A عالية الأداء المدمجة نظام التصوير المقطعي الضوئي ل<em> في فيفو</em> الحيوانات الصغيرة التصوير الدماغ
Summary
ويظهر نظام التصوير المقطعي بالليزر ثنائي الموجات النبضي المضغوط ثنائي الموجات (بلد-بات) لسرعة عالية في التصوير المجهري للدماغ في الحيوانات الصغيرة.
Abstract
في الجسم الحي التصوير حيوان صغير له دور مهم للعب في الدراسات قبل السريرية. التصوير المقطعي الضوئي (بات) هو طريقة التصوير الهجين الناشئة التي تظهر إمكانات كبيرة لكل من التطبيقات قبل السريرية والسريرية. أنظمة بات التقليدية القائمة على مذبذب البارامترية البصرية (أوبو-بات) هي ضخمة ومكلفة ولا يمكن أن توفر التصوير عالية السرعة. في الآونة الأخيرة، وقد أثبتت الثنائيات الليزر نابض (بلدز) بنجاح كمصدر الإثارة بديلة ل بات. نبض ليزر ديود وقد أثبتت بات (بلد بات) بنجاح للتصوير عالية السرعة على الوهمية الضوئي والأنسجة البيولوجية. يوفر هذا العمل بروتوكول تجريبي تصور لفي الجسم الحي التصوير الدماغ باستخدام بلد-بات. ويتضمن البروتوكول تكوين نظام بلد-بات المدمجة ووصفه، وإعداد الحيوان لتصوير الدماغ، وإجراء تجريبي نموذجي ل 2 D المقطع العرضي الفئران تصوير الدماغ. نظام بلد-بات هو المدمجة والتكلفة إففكتيف ويمكن أن توفر عالية السرعة، والتصوير عالية الجودة. يتم عرض الصور الدماغ التي تم جمعها في الجسم الحي في مختلف سرعات المسح الضوئي.
Introduction
التصوير المقطعي الضوئي (بات) هو طريقة التصوير الهجين التي لديها العديد من التطبيقات في كل من الدراسات السريرية وقبل السريرية 1 ، 2 ، 3 ، 4 ، 5 . في بات، نبضات الليزر نانو ثانية تشعي الأنسجة البيولوجية. امتصاص الضوء الحادث من قبل كروموفوريس الأنسجة يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة المحلية، والتي تنتج ثم موجات الضغط المنبعثة في شكل موجات صوتية. كاشف الموجات فوق الصوتية يجمع الإشارات الضوئية في مواقف مختلفة حول العينة. يتم إعادة بناء الإشارات الضوئية (با) باستخدام خوارزميات مختلفة (مثل خوارزمية التأخير والمجموع) 6 لتوليد الصورة الضوئية.
تقدم هذه الطريقة التصوير الهجين عالية الدقة، والتصوير الأنسجة العميقة وارتفاع امتصاص البصري امتصاص 7 ،كلاس = "كريف"> 8. في الآونة الأخيرة، تم تحقيق عمق التصوير ~ 12 سم 9 في الأنسجة الثدي الدجاج مع المعونة من الطول الموجي أطول (~ 1،064 نانومتر) وعامل التباين الخارجي يسمى الفوسفالوسيانين الفسفور. هذا حساسية العمق هو أعلى بكثير من حساسية عمق الطرق البصرية الأخرى، مثل المجهر متحد البؤر مضان، اثنين الفوتون المجهر مضان، 10 التصوير المقطعي التماسك البصري، 11 وما إلى ذلك باستخدام أكثر من طول موجي واحد، يمكن بات أثبت التغيرات الهيكلية والوظيفية في الأعضاء . بالنسبة للعديد من الأمراض البشرية، تم تأسيس نماذج الحيوانات الصغيرة 12 و 13 و 14 و 15 . لتصوير الحيوانات الصغيرة، وقد برهن على عدة طرائق. من كل هذه النهج، وقد اكتسب التصوير السلطة الفلسطينية الاهتمام بسرعة بدلا من ذلك بسبب المزايا المذكورة أعلاه. PAوقد أظهرت T إمكاناتها لتصوير الأوعية الدموية في الأنسجة والأعضاء ( أي القلب والرئتين والكبد والعينين والطحال والدماغ والجلد والحبل الشوكي والكلى، وما إلى ذلك ) من الحيوانات الصغيرة 4 ، 16 ، 17 ، 18 . بات هو طريقة راسخة لتصوير الدماغ الحيوانات الصغيرة. يتم إنتاج موجات السلطة الفلسطينية بسبب امتصاص الضوء من قبل كروموفوريس، لذلك متعددة الطول الموجي بات يسمح لرسم الخرائط من تركيز الهيموغلوبين الكلي (هبت) وتشبع الأكسجين (SO2) 19 ، 20 ، 21 ، 22 . تم تحقيق التصوير العصبي الوعائي الدماغ بمساعدة عوامل التباين الخارجية 12 ، 23 ، 24 . طريقة السلطة الفلسطينية يمكن أن تساعد على إعطاء فهم أفضل لصحة الدماغ من قبلوتوفير المعلومات على المستويات الجزيئية والجينية.
