Summary
È stato dimostrato un sistema di tomografia fotoacustica a diodi laser pulsato compatto (PLD-PAT) per l'imaging dinamico in vivo ad alta velocità di piccoli vascolarizzazione corticale animale.
Abstract
La tomografia fotoacustica (PA) Imaging (PAT) è una modalità di imaging biomedicale emergente utile in varie applicazioni precliniche e cliniche. I trasduttori a base di anelli circolari su misura e i tradizionali laser Nd: YAG/OPO ingombranti inibiscono la traduzione del sistema PAT alle cliniche. I diodi laser pulsati ultra-compatti (PLD) sono attualmente utilizzati come fonte alternativa di eccitazione Near-Infrared per l'imaging PA. L'imaging dinamico in vivo ad alta velocità è stato dimostrato utilizzando un sistema desktop PAT compatto basato su PLD (PLD-PAT). Un protocollo sperimentale visualizzato utilizzando il sistema PLD-PAT desktop è fornito in questo lavoro per l'imaging cerebrale dinamico in vivo. Il protocollo descrive la configurazione del sistema PLD-Pat del desktop, la preparazione di animali per l'imaging vascolare cerebrale e la procedura per la visualizzazione dinamica dell'assorbimento e del processo di clearance del colorante di indocianina Green (ICG) nella vascolarizzazione corticale del ratto.
Introduction
La tomografia computerizzata fotoacustica (PACT/Pat) è una promettente modalità di imaging biomedico non invasiva che combina un ricco contrasto ottico con alta risoluzione ultrasond1,2,3,4, 5. quando un nanosecondo pulsato laser deposita energia su croofori luce assorbente presenti all'interno di qualsiasi tessuto biologico, aumenti di temperatura locale che conduce all'espansione termoelastica e contrazione del tessuto, conseguente generazione di le onde di pressione. Queste onde di pressione sono conosciute come onde ultrasoniche o onde fotoacustiche (PA), che possono essere rilevate da trasduttori a ultrasuoni intorno al campione. I segnali PA rilevati vengono ricostruiti utilizzando vari algoritmi di ricostruzione6,7,8,9 per generare immagini PA in sezione trasversale. L'imaging PA fornisce informazioni strutturali e funzionali da organi macroscopici a organelli microscopici a causa della dipendenza dalla lunghezza d'onda dei chromofori endogeni presenti all'interno del corpo10. L'imaging PAT è stato utilizzato con successo per il rilevamento del cancro al seno1, l'imaging del linfonodo Sentinel11, la mappatura dell'ossiemoglobina (HBO2), la deossiemoglobina (HBR), la concentrazione totale di emoglobina (HBT), la saturazione di ossigeno (so 2) la 12 anni di , 13, angiogenesi tumorale14, piccolo animale intero corpo Imaging15, e altre applicazioni.
I laser Nd: YAG/OPO sono fonti di eccitazione convenzionali per sistemi PAT di prima generazione che sono ampiamente utilizzati nella comunità fotoacustica per l'imaging di piccoli animali e l'imaging dei tessuti profondi16. Questi laser forniscono ~ 100 impulsi di energia mJ a bassi tassi di ripetizione di ~ 10-100 Hz. I sistemi di imaging PAT che utilizzano questi laser costosi e ingombranti non sono adatti per l'imaging ad alta velocità con trasduttori a ultrasuoni monoelemento (SUTs), a causa della velocità di ripetizione dell'impulso limitata. Questo inibisce il monitoraggio in tempo reale dei cambiamenti fisiologici che si verificano a velocità elevate all'interno dell'animale. Utilizzando trasduttori basati su array come matrici lineari, semicircolari, circolari e volumetriche con eccitazione laser Nd: YAG, è possibile l'imaging ad alta velocità. Tuttavia, questi trasduttori array sono costosi e forniscono sensibilità inferiori rispetto ai SUT; Tuttavia, la velocità di imaging è limitata dal basso tasso di ripetizione del laser. I sistemi PACT a singolo impulso all'avanguardia con trasduttore array full-ring personalizzato ottengono i dati PA a 50 Hz frame rate17. Questi trasduttori di array necessitano di un'elettronica di ricezione back-end complessa e di amplificatori di segnale, rendendo il sistema complessivo più costoso e difficile per l'uso clinico.
