Мультиспектральная оптоакустическая томография (МСОТ) — технология визуализации для получения оптических изображений высокого разрешения в рассеивающей среде, в том числе в биологических тканях. Основой МСОТ является воздействие на биологическую ткань лазерного излучения с ультракороткими импульсами продолжительностью в диапазоне 1-100 нс. Поглощение тканями излучаемых световых импульсов вызывает термоупругие напряжения в области поглощения света, феномен известный как оптоакустический или иначе фотоакустический эффект. Подобное тепловое расширение обусловливает возбуждение ультразвуковых волн в среде, которые в свою очередь могут быть приняты и преобразованы для получения изображения. Этап формации изображения может быть выполнен посредством аппаратного обеспечения (например, акустической или оптической фокусировки) или с помощью компьютерной томографии (математический алгоритм получения изображения). В отличие от других видов оптической визуализации, МСОТ включает в себя облучение исследуемого образца на различных длинах волн, что позволяет детектировать ультразвуковые волны испускаемые различными светопоглощающими молекулами в тканях, будь то эндогенные (окси- и диоксигемоглобин, меланин) или экзогенные (контрастные агенты, наночастицы) молекулы. Вычислительные методы спектральной расшифровки позволяют выделить ультразвуковые сигналы испущенные различными светопоглощающими частицами, что в свою очередь позволяет получать отдельные изображения для каждого отдельного источника акустических сигналов, присутствующего в исследуемой среде. Таким образом, с помощью МСОТ становится возможна визуализация концентрации гемоглобина в крови, уровень насыщенности кислородом или степень гипоксии. В отличие от других оптических методов, технология МСОТ не подвержена воздействию рассеяния фотонов, и потому позволяет получать оптические изображения высокого разрешения глубоко залегающих биологических тканей.V. Ntziachristos, D. Razansky, «Molecular imaging by means of multispectral optoacoustic tomography (MSOT)», Chem. Rev. 110 (2010) 2783—2794.
Описание метода Мультиспектральная оптоакустическая томография описана как 6-размерный (6-параметрический) метод, в котором к трём геометрическим измерениям (координаты пространства по осям x, y, z) добавлены координаты времени, длин волн излучения и диапазона ультразвуковых частот. Измерения МСОТ можно проводить на протяжении длительного отрезка времени, что позволяет исследовать динамические процессы.A. Taruttis, V. Ntziachristos, «Advances in real-time multispectral optoacoustic imaging and its applications», Nat Photon 9 (2015) 219—227. Диапазон длин волн применяемых в МСОТ охватывает весь спектр от ультрафиолетового (УФ) до инфракрасного (ИК). Длина волны определяет глубину, на которой могут быть обнаружены светопоглощающие частицы, а также их тип. Возможно использование других типов излучения, например, высокоэнергетических ионных лучейW. Assmann, S. Kellnberger, S. Reinhardt, S. Lehrack, A. Edlich, P.G. Thirolf, M. Moser, G. Dollinger, M. Omar, V. Ntziachristos, K. Parodi, «Ionoacoustic characterization of the proton Bragg peak with submillimeter accuracy», Med. Phys. 42 (2015) 567—574. и излучения в радиочастотном диапазоне.D. Razansky, S. Kellnberger, V. Ntziachristos, «Near-field radiofrequency thermoacoustic tomography with impulse excitation», Med. Phys. 37 (2010) 4602-4607.K. Stephan, H. Amir, R. Daniel, N. Vasilis, «Near-field thermoacoustic tomography of small animals», Phys. Med. Biol. 56 (2011) 3433. Выбор диапазона ультразвуковых частот определяет разрешение, а также амплитуду величины объектов, которые могут быть различены на изображении. Данный выбор диапазона частот определяет или речь идёт о макроскопическом режиме визуализации с разрешением 100—500 мкм и глубиной проникновения> 10 мм, или о мезоскопическом режиме с разрешением 1-50 мкм и глубиной проникновения <10 мм. Микроскопическое разрешение также возможно с использованием мультиспектральной оптоакустики.L.V. Wang, S. Hu, «Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs», Science 335 (2012) 1458—1462. Как и в методе оптической микроскопии, для формирования изображения используется сфокусированный луч света и предложенные возможности принципиально те же (разрешение составляет доли одного микрона, глубина проникновения <1 мм).
