다음을위한 고성능 컴팩트 광 음향 단층 촬영 시스템<em> In Vivo</em> 소형 동물 뇌 영상
Summary
소형 동물에서의 고속 생체 내 뇌 이미징을위한 소형 펄스 레이저 다이오드 기반 광 음향 단층 촬영 (PLD-PAT) 시스템이 시연되었습니다.
Abstract
생체 내 작은 동물 영상은 전임상 연구에서 중요한 역할을합니다. Photoacoustic tomography (PAT)는 전임상 및 임상 적용 모두에 대한 큰 잠재력을 보여주는 신흥 하이브리드 이미징 양식입니다. 기존의 광 매개 오실레이터 기반 PAT (OPO-PAT) 시스템은 부피가 크고 값 비싸고 고속 이미징을 제공 할 수 없습니다. 최근 펄스 레이저 다이오드 (PLD)가 PAT의 대안적인 여기 소스로서 성공적으로 시연되었습니다. 펄스 레이저 다이오드 PAT (PLD-PAT)는 광 음향 팬텀 및 생물 조직에서의 고속 이미징에 성공적으로 시연되었습니다. 이 작품은 PLD – 팻을 사용하여 생체 내 뇌 이미징을위한 시각화 실험 프로토콜을 제공합니다. 이 프로토콜에는 소형 PLD-PAT 시스템 구성과 그 기술, 뇌 이미징을위한 동물 준비 및 2D 횡단면 쥐 뇌 영상을위한 전형적인 실험 절차가 포함됩니다. PLD-PAT 시스템은 콤팩트하고 비용은 저렴합니다.fective이며 고속, 고품질 이미지를 제공 할 수 있습니다. 생체 내 에서 다양한 스캔 속도로 수집 된 뇌 이미지가 제시됩니다.
Introduction
Photoacoustic tomography (PAT)는 임상 및 전임상 연구 1 , 2 , 3 , 4 , 5 에서 많은 응용 분야가있는 하이브리드 이미징 모달입니다. PAT에서 나노초 레이저 펄스는 생물학적 조직을 조사합니다. 조직 발색단에 의한 입사광의 흡수는 국부적 인 온도 상승을 일으키고, 이는 음파의 형태로 방출되는 압력 파를 산출합니다. 초음파 검출기는 샘플 주변의 다양한 위치에서 광 음향 신호를 수집합니다. 광 음향 (PA) 신호는 광섬유 이미지를 생성하기 위해 다양한 알고리즘 (예 : 지연 – 합 알고리즘) 6 을 사용하여 재구성됩니다.
이 하이브리드 이미징 모달리티는 고해상도, 심 조직 이미징 및 높은 광학 흡수 대비를 제공합니다 .class = "xref"> 8. 최근에는 더 긴 파장 (~ 1,064 nm)과 인산염 프탈로시아닌 (phosphorus phthalocyanine)이라는 외인성 조영제를 사용하여 닭 가슴 조직에서 ~ 12 cm 이미징 깊이 9 가 달성되었습니다. 이 깊이 감도는 공 촛점 형광 현미경, 2 광자 형광 현미경, 10 광 결맞음 단층 촬영 등과 같은 다른 광학 방법의 깊이 감도보다 훨씬 높습니다 . 하나 이상의 파장을 사용하여 PAT는 장기의 구조적 및 기능적 변화를 나타낼 수 있습니다 . 많은 인간의 질병에 대해, 작은 동물 모델은 잘 확립되어 있습니다 12 , 13 , 14 , 15 . 작은 동물의 이미징을 위해 몇 가지 양상이 입증되었습니다. 이러한 모든 접근법 중 PA 이미징은 앞서 언급 한 장점으로 인해 빠르게 주목을 받았습니다. 아빠T는 작은 동물 4 , 16 , 17 , 18 의 조직과 기관 ( 즉, 심장, 폐, 간, 눈, 비장, 뇌, 피부, 척수, 신장 등 )에서 혈관을 영상화 할 수있는 가능성을 보여주었습니다. PAT는 소 동물 뇌 영상을위한 잘 확립 된 양식입니다. PA 파는 발색단에 의한 광 흡수로 인해 생성되므로 다중 파장 PAT는 총 헤모글로빈 농도 (HbT)와 산소 포화도 (SO 2 ) 19 , 20 , 21 , 22 의 매핑을 허용합니다. 뇌의 신경 혈관 이미징은 외인성 조영제 12 , 23 , 24 의 도움으로 이루어졌습니다. PA 양식은 뇌 건강에 대한 더 나은 이해를 돕습니다.분자 및 유전 수준에서 정보를 제공합니다.
