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.
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.
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.
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 trasversa…
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |