ऑप्टोएकोस्टिक टोमोग्राफी
Summary
वर्तमान प्रोटोकॉल विवो मानव त्वचा वाहिका में मल्टीस्पेक्ट्रल ऑप्टोएकोस्टिक छवियों के अधिग्रहण का वर्णन करता है। इनमें हीमोग्लोबिन और मेलेनिन की मात्रा का परिमाणीकरण शामिल है, जिसे कार्यात्मक विश्लेषण के लिए रुचि के क्रोमोफोर के रूप में माना जाता है।
Abstract
संवहनी अनुसंधान के भीतर इस बढ़ते विषय को अंतर्निहित करते हुए, विभिन्न रोग प्रक्रियाओं में सूक्ष्मपरिसंचरण हानि को मान्यता दी गई है। हाल के वर्षों में, लाइव इमेजिंग सिस्टम के विकास ने बुनियादी और नैदानिक अनुसंधान दोनों में (विश्लेषणात्मक) गति निर्धारित की है, जिसका उद्देश्य नैदानिक रुचि और अनुप्रयोग के साथ वास्तविक समय, मात्रात्मक समापन बिंदु प्रदान करने में सक्षम नए उपकरण बनाना है। नियर-इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (एनआईआरएस), पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन टोमोग्राफी (पीईटी), कंप्यूटेड टोमोग्राफी (सीटी), और चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) अन्य तकनीकों के बीच उपलब्ध हैं, लेकिन लागत, छवि संकल्प और कम कंट्रास्ट को आम चुनौतियों के रूप में पहचाना जाता है। ऑप्टोएकोस्टिक टोमोग्राफी (ओटी) संवहनी कार्यात्मक इमेजिंग पर एक नया परिप्रेक्ष्य प्रदान करता है, जो ऊतक गहराई के साथ अत्याधुनिक ऑप्टिकल अवशोषण और स्थानिक संकल्प क्षमताओं (माइक्रोमीटर ऑप्टिकल से मिलीमीटर ध्वनिक संकल्प तक) का संयोजन करता है। इस अध्ययन में, हमने कार्यात्मक इमेजिंग के लिए मल्टीस्पेक्ट्रल ऑप्टोएकोस्टिक टोमोग्राफी (एमएसओटी) की प्रयोज्यता का परीक्षण किया। यह प्रणाली एनडी: याग लेजर द्वारा पंप किए गए एक असमर्थ ऑप्टिकल पैरामीट्रिक ऑसिलेटर (ओपीओ) का उपयोग करती है, जो 680 एनएम से 980 एनएम तक तरंग दैर्ध्य पर 3 डी जांच द्वारा महसूस की गई उत्तेजना दालें प्रदान करती है। मानव अग्रभाग से प्राप्त छवियों को विशिष्ट क्रोमोफोर की प्रतिक्रिया के आधार पर एक विशिष्ट एल्गोरिथ्म (निर्माता के सॉफ्टवेयर के भीतर आपूर्ति) के माध्यम से पुनर्निर्माण किया गया था। इस प्रणाली का उपयोग करके अधिकतम ऑक्सीजन युक्त हीमोग्लोबिन (मैक्स एचबीओ2) और डीऑक्सीजनेटेड हीमोग्लोबिन (मैक्स एचबी), कुल हीमोग्लोबिन (एचबीटी), और औसत ऑक्सीजन संतृप्ति (एमएसओ2) से संवहनी घनत्व (μVu), अंतर-इकाई औसत दूरी (ζAd), और केशिका रक्त की मात्रा (mm3) को मापा जा सकता है। इस ओटी प्रणाली के साथ पाई जाने वाली प्रयोज्यता क्षमता प्रासंगिक है। चल रहे सॉफ्टवेयर विकास निश्चित रूप से इस इमेजिंग सिस्टम की उपयोगिता में सुधार करेंगे।
Introduction
कार्डियोवैस्कुलर बीमारियां दुनिया भर में मृत्यु के आवर्तक शीर्ष कारण हैं और किसी भीस्वास्थ्य प्रणाली के लिए एक बड़ा बोझ का प्रतिनिधित्व करते हैं। प्रौद्योगिकी मौलिक हृदय और संवहनी पैथोफिज़ियोलॉजी की हमारी समझ के विस्तार में एक प्रमुख योगदानकर्ता रहा है, जो अधिक सटीक नैदानिक उपकरण और प्रारंभिक रोग का पता लगाने और अधिक प्रभावी प्रबंधन की संभावना प्रदान करता है। इमेजिंग तकनीक न केवल हृदय और प्रमुख पोत प्रदर्शन को मापने की संभावना प्रदान करती है, बल्कि अन्य विशेषताओं के बीच केशिका घनत्व, स्थानीय छिड़काव और मात्रा और एंडोथेलियल डिसफंक्शन की गणना करने के लिए बहुत छोटे पैमाने पर भी। इन प्रौद्योगिकियों ने प्रत्यक्ष नैदानिक अनुप्रयोग के साथ संवहनी जीव विज्ञान में पहली मात्रात्मक अंतर्दृष्टि की पेशकश की है। केशिका घनत्व, स्थानीय छिड़काव में कमी, या रोड़ा में परिवर्तन संभवतः एक इस्केमिक स्थिति के अनुरूप है, जो इमेजिंग की बढ़ती भूमिका को समझाने में मदद करता है, कार्डियोवैस्कुलर अनुसंधान और अभ्यास 3,4,5 में एक अनिवार्य उपकरण बन जाता है।