На сегодняшний день МСОТ используется в широком диапазоне биологических применений, в том числе в исследовании сердечно-сосудистых заболеваний,A. Taruttis, M. Wildgruber, K. Kosanke, N. Beziere, K. Licha, R. Haag, M. Aichler, A. Walch, E. Rummeny, V. Ntziachristos, «Multispectral optoacoustic tomography of myocardial infarction», Photoacoustics 1 (2013) 3-8.B. Wang, E. Yantsen, T. Larson, A.B. Karpiouk, S. Sethuraman, J.L. Su, K. Sokolov, S.Y. Emelianov, «Plasmonic Intravascular Photoacoustic Imaging for Detection of Macrophages in Atherosclerotic Plaques», Nano Lett. 9 (2009) 2212—2217. нейровизуализации [10-13], а также в исследованиях рака.E. Herzog, A. Taruttis, N. Beziere, A.A. Lutich, D. Razansky, V. Ntziachristos, «Optical Imaging of Cancer Heterogeneity with Multispectral Optoacoustic Tomography», Radiology 263 (2012) 461—468.J. Laufer, P. Johnson, E. Zhang, B. Treeby, B. Cox, B. Pedley, P. Beard, «In vivo preclinical photoacoustic imaging of tumor vasculature development and therapy», J. Biomed. Opt. 17 (2012).Q. Ruan, L. Xi, S.L. Boye, S. Han, Z.J. Chen, W.W. Hauswirth, A.S. Lewin, M.E. Boulton, B.K. Law, W.G. Jiang, H. Jiang, J. Cai, «Development of an anti-angiogenic therapeutic model combining scAAV2-delivered siRNAs and noninvasive photoacoustic imaging of tumor vasculature development», Cancer Lett. 332 (2013) 120—129. Развитие систем визуализации в режиме реального времени с ручными датчикамиA. Buehler, M. Kacprowicz, A. Taruttis, V. Ntziachristos, «Real-time handheld multispectral optoacoustic imaging», Opt. Lett. 38 (2013) 1404—1406. позволило клиническое применения МСОТ для визуализации молочной железы,M. Heijblom, D. Piras, M. Brinkhuis, J.C.G. van Hespen, F.M. van den Engh, M. van der Schaaf, J.M. Klaase, T.G. van Leeuwen, W. Steenbergen, S. Manohar, «Photoacoustic image patterns of breast carcinoma and comparisons with Magnetic Resonance Imaging and vascular stained histopathology», Scientific Reports 5 (2015) 11778.S. Manohar, A. Kharine, J.C.G. van Hespen, W. Steenbergen, T.G. van Leeuwen, «The Twente Photoacoustic Mammoscope: system overview and performance», Phys. Med. Biol. 50 (2005) 2543—2557.S. Manohar, S.E. Vaartjes, J.C.G.v. Hespen, J.M. Klaase, F.M.v.d. Engh, W. Steenbergen, T.G.v. Leeuwen, «Initial results of in vivo non-invasive cancer imaging in the human breast using near-infrared photoacoustics», Opt. Express 15 (2007) 12277-12285. сосудов,A. Taruttis, A.C. Timmermans, P.C. Wouters, M. Kacprowicz, G.M. van Dam, V. Ntziachristos, «Optoacoustic Imaging of Human Vasculature: Feasibility by Using a Handheld Probe», Radiology (2016) 152160.H.F. Zhang, K. Maslov, M.L. Li, G. Stoica, L.H.V. Wang, «In vivo volumetric imaging of subcutaneous microvasculature by photoacoustic microscopy», Opt. Express 14 (2006) 9317-9323. лимфатических узловI. Stoffels, S. Morscher, I. Helfrich, U. Hillen, J. Lehy, N.C. Burton, T.C.P. Sardella, J. Claussen, T.D. Poeppel, H.S. Bachmann, A. Roesch, K. Griewank, D. Schadendorf, M. Gunzer, J. Klode, «Metastatic status of sentinel lymph nodes in melanoma determined noninvasively with multispectral optoacoustic imaging», Science Translational Medicine 7 (2015). и кожных покровов.M. Schwarz, A. Buehler, J. Aguirre, V. Ntziachristos, «Three-dimensional multispectral optoacoustic mesoscopy reveals melanin and blood oxygenation in human skin in vivo», Journal of biophotonics 9 (2016) 55-60.B. Zabihian, J. Weingast, M. Liu, E. Zhang, P. Beard, H. Pehamberger, W. Drexler, B. Hermann, «In vivo dual-modality photoacoustic and optical coherence tomography imaging of human dermatological pathologies», Biomed Opt Express 6 (2015) 3163-3178.
Этимология Мультиспектральная. В основе МСОТ лежит получение изображений на нескольких длинах волн и определение отдельных спектральных характеристик в каждом отображенном вокселе, что делает этот метод мультиспектральным. Как правило, МСОТ используется для генерации трёх изображений: первое анатомическое изображение, полученное при излучении на одной длине волны, второе — функциональное изображение, различающее концентрации окси- и деоксигемолгодина, и третье изображение, различающее дополнительный (-ые) светопоглотитель (-ли). Подобными дополнительными светопоглощающими частицами могут служить меланин, липиды, вода, а также другие эндогенные или экзогенные агенты. Пример типичного МСОТ изображения различающего анатомическую, функциональную и молекулярную информацию показан на Рис. 1.
Оптоакустическая. Этот термин означает сочетание оптической (от греч. oπτικός) и акустических (от греч., ακουστικός) энергии (или компонентов) в одной модальности, что отличает оптоакустичскую визуализацию от оптической. Фотоэхо означает сочетание света (от греч. Φως) и звука (Ήχος или отражения звука/эхо Hχώ). Термин фотоакустика также широко используется, и означает генерацию акустической энергии под действием света. Фотоэхо и фотоакустика по отношению к оптоакустике то же, что фотон в оптике: оптические методы основаны на фотонах, в то время как оптоакустические методы основаны на фотоэхо или фотоакустических сигналах.
Томография. Этот термин означает изображение, полученное путем совмещения первоначальных «сырых» измерений снятых с нескольких точек вокруг образца в рамках математической схемы обратного отображения. Этот процесс аналогичен рентгеновской компьютерной томографии, за исключением того, что томографические математические модели в оптоакустике описывают распространение света и звука в тканях.
Рис.1. Функциональные возможности МСОТ. Двумерное распределение окси- и деокигемоглобина в опухоли (слева). Контрастное оптоакустическое изображение в сочетании с двумерным распределением эксогенного флуоресцентного агента (справа).
Принципы работы