Показана компактная система фотоакустической томографии на основе диодов на основе импульсного лазерного излучения (PLD-PAT) для высокоскоростной визуализации мозга in vivo у мелких животных.
В животноводстве in vivo важную роль играют доклинические исследования. Фотоакустическая томография (PAT) – это новый гибридный метод визуализации, который демонстрирует большой потенциал как для доклинических, так и для клинических применений. Обычные системы PAT (OPO-PAT) на основе оптического параметрического осциллятора являются громоздкими и дорогими и не могут обеспечить высокоскоростную визуализацию. Недавно импульсы с импульсным лазером (PLD) были успешно продемонстрированы как альтернативный источник возбуждения для PAT. Импульсно-лазерный диод PAT (PLD-PAT) был успешно продемонстрирован для высокоскоростного изображения на фотоакустических фантомах и биологических тканях. Эта работа представляет собой визуализированный экспериментальный протокол для визуализации мозга in vivo с использованием PLD-PAT. Протокол включает в себя компактную конфигурацию системы PLD-PAT и ее описание, подготовку животных к визуализации головного мозга и типичную экспериментальную процедуру для двумерного изображения мозга головного мозга с поперечным сечением. Система PLD-PAT компактна и экономичнаЭффективно и может обеспечить высокоскоростную высококачественную визуализацию. Представлены изображения мозга, собранные in vivo при различных скоростях сканирования.
Фотоакустическая томография (PAT) представляет собой гибридный метод визуализации, который имеет множество применений в клинических и доклинических исследованиях 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . В PAT наносекундные лазерные импульсы облучают биологическую ткань. Поглощение падающего света тканевыми хромофорами приводит к локальному повышению температуры, которое затем дает волны давления, излучаемые в виде звуковых волн. Ультразвуковой детектор собирает фотоакустические сигналы в разных положениях вокруг образца. Сигналы фотоакустики (ПА) восстанавливаются с использованием различных алгоритмов (таких как алгоритм задержки и суммирования) 6 для генерации фотоакустического изображения.
Этот гибридный способ визуализации предлагает изображение с высоким разрешением, глубокой тканью и высокий контраст оптического поглощения 7 ,Class = "xref"> 8. В последнее время в ткани куриной грудки с помощью более длинной длины волны (~ 1 064 нм) и экзогенного контрастного вещества, называемого фосфаровым фталоцианином, была достигнута глубина 9 -мм изображения. Эта чувствительность по глубине намного выше чувствительности по глубине других оптических методов, таких как конфокальная флуоресцентная микроскопия, двухфотонная флуоресцентная микроскопия, 10-я оптическая когерентная томография и т. Д. Используя более одной длины волны, ПАТ может демонстрировать структурные и функциональные изменения в органах , Для многих заболеваний человека были разработаны модели с малым животным 12 , 13 , 14 , 15 . Для визуализации мелких животных было продемонстрировано несколько модальностей. Из всех этих подходов визуализация ПА получила довольно быстрое внимание благодаря преимуществам, упомянутым выше. ПенсильванияT показал свой потенциал для визуализации кровеносных сосудов в тканях и органах ( например, сердца, легких, печени, глаз, селезенки, мозга, кожи, спинного мозга, почек и т. Д. ) Мелких животных 4 , 16 , 17 , 18 . PAT – это хорошо зарекомендовавшая себя мода для визуализации головного мозга мелких животных. PA-волны возникают из-за поглощения света хромофорами, поэтому многоволновое PAT позволяет отображать общую концентрацию гемоглобина (HbT) и насыщение кислородом (SO 2 ) 19 , 20 , 21 , 22 . С помощью экзогенных контрастных агентов 12 , 23 , 24 достигалась нейрососудистая визуализация головного мозга. Модификация ПА может помочь лучше понять состояние здоровья мозгаПредоставляя информацию на молекулярном и генетическом уровнях.
