Een hoogwaardig Compact Photo Acoustic Tomography System voor<em> In Vivo</em> Kleine-dierlijke hersenbeelden
Summary
Een compact pulsed-laser diode gebaseerde foto-akoestische tomografie (PLD-PAT) systeem voor high-speed in vivo hersenbeelden in kleine dieren wordt aangetoond.
Abstract
In vivo speelt kleine dierenbeelden een belangrijke rol in preklinische studies. Photoacoustic tomography (PAT) is een opkomende hybrid imaging modaliteit die groot potentieel voor zowel preklinische als klinische toepassingen aantoont. Conventionele optische parametrische oscillator-gebaseerde PAT (OPO-PAT) systemen zijn omvangrijk en duur en kunnen geen snelle beeldvorming bieden. Onlangs zijn pulsed-laser diodes (PLD's) succesvol aangetoond als een alternatieve excitatiebron voor PAT. Pulsed-laser diode PAT (PLD-PAT) is succesvol aangetoond voor high-speed beeldvorming op photoacoustic phantoms en biologische weefsels. Dit werk biedt een visualized experimenteel protocol voor in vivo hersenbeeldvorming met behulp van PLD-PAT. Het protocol bevat de compacte PLD-PAT-systeemconfiguratie en de beschrijving ervan, dierbereiding voor hersenbeeldvorming en een typische experimentele procedure voor 2D doorsnede-beeldvorming van de rattenhuid. Het PLD-PAT-systeem is compact en kost-efFectief en kan high-speed beeldvorming van hoge kwaliteit leveren. Brainbeelden die in vivo bij verschillende scansnelheden worden verzameld, worden gepresenteerd.
Introduction
Photoacoustic Tomography (PAT) is een hybrid imaging modaliteit die veel toepassingen heeft in zowel klinische als preklinische studies 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . In PAT bestralen nanoseconde laserpulsen biologisch weefsel. De absorptie van incidentielicht door de weefselchromoforen leidt tot een lokale temperatuurstijging, die dan drukgolven uitzendt in de vorm van geluidsgolven. Een ultrasone detector verzamelt de foto-akoestische signalen op verschillende posities rond het monster. De foto-akoestische (PA) signalen worden gereconstrueerd met behulp van verschillende algoritmes (zoals een vertragings- en som-algoritme) 6 om het foto-akoestische beeld te genereren.
Deze hybrid imaging modaliteit biedt hoge resolutie, diepgeweven beeldvorming en hoge optische absorptie contrast 7 ,Class = "xref"> 8. Onlangs is een beeldvormende diepte van 12 cm bereikt in kippenborstweefsel met behulp van een langere golflengte (~ 1.064 nm) en een exogeen contrastmiddel, die fosforfthalocyanine bevat. Deze diepte gevoeligheid is veel hoger dan de diepte gevoeligheid van andere optische methoden, zoals confocal fluorescentiemicroscopie, twee-foton fluorescentiemicroscopie, 10 optische coherentietomografie, 11 enz. Met meer dan één golflengte kan PAT structurele en functionele veranderingen in organen aantonen . Voor veel mensenziekten zijn kleine dierenmodellen goed gevestigd 12 , 13 , 14 , 15 . Voor het afbeelden van kleine dieren zijn diverse modaliteiten aangetoond. Uit al die benaderingen heeft PA imaging eerder aandacht gekregen vanwege de bovengenoemde voordelen. VADERT heeft zijn potentieel voor het beelden van bloedvaten in de weefsels en organen ( dwz hart, longen, lever, ogen, milt, hersenen, huid, ruggengraat, nier, enz. ) Van kleine dieren 4 , 16 , 17 , 18 weergegeven . PAT is een gevestigde modaliteit voor beeldvorming van kleine dieren. PA-golven worden geproduceerd door de lichtabsorptie door de chromophoren, zodat meerdere golflengten PAT de mapping van de totale hemoglobine concentratie (HbT) en zuurstofverzadiging (SO2) 19 , 20 , 21 , 22 mogelijk maken . Brein-neurovasculaire beeldvorming werd bereikt met behulp van exogene contrastmiddelen 12 , 23 , 24 . PA modaliteit kan bijdragen tot een beter begrip van de gezondheid van de hersenen doorInformatie verstrekken op de moleculaire en genetische niveaus.
