Sıçan kortikal damarında boya yıkama ve yıkayın-Out Izleme için pulsed lazer diyot tabanlı masaüstü Fotoakustik tomografi
Summary
Kompakt bir darbeli Lazer diyot tabanlı masaüstü fotoakustik tomografi (PLD-PAT) sistemi, küçük hayvan kortikal damarının yüksek hızlı dinamik in vivo görüntülemesinde gösterilmiştir.
Abstract
Fotoakustik (PA) tomografi (PAT) görüntüleme, çeşitli preklinik ve klinik uygulamalarda yararlı olan bir biyomedikal görüntüleme yöntemidir. Özel yapılmış dairesel halka dizi tabanlı dönüştürüceler ve konvansiyonel hantal ND: YAG/OPO lazerleri, PAT sisteminin kliniklere çevirisini inhibe eder. Ultra kompakt darbeli Lazer diyotlar (PLD ‘ler) Şu anda PA görüntüleme için yakın kızılötesi uyarma alternatif bir kaynak olarak kullanılmaktadır. Yüksek hızlı dinamik in vivo görüntüleme, kompakt PLD tabanlı masaüstü PAT sistemi (PLD-PAT) kullanılarak gösterilmiştir. Dinamik in vivo beyin görüntüleme için bu çalışmada masaüstü PLD-PAT sistemini kullanan bir görselleştirilmiş Deneysel protokol sağlanmıştır. Protokol, masaüstü PLD-Pat sistem yapılandırmasını, beyin vasküler görüntüleme için hayvanın hazırlanması ve fare kortikal damarında İndosiyanin Yeşil (ICG) boya alımı ve boşluk sürecinin dinamik görselleştirme için prosedür açıklanmaktadır.
Introduction
Fotoakustik bilgisayarlı tomografi (pakt/Pat) yüksek ultrason çözünürlüğü ile zengin optik kontrast birleştiren umut verici bir non-invaziv Biyomedikal görüntüleme modalitesi1,2,3,4, 5. ne zaman bir nanosecond darbeli Lazer mevduat enerji üzerine ışık emici chromophores mevcut herhangi bir biyolojik doku, yerel sıcaklık artar önde gelen termoelastik genişleme ve kasılma doku, elde edilen nesil basınç dalgaları. Bu basınç dalgaları, numune etrafında ultrason dönüştürücülleri tarafından tespit edilebilir ultrason dalgaları veya fotoakustik (PA) dalgalar olarak bilinir. Algılanan PA sinyalleri, çapraz kesit PA görüntüleri oluşturmak için çeşitli yeniden yapılanma algoritmaları6,7,8,9 kullanılarak yeniden oluşturulur. PA görüntüleme, vücudun içinde bulunan endojen chromophorların dalga boyu bağımlılığı nedeniyle makroskopik organlardan mikroskobik organlara yapısal ve fonksiyonel bilgiler sağlar10. Pat görüntüleme başarıyla meme kanseri tespiti için kullanılan1, Sentinel lenf nodu görüntüleme11, oksihemoglobin haritalama (HbO2), deoxyhemoglobin (HBR), Total hemoglobin konsantrasyonu (HBT), oksijen Doygunluk (so 2) 12 tane , 13, tümör anjiyogenezi14, küçük hayvan tüm vücut görüntüleme15, ve diğer uygulamalar.
ND: YAG/OPO lazerleri, küçük hayvan görüntüleme ve derin doku görüntüleme16için fotoakustik toplumda yaygın olarak kullanılan Ilk nesil Pat sistemleri için konvansiyonel uyarma kaynaklarıdır. Bu lazerler ~ 10-100 Hz düşük tekrarlama oranlarında mJ enerji darbeleri ~ 100 sağlar. Bu pahalı ve hantal lazerleri kullanan PAT görüntüleme sistemleri, sınırlı darbe tekrarlama oranı nedeniyle tek elemanlı ultrason dönüştürücüleri (SUTs) ile yüksek hızlı görüntüleme için uygun değildir. Bu, hayvan içinde yüksek hızlarda meydana gelen fizyolojik değişikliklerin gerçek zamanlı izlenmesi inhibe. ND: YAG lazer uyarma ile doğrusal, yarı dairesel, dairesel ve hacimsel diziler gibi dizi tabanlı dönüştürücütleri kullanarak, yüksek hızlı görüntüleme mümkündür. Ancak, bu dizi dönüştürücüleri pahalıdır ve SUTs ile karşılaştırıldığında daha düşük hassasiyetler sağlar; henüz, görüntüleme hızı lazer düşük tekrarlama oranı ile sınırlıdır. Özelleştirilmiş tam halka dizi dönüştürücü ile son teknolojiye sahip tek impuls pakt sistemleri 50 Hz ‘lik kare oranlarında PA verilerini17‘ ye elde eder. Bu dizi dönüştürücü karmaşık arka uç alma elektronik ve sinyal amplifikatörleri, genel sistem daha pahalı ve klinik kullanım için zor hale gerekir.
