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Erschienen in: Der Radiologe 11/2015

01.11.2015 | Ultraschall | Leitthema

Optoakustische Bildgebung

verfasst von: Dr. M. Fournelle, S. Tretbar

Erschienen in: Die Radiologie | Ausgabe 11/2015

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Zusammenfassung

Klinisches/methodisches Problem

Bildgebende Verfahren spielen eine immer größere Rolle in der modernen medizinischen Diagnostik. Ultraschall ist eine der am weitesten verbreiteten Modalitäten, weist jedoch im Vergleich zu anderen Verfahren einen geringen Weichgewebekontrast auf. Darüber hinaus ist Ultraschall aufgrund der verfügbaren Kontrastmittel nur bedingt als Methode für die molekulare Bildgebung einsetzbar.

Radiologische Standardverfahren

Erweiterungen der konventionellen Sonographie wie z. B. Doppler oder kontrastverstärkter Ultraschall erlauben die kontrastreiche und funktionelle Abbildung der Vaskularisierung. Als Methode für die molekulare Bildgebung bleibt Ultraschall jedoch auf die Gefäße beschränkt.

Methodische Innovationen

Die Optoakustik kombiniert die Vorteile der Optik (hoher Kontrast) mit denen des Ultraschalls (geringe Streuung, hohe Auflösung). Bei dieser Technik werden Signale gemäß der lokalen (stark gewebeabhängigen) optischen Eigenschaften mit hohem Kontrast erzeugt und mit einem akustischen Verfahren ausgelesen.

Leistungsfähigkeit

Die Optoakustik weist den Vorteil der Skalierbarkeit hinsichtlich der Auflösung auf und kann für die komplette Bandbreite von in vivo über präklinisch bis am Patienten eingesetzt werden. Bei Auflösungen im Bereich des klinischen Ultraschalls (100–400 µm) kann Gewebe mit optischem Kontrast über mehrere Zentimeter Tiefe abgebildet werden.

Bewertung

Im Gegensatz zum klassischen Ultraschall ist die Optoakustik für den Einsatz als Verfahren für die molekulare Bildgebung geeignet. Diverse Kontrastmitteltypen wurden ebenso wie verschiedene technische Umsetzungen als Bildgebungssystem bereits präklinisch erprobt. Die Technik steht an der Schwelle zur Anwendung in der Klinik und erste Studien sind bereits angelaufen.