작은 동물 이미징의 경우, Nd : YAG / OPO 레이저가 PAT 여기 소스로 널리 사용됩니다. 이 레이저는 ~ 10-Hz 반복 속도로 약 5 ns의 근적외선 펄스 (에너지가 OPO 출력 창에서 ~ 100 mJ)를 전달합니다. 이러한 레이저가 장착 된 PA 시스템은 값이 비싸고 부피가 크며 레이저 소스의 반복률이 낮기 때문에 단일 요소 초음파 변환기 (UST)로 저속 이미징이 가능합니다. 이러한 PA 시스템의 일반적인 A- 라인 획득 시간은 단면 25 당 ~ 5 분입니다. 그러한 긴 측정 시간을 가진 영상 시스템은 전신 영상, 시간 – 해상도 기능 영상 등 을위한 생리적 매개 변수를 제어하기가 어렵 기 때문에 작은 동물 영상에 이상적이지 않습니다 . 다중 단일 소자 UST를 채택함으로써, 어레이 기반의 UST 또는 높은 반복 속도의 레이저를 사용하면 PA의 이미징 속도를 높일 수 있습니다시스템. 샘플 주위의 모든 PA 신호를 수집하기 위해 하나의 단일 요소 UST 만 사용하면 시스템의 이미징 속도가 제한됩니다. 고속 또는 고감도의 이미징 기술을 위해 원형 또는 반원형 형상으로 배열 된 여러 개의 단일 요소 UST가 시연됩니다. 선형, 반원형, 원형 및 부피 측정 어레이와 같은 어레이 기반 UST 26 이 실시간 이미징에 성공적으로 사용되었습니다 1 . 이러한 어레이 기반 UST는 이미징 속도를 높이고 측정 감도를 낮추지 만 비싸다. 그러나 어레이 기반 UST를 사용하는 PA 시스템의 이미징 속도는 여전히 레이저의 반복 속도에 의해 제한됩니다.
펄스 레이저 기술은 높은 반복 속도의 펄스 레이저 다이오드 (PLD)를 만들기 위해 발전했습니다. 7,000 frames / s 임상용 초음파 플랫폼을 사용하는 PLD로 B- 스캔 광 음향 이미징이 시연되었습니다. 이러한 PLD는 th의 영상 속도를 향상시킬 수있다.e PAT 시스템, 심지어 단일 요소 UST 순환 스캐닝 형상. 단일 요소 UST는 어레이 기반 UST와 달리 저렴하고 민감합니다. 지난 10 년 동안, PA 영상의 자극 원으로서 고 반복률 PLD의 사용에 관한 연구는 거의보고되지 않았다. 섬유 기반의 근적외선 PLD가 팬텀 28의 PA 이미징에 대해 입증되었습니다. 인간의 피부 아래 ~ 1mm 깊이에서 혈관을 생체 내 이미징 한 것은 저에너지 PLD 29를 사용하여 입증되었습니다. PLD 기반의 광학 해상도 photoacoustic microscope (ORPAM)이보고되었습니다. PLD를 사용하여 0.43 Hz의 프레임 속도에서 ~ 1.5 cm 깊이 이미징이 입증되었습니다 30 . 아주 최근에, PLD-PAT 시스템은 생물학적 조직에서 약 3 초 및 약 2 cm 이미징 깊이에서 이미지를 제공하는 것으로보고되었다. 이 연구는 그러한 저가의 소형 시스템이 높은 쿼아를 제공 할 수 있음을 입증했다.lity 이미지, 고속에서도. PLD-PAT 시스템은 높은 프레임 속도 (7,000fps) 광 음향 이미징, 표면 혈관 이미징, 손가락 관절 영상, 2cm 깊이 조직 이미징, 소형 동물 뇌 영상 등을 위해 사용될 수 있습니다 . 단일 파장 및 PLD로부터의 낮은 펄스 에너지 펄스는 멀티 스펙트럼 및 심 조직 이미징으로의 적용을 제한합니다. 실험은 전임상 적용에 사용 된 것과 동일한 PLD-PAT 시스템을 사용하여 작은 동물에 대해 수행되었습니다. 이 연구의 목적은 작은 동물의 생체 내 2D 횡단 뇌 이미징을위한 PLD-PAT 시스템의 시각화 된 실험 데모를 제공하는 것입니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 작품은 쥐 PLD – PAT 시스템을 사용하여 생체 내 뇌 영상을 수행하기위한 프로토콜을 제공합니다. 이 프로토콜에는 쥐의 뇌 영상에 대한 일러스트레이션뿐만 아니라 이미징 시스템과 그 정렬에 대한 자세한 설명이 포함되어 있습니다. 기존의 OPO 기반 PAT 시스템은 값 비싸고 부피가 크며 5-10 분 내에 하나의 단면 이미지를 제공 할 수 있습니다. PLD-PAT 시스템은 콤팩트하고 휴대 가능하며 저?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 싱가포르 교육부 (ARC2 / 15 : M4020238)와 싱가포르 보건 의료 연구 협의회 (NMRC / OFIRG / 0005 / 2016 : M4062012)가 후원하는 Tier 2 보조금으로 지원됩니다. 저자는 Machine Shop의 도움으로 Chow Wai Hoong Bobby에게 감사드립니다.
