एक उच्च प्रदर्शन कॉम्पैक्ट Photoacoustic Tomography सिस्टम के लिए<em> विवो में</em> छोटे जानवर मस्तिष्क इमेजिंग
Summary
छोटे जानवरों में विवो मस्तिष्क इमेजिंग में उच्च गति के लिए कॉम्पैक्ट स्पंदित-लेजर डायोड-आधारित फोटोटेकॉस्टिक टोमोग्राफी (पीएलडी-पीएटी) प्रणाली का प्रदर्शन होता है।
Abstract
पूर्व-प्राथमिक अध्ययनों में विवो छोटे-पशु इमेजिंग में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभानी है। फोटोकॉस्टिक टोमोग्राफी (पीएटी) एक उभरती हुई संकर इमेजिंग पद्धति है जो पूर्व-क्लिनिकल और नैदानिक दोनों अनुप्रयोगों के लिए महान क्षमता दिखाती है। पारंपरिक ऑप्टिकल पैरामीट्रिक थरथरानवाला आधारित पेट (ओपीओ-पीएटी) सिस्टम भारी और महंगे हैं और उच्च गति इमेजिंग प्रदान नहीं कर सकते। हाल में, स्पंदित-लेजर डायोड (पीएलडी) पैट के लिए वैकल्पिक उत्तेजना स्रोत के रूप में सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया गया है। स्पंदित-लेजर डायोड पीएटी (पीएलडी-पीएटी) सफलतापूर्वक फोटोएकॉस्टिक फाटकों और जैविक ऊतकों पर उच्च गति इमेजिंग के लिए प्रदर्शन किया गया है। यह काम PLD-PAT का उपयोग करते हुए विवो मस्तिष्क इमेजिंग में दृश्यमान प्रायोगिक प्रोटोकॉल प्रदान करता है। प्रोटोकॉल में कॉम्पैक्ट PLD-PAT सिस्टम कॉन्फ़िगरेशन और इसके विवरण, मस्तिष्क इमेजिंग के लिए पशु की तैयारी और 2 डी क्रॉस-अनुभागीय चूहे मस्तिष्क इमेजिंग के लिए एक सामान्य प्रायोगिक प्रक्रिया शामिल है। पीएलडी-पीएटी प्रणाली कॉम्पैक्ट और कॉस्ट एफ़ हैFective और उच्च गति, उच्च गुणवत्ता इमेजिंग प्रदान कर सकते हैं। विभिन्न स्कैन गति पर विवो में एकत्र मस्तिष्क छवियाँ प्रस्तुत की जाती हैं।
Introduction
फोटोकॉस्टिक टोमोग्राफी (पीएटी) एक हाइब्रिड इमेजिंग मोड्युल है जिसमें क्लिनिकल और प्रीक्लिनिनिक दोनों अध्ययनों में 1 , 2 , 3 , 4 , 5 के कई अनुप्रयोग हैं। पैट में, नैनोसेकंड लेजर दाल जैविक ऊतक को विचलित करते हैं। टिशू क्रोमोफोर्स द्वारा घटना की रोशनी का अवशोषण स्थानीय तापमान वृद्धि की ओर जाता है, जो तब ध्वनि तरंगों के रूप में उत्सर्जित दबाव तरंगों की पैदावार करता है। एक अल्ट्रासाउंड डिटेक्टर नमूना के चारों ओर विभिन्न स्थितियों पर फोटोसोकॉस्टिक सिग्नल एकत्र करता है। फोटोकाउस्टिक (पीए) सिग्नल को फोटोकॉस्टिक छवि बनाने के लिए विभिन्न एल्गोरिदम (जैसे कि देरी-और-एल्गोरिदम) के रूप में 6 का इस्तेमाल किया जाता है।
यह हाइब्रिड इमेजिंग साधन उच्च संकल्प, गहरे ऊतक इमेजिंग और उच्च ऑप्टिकल अवशोषण कंट्रास्ट 7 ,वर्ग = "xref"> 8 हाल ही में, चिकन स्तन ऊतक में एक ~ 12 सेमी इमेजिंग गहराई 9 को लंबे समय तक तरंगदैर्ध्य (~ 1064 एनएम) की सहायता से प्राप्त किया गया था और एक बहिर्जात विपरीत एजेंट फास्फोरस फिथलोकाइनिन यह गहराई संवेदनशीलता अन्य ऑप्टिकल विधियों की गहराई संवेदनशीलता से कहीं अधिक है, जैसे कि confocal प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोपी, दो फोटॉन प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोपी, 10 ऑप्टिकल जुटना टोमोग्राफी, 11 