Tomografía optoacústica multiespectral para imágenes funcionales en investigación vascular
Summary
El presente protocolo describe la adquisición de imágenes optoacústicas multiespectrales de vasculatura cutánea humana in vivo . Estos incluyen la cuantificación de hemoglobina y melanina, considerados como cromóforos de interés para el análisis funcional.
Abstract
El deterioro microcirculatorio ha sido reconocido en varios procesos de enfermedad, subyacente a este tema creciente dentro de la investigación vascular. En los últimos años, el desarrollo de sistemas de imagen en vivo ha marcado el ritmo (analítico) tanto en la investigación básica como en la clínica, con el objetivo de crear nuevos instrumentos capaces de proporcionar puntos finales cuantificables en tiempo real con interés y aplicación clínica. La espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS), la tomografía por emisión de positrones (PET), la tomografía computarizada (TC) y la resonancia magnética (RM) están disponibles, entre otras técnicas, pero el costo, la resolución de la imagen y el contraste reducido se reconocen como desafíos comunes. La tomografía optoacústica (OT) ofrece una nueva perspectiva sobre la imagen funcional vascular, combinando capacidades de absorción óptica y resolución espacial de última generación (desde resolución óptica micrométrica hasta resolución acústica milimétrica) con profundidad tisular. En este estudio, probamos la aplicabilidad de la tomografía optoacústica multiespectral (MSOT) para imágenes funcionales. El sistema utiliza un oscilador paramétrico óptico sintonizable (OPO) bombeado por un láser Nd: YAG, que proporciona pulsos de excitación detectados por una sonda 3D en longitudes de onda de 680 nm a 980 nm. Las imágenes obtenidas del antebrazo humano se reconstruyeron a través de un algoritmo específico (suministrado dentro del software del fabricante) basado en la respuesta de cromóforos específicos. La hemoglobina oxigenada máxima (HbO2 máxima) y la hemoglobina desoxigenada (Hb máxima), la hemoglobina total (HbT) y la saturación media de oxígeno (mSO2) a la densidad vascular (μVu), las distancias promedio entre unidades (ζAd) y el volumen sanguíneo capilar (mm3) se pueden medir utilizando este sistema. El potencial de aplicabilidad encontrado con este sistema OT es relevante. Los desarrollos de software en curso seguramente mejorarán la utilidad de este sistema de imágenes.
Introduction
Las enfermedades cardiovasculares son las principales causas recurrentes de muerte en todo el mundo y representan una enorme carga para cualquier sistema de salud 1,2. La tecnología ha contribuido en gran medida a la expansión de nuestra comprensión de la fisiopatología cardíaca y vascular fundamental, proporcionando herramientas de diagnóstico más precisas y la posibilidad de detección temprana de enfermedades y un manejo más efectivo. Las técnicas de imagen ofrecen la posibilidad de medir no solo el rendimiento cardíaco y de los vasos principales, sino también, en una escala mucho menor, calcular la densidad capilar, la perfusión local y el volumen, y la disfunción endotelial, entre otras características. Estas tecnologías han ofrecido los primeros conocimientos cuantitativos sobre biología vascular con aplicación clínica directa. Los cambios en la densidad capilar, la reducción de la perfusión local o la oclusión probablemente corresponden a una condición isquémica, lo que ayuda a explicar el creciente papel de la imagen, convirtiéndose en una herramienta indispensable en la investigación y práctica cardiovascular 3,4,5.
En los últimos años, la imagen funcional ha marcado constantemente el ritmo de la innovación tecnológica, con ultrasonido (EE. UU.), espectroscopía de infrarrojo cercano (NIRS), tomografía por emisión de positrones (PET), tomografía computarizada (TC) e imágenes de resonancia magnética (MRI) como algunos ejemplos bien conocidos. Sin embargo, múltiples preocupaciones limitan su aplicación, desde el costo y la seguridad del paciente (así como la comodidad) hasta el contraste de imagen y la resolución 6,7. La tomografía optoacústica (OT) ha surgido recientemente como una nueva dirección en la investigación vascular óptica. Esta tecnología, centrada en la detección de ondas ultrasónicas generadas por la expansión termoelástica del tejido impactado con pulsos láser ultracortos, se conoce desde hace algún tiempo 6,8. Esta reacción física de desarrollo de calor y expansión tisular evoca una señal acústica detectada por un transductor de ultrasonido. El uso de pulsos de luz desde el visible hasta el infrarrojo cercano y la ausencia de una señal acústica de fondo benefician la profundidad de resolución. El contraste detectado resulta de los cromóforos más importantes presentes (hemoglobina o melanina). En comparación con otras tecnologías, OT tiene las ventajas de (1) no necesitar contraste (imágenes sin etiqueta), (2) mejor contraste y resolución con menos artefactos que la ecografía, y (3) menor precio, y adquisición más rápida y facilidad de operación 6,9,10,11.
La tomografía optoacústica multiespectral (MSOT) se encuentra entre la generación más reciente de instrumentos OT. Construido con un oscilador paramétrico óptico sintonizable (OPO) bombeado por un láser Nd: YAG que proporciona pulsos de excitación, una imagen 3D se adquiere mediante señales resueltas en el tiempo detectadas a partir de pulsos de excitación ultrasónica de alta frecuencia en longitudes de onda de 680 nm a 980 nm con una tasa de repetición de hasta 50 Hz12. La plataforma de imágenes optoacústicas proporciona la cuantificación de diferentes cromóforos en profundidad (tan solo 15 mm). Variables como HbO2, Hb y melanina son fácilmente accesibles. Otras variables de interés, como la hemoglobina oxigenada máxima (HbO máxima2) y la hemoglobina desoxigenada (Hb máxima), también están disponibles. Los algoritmos de reconstrucción del software del fabricante permiten el cálculo de otras variables como la densidad vascular (μVu), la distancia media entre unidades (ζAd) y el volumen capilar (mm3).
El presente estudio explora los aspectos operativos esenciales de este nuevo sistema para comprender mejor sus aspectos prácticos y posibles aplicaciones en la investigación preclínica cardiovascular.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo enfatiza los pasos de trabajo considerados como requisitos prácticos para operar este nuevo instrumento de imagen optoacústica, desde el posicionamiento adecuado (participante, sonda) necesario para la estabilización de la sonda de copa 3D hasta la adquisición de imágenes, la selección de ROI y la reconstrucción y análisis de imágenes.
El enfoque experimental propuesto, utilizando adquisiciones “instantáneas” junto con imágenes obtenidas en condiciones dinámicas, ilu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación es financiada por ALIES y COFAC principales proveedores de la tecnología en estudio, y por la Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) a través de la subvención UIDB/04567/2020 a 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 |
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