[논문 리뷰] Noninvasive three-dimensional optoacoustic localization microangiography of deep tissues

Xosé Luís Deán‐Ben, Justine Robin외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 01.

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging참고 문헌 51인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 고흡수성 디클로로메탄 미세방울(5 μm)을 사용하여 생체 그대로의 마우스 뇌에서 음향 회절 한계를 초월하는 서브-20 μm 해상도를 실현하는 비침습적 3차원 옵토압축 마이크로angi오그래피를 제시한다. 단일 입자 감도와 높은 3D 프레임 속도를 활용하여 깊은 조직 내 모세혈관 수준의 영상화를 실현하고, 비균일한 조직에서 빛 조사량을 현장에서 추정할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 옵토압축 영상 기술의 해상도 및 깊이 제한을 극복하기 위해.
• intact 두피와 두개골을 통과하여 비침습적이고 3차원적인 모세혈관 수준의 영상화(20 μm 이하 해상도)를 실현하기 위해.
• 광학적으로 비균일한 조직 내에서 빛 조사량 분포를 실시간으로 정량화하는 방법을 개발하기 위해.
• 옵토압축 단층촬영을 이용하여 혈관 내에서의 혈류 속도를 고속 3D 맵핑하기 위해.
• 강한 흡수성 혈액 배경이 존재하는 상황에서도 미세입자를 단일 입자 감도로 감지할 수 있는지를 입증하기 위해.

제안 방법

• 근적외선 파장에서 적혈구보다 4개 정도의 차수 높은 광흡수율을 보이는 5 μm 지름의 디클로로메탄 미세방울을 사용하였다.
• 고프레임 속도 옵토압축 단층촬영 시스템을 활용하여 모세혈관 구조의 실시간 3차원 영상 촬영을 실현하였다.
• 희박하게 분포한 고흡수성 미세입자를 옵토압축적으로 국소화하여 깊은 조직에서 회절 한계 이하의 해상도(<20 μm)를 달성하였다.
• 옵토압축의 높은 감도를 활용하여 강한 혈액 배경 속에서도 개별 미세입자를 감지하였다.
• 검출된 옵토압축 신호 강도를 이용하여 광학적으로 비균일한 조직 내에서 빛 조사량 분포를 추정하였다.
• 미세입자의 공간적 국소화와 3차원 재구성 기법을 조합하여 고대비, 고해상도의 마이크로angi오그램을 생성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 옵토압축 영상 기술은 손상되지 않은 두개골과 두피를 통과하여 깊은 조직에서 모세혈관 수준의 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 강한 흡수성을 가진 혈액 배경이 존재하는 상황에서도 고흡수성 미세입자가 단일 입자 감도를 실현할 수 있는가?
• RQ3 옵토압축 신호 강도를 이용하여 광학적으로 비균일한 조직 내에서 빛 조사량을 추정할 수 있는가?
• RQ4 고속 3D 프레임 속도를 통해 혈관 내에서의 혈류 속도를 정확하게 실시간 맵핑할 수 있는가?
• RQ5 비침습적이고 3차원적인 마이크로angi오그래피를 20 μm 이하의 해상도로 깊은 뇌 조직에서 실현하는 것이 가능한가?

주요 결과

• 이 방법은 음향 회절 한계를 초월하는 서브-20 μm 해상도로 깊은 마우스 뇌의 3차원 마이크로angi오그래피를 실현하였다.
• 5 μm 디클로로메탄 미세방울은 근적외선 영역에서 적혈구보다 4개 정도의 차수 높은 광흡수율을 보였다.
• 강한 흡수성 혈액 배경이 존재하는 상황에서도 단일 입자 감도를 확보하여 희박하게 분포한 미세입자를 감지할 수 있었다.
• 고속 3D 프레임 속도 덕분에 모세혈관 내에서의 혈류 속도를 정확하게 실시간으로 맵핑할 수 있었다.
• 검출된 옵토압축 신호 강도를 통해 광학적으로 비균일한 조직 내에서 빛 조사량 분포를 추정할 수 있었다.
• 이 기술은 손상되지 않은 두피와 두개골을 통과하여 비침습적이고 고대비, 고속의 3차원 마이크로혈관 영상 촬영을 실현하였다.