आदि। एक से अधिक तरंग दैर्ध्य का प्रयोग, पैट अंगों में संरचनात्मक और कार्यात्मक परिवर्तन का प्रदर्शन कर सकता है । कई मानव रोगों के लिए, लघु-पशु मॉडल 12 , 13 , 14 , 15 की अच्छी तरह से स्थापित किए गए हैं। छोटे जानवरों की इमेजिंग के लिए, कई रूपरेखाएं प्रदर्शित की गई हैं। उन सभी दृष्टिकोणों में, उपरोक्त उल्लिखित लाभों के कारण पीए इमेजिंग ने ध्यान नहीं लिया है। पीएटी ने छोटे पशुओं 4 , 16 , 17 , 18 के ऊतकों और अंगों ( यानी, हृदय, फेफड़े, यकृत, आंख, प्लीहा, मस्तिष्क, त्वचा, रीढ़ की हड्डी, गुर्दे आदि ) में रक्त वाहिकाओं इमेजिंग के लिए अपनी क्षमता दिखायी है। पैट छोटे जानवरों के मस्तिष्क इमेजिंग के लिए एक अच्छी तरह से स्थापित साधन है। क्रोमोफोर्स द्वारा प्रकाश अवशोषण के कारण पीए तरंगों का उत्पादन होता है, इसलिए बहु-तरंग दैर्ध्य पीएटी कुल हीमोग्लोबिन एकाग्रता (एचबीटी) और ऑक्सीजन संतृप्ति (एसओ 2 ) 1 9 , 20 , 21 , 22 के मानचित्रण के लिए अनुमति देता है। मस्तिष्क न्यूरोवस्कुलर इमेजिंग एक्सोजेनस कंट्रास्ट एजेंट 12 , 23 , 24 की सहायता से प्राप्त किया गया था। पीए के माध्यम से मस्तिष्क स्वास्थ्य की बेहतर समझ देने में मदद कर सकते हैंआणविक और आनुवंशिक स्तरों पर जानकारी प्रदान करना।
छोटे पशु इमेजिंग के लिए, एनडी: वाईएजी / ओपीओ पराबैंगनीकिरण को पीएटी उत्तेजना स्रोतों के रूप में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। ये पराबैंगनीकिरण ~ ~ 5 एनएस के निकट-इन्फ्रारेड दालों को ऊर्जा के साथ (~ ओपीओ आउटपुट विंडो में 100 एमजे) ~ 10-एचजे पुनरावृत्ति दर 25 पर वितरित करते हैं। ऐसे पराबैंगनीकिरण से लैस पीए प्रणाली महंगा और भारी है और लेजर स्रोत की कम पुनरावृत्ति दर के कारण एकल-तत्व अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर (यूएसटी) के साथ कम गति इमेजिंग की अनुमति देता है ऐसे पीए सिस्टम में एक विशिष्ट ए-लाइन अधिग्रहण का समय है- 5 मिनट प्रति क्रॉस-सेक्शन 25 इस तरह के एक लंबा माप समय के साथ एक इमेजिंग सिस्टम छोटे जानवर इमेजिंग के लिए आदर्श नहीं है, क्योंकि पूर्ण शरीर इमेजिंग, समय-समाधानित कार्यात्मक इमेजिंग आदि के लिए शारीरिक मापदंडों को नियंत्रित करना मुश्किल है । एकाधिक एक-तत्व यूएसटी, ऐरे यूएसटी आधारित, या उच्च पुनरावृत्ति दर लेजर, संभव है कि पीए की इमेजिंग गति को बढ़ाया जा सकेसिस्टम। नमूना के आसपास सभी पीए संकेतों को एकत्रित करने के लिए केवल एक एकल तत्व यूएसटी का उपयोग करना सिस्टम की इमेजिंग गति को सीमित करेगा। परिपत्र या अर्ध-परिपत्र ज्यामिति में व्यवस्थित एकाधिक एकल-तत्व यूएसटी उच्च गति, उच्च संवेदनशील इमेजिंग तकनीकों के लिए दिखाए जाते हैं। अर्रे आधारित USTs 26 , जैसे कि रैखिक, अर्द्ध-परिपत्र, परिपत्र और वॉल्यूमेट्रिक एरेज़, का उपयोग वास्तविक समय इमेजिंग 1 के लिए सफलतापूर्वक किया गया है। ये सरणी-आधारित यूएसटी इमेजिंग गति में वृद्धि करेंगे और माप संवेदनशीलता को कम कर देंगे, लेकिन वे महंगे हैं। हालांकि, एआरए-आधारित यूएसटी का उपयोग करने वाले पीए सिस्टम की इमेजिंग गति अभी भी लेजर के पुनरावृत्ति दर से सीमित है।