Le loro dimensioni compatte, i requisiti di costo più bassi e la frequenza di ripetizione degli impulsi (ordine di KHz) rendono i diodi laser pulsati (PLD) più promettenti per l'imaging in tempo reale. Grazie a questi vantaggi, i PLD vengono utilizzati attivamente come fonte di eccitazione alternativa nei sistemi PAT di seconda generazione. I sistemi Pat basati su PLD sono stati dimostrati con successo per l'imaging ad alta frequenza con trasduttori di array18, deep-tissue e imaging cerebrale19,20,21, diagnosi di malattia cardiovascolare22 e la diagnosi di reumatologia23. Poiché i SUT sono molto sensibili e meno costosi rispetto ai trasduttori di array, sono ancora ampiamente utilizzati per l'imaging PAT. Il sistema PLD a base di fibre è stato dimostrato per l'imaging Phantom24. Un sistema PLD-PAT portatile è stato dimostrato in precedenza montando il PLD all'interno dello scanner PAT25. Con uno scanner circolare SUT, l'imaging fantasma è stato eseguito durante 3 s di tempo di scansione e l'imaging cerebrale del ratto in vivo è stato eseguito durante un periodo di 5 s utilizzando questo sistema PLD-PAT19.
Inoltre, sono stati apportati miglioramenti a questo sistema PLD-Pat per renderlo più compatto e creare un modello desktop utilizzando otto trasduttori a ultrasuoni a singolo elemento basati su riflettore acustico (sutrs)26,27. Qui, SUTs sono stati collocati in una verticale invece di direzione orizzontale con l'ausilio di un riflettore acustico 90° 28. Questo sistema può essere impiegato per i tempi di scansione fino a 0,5 s e ~ 3 cm di profondità nell'imaging tissutale e nell'imaging cerebrale di piccoli animali in vivo. In questo lavoro, questo sistema PLD-Pat desktop viene utilizzato per fornire la dimostrazione visiva di esperimenti per l'imaging cerebrale in vivo in piccoli animali e per la visualizzazione dinamica del processo di assorbimento e di clearance di indocianina approvata dalla FDA (Food and Drug Administration) colorante verde (ICG) nei cervelli di ratto.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Tutti gli esperimenti sugli animali sono stati eseguiti secondo le linee guida e i regolamenti approvati dal Comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali dell'Università tecnologica di Nanyang, Singapore (Animal Protocol number ARF-SBS/NIE-A0331).
1. Descrizione del sistema
- Montare il laser PLD nello scanner circolare e montare il diffusore ottico (OD) davanti alla finestra di uscita PLD per rendere omogeneo il fascio di uscita, come mostrato nella Figura 1a. Collegare il PLD all'unità driver laser (LDU).
Nota: il PLD genera impulsi di lunghezza d'onda di ~ 816 Nm, impulsi di ~ 107 NS di durata e fino a un tasso di ripetizione di 2 KHz con un'energia impulsiva massima di ~ 3,4 mJ. L'LDU è costituito da chiller, alimentazione a 12 V, alimentatore ad alta tensione variabile per controllare la potenza del laser e generatore di funzioni per modificare la frequenza di ripetizione dell'impulso. - Montare tutti gli otto SUTRs su ogni supporto SUTR uno per uno in modo che la superficie di ciascun riflettore acustico faccia verso il centro dell'area di scansione, come mostrato nella Figura 1B. Collegare ogni cavo SUTR all'amplificatore di segnale a basso rumore con l'ausilio di cavi di collegamento.
Nota: la frequenza centrale del trasduttore a ultrasuoni è di 5 MHz e ha un'area attiva di 13 mm di diametro. Due amplificatori ciascuno del guadagno di 24 dB sono collegati in serie per ogni canale. - Accendere l'alimentazione del refrigeratore, quindi accendere l'interruttore del refrigeratore per impostare la temperatura tra 20 ° c e 25 ° c.
