Et høyytelses kompakt fotoakustisk tomografisystem for<em> In vivo</em> Små dyrs hjernedannelse
Summary
Et kompakt pulserende laser diode-basert fotoakustisk tomografi (PLD-PAT) system for høyhastighets in vivo hjernedimensjon i små dyr er påvist.
Abstract
In vivo har små dyr bildebehandling en viktig rolle å spille i prekliniske studier. Fotoakustisk tomografi (PAT) er en fremvoksende hybridbildingsmodalitet som viser stort potensial for både prekliniske og kliniske anvendelser. Konvensjonelle optiske parametriske oscillatorbaserte PAT (OPO-PAT) systemer er store og dyre og kan ikke gi høyhastighets bildebehandling. Nylig har pulsed-laser dioder (PLDs) blitt demonstrert som en alternativ eksitasjonskilde for PAT. Pulserende laserdiode PAT (PLD-PAT) har blitt demonstrert for høyhastighets bildebehandling på fotoakustiske fantomer og biologiske vev. Dette arbeidet gir en visualisert eksperimentell protokoll for in vivo hjernedimensjonering ved bruk av PLD-PAT. Protokollen inkluderer den kompakte PLD-PAT-systemkonfigurasjonen og dens beskrivelse, dyreforberedelse for hjernedimensjonering, og en typisk eksperimentell prosedyre for 2D tverrsnitt rottehjernebilder. PLD-PAT-systemet er kompakt og kostnadseffektivtFektive og kan gi høyhastighets bildebehandling av høy kvalitet. Brainbilder samlet inn vivo ved forskjellige skannehastigheter presenteres.
Introduction
Fotoakustisk tomografi (PAT) er en hybridbildingsmodalitet som har mange anvendelser i både kliniske og prekliniske studier 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . I PAT bestråler nanosekund laserpulser biologisk vev. Opptaket av innfallslampe av vevskromophorene fører til en lokal temperaturstigning, som deretter gir trykkbølger utstrålet i form av lydbølger. En ultralydsdetektor samler de fotoakustiske signaler på forskjellige stillinger rundt prøven. De bildeakustiske signalene (PA) blir rekonstruert ved hjelp av ulike algoritmer (for eksempel en forsinkelses- og sum-algoritme) 6 for å generere bildeakustisk bilde.
Denne hybridbildingsmodaliteten gir høyoppløselig, dypvevsbilding og høy optisk absorpsjonskontrast 7 ,Class = "xref"> 8. Nylig ble det oppnådd en ~ 12 cm billeddybde 9 i kyllingbrystvev ved hjelp av en lengre bølgelengde (~ 1.064 nm) og et eksogent kontrastmiddel kisfosfftalocyanin. Denne dybdefølsomheten er mye høyere enn dybdekänsligheten til andre optiske metoder, for eksempel konfokal fluorescensmikroskopi, tofoton fluorescensmikroskopi, 10 optisk koherensomografi, 11 etc. Ved bruk av mer enn en bølgelengde kan PAT demonstrere strukturelle og funksjonelle forandringer i organer . For mange menneskelige sykdommer har små dyrmodeller vært veletablert 12 , 13 , 14 , 15 . For avbildning av små dyr er det vist flere modaliteter. Av alle disse tilnærmingene har PA bildebehandling fått oppmerksomhet ganske raskt på grunn av fordelene nevnt ovenfor. PAT har vist sitt potensial for å avdekke blodkar i vev og organer ( dvs. hjerte, lunger, lever, øyne, milt, hjerne, hud, ryggmargen, nyre, etc. ) av små dyr 4 , 16 , 17 , 18 . PAT er en veletablert modalitet for små-dyr hjernedimensjonering. PA-bølger er produsert på grunn av lysabsorbsjonen av kromoforene, slik at flerbølgelengde PAT tillater kartlegging av total hemoglobinkonsentrasjon (HbT) og oksygenmetning (SO 2 ) 19 , 20 , 21 , 22 . Hjerne-neurovaskulær avbildning ble oppnådd ved hjelp av eksogene kontrastmidler 12 , 23 , 24 . PA-modalitet kan bidra til å gi en bedre forståelse av hjernens helse vedGi informasjon på molekylære og genetiske nivåer.