لتصوير الحيوانات الصغيرة، ند: ياغ / أوبو الليزر وتستخدم على نطاق واسع ومصادر الإثارة بات. هذه الليزر تسليم ~ نب 5 نبضات الأشعة تحت الحمراء القريبة مع الطاقة (~ 100 مللي جول في نافذة الإخراج أوبو) في معدل تكرار 10 ~ هرتز 25 . نظام السلطة الفلسطينية مجهزة مثل هذه الليزر هي مكلفة وضخمة، ويسمح للتصوير منخفضة السرعة مع محول أحادي الموجات فوق الصوتية (أوست) بسبب انخفاض معدل التكرار من مصدر الليزر. A نموذجي اكتساب خط A في هذه الأنظمة السلطة الفلسطينية هو ~ 5 دقائق لكل المقطع العرضي 25 . نظام التصوير مع مثل هذا الوقت قياس طويلة ليست مثالية لتصوير الحيوانات الصغيرة، لأنه من الصعب السيطرة على المعلمات الفسيولوجية للتصوير كامل الجسم، حل الوقت التصوير الوظيفي، وما إلى ذلك من خلال اعتماد متعددة أوستس عنصر واحد، مجموعة أوستس، أو ارتفاع معدل تكرار الليزر، فمن الممكن لزيادة سرعة التصوير من السلطة الفلسطينيةالأنظمة. باستخدام واحد فقط عنصر واحد أوست لجمع جميع إشارات السلطة الفلسطينية حول العينة سوف تحد من سرعة التصوير للنظام. يتم عرض متعددة أوستس عنصر واحد مرتبة في الهندسة الدائرية أو شبه دائرية لتقنيات التصوير عالية السرعة، حساسة للغاية. وقد استخدمت أوستس القائم على مجموعة 26 ، مثل الخطية، وشبه دائرية، دائرية، والمصفوفات الحجمي بنجاح للتصوير في الوقت الحقيقي 1 . هذه أوستس المستندة إلى مجموعة سوف تزيد من سرعة التصوير وتقليل حساسية القياس، ولكنها مكلفة. ومع ذلك، فإن سرعة التصوير من أنظمة السلطة الفلسطينية التي تستخدم أوستس القائم على مجموعة لا يزال محدودا من معدل تكرار الليزر.
تقنية الليزر النبضي المتقدمة لجعل الثنائيات النبضية ذات معدل التكرار العالي (بلدز) عالية التكرار. 7000 إطارات / ثانية وقد ثبت B- مسح التصوير الضوئي مع بلدس باستخدام منصة الموجات فوق الصوتية السريرية 27 . هذه بلدز يمكن تحسين سرعة التصوير من ثه نظام بات، حتى مع عنصر واحد أوست هندسة المسح دائري. عنصر واحد أوستس أقل تكلفة وحساسة للغاية، على عكس مجموعة أوستس القائم. على مدى العقد الماضي، تم الإبلاغ عن القليل من البحوث على استخدام عالية معدل تكرار بلدس كمصدر الإثارة للتصوير السلطة الفلسطينية. وقد أثبتت الألياف القائمة على الألياف القريبة من الأشعة تحت الحمراء لتصوير السلطة الفلسطينية من الوهمية 28 . وقد أظهرت التصوير في الجسم الحي من الأوعية الدموية في عمق ~ 1 ملم تحت الجلد البشري باستخدام بلدس منخفضة الطاقة 29 . وقد تم الإبلاغ عن قرار بصري القرار الضوئي المجهر الضوئي (أوربام). باستخدام بلدس، ~ 1.5 سم التصوير العميق في معدل الإطار من 0.43 هرتز وقد ثبت 30 . في الآونة الأخيرة، تم الإبلاغ عن نظام بلد-بات التي قدمت الصور في قصيرة كما ~ 3 ثانية وعلى عمق التصوير ~ 2 سم في الأنسجة البيولوجية 25 ، 31 . أثبتت هذه الدراسة أن مثل هذا النظام المنخفض التكلفة، يمكن أن توفر عالية كواليتي الصور، حتى بسرعات عالية. يمكن استخدام نظام بلد-بات لمعدل التصوير المرتفع (7000 إطارا في الثانية) التصوير الضوئي، التصوير السطحي للأوعية الدموية، التصوير المشترك للأصابع، تصوير الأنسجة بعمق 2 سم، تصوير دماغ الحيوانات الصغيرة، إلخ. نبضات منخفضة نبض الطاقة من بلد تحد من تطبيقه على التصوير متعدد الأطياف والأنسجة العميقة. وقد أجريت تجارب على الحيوانات الصغيرة باستخدام نفس النظام بلد-بات المستخدمة لتطبيقات ما قبل السريرية. والغرض من هذا العمل هو توفير تصور مظاهرة التجريبية للنظام بلد-بات لفي الجسم الحي 2D تصوير الدماغ مستعرضة من الحيوانات الصغيرة.
Protocol
Representative Results
Discussion
يقدم هذا العمل بروتوكول لأداء في الجسم الحي التصوير الدماغ على الفئران باستخدام نظام بلد-بات. ويتضمن البروتوكول وصفا تفصيليا لنظام التصوير ومحاذاة لها، وكذلك توضيحا لتصوير الدماغ على الفئران. أنظمة بات القائمة على أوبو هي مكلفة وضخمة ويمكن أن توفر صورة مستعرضة…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويدعم البحث منحة المستوى 2 التي تمولها وزارة التعليم في سنغافورة) ARC2 / 15: M4020238 (والمجلس الوطني للبحوث الطبية التابع لوزارة الصحة في سنغافورة) نمرك / أوفيرغ / 0005/2016: M4062012 (. ويود المؤلفون أن أشكر السيد تشاو واي هوانغ بوبي للمساعدة متجر آلة.
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 |
Riferimenti
- 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).