- Accendere l'alimentazione dell'alimentazione a bassa tensione e ruotare lentamente il controllo corrente per impostare il limite di corrente a 0,3 A. impostare la tensione a 12 V. Verificare che la corrente non superi 0,1 A.
- Accendere l'alimentazione dell'alimentatore ad alta tensione. Premere il tasto "preset" e impostare la corrente su 1 a e la tensione a 0 V. attivare il pulsante "output": 0 V/0 A.
- Accendere l'alimentazione del generatore di funzioni. Premere il pulsante "Recall" e scegliere una configurazione di 2 KHz per generare gli impulsi laser a questa velocità di ripetizione.
- Posizionare il serbatoio acrilico all'interno dello scanner come mostrato nella Figura 1a e riempire il serbatoio con acqua in modo che la superficie di rilevamento dei sutrs sia immersa completamente all'interno dell'acqua.
- Assicurarsi che tutti i SUTRs rilevando le superfici siano all'interno del mezzo d'acqua. Accendere l'alimentazione dell'amplificatore del segnale a basso rumore.
2. preparazione animale per l'imaging cerebrale del ratto
Nota: ratti femminili sani (vedere tabella dei materiali) sono stati utilizzati per dimostrare il sistema PLD-Pat desktop sopra descritto per l'imaging di piccoli vascolarizzazione corticale animale.
- Tenere l'animale sulla schiena arrestando il movimento della testa e del corpo. Anestetizzare l'animale mediante iniezione intraperitoneale di una miscela di 2 ml di chetamina (100 mg/ml), 2 ml di xilazina (20 mg/ml) e 1 ml di soluzione salina (dosaggio di 0,2 ml/100 g).
Nota: dopo l'iniezione, la punta dell'animale viene pizzicato per testare eventuali riflessi positivi come movimenti della gamba o del corpo, vocalizzazione o aumenti marcati delle respirazioni. L'assenza di tali azioni riflesse conferma l'anestetizzazione di successo dell'animale. - Per prevenire la secchezza dovuta all'anestesia e all'illuminazione laser, applicare con molta attenzione l'unguento a strappo artificiale agli occhi del ratto. Posizionare l'animale in posizione prona sul banco di lavoro e rimuovere la pelliccia sul cuoio capelluto dell'animale utilizzando un trimmer per capelli e applicare delicatamente la crema per la depilazione alla zona rasata e rimuovere completamente la pelliccia.
- Dopo 4 – 5 min, rimuovere la crema applicata con un batuffolo di cotone.
- Montare il supporto per animali su misura (Vedi tabella dei materiali) dotato di maschera respiratoria (Vedi tabella dei materiali) su un jack da laboratorio.
- Collocare l'animale in posizione prona sul supporto in modo che la testa poggi sulla piattaforma orizzontale del supporto. Utilizzare nastro chirurgico per fissare l'animale al supporto.
- Assicurarsi che la maschera di respirazione copre il naso e la bocca del ratto per fornire miscela di anestesia. La maschera di respirazione è personalizzata per adattarsi alla finestra di imaging. il 10% del cono nasale disponibile in commercio viene tagliato e poi collegato ad un pezzo di guanto.
- Collegare la maschera respiratoria alla macchina per anestesia prima di accenderlo.
- Accendere la macchina per anestesia e impostarla per consegnare una miscela anestetico contenente 1,0 L/min di ossigeno con 0,75% di isoflurano alla maschera di respirazione animale.
- Serrare il pulsossimetro a una delle zampe posteriori dell'animale per monitorarne la condizione fisiologica.
- Applicare uno strato di gel ultrasonico incolore al cuoio capelluto del ratto utilizzando un applicatore a punta di cotone. Regolare la posizione del Jack Lab al centro dello scanner e regolare manualmente l'altezza del Jack da laboratorio in modo che il piano di imaging sia al centro del riflettore acustico.
3. Imaging dinamico in vivo dell'assorbimento e del processo di clearance di ICG nel cervello del ratto
- Impostare i parametri nel software di acquisizione dati (vedere tabella dei materiali) per una scansione di acquisizione di 360 °.
