[论文解读] 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 12

一句话总结

本研究利用高度吸收性的二氯甲烷微滴（5 μm）实现了对深层组织的非侵入性三维光声微血管造影，可在完整小鼠大脑中实现超越声学衍射极限的亚20 μm分辨率。通过利用单颗粒灵敏度和高三维帧率，该方法实现了深层组织毛细血管水平的成像，并实现了在异质组织中对光辐照度的原位估算。

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.

研究动机与目标

• 克服传统光声成像在深层组织中分辨率和深度受限的问题。
• 实现在完整头皮和颅骨下非侵入性、三维毛细血管分辨率（低于20 μm）的微血管成像。
• 开发一种在光学异质组织中对光辐照度分布进行原位定量测量的方法。
• 利用光声计算机断层扫描实现微血管中血流速度的高速三维映射。
• 在强吸收性血液背景存在下，实现对微颗粒的单颗粒灵敏度检测。

提出的方法

• 采用直径为5 μm的二氯甲烷微滴，在近红外波长下其光学吸收率比红细胞高出四个数量级。
• 利用高速帧率光声计算机断层扫描系统，实现实时三维微血管结构成像。
• 通过稀疏、高度吸收性微颗粒的光声定位，实现在深层组织中亚衍射极限分辨率（<20 μm）的成像。
• 利用光声学对单个微颗粒的高灵敏度，实现在强血液背景下的检测。
• 利用检测到的光声信号强度，估算光学异质组织中光辐照度分布。
• 结合微颗粒的空间定位与三维重建，生成高对比度、高分辨率的微血管造影图像。

实验结果

研究问题

• RQ1 光声成像是否能在完整颅骨和头皮下实现深层组织的毛细血管水平分辨率？
• RQ2 高度吸收性微颗粒是否能在强吸收性血液背景存在下实现单颗粒灵敏度？
• RQ3 光声信号强度是否可用于估算光学异质组织中的光辐照度？
• RQ4 高三维帧率是否能实现在微血管结构中血流速度的精确原位映射？
• RQ5 是否可行实现非侵入性、三维、亚20 μm分辨率的深层脑组织微血管造影？

主要发现

• 该方法实现了对深层小鼠脑的三维微血管造影，分辨率低于20 μm，超越了声学衍射极限。
• 5 μm的二氯甲烷微滴在近红外波长下，其光学吸收率比红细胞高出四个数量级。
• 在高度吸收性血液背景存在下实现了单颗粒灵敏度，可检测稀疏微颗粒。
• 高三维帧率使微血管结构内血流速度的精确原位映射成为可能。
• 检测到的光声信号强度使光学异质组织中光辐照度分布的估算成为可能。
• 该技术实现了通过完整头皮和颅骨对深层组织中微血管的非侵入性、高对比度、高速三维可视化。