Empfehlung für die Praxis

Erste Studien laufen derzeit zur Diagnose von Brustkrebs, arthritischen Erkrankungen sowie Hautveränderungen.
Literatur
1.
Zurück zum Zitat Bost W, Lemor R, Fournelle M (2014) Optoacoustic imaging of subcutaneous microvasculature with a class one laser. IEEE Trans Med Imag 33(9):1900–1904CrossRef Bost W, Lemor R, Fournelle M (2014) Optoacoustic imaging of subcutaneous microvasculature with a class one laser. IEEE Trans Med Imag 33(9):1900–1904CrossRef
2.
Zurück zum Zitat Buehler A, Dean-Ben XL, Claussen J, Ntziachristos V, Razansky D (2012) Three-dimensional optoacoustic tomography at video rate. Opt Express 20(20):22712–22719CrossRefPubMed Buehler A, Dean-Ben XL, Claussen J, Ntziachristos V, Razansky D (2012) Three-dimensional optoacoustic tomography at video rate. Opt Express 20(20):22712–22719CrossRefPubMed
3.
Zurück zum Zitat Cai X, Li L, Krumholz A, Guo Z, Erpelding TN, Zhang C, Zhang Y, Xia Y, Wang LV (2012) Multiscale molecular photoacoustic tomography of gene expression. Plos One 7(8):e43999CrossRefPubMedPubMedCentral Cai X, Li L, Krumholz A, Guo Z, Erpelding TN, Zhang C, Zhang Y, Xia Y, Wang LV (2012) Multiscale molecular photoacoustic tomography of gene expression. Plos One 7(8):e43999CrossRefPubMedPubMedCentral
4.
Zurück zum Zitat Chang SS, Shih CW, Chen CD, Lai WC, Wang CRC (1999) The shape transition of gold nanorods. Langmuir 15:701–709CrossRef Chang SS, Shih CW, Chen CD, Lai WC, Wang CRC (1999) The shape transition of gold nanorods. Langmuir 15:701–709CrossRef
5.
Zurück zum Zitat Dean-Bean XL, Razansky D (2013) Adding fifth dimension to optoacoustic imaging: volumetric time resolved spectrally enriched tomography. Light Sci Appl 3:e137CrossRef Dean-Bean XL, Razansky D (2013) Adding fifth dimension to optoacoustic imaging: volumetric time resolved spectrally enriched tomography. Light Sci Appl 3:e137CrossRef
6.
Zurück zum Zitat de la Zerda A, Zavaleta C, Keren S, Vaitjilingam S, Bodapati S, Liu Z, Smith BR, Ma TJ, Oralkan O, Cheng Z, Chen X, Dai H, Khuri-Yakub BT, Gambhir SS (2008) Carbon nanotubes as photoacoustic molecular imaging agents in living mice. Nat Nanotechnol 3:557–562CrossRefPubMed de la Zerda A, Zavaleta C, Keren S, Vaitjilingam S, Bodapati S, Liu Z, Smith BR, Ma TJ, Oralkan O, Cheng Z, Chen X, Dai H, Khuri-Yakub BT, Gambhir SS (2008) Carbon nanotubes as photoacoustic molecular imaging agents in living mice. Nat Nanotechnol 3:557–562CrossRefPubMed
7.
Zurück zum Zitat Fournelle M, Bost W, Tarner IH, Lehmberg T, Weiß E, Lemor R, Dinser R (2012) Antitumor necrosis factor-alpha antibody-coupled gold nanorods as nanoprobes for molecular optoacoustic imaging in arthritis. Nanomedicine 8(3):346–354CrossRefPubMed Fournelle M, Bost W, Tarner IH, Lehmberg T, Weiß E, Lemor R, Dinser R (2012) Antitumor necrosis factor-alpha antibody-coupled gold nanorods as nanoprobes for molecular optoacoustic imaging in arthritis. Nanomedicine 8(3):346–354CrossRefPubMed
8.
Zurück zum Zitat Gateau J, Caballero MAA, Dima A, Ntziachristos V (2013) Three-dimensional optoacoustic tomography using a conventional ultrasound linear detector array: whole body tomographic system for small animals. Med Phys 40:01332CrossRef Gateau J, Caballero MAA, Dima A, Ntziachristos V (2013) Three-dimensional optoacoustic tomography using a conventional ultrasound linear detector array: whole body tomographic system for small animals. Med Phys 40:01332CrossRef
10.
Zurück zum Zitat Held G, Preisser S, Akarcay HG, Peeters S, Frenz M, Jaeger M (2014) Effect of irradiation distance on image contrast in epi-optoacoustic imaging of human volunteers. Biomed Opt Express 5(11):3765–3780CrossRefPubMedPubMedCentral Held G, Preisser S, Akarcay HG, Peeters S, Frenz M, Jaeger M (2014) Effect of irradiation distance on image contrast in epi-optoacoustic imaging of human volunteers. Biomed Opt Express 5(11):3765–3780CrossRefPubMedPubMedCentral
11.