Kompakt boyutu, düşük maliyet gereksinimleri ve daha yüksek darbe tekrarlama oranı (KHz sırası), gerçek zamanlı görüntüleme için daha umut verici olan darbeli Lazer diyotlar (PLD) yapar. Bu avantajlar nedeniyle, PLD ‘Ler ikinci nesil PAT sistemlerinde alternatif bir uyarma kaynağı olarak aktif olarak kullanılmaktadır. PLD tabanlı Pat sistemleri, dizi dönüştürücerleri kullanılarak yüksek kare hızı görüntüleme için başarıyla gösterildi18, derin doku ve beyin görüntüleme19,20,21, kardiyovasküler hastalık tanı22 ve Romatoloji tanısı23. SUTs son derece hassas ve daha az pahalı olarak dizi dönüştürücüleri karşılaştırıldığında, onlar hala yaygın PAT görüntüleme için kullanılır. Fiber tabanlı PLD sistemi Phantom Imaging24için gösterilmiştir. Taşınabilir bir PLD-PAT sistemi daha önce PLD ‘yi PAT tarayıcısı25‘ in içine monte ederek gösterilmiştir. Bir SUT dairesel tarayıcı ile, 3 s Tarama süresi sırasında hayalet görüntüleme yapıldı ve bu PLD-PAT sistemi19kullanılarak 5 s dönemde in vivo sıçan beyin görüntüleme yapıldı.
Dahası, bu PLD-Pat sistemine daha kompakt hale getirmek ve sekiz akustik reflektör tabanlı tek elemanlık ultrason dönüştürücülleri (SUTRS)26,27kullanarak bir masaüstü modeli oluşturmak için iyileştirmeler yapılmıştır. Burada, SUTs, 90° akustik reflektör28‘ in yardımıyla yatay yön yerine dikey olarak yerleştirilmiştir. Bu sistem, 0,5 s ve ~ 3 cm derinlik doku görüntüleme ve in vivo küçük hayvan beyin görüntüleme kadar tarama süreleri için kullanılabilir. Bu çalışma, bu masaüstü PLD-Pat sistemi, küçük hayvanların in vivo beyin görüntüleme ve gıda ve İlaç İdaresi (FDA) onaylı İndosiyanin Alım ve temizleme sürecinin dinamik görselleştirme için deneylerin görsel gösteri sağlamak için kullanılır Yeşil (ıCG) sıçan beyinde boya.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışma, In vivo beyin görüntüleme ve ıCG gibi kontrast ajanlar dinamik hızlı Alım ve temizleme süreci için fareler gibi küçük hayvanlar üzerinde deneyler yapmak için bir masaüstü PLD-PAT sistemi kullanmak için bir protokol sunar. Hantal, pahalı OPO-PAT sistemleri birkaç dakika sürer (2-5 dk) tek bir çapraz-kesit içinde vivo görüntü elde etmek. Kompakt, düşük maliyetli, ilk nesil taşınabilir PLD-PAT sistemi, 5 s ‘de tek çapraz kesit içinde vivo görüntüler sağlar. Buna karşılık…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Araştırma, Singapur Sağlık Bakanlığı Ulusal Tıp Araştırma Konseyi (NMRC/OFIRG/0005/2016: M4062012) tarafından desteklenmektedir. Yazarlar, Bay Chow Wai Hoong Bobby ‘e makine dükkanı desteği için teşekkür etmek ister.
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 |
Riferimenti
- Lin, L., et al. Single-breath-hold photoacoustic computed tomography of the breast. Nature Communications. 9 (1), 2352 (2018).
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Fast photoacoustic imaging systems using pulsed laser diodes: a review. Biomedical Engineering Letters. 8 (2), 167-181 (2018).
- Yao, J., Wang, L. V. Recent progress in photoacoustic molecular imaging. Current Opinion in Chemical Biology. 45, 104-112 (2018).
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Recent advances toward preclinical and clinical translation of photoacoustic tomography: a review. Journal of Biomedical Optics. 22 (4), 041006 (2017).
- Yao, J., Wang, L. V. Photoacoustic microscopy. Laser & Photonics Reviews. 7 (5), 758-778 (2013).
