קומפקטית קומפקטית טומוגרפיה מערכת עבור<em> בויבו</em> הדמיה מוחית קטנה של המוח
Summary
מערכת קומפקטית המבוססת על דיודות פולוקוסטיות (PLD-PAT) המבוססת על דיודות פולס-קומפקטיות עבור הדמיה מהירה במוח בחיות קטנות מופגנת.
Abstract
ב vivo הדמיה חיה קטנה יש תפקיד חשוב לשחק מחקרים פרה קליניים. Photacoustic טומוגרפיה (PAT) הוא המתעוררים הדגמה היברידית מודליזציה אשר מראה פוטנציאל גדול עבור יישומים פרה קליניים והן קליניים. קונבנציונאלי אופטיים פרמטרית מתנד מבוססי PAT (OPO-PAT) מערכות הם מגושם ויקר ולא יכול לספק הדמיה במהירות גבוהה. לאחרונה, דיודות לייזר פועמות (PLD) הוכחו בהצלחה כמקור עירור חלופי ל- PAT. פולס לייזר דיודה PAT (PLD-PAT) הוכח בהצלחה עבור הדמיה במהירות גבוהה על רוחות רפאים photacoustic ורקמות ביולוגיות. עבודה זו מספקת פרוטוקול ניסיוני visualized עבור הדמיה מוח vivo באמצעות PLD-PAT. הפרוטוקול כולל את תצורת מערכת PLD-PAT קומפקטית ואת התיאור שלה, הכנה לבעלי חיים הדמיה מוחית, הליך ניסיוני טיפוסי עבור הדמיה דו קוטבית חתך דו מימדי המוח. מערכת PLD-PAT היא קומפקטית עלות efFective והוא יכול לספק במהירות גבוהה, באיכות גבוהה הדמיה. תמונות המוח שנאספו in vivo במהירויות סריקה שונות מוצגים.
Introduction
Photocoustic טומוגרפיה (PAT) הוא מודול הדמיה היברידית כי יש יישומים רבים בשני מחקרים קליניים ופרה קליניים 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . ב PAT, פולסים לייזר nanosecond להקרין רקמה ביולוגית. הקליטה של אור האירוע על ידי chromophores רקמות מוביל לעלייה הטמפרטורה המקומית, אשר לאחר מכן מניב גלי הלחץ הנפלטת בצורה של גלי קול. גלאי אולטרסאונד אוספת את האותות הפוטאקוסטיים במיקומים שונים סביב המדגם. האותות הפוטאקוסטיים (PA) משוחזרים באמצעות אלגוריתמים שונים (כגון אלגוריתם עיכוב וסכום) כדי ליצור את התמונה הפוטאקוסטית.
זה מודול הדמיה היברידית מציעה ברזולוציה גבוהה, הדמיה עמוקה של רקמות וקליטה אופטי גבוהה 7 ,Class = "xref"> 8. לאחרונה, עומק הדמיה של ~ 12 ס"מ הושג ברקמת חזה עוף בעזרת אורך גל ארוך יותר (~ 1,064 ננומטר) וסוכן ניגוד אקסוגני שנקרא phosphorus phthalocyanine. זה רגישות עומק הוא הרבה יותר גבוה מאשר רגישות עומק של שיטות אופטיות אחרות, כגון מיקרוסקופ פלואורסצנטי confocal, מיקרוסקופ פלואורסצנטי שני פוטון, 10 טומוגרפיה קוהרנטיות אופטית, 11 וכו ' באמצעות גל אחד או יותר, PAT יכול להדגים שינויים מבניים ותפקודיים באיברים . עבור מחלות רבות של בני אדם, מודלים בעלי חיים קטנים היו מבוססים היטב 12 , 13 , 14 , 15 . עבור הדמיה של בעלי חיים קטנים, כמה מודלים הוכיחו. מתוך כל אלה גישות, הדמיה הרשות הפלשתינית זכה תשומת לב די מהר בשל היתרונות שהוזכרו לעיל. הרשות הפלסטיניתT הראו את הפוטנציאל שלה הדמיה כלי הדם ברקמות ואיברים ( כלומר, הלב, הריאות, הכבד, העיניים, הטחול, המוח, העור, חוט השדרה, הכליות, וכו ' ) של בעלי חיים קטנים 4 , 16 , 17 , 18 . PAT היא שיטה מבוססת היטב עבור הדמיה מוחית קטנה במוח. גלי PA מיוצרים בשל ספיגת האור על ידי chromophores, כך מרובה אורך גל PAT מאפשר מיפוי של ריכוז המוגלובין הכולל (HbT) ורוויון החמצן (SO 2 ) 19 , 20 , 21 , 22 . המוח הדמיה neurovascular הושג בעזרת סוכני בניגוד אקסוגני 12 , 23 , 24 . שיטת PA יכולה לעזור לתת הבנה טובה יותר של בריאות המוח על ידימתן מידע ברמה המולקולרית והגנטית.