For små-dyr avbildning, er Nd: YAG / OPO lasere mye brukt som PAT excitasjonskilder. Disse lasere leverer ~ 5 ns nær-infrarøde pulser med energi (~ 100 mJ ved OPO-utgangsvinduet) ved en 10 Hz-repetisjonshastighet 25 . PA-systemet utstyrt med slike lasere er kostbart og omfangsrikt og gir mulighet for lavhastighets bildebehandling med enkeltelement-ultralydtransdusere (UST) på grunn av den lave repetisjonshastigheten til laserkilden. En typisk A-line-oppkjøpstid i slike PA-systemer er ~ 5 min per tverrsnitt 25 . Et bildebehandlingssystem med en så lang målingstid er ikke ideell for bildebehandling av små dyr, fordi det er vanskelig å kontrollere de fysiologiske parametrene for fullkroppsbilding, tidsoppløst funksjonell bildebehandling, etc. Ved å vedta flere enkeltelement-UST-er, array Baserte UST-er, eller en laser med høy repetisjonshastighet, er det mulig å øke bildehastigheten til PAsystemer. Ved å bruke bare ett enkeltelement UST til å samle alle PA-signaler rundt prøven, begrenser bildehastigheten til systemet. Flere single-element USTs arrangert i sirkulær eller halvcirkelformet geometri er demonstrert for høyhastighets, svært følsomme bildebehandlingsteknikker. Array-baserte USTs 26 , som for eksempel lineære, halv-sirkulære, sirkulære og volumetriske arrays, har blitt brukt for real-time avbildning 1 . Disse array-baserte UST-ene vil øke bildehastigheten og redusere målfølsomheten, men de er dyre. Imaginghastigheten til PA-systemer som bruker array-baserte UST-er er imidlertid fortsatt begrenset av laserens repetisjonshastighet.
Pulserende laserteknologi avansert for å lage pulserende laserdioder (PLD) med høy repetisjon. 7.000 rammer / s B-skanning fotoakustisk avbildning ble demonstrert med PLDer ved hjelp av en klinisk ultralydplattform 27 . Slike PLDer kan forbedre bildehastigheten til thE PAT-system, til og med med single-element UST sirkulær skanning geometri. Single-element UST er billigere og svært sensitive, i motsetning til array-baserte USTs. I løpet av de siste tiårene ble det rapportert lite forskning om bruk av høyrepeterings-rate PLD som excitasjonskilde for PA-bildebehandling. En fiberbasert nær-infrarød PLD ble demonstrert for PA-bildebehandling av fantomer 28 . In vivo avbildning av blodkar på en ~ 1 mm dybde under den menneskelige huden ble demonstrert ved bruk av lav-energi PLD 29 . Et PLD-basert optisk oppløsningsfotoakustisk mikroskop (ORPAM) ble rapportert. Ved bruk av PLD-er ble det vist på ~ 1,5 cm dyp bildebehandling ved en rammeplass på 0,43 Hz 30 . Svært nylig ble det rapportert et PLD-PAT-system som ga bilder på så kort som ~ 3 s og ved en ~ 2 cm billeddybde i biologisk vev 25 , 31 . Denne studien viste at et slikt lavkost, kompakt system kan gi høy-quaLikhetsbilder, selv ved høye hastigheter. PLD-PAT-systemet kan brukes til fotoakustisk avbildning med høy rammebasert hastighet (7000 fps), bildebehandling av blodkar, fingeravbildning, 2 cm dyp vevsbilde, liten dyrs hjernedannelse etc. Enkeltbølgelengden og Lavpuls-energipulser fra PLD begrenser applikasjonen til flerspektral og dypvevsbilding. Forsøk har blitt utført på små dyr ved bruk av det samme PLD-PAT-systemet som brukes til prekliniske applikasjoner. Hensikten med dette arbeidet er å gi den visualiserte eksperimentelle demonstrasjonen av PLD-PAT-systemet for in vivo 2D tverrsnittshjernedimensjonering av små dyr.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dette arbeidet presenterer en protokoll for å utføre in vivo hjernedimensjon på rotter ved bruk av et PLD-PAT-system. Protokollen inneholder en detaljert beskrivelse av bildesystemet og dets justering, samt en illustrasjon av hjernedimensjon på rotter. De eksisterende OPO-baserte PAT-systemene er dyre og omfangsrike og kan gi et tverrsnittsbilde i 5-10 min. PLD-PAT-systemet er kompakt, bærbart og rimelig og kan gi bilder av god kvalitet på 3 s. Systemets ytelse ble tidligere studert i fantomer og sammenli…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forskningen støttes av Tier 2-bevilget finansiert av Utdanningsdepartementet i Singapore (ARC2 / 15: M4020238) og Helsedepartementet i Helsedepartementet Nasjonalt medisinsk forskningsråd (NMRC / OFIRG / 0005/2016: M4062012). Forfatterne vil gjerne takke Mr. Chow Wai Hoong Bobby for hjelpen til maskinbutikken.
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 |
References
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Recent advances toward preclinical and clinical translation of photoacoustic tomography: a review. J Biomed Opt. 22 (4), 041006 (2017).
- Strohm, E. M., Moore, M. J., Kolios, M. C. Single Cell Photoacoustic Microscopy: A Review. IEEE Sel Top Quantum Electron. 22 (3), 6801215 (2016).
- Valluru, K. S., Willmann, J. K. Clinical photoacoustic imaging of cancer. Ultrasonography. 35 (4), 267 (2016).
- Zhou, Y., Yao, J., Wang, L. V. Tutorial on photoacoustic tomography. J Biomed Opt. 21 (6), 061007 (2016).
- Yao, J., Wang, L. V. Photoacoustic Brain Imaging: from Microscopic to Macroscopic Scales. Neurophotonics. 1 (1), 011003 (2014).