Zurück zum Zitat Jaeger M, Schüpbach S, Gertsch A, Kitz M, Frenz M (2007) Fourier reconstruction in optoacoustic imaging using truncated regularized inverse k-space interpolation. Inverse Probl 23:S51–S63CrossRef Jaeger M, Schüpbach S, Gertsch A, Kitz M, Frenz M (2007) Fourier reconstruction in optoacoustic imaging using truncated regularized inverse k-space interpolation. Inverse Probl 23:S51–S63CrossRef
12.
Zurück zum Zitat Kim C, Erpelding TN, Jankovic L, Pashley MD, Wang LV (2010) Deeply penetrating in vivo photoacoustic imaging using a clinical ultrasound array system. Biomed Opt Express 1(1):278–274CrossRefPubMedPubMedCentral Kim C, Erpelding TN, Jankovic L, Pashley MD, Wang LV (2010) Deeply penetrating in vivo photoacoustic imaging using a clinical ultrasound array system. Biomed Opt Express 1(1):278–274CrossRefPubMedPubMedCentral
13.
Zurück zum Zitat Kim G, Huang SW, Day KC, O’Donnel M, Agayan RR, Day MA, Kopelman R, Ashkenazi S (2007) Indocyanine-green-embedded pebbles as contrast agent for photoacoustic imaging. J Biomed Opt 12(4):044020CrossRefPubMed Kim G, Huang SW, Day KC, O’Donnel M, Agayan RR, Day MA, Kopelman R, Ashkenazi S (2007) Indocyanine-green-embedded pebbles as contrast agent for photoacoustic imaging. J Biomed Opt 12(4):044020CrossRefPubMed
14.
15.
Zurück zum Zitat Li ML, Wang JC, Schwartz JA, Gill-Sharp KL, Stoica G, Wang LV (2009) In-vivo photoacoustic microscopy of nanoshell extravasation from solid tumor vasculature. J Biomed Opt 14(1):01057 Li ML, Wang JC, Schwartz JA, Gill-Sharp KL, Stoica G, Wang LV (2009) In-vivo photoacoustic microscopy of nanoshell extravasation from solid tumor vasculature. J Biomed Opt 14(1):01057
16.
Zurück zum Zitat Li ML, Zhang HF, Maslo K, Stoica G, Wang LV (2006) Improved in vivo photoacoustic microscopy based on a virtual detector concept. Opt Lett 31(4):474–476CrossRefPubMed Li ML, Zhang HF, Maslo K, Stoica G, Wang LV (2006) Improved in vivo photoacoustic microscopy based on a virtual detector concept. Opt Lett 31(4):474–476CrossRefPubMed
17.
Zurück zum Zitat Li PC, Wang CRC, Shieh DB, Liao CK, Poe C, Jhan S, Ding AA, Wu AN (2008) In vivo photoacoustic molecular imaging with simultaneous multiple selective targeting using antibody- conjugated gold nanorods. Opt Express 16(23):18605–18615CrossRefPubMed Li PC, Wang CRC, Shieh DB, Liao CK, Poe C, Jhan S, Ding AA, Wu AN (2008) In vivo photoacoustic molecular imaging with simultaneous multiple selective targeting using antibody- conjugated gold nanorods. Opt Express 16(23):18605–18615CrossRefPubMed
18.
Zurück zum Zitat Maeda H, Wu J, Sawa T, Matsumura Y, Hori K (2000) Tumor vascular permeability and the EPR effect in macromolecular therapeutics: a review. J Control Release 65:271–284CrossRefPubMed Maeda H, Wu J, Sawa T, Matsumura Y, Hori K (2000) Tumor vascular permeability and the EPR effect in macromolecular therapeutics: a review. J Control Release 65:271–284CrossRefPubMed
19.
Zurück zum Zitat Manohar S, Vaartjes SE, van Hesoen JCG, Klaase JM, van den Engh FM, Steenbergen W, van Leeuwen TG (2007) Initial results of in vivo non invasive cancer imaging in the human breast using near-infrared Photoacoustics. Opt Express 15(19):12277–12285CrossRefPubMed Manohar S, Vaartjes SE, van Hesoen JCG, Klaase JM, van den Engh FM, Steenbergen W, van Leeuwen TG (2007) Initial results of in vivo non invasive cancer imaging in the human breast using near-infrared Photoacoustics. Opt Express 15(19):12277–12285CrossRefPubMed
20.
Zurück zum Zitat Pierrat S, Zins A, Breivogel A, Sönnichsen C (2007) Self-assembly of small gold colloids with functionalized gold nanorods. Nano Lett 7(2):259–263CrossRefPubMed Pierrat S, Zins A, Breivogel A, Sönnichsen C (2007) Self-assembly of small gold colloids with functionalized gold nanorods. Nano Lett 7(2):259–263CrossRefPubMed
21.