स्पंदित लेजर प्रौद्योगिकी उच्च पुनरावृत्ति दर स्पंदित-लेजर डायोड (पीएलडी) बनाने के लिए उन्नत। 7,000 फ्रेम / एस बी-स्कैन फोटोक्वास्टिक इमेजिंग को एक नैदानिक अल्ट्रासाउंड मंच 27 का उपयोग करके पीएलडी के साथ प्रदर्शित किया गया था। ऐसे पीएलडीएस वें इमेजिंग स्पीड में सुधार कर सकते हैंई-पैट प्रणाली, यहां तक कि एकल-तत्व यूएसटी परिपत्र स्कैनिंग ज्यामिति के साथ भी। एकल-तत्व यूएसटी कम सरलीकृत यूएसटी के विपरीत, कम खर्चीला और अत्यधिक संवेदनशील है पिछले दशक में, पीए इमेजिंग के लिए उत्तेजना स्रोत के रूप में उच्च पुनरावृत्ति दर पीएलडी के प्रयोग पर थोड़ा शोध किया गया। फाइबर आधारित निकट-अवरक्त पीएलडी को फास्टनम्स 28 के पीए इमेजिंग के लिए दिखाया गया था। मानव की त्वचा के नीचे ~ 1 मिमी की गहराई में रक्त वाहिकाओं के विवो इमेजिंग में कम-ऊर्जा पीएलडीएस 29 का उपयोग किया गया था। एक पीएलडी आधारित ऑप्टिकल संकल्प photoacoustic माइक्रोस्कोप (ORPAM) की सूचना दी गई थी। PLDs का उपयोग, 0.43 हर्ट्ज के फ्रेम दर पर ~ 1.5 सेमी गहरी इमेजिंग का प्रदर्शन 30 हाल ही में, एक पीएलडी-पीएटी प्रणाली की सूचना दी गई थी कि छवियों को कम से कम ~ 3 एस और जैविक ऊतक 25 , 31 में ~ 2 सेमी इमेजिंग गहराई में प्रदान किया गया था। इस अध्ययन ने यह साबित कर दिया कि इस तरह की कम लागत वाली कॉम्पैक्ट प्रणाली उच्चतम गुणवत्ता प्रदान कर सकती हैLity छवियों, यहां तक कि उच्च गति पर पीएलडी-पीएटी प्रणाली उच्च-फ्रेम-दर (7,000 एफपीएस) फोटोएकॉस्टिक इमेजिंग, सतही रक्त वाहिका इमेजिंग, उंगली के संयुक्त इमेजिंग, 2 सेमी-गहरी ऊतक इमेजिंग, छोटे जानवर मस्तिष्क इमेजिंग आदि के लिए इस्तेमाल की जा सकती है । एकल-तरंग दैर्ध्य और पीएलडी से कम-नाड़ी-ऊर्जा दालों ने अपने आवेदन को बहु-वर्णक्रमीय और गहरी ऊतक इमेजिंग तक सीमित कर दिया है। प्री-नैदानिक अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किए गए समान पीएलडी-पीएटी सिस्टम का उपयोग करते हुए छोटे जानवरों पर प्रयोग किए गए हैं। इस काम का उद्देश्य छोटे जानवरों के विवो 2 डी पार-अनुभागीय मस्तिष्क इमेजिंग में पीएलडी-पीएटी प्रणाली के दृश्य प्रयोगात्मक प्रदर्शन प्रदान करना है।
Protocol
Representative Results
Discussion
यह काम पीएलडी-पीएटी प्रणाली के उपयोग से चूहों पर विवो मस्तिष्क इमेजिंग में प्रदर्शन करने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करता है। प्रोटोकॉल में इमेजिंग सिस्टम और इसके संरेखण का विस्तृत विवरण, सा?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
अनुसंधान सिंगापुर में शिक्षा मंत्रालय (एआरसी 2/15: एम 4020238) और सिंगापुर स्वास्थ्य मंत्रालय की राष्ट्रीय चिकित्सा अनुसंधान परिषद (एनएमआरसी / ओईआईआरजी / 0005/2016: एम 4062012) द्वारा वित्त पोषित टियर 2 अनुदान द्वारा समर्थित है। लेखकों को मशीन शॉप सहायता के लिए श्री चौवाई होग बॉबी का शुक्रिया अदा करना चाहूंगा।
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 |
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