हाल के वर्षों में, कार्यात्मक इमेजिंग ने लगातार तकनीकी नवाचार में गति निर्धारित की है, जिसमें अल्ट्रासाउंड (यूएस) नियर-इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (एनआईआरएस), पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन टोमोग्राफी (पीईटी), कंप्यूटेड टोमोग्राफी (सीटी), और चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) कुछ प्रसिद्ध उदाहरण हैं। हालांकि, कई चिंताएं लागत और रोगी सुरक्षा (साथ ही आराम) से लेकर छवि कंट्रास्ट और रिज़ॉल्यूशन 6,7 तक उनके आवेदन को सीमित करती हैं। ऑप्टोएकोस्टिक टोमोग्राफी (ओटी) हाल ही में ऑप्टिकल-आधारित संवहनी अनुसंधान में एक नई दिशा के रूप में उभरा है। अल्ट्राशॉर्ट लेजर दालों से प्रभावित ऊतक के थर्मोइलास्टिक विस्तार द्वारा उत्पन्न अल्ट्रासोनिक तरंगों का पता लगाने पर केंद्रित यह तकनीक कुछ समय के लिए जानी जाती है। गर्मी के विकास और ऊतक विस्तार की यह शारीरिक प्रतिक्रिया एक अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर द्वारा पता लगाए गए ध्वनिक संकेत को जन्म देती है। दृश्य से निकट-अवरक्त तक प्रकाश की दालों का उपयोग और ध्वनिक पृष्ठभूमि संकेत की अनुपस्थिति संकल्प गहराई को लाभ पहुंचाती है। पता लगाया गया कंट्रास्ट मौजूद सबसे महत्वपूर्ण क्रोमोफोर (हीमोग्लोबिन या मेलेनिन) से उत्पन्न होता है। अन्य प्रौद्योगिकियों की तुलना में, ओटी के फायदे हैं (1) कोई कंट्रास्ट (लेबल-फ्री इमेजिंग) की आवश्यकता नहीं है, (2) अल्ट्रासोनोग्राफी की तुलना में कम कलाकृतियों के साथ बेहतर कंट्रास्ट और रिज़ॉल्यूशन, और (3) कम कीमत, और तेजी से अधिग्रहण और ऑपरेशन में आसानी 6,9,10,11।
मल्टीस्पेक्ट्रल ऑप्टोएकोस्टिक टोमोग्राफी (एमएसओटी) ओटी उपकरणों की सबसे हालिया पीढ़ी में से एक है। उत्तेजना पल्स प्रदान करने वाले एनडी: याग लेजर द्वारा पंप किए गए एक असमर्थ ऑप्टिकल पैरामीट्रिक ऑसिलेटर (ओपीओ) के साथ निर्मित, एक 3 डी छवि 50 हर्ट्ज12 तक की पुनरावृत्ति दर के साथ 680 एनएम से 980 एनएम तक तरंग दैर्ध्य पर उच्च आवृत्ति अल्ट्रासोनिक उत्तेजना दालों से पता लगाए गए समय-संकल्प संकेतों द्वारा प्राप्त की जाती है। ऑप्टोएकोस्टिक इमेजिंग प्लेटफॉर्म गहराई में विभिन्न क्रोमोफोर की मात्रा का ठहराव प्रदान करता है (15 मिमी जितना कम)। एचबीओ2, एचबी और मेलेनिन जैसे चर आसानी से सुलभ हैं। रुचि के अन्य चर, जैसे कि अधिकतम ऑक्सीजन युक्त हीमोग्लोबिन (मैक्स एचबीओ2) और डीऑक्सीजनेटेड हीमोग्लोबिन (मैक्स एचबी), भी उपलब्ध हैं। निर्माता के सॉफ्टवेयर से पुनर्निर्माण एल्गोरिदम अन्य चर की गणना की अनुमति देता है जैसे संवहनी घनत्व (μVu), अंतर-इकाई औसत दूरी (aad), और केशिका मात्रा (mm3)।
वर्तमान अध्ययन कार्डियोवैस्कुलर प्रीक्लिनिकल अनुसंधान में इसकी व्यावहारिकता और संभावित अनुप्रयोगों को बेहतर ढंग से समझने के लिए इस नई प्रणाली के आवश्यक परिचालन पहलुओं की पड़ताल करता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
यह प्रोटोकॉल इस नए ऑप्टोएकोस्टिक इमेजिंग उपकरण को संचालित करने के लिए व्यावहारिक आवश्यकताओं के रूप में माने जाने वाले कामकाजी चरणों पर जोर देता है, 3 डी कप जांच स्थिरीकरण के लिए आवश्यक पर्याप्त स्थिति…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस शोध को अध्ययन के तहत प्रौद्योगिकी के ALIES और COFAC प्रमुख प्रदाताओं द्वारा वित्त पोषित किया जाता है, और CBIOS को अनुदान UIDB / 04567/2020 के माध्यम से Fundaço para a Cincia e a Tecnologia (FCT) द्वारा वित्त पोषित किया जाता है।
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).