- Attivare l'emissione laser PLD abilitando l'uscita del generatore di funzione (l'emissione del laser inizierà). Quindi, aumentare lentamente la tensione dell'alimentazione variabile ad alta tensione a 120 V per l'energia massima per impulso.
- Eseguire il software di acquisizione dati (vedere la tabella dei materiali) programma per ruotare tutti gli otto sutrs in 360 ° su un tempo di scansione di 4 s.
Nota: ad esempio, se i SUTRs vengono ruotati per 4S, il PLD eroga impulsi 8.000 (= 4 x 2.000) e ogni SUTR raccoglie 8000 linee A. Queste 8.000 A-Lines sono ridotte a 400 con una media di oltre 20 segnali (dopo la media A-Lines = 8000/20 = 400). Per scoprire il raggio di scansione di ogni SUTR, viene utilizzato un programma di ricostruzione basato su un algoritmo di proiezione posteriore con ritardo e somma. - Disabilitare l'uscita del generatore di funzioni per disattivare l'emissione laser.
- Utilizzando l'algoritmo di ricostruzione nel software di elaborazione dei dati (vedere la tabella dei materiali) scoprire il raggio di scansione di tutti gli otto sutrs per prova-ed-errore, utilizzando l'algoritmo di back-proiezione.
- Impostare i parametri nel software di acquisizione dati (vedere tabella dei materiali) per l'acquisizione di 45 ° su un tempo di scansione di 0,5 s.
Nota: ad esempio, se i sutr vengono ruotati per 0.5 s, il PLD eroga impulsi 1.000 (= 0,5 x 2.000) e ogni SUTR raccoglie 1000 linee A. Queste 1.000 A-Lines sono ridotte a 400 con una media di oltre 20 segnali (dopo la media delle linee A = 1000/20 = 50). - Attivare l'uscita del generatore di funzione per attivare l'emissione laser.
- Eseguire il software di acquisizione dati (vedere tabella dei materiali) programma per ruotare tutti gli otto sutrs in 45 ° per ottenere i dati di controllo iniziali prima di somministrare ICG.
- Disabilitare l'uscita del generatore di funzioni per disattivare l'emissione laser.
- Identificare la vena di coda dell'animale e iniettare 0,3 mL di ICG (vedere tabella dei materiali) (323 μm) nella vena di coda del ratto.
4.
Nota: 1,25 mg di polvere di ICG è stato pesato utilizzando una macchina di micropesata e mescolato con 5 mL di acqua distillata per ottenere una concentrazione di 323 μM per la soluzione ICG.
- Attivare l'uscita del generatore di funzione per attivare l'emissione laser.
- Eseguire il software di acquisizione dati (vedere tabella dei materiali) programma per acquisire linee a su un tempo di scansione 0,5 s in 45 ° rotazione.
5.
Nota: le linee A acquisite durante un tempo di scansione di 0,5 s vengono utilizzate per generare un'immagine in sezione trasversale. C'è spazio di tempo di ~ 0.4 – 0.6 s tra ogni scansione.
- Una volta terminata l'acquisizione dei dati, utilizzando l'algoritmo di back-projection nel software di elaborazione dati (vedere la tabella dei materiali), ricostruire l'immagine cerebrale della sezione trasversale dalle linee A salvate.
- Spegnere il laser e poi spegnere macchina per anestesia, abbassare il laboratorio-Jack e rimuovere l'animale dal palco. Riportare l'animale alla gabbia e monitorare fino a quando non riprende coscienza.
