Tomografia fotoacústica de desktop com base em diodo laser pulsada para monitoramento de lavagem e lavagem de corante em vasculatura cortical de ratos
Summary
Um sistema laser pulsado compacto do tomography fotoacústica do desktop (PLD-Pat) é demonstrado para A imagem latente dinâmica in vivo de alta velocidade do vasculature cortical animal pequeno.
Abstract
A imagem latente do tomography de photoacoustic (PA) (PAT) é uma modalidade biomédica emergente da imagem latente útil em várias aplicações pré-clínicas e clínicas. Personalizado-feito circular anel array-based transdutores e convencional volumoso Nd: YAG/OPO lasers inibir a tradução do sistema PAT para clínicas. Os diodos laser pulsado ultra-compactos (PLDs) estão sendo usados atualmente como uma fonte alternativa de excitação do próximo-infravermelho para a imagem latente do PA. A imagem latente dinâmica de alta velocidade in vivo foi demonstrada usando um sistema PLD-baseado compacto do PAT do desktop (PLD-PAT). Um protocolo experimental visualizado usando o sistema de desktop PLD-PAT é fornecido neste trabalho para a imagem latente dinâmica do cérebro in vivo. O protocolo descreve a configuração de sistema do desktop PLD-PAT, a preparação do animal para a imagem latente Vascular do cérebro, e o procedimento para o visualização dinâmico do verde do do indocyanine (ICG) o processo da tomada e do afastamento da tintura no vasculature cortical do rato.
Introduction
O tomography computado fotoacústico (PACT/Pat) é uma modalidade biomédica não invasora prometedora da imagem latente que combina o contraste ótico rico com a definição elevada1,2,3,4de ultrasond, 5. When um nanossegundos o laser pulsado deposita a energia na luz que absorve cromóforos atual dentro de todo o tecido biológico, aumentos locais da temperatura que conduzem à expansão e à contração termoelástico do tecido, tendo por resultado a geração de ondas de pressão. Estas ondas de pressão são conhecidas como ondas de ultra-som ou ondas fotoacústicas (PA), que podem ser detectadas por transdutores de ultra-som em torno da amostra. Os sinais de PA detectados são reconstruídos usando vários algoritmos de reconstrução6, 7, 8,9 para gerar imagens de PA transversais. A imagem latente do PA fornece a informação estrutural e funcional dos órgãos macroscópicos às organelas microscópicas devido à dependência do comprimento de onda de cromóforos endógenos atuais dentro do corpo10. A imagem latente de PAT foi usada com sucesso para a deteção1do cancro da mama, imagem latente do nó de linfa da sentinela11, mapeando do oxyhemoglobina (HbO2), deoxyhemoglobina (HBR), concentração total da hemoglobina (HBT), saturação do oxigênio (so 2) o 12 anos de , 13, angiogênese14do tumor, imagem latente inteira15do corpo do animal pequeno, e outras aplicações.
Nd: os lasers de YAG/opo são fontes convencionais da excitação para sistemas da primeira geração Pat que são amplamente utilizados na Comunidade fotoacústica para a imagem latente animal pequena e a imagem latente profunda16do tecido. Estes lasers fornecem ~ 100 pulsos de energia mJ em baixas taxas de repetição de ~ 10-100 Hz. Os sistemas da imagem latente de PAT que usam estes lasers caros e volumosos não são apropriados para a imagem latente de alta velocidade com os transdutores do único-elemento do ultra-som (SUTs), devido à taxa limitada da repetição do pulso. Isso inibe o monitoramento em tempo real das alterações fisiológicas que ocorrem em altas velocidades dentro do animal. Usando transdutores baseados em array como matrizes lineares, semicirculares, circulares e volumétricas com excitação a laser Nd: YAG, a imagem de alta velocidade é possível. No entanto, estes transdutores de matriz são caros e proporcionam sensibilidades inferiores em comparação com os SUTs; ainda, a velocidade de imagem é limitada pela baixa taxa de repetição do laser. Os sistemas do PACT do único-impulso do estado—arte com o transdutor personalizado do cheio-anel da disposição obtêm os dados do PA em 50 taxas de frame de hertz17. Estes transdutores da disposição precisam o back-end complexo que recebe a eletrônica e os amplificadores de sinal, fazendo o sistema total mais caro e difícil para o uso clínico.
Seu tamanho compacto, exigências mais baixas do custo, e uma taxa mais elevada da repetição do pulso (ordem de KHz) fazem diodos de laser pulsado (PLDs) mais prometedores para a imagem latente tempo real. Devido a estas vantagens, os PLDs são usados ativamente como uma fonte alternativa da excitação em sistemas da segunda geração PAT. Os sistemas Pat baseados em PLD foram demonstrados com sucesso para a imagem latente da taxa do elevado-frame usando os transdutores18da disposição, profundamente-tecido e imagem latente do cérebro19,20,21, diagnóstico de doença cardiovascular22 e diagnóstico de Reumatologia23. Como os SUTs são altamente sensíveis e menos dispendiosos em comparação com os transdutores de matriz, eles ainda são amplamente utilizados para imagens PAT. O sistema PLD à base de fibra foi demonstrado para a imagem latente fantasma24. Um sistema portátil de PLD-PAT foi demonstrado previamente montando o PLD dentro do varredor25da pancadinha. Com um varredor circular de SUT, a imagem latente fantasma foi executada durante 3 s do tempo da varredura, e a imagem latente in vivo do cérebro do rato foi executada durante um período de 5 s usando este sistema de PLD-PAT19.
Além disso, foram feitas melhorias para este sistema PLD-Pat para torná-lo mais compacto e criar um modelo de desktop usando oito transdutores de ultra-som de elemento único baseado em refletor acústico (sutrs)26,27. Aqui, os SUTs foram coloc em um vertical em vez do sentido horizontal com a ajuda de um refletor 90° Acoustic28. Este sistema pode ser empregado para tempos da varredura de até 0,5 s e de ~ 3 cm profundamente na imagem latente do tecido e na imagem latente animal pequena in vivo do cérebro. Neste trabalho, este sistema de desktop PLD-PAT é usado para fornecer a demonstração visual de experimentos para imagiologia cerebral in vivo em pequenos animais e para visualização dinâmica do processo de captação e liberação de indocyanina aprovada pela administração de alimentos e drogas (FDA) corante verde (ICG) em cérebros de ratos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este trabalho apresenta um protocolo para usar um sistema de desktop PLD-PAT para a realização de experimentos em pequenos animais como ratos para a imagem cerebral in vivo e rápido-captação dinâmica e processo de apuramento de agentes de contraste como ICG. Volumosos, caros sistemas OPO-PAT levam vários minutos (2-5 min) para adquirir uma única imagem transversal in vivo. Um sistema PLD-PAT portátil compacto, de baixo custo e de primeira geração fornece imagens in vivo transversais únicas em 5 s. Em contrast…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
A pesquisa é apoiada pelo Ministério da saúde de Singapura do Conselho Nacional de pesquisa médica (NMRC/OFIRG/0005/2016: M4062012). Os autores gostariam de agradecer ao Sr. Chow Wai Hoong Bobby pelo apoio da oficina de máquinas.
Materials
| 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 |
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