- Kalva, S. K., Pramanik, M. Experimental validation of tangential resolution improvement in photoacoustic tomography using a modified delay-and-sum reconstruction algorithm. J Biomed Opt. 21 (8), 086011 (2016).
- Strohm, E. M., Moore, M. J., Kolios, M. C. High resolution ultrasound and photoacoustic imaging of single cells. Photoacoustics. 4 (1), 36-42 (2016).
- Upputuri, P. K., Wen, Z. -. B., Wu, Z., Pramanik, M. Super-resolution photoacoustic microscopy using photonic nanojets: a simulation study. J Biomed Opt. 19 (11), 116003 (2014).
- Zhou, Y., et al. A Phosphorus Phthalocyanine Formulation with Intense Absorbance at 1000 nm for Deep Optical Imaging. Theranostics. 6 (5), 688-697 (2016).
- Upputuri, P. K., Wu, Z., Gong, L., Ong, C. K., Wang, H. Super-resolution coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy with photonic nanojets. Opt Express. 22 (11), 12890-12899 (2014).
- Raghunathan, R., Singh, M., Dickinson, M. E., Larin, K. V. Optical coherence tomography for embryonic imaging: a review. J Biomed Opt. 21 (5), 050902 (2016).
- Burton, N. C., et al. Multispectral opto-acoustic tomography (MSOT) of the brain and glioblastoma characterization. Neuroimage. 65 (2), 522-528 (2013).
- Su, R., Ermilov, S. A., Liopo, A. V., Oraevsky, A. A. Three-dimensional optoacoustic imaging as a new noninvasive technique to study long-term biodistribution of optical contrast agents in small animal models. J Biomed Opt. 17 (10), 101506 (2012).
- Hu, S., Maslov, K., Wang, L. V. In vivo functional chronic imaging of a small animal model using optical-resolution photoacoustic microscopy. Med Phys. 36 (6), 2320-2323 (2009).
- Zhang, E. Z., Laufer, J., Pedley, R. B., Beard, P. 3D photoacoustic imaging system for in vivo studies of small animal models. Proc SPIE. 6856, 68560 (2008).
- Deng, Z., Li, W., Li, C. Slip-ring-based multi-transducer photoacoustic tomography system. Opt Lett. 41 (12), 2859-2862 (2016).
- Tang, J., Coleman, J. E., Dai, X., Jiang, H. Wearable 3-D Photoacoustic Tomography for Functional Brain Imaging in Behaving Rats. Sci Rep. 6, 25470 (2016).
- Pramanik, M., et al. In vivo carbon nanotube-enhanced non-invasive photoacoustic mapping of the sentinel lymph node. Phys Med Biol. 54 (11), 3291-3301 (2009).
- Yao, J., Xia, J., Wang, L. V. Multiscale Functional and Molecular Photoacoustic Tomography. Ultrason Imaging. 38 (1), 44-62 (2016).
- Huang, S., Upputuri, P. K., Liu, H., Pramanik, M., Wang, M. A dual-functional benzobisthiadiazole derivative as an effective theranostic agent for near-infrared photoacoustic imaging and photothermal therapy. J Mat Chem B. 4 (9), 1696-1703 (2016).
- Olefir, I., Mercep, E., Burton, N. C., Ovsepian, S. V., Ntziachristos, V. Hybrid multispectral optoacoustic and ultrasound tomography for morphological and physiological brain imaging. J Biomed Opt. 21 (8), 086005 (2016).
- Hu, S., Maslov, K., Tsytsarev, V., Wang, L. V. Functional transcranial brain imaging by optical-resolution photoacoustic microscopy. J Biomed Opt. 14 (4), 040503 (2009).
- Yao, J. J., et al. Noninvasive photoacoustic computed tomography of mouse brain metabolism in vivo. Neuroimage. 64 (1), 257-266 (2013).
- Hu, S., Wang, L. V. Neurovascular photoacoustic tomography. Front Neuroenergetics. 2, 10 (2010).
- 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).
- Yang, X., et al. Photoacoustic tomography of small animal brain with a curved array transducer. J Biomed Opt. 14 (5), 054007 (2009).
- Sivasubramanian, K., Pramanik, M. High frame rate photoacoustic imaging at 7000 frames per second using clinical ultrasound system. Biomed Opt Express. 7 (2), 312-323 (2016).
- Allen, J. S., Beard, P. Pulsed near-infrared laser diode excitation system for biomedical photoacoustic imaging. Opt Lett. 31 (23), 3462-3464 (2006).
- Kolkman, R. G. M., Steenbergen, W., van Leeuwen, T. G. In vivo photoacoustic imaging of blood vessels with a pulsed laser diode. Lasers Med Sci. 21 (3), 134-139 (2006).
- Daoudi, K., et al. Handheld probe integrating laser diode and ultrasound transducer array for ultrasound/photoacoustic dual modality imaging. Opt Express. 22 (21), 26365-26374 (2014).
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Pulsed laser diode based optoacoustic imaging of biological tissues. Biomed Phys Eng Express. 1 (4), 045010-045017 (2015).
- . . American National Standard for Safe Use of Lasers ANSI Z136.1-2000. , (2000).