Figura 1: schema del sistema PLD-Pat del desktop. (A) schema del desktop PLD-Pat impostato. PLD: diodo laser pulsato, OD: diffusore ottico, SUTR: trasduttore a ultrasuoni monoelemento a riflettore acustico, AM: macchina per anestesia, CSP: piastra di scansione circolare, SM: motore stepper, LDU: unità di guida laser, AMP: amplificatore, DAQ: scheda di acquisizione dati. (B) disposizione circolare di otto sutr attorno al centro di scansione. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Il potenziale del sistema PLD-PAT del desktop descritto per l'imaging cerebrale dinamico in vivo è stato presentato in questo protocollo con i risultati corrispondenti. La capacità di imaging ad alta velocità del sistema PLD-PAT per desktop è stata dimostrata eseguendo l'imaging cerebrale in vivo di ratti femminili sani. I segnali PA sono stati raccolti utilizzando otto SUTRs rotanti in 360 ° e 45 ° intorno al cervello del ratto a velocità di scansione di 4 s e 0,5 s, rispettivamente. Figura 2a, B Mostra le immagini cerebrali di un ratto femmina (98 g) a velocità di scansione di 4 s e 0,5 s, rispettivamente. Il seno sagittale (SS) e il seno trasversale (TS) sono chiaramente visibili in entrambe le immagini. Figura 2C , D Mostra le fotografie del cervello del ratto prima e dopo aver rimosso il cuoio capelluto sopra la zona del cervello, rispettivamente. L'imaging PAT è stato fatto in modo non invasivo con la pelle intatta e il cranio.
Figura 2: immagini PLD-Pat non invasive in vivo per desktop. Immagini in vivo di vascolarizzazione corticale ai tempi di scansione di (a) 4 s e (B) 0,5 s. SS: seno sagittale, TS: seno trasversale. (C) e (D) sono fotografie del cervello del ratto prima e dopo la rimozione del cuoio capelluto, rispettivamente. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.
Prima di iniettare ICG nella vena di coda dello stesso ratto, i dati di controllo sono stati acquisiti. Dopo aver iniettato ICG, i dati PA sono stati acquisiti ininterrottamente per i primi 5 minuti con un tempo di scansione 0,5. Poi, dati PA è stato acquisito a ~ 2-3 intervalli min con 0,5 s scansione volte ciascuno per il prossimo 15-20 min. Figura 3 Mostra la trama che rappresenta gli aumenti in media segnale PA nel seno sagittale (SS) a causa di aumenti di assorbimento ottico da icg a 816 Nm lunghezze d'onda e, successivamente, diminuisce nel tempo.
Figura 3: farmacocinetica di ICG. Farmacocinetica di ICG che mostra il processo di assorbimento e di clearance. La freccia rossa indica l'ora di iniezione di ICG nella vena di coda. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Questo lavoro presenta un protocollo per utilizzare un sistema PLD-PAT desktop per condurre esperimenti su piccoli animali come ratti per l'imaging cerebrale in vivo e il processo dinamico di assorbimento rapido e di clearance di agenti di contrasto come ICG. I sistemi OPO-PAT ingombranti e costosi prendono alcuni minuti (2-5 min) per acquisire un'unica immagine in vivo in sezione trasversale. Un sistema PLD-PAT portatile di prima generazione, compatto, a basso costo, fornisce singole immagini in vivo a sezione trasversale in 5 s. Al contrario, un sistema PLD-PAT desktop ad alta velocità, compatto e a basso costo rende un'immagine in vivo 2D di alta qualità in soli 0,5 s26. Qui, lo stesso sistema PLD-PAT desktop è stato dimostrato per l'imaging cerebrale dinamico in vivo veloce. Utilizzando questo sistema, il monitoraggio continuo di fenomeni fisiologici in rapida evoluzione viene eseguito all'interno di piccoli animali per un rapido aumento e caduta dei segnali PA a causa dell'assorbimento e dei processi di clearance dell'ICG. Tuttavia, le PLD presentano alcune limitazioni, come la generazione di lunghezze d'onda singole, che proibisce l'imaging funzionale. Inoltre, è necessaria un'illuminazione a più lunghezze d'onda per acquisire le informazioni funzionali. Inoltre, la profondità dell'imaging è limitata a causa di una bassa energia per impulso di PLD, che può essere aggirata utilizzando agenti di contrasto Fotoacustici esogeni per migliorare la profondità dell'imaging.