Materials
| Pulsed laser diode | Quantel, France | QD-Q1910-SA-TEC | It is the excitation laser source with specifications 803 nm, 1.4mJ per pulse, 136 ns pulse, 7kHz maximum, dimentions : 11.0 x 6.0 x 3.6 cm, weight: ~150 gm |
| Stepper motor with gearbox | LIN Engineering (Servo Dynamics) | Motor: CO-5718-01P, Gearbox: DPL64/1, I = 10 for NEMA 23; power supply PW100-48 | To move the detector holder in a circular geometry. Torque: 2.08 N-m, Rotor inertia: 2.6 kg-cm2 |
| Ultrasonic pulser/receiver | Olympus | 5072PR | To receive, filter and ampligy the PA signal from UST. Its bandwidth is 35MHz, and gain is ±59 dB. |
| Ultrasound Transducer | Olympus | V306-SU-NK-CF1.9IN/Q4200069 | Ultrasonic sensors used for photoacoustic detection. Central freqency 2.25 MHz, 0.5 in, Cylindrical focus 1.9 inch |
| PCIe DAQ (Data acquisition) Card | GaGe | CSE4227/ A6000610/B0E00610 | 12 bit, 100 Ms/s, 2 channels, 1 Gs on board memory, PCIe x16 interface |
| Rats | In Vivos Pte Ltd, Singapore | NTac:SD, Sprague Dawley / SD | Female, weight 100±10g |
| Acrylic water tank | NTU workshop | Custom-made | It contains the water that acts as an acoustic coupling medium between brain and detector |
| Circular Scanner | NTU workshop | Custom-made | Scanner is made out of Alluminum |
| Anesthetic Machine | medical plus pte ltd | Non-Rebreathing Anaesthesia machine with oxygen concentrator. | Supplies oxygen and isoflurane to animal |
| Pulse Oxymeter portable | Medtronic | PM10N with veterinary sensor | Monitors the pulse oxymetry of the animal |
| Ultrasound gel | Progress/parker acquasonic gel | PA-GEL-CLEA-5000 | Clear ultrasound gel |
| Data acqusison software | National Instruments Corporation,Austin,TX,USA) | NI LabVIEW 2015 SP1 | LabVIEW based program was 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 R2012b | Matlab code for reconstruction of PA images was developed in our lab |
| Temperature controller | LaridTech, MO,USA | MTTC1410 | It will constantly control temperature of the PLD |
| 12 V power supply | Voltcraft | PPS-11810 | To supply operating voltage for PLD |
| Variable power supply | BASETech | BT-153 | To change the laser output power |
| Funtion generator | Funktionsgenerator | FG250D | To change the repetetion rate of the PLD. It will provide TTL signal to synchronize the DAQ with the laser excitation. |
| 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 the animal on its abdomen |
| Breathing mask | NTU workshop | Custom-made | Used along with animal holder to supply anesthesia mixture to the animal |
| Pentobarbital sodium | Valabarb | Used for euthanizing the animal after the expeirment. | |
| Optical diffuser | Thorlabs | DG10-1500 | Used to to make the laser beam homogeneous |
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