- Awasthi, N., Kalva, S. K., Pramanik, M., Yalavarthy, P. K. Image Guided Filtering for Improving Photoacoustic Tomographic Image Reconstruction. Journal of Biomedical Optics. 23 (9), 091413 (2018).
- Kalva, S. K., Pramanik, M. Experimental validation of tangential resolution improvement in photoacoustic tomography using a modified delay-and-sum reconstruction algorithm. Journal of Biomedical Optics. 21 (8), 086011 (2016).
- Pramanik, M. Improving tangential resolution with a modified delay-and-sum reconstruction algorithm in photoacoustic and thermoacoustic tomography. The Journal of the Optical Society of America. 31 (3), 621-627 (2014).
- Xu, M., Wang, L. V. Universal back-projection algorithm for photoacoustic computed tomography. Physical Review E. 71 (1), 016706 (2005).
- Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs. Science. 335 (6075), 1458-1462 (2012).
- Sivasubramanian, K., Periyasamy, V., Pramanik, M. Non-invasive sentinel lymph node mapping and needle guidance using clinical handheld photoacoustic imaging system in small animal. Journal of Biophotonics. 11 (1), e201700061 (2018).
- Hu, S., Maslov, K., Wang, L. V. Second-generation optical-resolution photoacoustic microscopy with improved sensitivity and speed. Optics Letters. 36 (7), 1134-1136 (2011).
- Stein, E. W., Maslov, K., Wang, L. V. Noninvasive, in vivo imaging of blood-oxygenation dynamics within the mouse brain using photoacoustic microscopy. Journal of Biomedical Optics. 14 (2), 020502 (2009).
- Ku, G., Wang, X. D., Xie, X. Y., Stoica, G., Wang, L. V. Imaging of tumor angiogenesis in rat brains in vivo by photoacoustic tomography. Applied Optics. 44 (5), 770-775 (2005).
- Ma, R., Taruttis, A., Ntziachristos, V., Razansky, D. Multispectral optoacoustic tomography (MSOT) scanner for whole-body small animal imaging. Optics Express. 17 (24), 21414-21426 (2009).
- Zhou, Y., et al. A Phosphorus Phthalocyanine Formulation with Intense Absorbance at 1000 nm for Deep Optical Imaging. Theranostics. 6 (5), 688-697 (2016).
- Li, L., et al. Single-impulse panoramic photoacoustic computed tomography of small-animal whole-body dynamics at high spatiotemporal resolution. Nature Biomedical Engineering. 1 (1), 0071 (2017).
- Sivasubramanian, K., Pramanik, M. High frame rate photoacoustic imaging at 7000 frames per second using clinical ultrasound system. Biomedical Optics Express. 7 (2), 312-323 (2016).
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Dynamic in vivo imaging of small animal brain using pulsed laser diode-based photoacoustic tomography system. Journal of Biomedical Optics. 22 (9), 090501 (2017).
- Upputuri, P. K., Periyasamy, V., Kalva, S. K., Pramanik, M. A High-performance compact photoacoustic tomography system for in vivo small-animal brain imaging. Journal of Visualized Experiments. (124), e55811 (2017).
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Pulsed laser diode based optoacoustic imaging of biological tissues. Biomedical Physics & Engineering Express. 1 (4), 045010-045017 (2015).
- Arabul, M. U., et al. Toward the detection of intraplaque hemorrhage in carotid artery lesions using photoacoustic imaging. Journal of Biomedical Optics. 22 (4), (2016).
- Daoudi, K., et al. Handheld probe integrating laser diode and ultrasound transducer array for ultrasound/photoacoustic dual modality imaging. Optics Express. 22 (21), 26365-26374 (2014).
- Allen, J. S., Beard, P. Pulsed near-infrared laser diode excitation system for biomedical photoacoustic imaging. Optics Letters. 31 (23), 3462-3464 (2006).
- 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).
- Kalva, S. K., Upputuri, P. K., Pramanik, M. High-speed, low-cost, pulsed-laser-diode-based second-generation desktop photoacoustic tomography system. Optics Lett. 44 (1), 81-84 (2019).
- Kalva, S. K., Hui, Z. Z., Pramanik, M. Calibrating reconstruction radius in a multi single-element ultrasound-transducer-based photoacoustic computed tomography system. J Opt Soc Am A. 35 (5), 764-771 (2018).
- Kalva, S. K., Pramanik, M. Use of acoustic reflector to make compact photoacoustic tomography system. Journal of Biomedical Optics. 22 (2), 026009 (2017).
- . American National Standard for Safe Use of Lasers. ANSI Standard Z136.1-2007. , (2007).