Durante lo svolgimento degli esperimenti utilizzando il sistema PLD-PAT per desktop, è necessario adottare alcune precauzioni: (a) a causa del profilo del fascio non uniforme del laser PLD, un diffusore ottico deve essere utilizzato nella finestra di uscita laser, (b) dovrebbe essere assicurato che il fascio laser PLD è al centro di scansione e che tutti i sutr sono rivolti verso il centro dello scanner PAT, (c) si deve prestare attenzione durante l'iniezione di anestesia in modo che gli organi circostanti come la vescica urinaria, i reni e l'intestino non sono influenzati, (d) una quantità adeguata di miscela di anestesia deve essere iniettato in base al peso dell'animale, (e) durante la procedura di taglio dei capelli sulla testa animale, graffi sul cuoio capelluto deve essere evitato, e (f) deve essere assicurato che il piano di imaging del cervello del ratto è al centro del senso c riflettore dei SUTRs. La risoluzione dei problemi può essere necessaria se la qualità dell'immagine è bassa. Le principali applicazioni di questo sistema includono l'imaging a frame rate elevato (1 fotogramma in 0,5 s), l'imaging del tumore del cervello animale piccolo, l'imaging tumorale sottocutaneo e l'indagine sui biomateriali per potenziali agenti di contrasto PA e applicazioni terapeutiche.
Il limite massimo di sicurezza dell'esposizione ammissibile (MPE) per l'imaging in vivo è regolato dalle norme di sicurezza laser dell'American National Standards Institute (ANSI)29. Queste limitazioni di sicurezza dipendono dalla larghezza dell'impulso laser, dall'area di illuminazione, dal tempo di esposizione e dalla lunghezza d'onda dell'illuminazione, nonché da diversi altri fattori. Una gamma di lunghezze d'onda superiore a 700-1050 Nm e una densità di energia massima per impulso sulla superficie cutanea non devono superare i 20 x 102 (λ-700)/1.000 MJ/cm2, dove λ (in Nm) è la lunghezza d'onda di illuminazione. Quindi, il limite di sicurezza MPE a una lunghezza d'onda di 816 nm del laser PLD utilizzato è ~ 34,12 mJ/cm2. Per l'illuminazione continua del laser in un periodo di t = 0,5 s, il limite di sicurezza MPE diventa 1,1 x 102 (λ-700)/1000 × t0,25 J/cm2 (= 1,58 J/cm2). La frequenza di ripetizione degli impulsi del PLD è stata mantenuta a 2.000 Hz in tutti gli esperimenti. Nel corso di un tempo di scansione di 0,5 s, un totale di 1.000 (0,5 x 2.000) impulsi sono stati consegnati al campione. Ciò implica che per impulso, il MPE era 1,58 mJ/cm2. Il sistema PLD-PAT desktop offre un'energia per impulso di ~ 3,4 mJ. La densità di energia del laser è stata mantenuta a ~ 0,17 mJ/cm2 sulla zona del cervello come il fascio laser espanso su un ~ 20 cm2 area. Questa densità di energia laser era ben al di sotto del limite di sicurezza ANSI per un periodo di 0,5 s. Riducendo la frequenza di ripetizione degli impulsi, riducendo la potenza del laser o espandendo il raggio laser, è possibile modificare il limite di sicurezza laser ANSI per il sistema PLD-PAT del desktop.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Gli autori non hanno interessi finanziari rilevanti o potenziali conflitti di interesse da divulgare.
