In vivo photoacoustic microscopy of human subcutaneous vasculature : design and validation of a pressure ring device

The imaging of the vasculature provides a powerful tool for studying the vasculature development and assessing structural features of blood vessels. A potential non-invasive imaging modality is photoacoustic (PA) imaging, a new biomedical imaging modality. It consists in imaging of the internal distribution of optical energy deposition in biological tissues based on the detection of laser-induced ultrasonic waves, which reveals physiologically specific optical absorption contrast. PA imaging allows to visualize anatomical features that contain haemoglobin, deoxyhaemoglobin, melanin, lipids and water, which absorb light. In this work, photoacoustic microscopy (PAM) was used to image the structure of vasculature and also to evaluate how this kind of acquisition is modified by the application of an external pressure on the target region. A pressure device was designed and manufactured to apply an external mechanical pressure to the investigated region. Firstly, we imaged the structure of subcutaneous vasculature in the human wrist with PAM in absence of pressure. Then we performed PAM experiments on the same area when an external pressure was applied. We chose 532 nm laser light, which is an isosbestic wavelength for haemoglobin and deoxyhaemoglobin. Finally, the effects generated by the external pressure were assessed in terms of changes of flow rate and blood volume, by measuring changes in the amplitude of the PA signal. The results of this work show that the response of the blood vessels to the pressure application is heterogeneous. When the pressure is applied, blood volume and blood flow progressively decrease for certain vessels while increase for others. The former effect implies an enhancement of the final image, since the shape of the blood vessels is shown with a better definition. A limit of this work is in the lack of any distinction between the arteriolar and the venular compartments. So, beyond this preliminary validation, PAM could be used to estimate the relative concentration of haemoglobin and deoxyhaemoglobin in blood vessels in absence of external pressure and when the pressure is applied. Such estimations would provide further information about microvasculature organization and oxygenation in healthy skin and in growing tumor.

L'imaging della rete di vasi sanguigni rappresenta uno strumento essenziale per lo studio dello sviluppo della vascolarizzazione e della struttura dei vasi. Una potenziale tecnica di imaging non invasivo è l'imaging fotoacustico, sviluppatosi nell'ultima decade. Tale imaging sfrutta l'effetto fotoacustico: una sorgente di luce illumina il corpo in esame; molecole dette cromofori, come emoglobina, melanina,lipidi e acqua, assorbono l'energia luminosa, andando incontro ad un'espansione termica; a seguito del successivo rilassamento, vengono generate onde pressorie. L'imaging fotoacustico consente la visualizzazione di strutture anatomiche che contengano un elevato numero di molecole che assorbono la luce. Nel presente lavoro, la microscopia fotoacustica (Photoacoustic Microscopy PAM) è stata utilizzata per visualizzare la struttura dei vasi sanguigni e per valutare in che modo i risultati di questo tipo di imaging siano alterati dall'applicazione di una pressione esterna sulla zona esaminata. Un dispositivo di pressione è stato progettato e realizzato per esercitare una pressione esterna attorno all'area di interesse, attraverso un anello. La prima scansione è stata effettuata in assenza di una pressione esterna sul target. Durante le quattro successive scansioni, il target è stato sottoposto a 7 kN, 15 kN, 20 kN e 25 kN. Per effettuare l' imaging della rete di vasi sanguigni, è stata scelta un laser con una lunghezza d'onda di 532 nm, un punto isosbestico per emoglobina e deossiemoglobina. Dopo un iniziale post-processing dei dati, finalizzato a rimuovere il segnale fotoacustico generato dallo strato di pelle, i dati ottenuti sono stati ulteriormente elaborati. In particolare, l'effetto che la pressione esterna ha generato sui vasi sanguigni è stato valutato in termini di variazioni del volume di sangue e del diametro dei vasi, misurando le variazioni dell'ampiezza del segnale fotoacustico. I risultati mostrano che la risposta dei vasi alla pressione esterna può essere divisa in due gruppi. Per alcuni vasi la pressione ha generato una diminuzione del volume di sangue; per altri vasi, invece, il volume è aumentato. Quest'ultimo effetto comporta un significativo miglioramento della qualità dell'immagine. Un limite presentato da questo lavoro è la mancanza di distinzione tra fronte venoso e arterioso. In studi futuri, la PAM potrebbe essere usata per stimare la concentrazione relativa di emoglobina e deossiemoglobina. Tale stima fornirebbe ulteriori informazioni sull'organizzazione della vascolarizzazione e sull'ossigenazione nel tessuto sano e in quello tumorale.