ラット皮質脈管構造での洗浄・インおよび染料の洗浄を監視するためのパルスレーザーダイオードベースのデスクトップ光音響断層撮影
Summary
密集した脈打ったレーザーのダイオード・ベースの卓上の光音響の断層撮影 (PLD-PAT) システムは小さい動物の皮質の脈管構造の高速動的のインビボのイメージ投射のために証明される。
Abstract
光音響 (PA) 断層撮影 (PAT) 画像化は、様々な前臨床および臨床的適用において有用な新生生物医学的画像化モダリティである。カスタムメイドの円形リングアレイベースのトランスデューサと従来のかさばる Nd: YAG/OPO レーザーは、診療所への PAT システムの翻訳を阻害します。超小型パルスレーザダイオード (PLDs) は、現在、PA イメージングのための近赤外励起の代替源として使用されています。高速度動的 in vivo イメージングは、コンパクト PLD ベースのデスクトップ PAT システム (PLD-PAT) を使用して実証されています。デスクトップ PLD-PAT システムを使用して視覚化された実験的なプロトコルは動的な in vivo 脳イメージ投射のためのこの仕事で提供される。プロトコルは、デスクトップ PLD-PAT システム構成、脳血管イメージングのための動物の調製、およびラット皮質脈管構造におけるインドシアニングリーン (ICG) 染料取り込みおよびクリアランスプロセスの動的な可視化のための手順を説明する。
Introduction
光音響計算断層撮影法 (協定/PAT) は、高 ultrasond 解像度1、2、3、4と豊富な光学的コントラストを組み合わせた有望な非侵襲的生体イメージングモダリティです。5.ナノ秒パルスレーザーが生体組織内に存在する光吸収発色団にエネルギーを堆積させると、局所的な温度が上昇して組織の thermoelastic の拡大と収縮をもたらし、結果として発生する圧力波これらの圧力波は、超音波または光音響 (PA) 波として知られており、サンプルの周りの超音波トランスデューサによって検出することができる。検出された pa 信号は、断面 pa 画像を生成するために、6、7、8、9の様々な再構成アルゴリズムを使用して再構築される。PA イメージングは、体10の中に存在する内因性発色団の波長依存性に起因する巨視的な器官からの微細なオルガネラに構造的および機能的情報を提供する。PAT イメージングが正常に使用された乳がん検出1、センチネルリンパ節イメージング11、オキシヘモグロビン (HbO2)、deoxyhemoglobin (HbR)、総ヘモグロビン濃度 (HbT)、酸素飽和度 (2)12,図13は、腫瘍の血管新生14、動物全体の全身イメージング15、および他の用途である。
Nd: YAG/OPO レーザは、小型動物イメージングおよび深部組織画像化16のための光音響コミュニティで広く使用されている第一世代の PAT システムに対する従来の励起源である。これらのレーザーは ~ 10-100 Hz の低い繰り返し率で ~ 100 mJ エネルギーパルスを提供します。これらの高価でかさばるレーザーを使用した PAT イメージングシステムは、パルス反復速度が限られているため、単元素超音波トランスデューサ (SUTs) による高速イメージングには適していません。これは、動物の内部で高速で発生する生理的変化のリアルタイムモニタリングを阻害する。リニア、半円形、円形、容積型アレイなどのアレイ・ベースのトランスデューサを Nd: YAG レーザー励起で使用することで、高速イメージングが可能です。しかし、これらの配列トランスデューサは高価であり、SUTs に比べて低い感度を提供します。しかし、撮像速度は、レーザの低い繰り返し速度によって制限される。カスタマイズされたフルリングの配列のトランスデューサーが付いている最先端の単一インパルスの協定システムは50の Hz フレーム率17で PA データを得る。これらのアレイトランスデューサは、複雑なバックエンドの受信電子機器および信号増幅器を必要とするため、システム全体のコストが高くなり、臨床使用が困難になります。
小型、低コスト、高パルス繰り返し率 (KHz の次数) により、パルスレーザダイオード (PLDs) がよりリアルタイムイメージングにより有望になります。これらの利点のために、PLDs は第二世代 PAT システムの代替励起源として積極的に使用されています。PLD に基づいた PAT システムは、アレイトランスデューサ18を用いた高フレームレートイメージングに対して正常に実証されており、深部組織および脳イメージング19、20、21、心血管疾患診断22、リウマチ診断23.SUTs は、アレイトランスデューサと比較して高感度で安価であるため、PAT イメージングにも広く使用されています。繊維ベース PLD システムは、ファントムイメージング24のために実証されている。携帯用 PLD-PAT システムは PAT スキャナ25の中の PLD を取付けることによって前に証明された。1 SUT 環状走査器を用いて、3 s の走査時間の間にファントム画像化を行い、そしてインビボでラット脳画像化を、この PLD − PAT システム19を用いて 5 s 期間中に行った。
さらに、この PLD-PAT システムを改良して、8つの音響リフレクタベースの単一要素超音波トランスデューサ (SUTRs)26,27を使用して、よりコンパクトにしてデスクトップモデルを作成しました。ここで、SUTs は、90°音響反射器28の補助を用いて水平方向の代わりに垂直に配置した。このシステムはティッシュのイメージ投射およびインビボの小さい動物の頭脳のイメージ投射の 0.5 s そして〜 3 cm までのスキャンの時間のために使用することができる。この作品では、このデスクトップ PLD-PAT システムは、小動物におけるインビボ脳イメージングのための実験の視覚的なデモンストレーションを提供し、食品医薬品局 (FDA) の取り込みおよびクリアランスプロセスの動的な可視化のために使用されています-承認インドシアニン緑 (ICG) ラットの脳内染料。
Protocol
Representative Results
Discussion
本研究では、ICG のような造影剤の生体内脳イメージングや動的な高速取り込み・クリアランスプロセスについて、ラットのような小動物の実験を行うためのデスクトップ PLD-PAT システムを使用するためのプロトコルを提示する。かさばる、高価な OPO システムは、インビボ画像の単一の断面を取得するために数分 (2-5 分) かかります。密集した、低価格の、第1世代の携帯用 PLD-PAT システムは5…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、シンガポール保健省の国立医学研究評議会 (ユーザー/OFIRG/0005/2016: M4062012) によって支援されています。著者は、マシンショップのサポートのためのチョウワイ Hoong ボビー氏に感謝したいと思います。
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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