Acknowledgments
La ricerca è sostenuta dal Consiglio nazionale della ricerca medica del Ministero della salute di Singapore (NMRC/OFIRG/0,005/2016: M4062012). Gli autori vorrebbero ringraziare il signor Chow Wai Hoong Bobby per il supporto del reparto macchine.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 12 V power supply | Voltcraft | PPS-11810 | To supply operating voltage for PLD |
| Acoustic reflector | Olympus | F102 | 45 degree reflector augmented to the ultrasound transducer |
| Acrylic water tank | NTU workshop | Custom-made | It is used to hold water that acts as an acoustic coupling medium between animal brain and detector |
| Anesthetic Machine | Medical plus pte ltd | Non-Rebreathing Anaesthesia machine with oxygen concentrator. | Supplies oxygen and isoflurane to animal |
| Animal distributor | In Vivos Pte Ltd, Singapore | Animal distributor that supplies small animals for research purpose | |
| Animal holder | NTU workshop | Custom-made | Used for holding animal on its abdomen |
| Breathing mask | NTU workshop | Custom-made | Used along with animal holder to supply anesthesia mixture to the animal |
| Circular Scanner | NTU workshop | Custom-made | Scanner is made out of aluminum |
| DAQ (Data acquisition) Card | Spectrum | M2i.4932-exp | 16 bit, 30 Ms/s, 8 channels, 1 Gs, PCIe |
| Data acqusition software | National Instruments Corporation,Austin,TX,USA) | NI LabVIEW 2015 SP1 (32 bit) | LabVIEW based program developed in our laboratory for controlling the stepper motor and acquring the PA singnals from the detector |
| Data processing software | Matlab (Mathworks, Natick, MA, USA) | Matlab R2015b | Matlab code developed in our laboratory for reconstructing cross-sectional PA images |
| Function generator | RIGOL | DG1022 | To change the repetition rate of the PLD. It will provide TTL signal to synchronize the DAQ with the laser excitation. |
| Low noise signal amplifier | Genetron | Custom-made using Mini-circuits, ZFL-500LN-BNC | To receive, and amplify the PA signal from SUTR. Its gain is 24 dB. |
| Optical diffuser | Thorlabs | DG-120 | Used to to make the laser beam homogeneous |
| Pulsed laser diode | Quantel, France | QD-Q1924-ILO-WATER | It is the excitation laser source with specifications of 816 nm wavelength, 3.4 mJ per pulse energy, 107 ns pulse width, 2 KHz maximum pulse repitition rate, dimensions : 13.0 x 7.6 x 5.0 cm |
| Rats | In Vivos Pte Ltd, Singapore | NTac:SD, Sprague Dawley / SD | Female, weight 100±10g, strain of rats: Sprague Dawley, age: 4-5 weeks |
| Stepper motor with gearbox | LIN Engineering (Servo Dynamics) | Motor: CO-5718L-01P-RO, Gearbox: DPL64/1; Power supply PW-100-24 | To move the detector holder in a circular geometry. Torque: 2.08 N-m, Rotor inertia: 2.6 kg-cm2 |
| Ultrasound gel | Progress/parker acquasonic gel | PA-GEL-CLEA-5000 | Clear ultrasound gel |
| Ultrasound Transducer | Olympus | V309-SU/ U8423013 | Ultrasonic sensors used for photoacoustic detection. Central freqency 5 MHz, 0.5 in |
| Variable high voltage power supply | Elektro-Automatik | EA-PS 8160-04 T | To change the laser output power |
References
- Lin, L., et al. Single-breath-hold photoacoustic computed tomography of the breast. Nature Communications. 9 (1), 2352 (2018).
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Fast photoacoustic imaging systems using pulsed laser diodes: a review. Biomedical Engineering Letters. 8 (2), 167-181 (2018).
- Yao, J., Wang, L. V. Recent progress in photoacoustic molecular imaging. Current Opinion in Chemical Biology. 45, 104-112 (2018).
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Recent advances toward preclinical and clinical translation of photoacoustic tomography: a review. Journal of Biomedical Optics. 22 (4), 041006 (2017).
- Yao, J., Wang, L. V.
- Awasthi, N., Kalva, S. K., Pramanik, M., Yalavarthy, P. K. Image Guided Filtering for Improving Photoacoustic Tomographic Image Reconstruction. Journal of Biomedical Optics. 23 (9), 091413 (2018).
- Kalva, S. K., Pramanik, M. Experimental validation of tangential resolution improvement in photoacoustic tomography using a modified delay-and-sum reconstruction algorithm. Journal of Biomedical Optics. 21 (8), 086011 (2016).
- Pramanik, M. Improving tangential resolution with a modified delay-and-sum reconstruction algorithm in photoacoustic and thermoacoustic tomography. The Journal of the Optical Society of America. 31 (3), 621-627 (2014).