Voor beeldvorming met kleine dieren worden Nd: YAG / OPO lasers veel gebruikt als PAT excitatie bronnen. Deze lasers leveren ~ 5 ns bijna-infraroodpulsen met energie (~ 100 mJ bij het OPO-uitvoervenster) bij een herhalingssnelheid van 10 Hz. Het PA-systeem uitgerust met dergelijke lasers is kostbaar en omvangrijk en maakt het mogelijk om met lage-snelheid beeldvorming met een-element-ultrageluid transducers (UST) te maken vanwege de lage herhalingssnelheid van de laserbron. Een typische A-lijn aanwinstijd in dergelijke PA-systemen is ~ 5 min per doorsnede 25 . Een beeldvorming systeem met zo'n lange metingstijd is niet ideaal voor beeldvorming met kleine dieren, omdat het moeilijk is om de fysiologische parameters te controleren voor beeldvorming in het hele lichaam, tijdoplossend functioneel beeldvorming, enz. Door meerdere single-element USTs te selecteren, Gebaseerde UST's, of een laser met hoge repetitiesnelheid, is het mogelijk om de beeldsnelheid van PA te verhogensystemen. Door slechts één single-element UST te gebruiken om alle PA signalen te verzamelen rond het monster, wordt de beeldsnelheid van het systeem beperkt. Meerdere single-element UST's die in cirkelvormige of halfcirkelvormige geometrie worden geregeld, worden aangetoond voor high-speed, zeer gevoelige beeldvormingstechnieken. Array-gebaseerde USTs 26 , zoals lineaire, halve cirkelvormige, cirkelvormige en volumetrische arrays, zijn succesvol gebruikt voor real-time beeldvorming 1 . Deze array-gebaseerde UST's zullen de beeldsnelheidsnelheid verhogen en de meetgevoeligheid verminderen, maar ze zijn duur. Echter, de beeldsnelheid van PA systemen die gebruik maken van array-gebaseerde UST's is nog steeds beperkt door de herhalingssnelheid van de laser.
Pulsed-laser technologie is geavanceerd om hoge-repetitie-rate pulserende-laser diodes (PLD's) te maken. 7000 frames / s B-scan foto-akoestische beeldvorming werd aangetoond met PLD's met behulp van een klinisch ultrasound platform 27 . Dergelijke PLD's kunnen de afbeeldingssnelheid van th verbeterenE PAT-systeem, zelfs bij single-element UST circulaire scan geometrie. Single-element UST's zijn minder duur en zeer gevoelig, in tegenstelling tot array-gebaseerde UST's. In het afgelopen decennium werd weinig onderzoek gerapporteerd over het gebruik van PLD's met hoge herhalingsgraad als de excitatiebron voor PA-beeldvorming. Een vezelgebaseerde bijna-infrarood PLD werd aangetoond voor PA-beeldvorming van fantoom 28 . De in vivo beeldvorming van bloedvaten bij een ~ 1 mm diepte onder de menselijke huid werd aangetoond met behulp van energiezuinige PLD's 29 . Een PLD-gebaseerde optische resolutie foto-akoestische microscoop (ORPAM) werd gemeld. Met behulp van PLD's werd ~ 1,5 cm diepbeeldvorming bij een beeldsnelheid van 0,43 Hz aangetoond 30 . Zeer recent werd een PLD-PAT-systeem gemeld dat beelden op zo kort als ~ 3 s en op een ~ 2 cm beelddiepte in biologisch weefsel 25 , 31 leverden. Deze studie bleek dat zo'n goedkoop, compact systeem hoge qua kan leverenLity beelden, zelfs bij hoge snelheden. Het PLD-PAT-systeem kan worden gebruikt voor fotocoustic imaging met hoge beeldsnelheid (7000 fps), beeldschermbeelden op het bloed, vingergewichtbeelden, 2 cm diepe weefselbeelden, beeldvorming met kleine dieren, enz. De enkelvoudige golflengte en Low pulse-energy pulsen van PLD beperken de toepassing ervan tot multispectrale en diepe weefselbeelden. Er zijn experimenten uitgevoerd op kleine dieren met hetzelfde PLD-PAT systeem dat wordt gebruikt voor preklinische toepassingen. Het doel van dit werk is het visualiseren van de experimentele demonstratie van het PLD-PAT-systeem voor in-vivo 2D doorsnedebeelden van kleine dieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit werk bevat een protocol voor het uitvoeren van in vivo hersenbeelden op ratten met behulp van een PLD-PAT-systeem. Het protocol bevat een gedetailleerde beschrijving van het beeldvormingssysteem en de uitlijning daarvan, evenals een illustratie van hersenbeelden op ratten. De bestaande OPO-gebaseerde PAT-systemen zijn duur en omvangrijk en kunnen in een 5-10 min een doorsnedebeeld geven. Het PLD-PAT-systeem is compact, draagbaar en goedkoop en kan in 3 s goede beelden leveren. De prestatie van het systeem w…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Het onderzoek wordt ondersteund door de Tier 2-subsidie, gefinancierd door het Ministerie van Onderwijs in Singapore (ARC2 / 15: M4020238) en de National Medical Research Council van Singapore (NMRC / OFIRG / 0005/2016: M4062012). De auteurs willen de heer Chow Wai Hoong Bobby bedanken voor de hulp van de machinewinkel.
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).