עבור הדמיה חיה קטנה, ND: YAG / לייזרים OPO נמצאים בשימוש נרחב מקורות PAT עירור. לייזרים אלה מספקים ~ 5 ns ליד פולסים אינפרא אדום עם אנרגיה (~ 100 mJ בחלון פלט OPO) ב ~ 10-Hz שיעור חזרות 25 . מערכת ה- PA המצוידת בלייזרים מסוג זה היא יקרה וגדולה ומאפשרת הדמיה במהירות נמוכה עם מתחי אולטראסאונד חד-רכיביים (UST) בשל שיעור החזרה הנמוך של מקור הלייזר. A טיפוסית רכישת קו זמן במערכות PA כזה הוא ~ 5 דקות לכל חתך 25 . מערכת הדמיה עם זמן מדידה ארוך כזה אינה אידיאלית להדמיה של בעלי חיים קטנים, מכיוון שקשה לשלוט על הפרמטרים הפיזיולוגיים עבור הדמיה של הגוף כולו, הדמיה פונקציונלית של זמן, וכו '. על ידי אימוץ מספר רב של אלמנטים בודדים מסוג UST, מערך מבוססי USTs, או לייזר חזרות שיעור גבוה, ניתן להגדיל את מהירות הדמיה של הרשותמערכות. שימוש רק אחד UST אלמנט אחד לאסוף את כל האותות PA סביב המדגם יגביל את מהירות הדמיה של המערכת. מספר רב של אלמנטים בודדים מסודרים בגיאומטריה מעגלית או חצי עגולה מודגמים בטכניקות הדמיה מהירות, רגישות. USTs 26 , כגון מערכים ליניאריים, חצי עגולים, מעגליים, ונפחיים, שימשו בהצלחה עבור הדמיה בזמן אמת 1 . אלה מבוססי מערך USTs יגדיל את מהירות הדמיה ולהפחית את רגישות המדידה, אבל הם יקרים. עם זאת, מהירות הדמיה של מערכות PA המשתמשות במערך מבוסס USTs עדיין מוגבל על ידי שיעור החזרה של הלייזר.
טכנולוגיית Pulsed-Laser התקדמה כדי ליצור דיודות לייזר חוזרות בעלות חוזק גבוה (PLD). 7,000 מסגרות / s B- סריקה photacoustic הדמיה הודגם עם PLDs באמצעות אולטרסאונד קליני פלטפורמה 27 . אלה PLDs יכול לשפר את מהירות הדמיה של הE מערכת PAT, אפילו עם אלמנט בודד UST עגול סריקה הגיאומטריה. USTs חד-רכיביים הם פחות יקרים ורגישים מאוד, בניגוד ל- USTs מבוססי מערך. במהלך העשור האחרון, מחקר קטן דווח על שימוש של PLDs שיעור החזרה גבוה כמקור עירור הדמיה הרשות. סיבים מבוססי אינפרא אדום PLD הוכח עבור הדמיה PA של רפאים 28 . ב vivo הדמיה של כלי דם בעומק ~ 1 מ"מ מתחת לעור האדם הוכח באמצעות אנרגיה נמוכה PLDs 29 . PLD מבוסס אופטי רזולוציה מיקרוסקופ photacoustic (ORPAM) דווח. באמצעות PLDs, ~ 1.5 ס"מ הדמיה עמוקה בקצב מסגרת של 0.43 הרץ הודגם 30 . לאחרונה, מערכת PLD-PAT דווח כי סיפקה תמונות קצר כמו ~ 3 s ו ~ ~ 2 ס"מ עומק הדמיה ברקמות ביולוגיות 25 , 31 . מחקר זה הוכיח כי עלות נמוכה, מערכת קומפקטית יכולה לספק גבוהה quaתמונות, אפילו במהירויות גבוהות. ניתן להשתמש במערכת PLD-PAT עבור הדמיה פוטו-אקוסטית גבוהה, הדמיה של כלי דם מופרעים, הדמיה משותפת של אצבע, הדמיה של רקמה בעובי 2 ס"מ, הדמיה מוחית קטנה, וכו ' . אורך הגל היחיד דופק פולסים אנרגיה נמוכה מ PLD להגביל את היישום שלה רב הדמיה ספקטרלית עמוק הדמיה. ניסויים בוצעו על בעלי חיים קטנים באמצעות אותה PLD-PAT המערכת המשמשת יישומים פרה קליניים. מטרת עבודה זו היא לספק את ההדגמה ניסיוני visualized של מערכת PLD-PAT עבור in vivo 2D חתך המוח הדמיה של בעלי חיים קטנים.
Protocol
Representative Results
Discussion
עבודה זו מציגה פרוטוקול לביצוע הדמיה מוח vivo על חולדות באמצעות מערכת PLD-PAT. הפרוטוקול כולל תיאור מפורט של מערכת הדמיה ויישור שלה, כמו גם איור של הדמיה מוחית על חולדות. מערכות ה- PAT הקיימות מבוססות OPO הן יקרות וגדולות ויכולות לספק תמונה אחת חתךית בטווח של 5-10 דקות. מערכ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחקר נתמך על ידי מענק רובד 2 ממומן על ידי משרד החינוך בסינגפור (ARC2 / 15: M4020238) ואת המועצה הלאומית למחקר רפואי של משרד הבריאות של סינגפור (NMRC / OFIRG / 0005/2016: M4062012). המחברים מבקשים להודות למר צ'או וואי הונג בובי על העזרה בחנות המכונה.
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 |
References
- 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).