Zurück zum Zitat Pleitez MA, Lieblein T, Bauer A, Hertzberg O, von Lilienfeld-Toal H, Mäntele W (2013) Windowless ultrasound photoacoustic cell for in vivo mid IR spectroscopy of human epidermis. Rev Sci Instrum 84:084901CrossRefPubMed Pleitez MA, Lieblein T, Bauer A, Hertzberg O, von Lilienfeld-Toal H, Mäntele W (2013) Windowless ultrasound photoacoustic cell for in vivo mid IR spectroscopy of human epidermis. Rev Sci Instrum 84:084901CrossRefPubMed
22.
Zurück zum Zitat Razansky D, Venogoni C, Ntziachristos V (2007) Multispectral photoacoustic imaging of fluorochromes in small animals. Opt Lett 32:2891–2893CrossRefPubMed Razansky D, Venogoni C, Ntziachristos V (2007) Multispectral photoacoustic imaging of fluorochromes in small animals. Opt Lett 32:2891–2893CrossRefPubMed
23.
Zurück zum Zitat Stantz K, Liu B, Cao M, Reinecke DR, Miller K, Kruger RA (2006) Photoacoustic spectroscopic imaging of intra-tumor heterogeneity and molecular identification. Photons Plus Ultrasound 6086. doi:10.1117/12.645106 Stantz K, Liu B, Cao M, Reinecke DR, Miller K, Kruger RA (2006) Photoacoustic spectroscopic imaging of intra-tumor heterogeneity and molecular identification. Photons Plus Ultrasound 6086. doi:10.1117/12.645106
24.
25.
Zurück zum Zitat Wang X, Chamberland DL, Jamadar DA (2007) Noninvasive photoacoustic tomography of human peripheral joints towards diagnosis of inflammatory arthritis. Opt Lett 32(20):3002–3004CrossRefPubMed Wang X, Chamberland DL, Jamadar DA (2007) Noninvasive photoacoustic tomography of human peripheral joints towards diagnosis of inflammatory arthritis. Opt Lett 32(20):3002–3004CrossRefPubMed
26.
Zurück zum Zitat Wang X, Ku G, Wegiel MA, Bornhop DJ, Stoica G, Wang LV (2004) Noninvasive photoacoustic angiography of animal brains in vivo with near infrared light and an optical contract agent. Opt Lett 29:730–732CrossRefPubMed Wang X, Ku G, Wegiel MA, Bornhop DJ, Stoica G, Wang LV (2004) Noninvasive photoacoustic angiography of animal brains in vivo with near infrared light and an optical contract agent. Opt Lett 29:730–732CrossRefPubMed
27.
Zurück zum Zitat Weidner N, Semple JP, Welch WR, Folkman (1991) Tumor angiogenesis and metastasis – correlation in invasive breast carcinoma. N Eng J Med 324(1):1–8CrossRef Weidner N, Semple JP, Welch WR, Folkman (1991) Tumor angiogenesis and metastasis – correlation in invasive breast carcinoma. N Eng J Med 324(1):1–8CrossRef
28.
Zurück zum Zitat West JL, Halas NJ (2003) Engineered nanomaterials for biophotonic application: Improving sensing, imaging and therapeutics. Annu Rec Biomed Eng 5:285–292CrossRef West JL, Halas NJ (2003) Engineered nanomaterials for biophotonic application: Improving sensing, imaging and therapeutics. Annu Rec Biomed Eng 5:285–292CrossRef
29.
Zurück zum Zitat Zhang C, Maslov K, Wang LV (2010) Subwavelength-resolution label-free photoacoustic microscopy of optical absorption in vivo. Opt Lett 35(19):3195–3197CrossRefPubMedPubMedCentral Zhang C, Maslov K, Wang LV (2010) Subwavelength-resolution label-free photoacoustic microscopy of optical absorption in vivo. Opt Lett 35(19):3195–3197CrossRefPubMedPubMedCentral
30.
Zurück zum Zitat Zhang E, Povazay B, Laufer J, Alex A, Hofer B, Pedley B, Glittenberg C, Treeby B, Cox B, Beard P, Drexler W (2011) Multimodal photoacoustic and optical coherence tomography scanner using an all optical detection scheme for 3D morphological skin imaging. Biomed Opt Express 2(8):2202–2215CrossRefPubMedPubMedCentral Zhang E, Povazay B, Laufer J, Alex A, Hofer B, Pedley B, Glittenberg C, Treeby B, Cox B, Beard P, Drexler W (2011) Multimodal photoacoustic and optical coherence tomography scanner using an all optical detection scheme for 3D morphological skin imaging. Biomed Opt Express 2(8):2202–2215CrossRefPubMedPubMedCentral
Metadaten
Titel
Optoakustische Bildgebung
verfasst von
Dr. M. Fournelle
S. Tretbar
Publikationsdatum
01.11.2015
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Erschienen in
Die Radiologie / Ausgabe 11/2015
Print ISSN: 2731-7048
Elektronische ISSN: 2731-7056
DOI
https://doi.org/10.1007/s00117-015-0024-3

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