- Xu, M., Wang, L. V. Universal back-projection algorithm for photoacoustic computed tomography. Physical Review E. 71 (1), 016706 (2005).
- Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs. Science. 335 (6075), 1458-1462 (2012).
- Sivasubramanian, K., Periyasamy, V., Pramanik, M. Non-invasive sentinel lymph node mapping and needle guidance using clinical handheld photoacoustic imaging system in small animal. Journal of Biophotonics. 11 (1), e201700061 (2018).
- Hu, S., Maslov, K., Wang, L. V. Second-generation optical-resolution photoacoustic microscopy with improved sensitivity and speed. Optics Letters. 36 (7), 1134-1136 (2011).
- Stein, E. W., Maslov, K., Wang, L. V. Noninvasive, in vivo imaging of blood-oxygenation dynamics within the mouse brain using photoacoustic microscopy. Journal of Biomedical Optics. 14 (2), 020502 (2009).
- Ku, G., Wang, X. D., Xie, X. Y., Stoica, G., Wang, L. V. Imaging of tumor angiogenesis in rat brains in vivo by photoacoustic tomography. Applied Optics. 44 (5), 770-775 (2005).
- Ma, R., Taruttis, A., Ntziachristos, V., Razansky, D. Multispectral optoacoustic tomography (MSOT) scanner for whole-body small animal imaging. Optics Express. 17 (24), 21414-21426 (2009).
- Zhou, Y., et al. A Phosphorus Phthalocyanine Formulation with Intense Absorbance at 1000 nm for Deep Optical Imaging. Theranostics. 6 (5), 688-697 (2016).
- Li, L., et al. Single-impulse panoramic photoacoustic computed tomography of small-animal whole-body dynamics at high spatiotemporal resolution. Nature Biomedical Engineering. 1 (1), 0071 (2017).
- Sivasubramanian, K., Pramanik, M. High frame rate photoacoustic imaging at 7000 frames per second using clinical ultrasound system. Biomedical Optics Express. 7 (2), 312-323 (2016).
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Dynamic in vivo imaging of small animal brain using pulsed laser diode-based photoacoustic tomography system. Journal of Biomedical Optics. 22 (9), 090501 (2017).
- Upputuri, P. K., Periyasamy, V., Kalva, S. K., Pramanik, M. A High-performance compact photoacoustic tomography system for in vivo small-animal brain imaging. Journal of Visualized Experiments. (124), e55811 (2017).
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Pulsed laser diode based optoacoustic imaging of biological tissues. Biomedical Physics & Engineering Express. 1 (4), 045010-045017 (2015).
- Arabul, M. U., et al. Toward the detection of intraplaque hemorrhage in carotid artery lesions using photoacoustic imaging. Journal of Biomedical Optics. 22 (4), (2016).
- Daoudi, K., et al. Handheld probe integrating laser diode and ultrasound transducer array for ultrasound/photoacoustic dual modality imaging. Optics Express. 22 (21), 26365-26374 (2014).
- Allen, J. S., Beard, P. Pulsed near-infrared laser diode excitation system for biomedical photoacoustic imaging. Optics Letters. 31 (23), 3462-3464 (2006).
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Performance characterization of low-cost, high-speed, portable pulsed laser diode photoacoustic tomography (PLD-PAT) system. Biomed Opt Express. 6 (10), 4118-4129 (2015).
- Kalva, S. K., Upputuri, P. K., Pramanik, M. High-speed, low-cost, pulsed-laser-diode-based second-generation desktop photoacoustic tomography system. Optics Lett. 44 (1), 81-84 (2019).
- Kalva, S. K., Hui, Z. Z., Pramanik, M. Calibrating reconstruction radius in a multi single-element ultrasound-transducer-based photoacoustic computed tomography system. J Opt Soc Am A. 35 (5), 764-771 (2018).
- Kalva, S. K., Pramanik, M. Use of acoustic reflector to make compact photoacoustic tomography system. Journal of Biomedical Optics. 22 (2), 026009 (2017).
- American National Standard for Safe Use of Lasers. ANSI Standard Z136.1-2007. , NY. (2007).