Для изображений с малым животным лазеры Nd: YAG / OPO широко используются в качестве источников возбуждения PAT. Эти лазеры доставляют ~ 5 нс ближнего инфракрасного импульса с энергией (~ 100 мДж в окне вывода OPO) при частоте повторения ~ 10 Гц. Система PA, оборудованная такими лазерами, является дорогостоящей и громоздкой и обеспечивает низкоскоростную визуализацию с помощью одноэлементных ультразвуковых преобразователей (UST) из-за низкой частоты повторения лазерного источника. Типичное время получения A-линии в таких системах PA составляет ~ 5 минут на поперечное сечение 25 . Система визуализации с таким длительным временем измерения не идеальна для изображений с малым животным, поскольку трудно контролировать физиологические параметры для полнообъемной визуализации, функционального изображения с временным разрешением и т. Д. Принимая множество одноэлементных UST, массив На основе UST, или лазер с высокой частотой повторения, можно увеличить скорость формирования изображения PAсистемы. Использование только одного элемента UST для сбора всех сигналов PA вокруг образца будет ограничивать скорость формирования изображения в системе. Для высокоскоростных высокочувствительных методов визуализации демонстрируются множественные одноэлементные UST, расположенные в круговой или полукруглой геометрии. На основе массивов UST 26 , таких как линейные, полукруглые, круговые и объемные массивы, были успешно использованы для визуализации в реальном времени 1 . Эти массивные USTs увеличивают скорость обработки изображений и уменьшают чувствительность измерения, но они дороги. Тем не менее, скорость формирования изображений в системах PA, использующих устройства на основе массива, по-прежнему ограничена частотой повторения работы лазера.
Технология импульсных лазеров усовершенствована для создания импульсных импульсных лазерных диодов с высокой повторяемостью (PLD). 7000 кадров / с. Фотоакустическая визуализация B-scan была продемонстрирована с помощью PLD с использованием клинической ультразвуковой платформы 27 . Такие PLD могут улучшить скорость обработки изображенийE PAT, даже с одноэлементной геометрией сканирования UST. Одноэлементные USTs являются менее дорогостоящими и высокочувствительными, в отличие от UST. В течение последнего десятилетия было мало исследований по использованию PLD с высокой частотой повторения в качестве источника возбуждения для изображений PA. Для визуализации PA фантомов 28 была продемонстрирована PLD на основе волокон на основе инфракрасного излучения. Показания in vivo кровеносных сосудов на глубине ~ 1 мм ниже кожи человека были продемонстрированы с использованием PLD с низкой энергией 29 . Сообщалось о фотоакустическом микроскопе с оптическим разрешением на основе PLD (ORPAM). Используя PLD, было показано изображение глубиной ~ 1,5 см при частоте кадров 0,43 Гц. 30 . Совсем недавно сообщалось о системе PLD-PAT, которая обеспечивала изображения через ~ 3 с и глубину формирования изображения размером 2 см в биологической ткани 25 , 31 . Это исследование показало, что такая недорогая компактная система может обеспечить высокий уровеньДаже на высоких скоростях. Система PLD-PAT может использоваться для фотоакустической визуализации с высоким кадром (7000 кадров в секунду), визуализации поверхностного кровеносного сосуда, визуализации пальцевого сустава, двухслойной визуализации ткани, визуализации головного мозга мелких животных и т . Д. Одноволновые и Импульсы с малой пульсовой энергией от PLD ограничивают его применение в мультиспектральном и глубоком изображении тканей. Эксперименты проводились на мелких животных с использованием той же системы PLD-PAT, которая использовалась для доклинических применений. Цель этой работы – предоставить визуализированную экспериментальную демонстрацию системы PLD-PAT для двумерного поперечного срединного визуализации мозга мелких животных.
В этой работе представлен протокол для визуализации изображений мозга in vivo на крысах с использованием системы PLD-PAT. Протокол включает подробное описание системы формирования изображения и ее выравнивание, а также иллюстрацию изображения мозга на крысах. Существующие системы PAT н…
The authors have nothing to disclose.
Исследование поддерживается грантом уровня 2, финансируемым Министерством образования Сингапура (ARC2 / 15: M4020238) и Национальным советом медицинских исследований Министерства здравоохранения Сингапура (NMRC / OFIRG / 0005/2016: M4062012). Авторы хотели бы поблагодарить г-на Чоу Вай Хоонга Бобби за помощь в механическом магазине.
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 |