[論文レビュー] Noninvasive three-dimensional optoacoustic localization microangiography of deep tissues

Xosé Luís Deán‐Ben, Justine Robin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2020

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging参考文献 51被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、高吸収性のジクロルメタン微小液滴（5 μm）を用いて、生体のままのマウス脳において、音響回折限界を超える20 μm未塔の分解能を実現する非侵襲的三次元オプトアコースティック微小血管造影を提示する。単一粒子感度と高い3次元フレームレートを活用することで、深部組織における毛細血管レベルのイメージングが可能となり、不均一な組織内での光線量のイン・サイト推定も可能となる。

ABSTRACT

Structural microvascular alterations and dysfunction serve as key disease indicators of cancer, diabetes, ischemic stroke, neurodegenerative disorders and many other conditions. In vivo visualization of the microvasculature has traditionally been restricted to millimeter scale depths accessible with optical microscopy. Optoacoustic imaging has enabled breaking through the barrier imposed by light diffusion to map functional hemodynamic parameters in deep-seated vessels, but diffraction and dispersion of ultrasound waves in heterogeneous living tissues prevents reaching capillary resolution. Herein, we demonstrate three-dimensional microangiography of deep mouse brain beyond the acoustic diffraction limit (<20$μ$m resolution) through the intact scalp and skull via optoacoustic localization of sparsely-distributed highly absorbing microparticles. This was enabled by devising 5$μ$m sized extremely absorbing dichloromethane microdroplets exhibiting four orders of magnitude higher optical absorption than red blood cells at near-infrared wavelengths, thus facilitating in vivo compatibility and single particle sensitivity in the presence of highly absorbing blood background. Accurate mapping of the blood flow velocity within microvascular structures was also facilitated by the high 3D frame rate of the optoacoustic tomography system. We further show that the detected optoacoustic signal intensities from the localized particles may serve for estimating the light fluence distribution within optically heterogeneous tissues, a long-standing quantification challenge in biomedical optics. Given the intrinsic sensitivity of optoacoustics to various functional, metabolic and molecular events in living tissues, this new approach paves the way for non-invasive deep-tissue microscopic observations with unrivaled resolution, contrast and speed.

研究の動機と目的

• 従来のオプトアコースティックイメージングが深部組織において抱える分解能と深さの制限を克服すること。
• 頭皮および頭蓋骨をそのまま通して、非侵襲的かつ三次元的な毛細血管分解能（20 μm未塔）の微小血管イメージングを実現すること。
• 光学的に不均一な組織内での光線量分布の生体内定量法を開発すること。
• オプトアコースティックトモグラフィーを用いて、微小血管内での血液流れの速度を高速3次元マッピングすること。
• 強い赤血球背景にさらされても、マイクロ粒子の単一粒子感度を達成できることを示すこと。

提案手法

• 近赤外波長で赤血球よりも4桁高い吸収率を示す5 μm径のジクロルメタン微小液滴を用いた。
• 高フレームレートのオプトアコースティックトモグラフィー装置を用いて、微小血管構造のリアルタイム3次元イメージングを実現した。
• 希釈され、高吸収性のマイクロ粒子のオプトアコースティック局在を応用し、深部組織で回折限界を下回る分解能（<20 μm）を達成した。
• オプトアコースティクスの高い感度を活用して、強い血液背景に対しても個々のマイクロ粒子を検出可能とした。
• 検出されたオプトアコースティック信号強度を用いて、光学的に不均一な組織内での光線量分布を推定した。
• マイクロ粒子の空間的局在と3次元再構成を組み合わせ、高コントラストかつ高分解能の微小血管造影画像を生成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 頭皮および頭蓋骨をそのまま通して、オプトアコースティックイメージングが毛細血管レベルの分解能を達成できるか？
• RQ2 非常に吸収性の高い血液背景が存在する中で、高吸収性マイクロ粒子が単一粒子感度を達成できるか？
• RQ3 オプトアコースティック信号強度を用いて、光学的に不均一な組織内での光線量を推定できるか？
• RQ4 高い3次元フレームレートにより、微小血管内での血液流れの速度を正確に生体内マッピングできるか？
• RQ5 20 μm未塔の分解能で、非侵襲的かつ三次元的な微小血管造影を深部脳組織で実現できるか？

主な発見

• 本手法は、音響回折限界を超える20 μm未塔の分解能で、深部マウス脳の三次元微小血管造影を達成した。
• 5 μmのジクロルメタン微小液滴は、近赤外波長で赤血球よりも4桁高い光学的吸収率を示した。
• 非常に吸収性の高い血液背景が存在する中でも、単一粒子感度が達成され、希釈されたマイクロ粒子の検出が可能となった。
• 高い3次元フレームレートにより、微小血管構造内での血液流れの速度を正確に生体内マッピングできた。
• 検出されたオプトアコースティック信号強度を用いて、光学的に不均一な組織内での光線量分布を推定できた。
• 本技術により、頭皮および頭蓋骨をそのまま通して、非侵襲的かつ高コントラスト・高速な三次元微小血管可視化が可能となった。