Un sistema compatto di Tomografia Photoacoustico ad alte prestazioni per<em> In Vivo</em> Imaging cerebrale di piccole dimensioni
Summary
È stato dimostrato un sistema compatto di tomografia fotoacoustica (PLD-PAT) basato su diodi laser a pulsazione per immagini ad alta velocità in cervello in vivo in piccoli animali.
Abstract
L' imaging in animale in vivo ha un ruolo importante da svolgere negli studi preclinici. La tomografia fotoacoustica (PAT) è una modalità di imaging ibrida emergente che presenta un grande potenziale sia per applicazioni precliniche che cliniche. I sistemi PAT (OPO-PAT) basati su oscillatori ottici convenzionali sono ingombranti e costosi e non possono fornire immagini ad alta velocità. Recentemente, i diodi pulsati (PLD) sono stati dimostrati con successo come sorgente di eccitazione alternativa per PAT. Il diodo a pulsazione laser PAT (PLD-PAT) è stato dimostrato con successo per l'imaging ad alta velocità su fantasmi fotoacustici e tessuti biologici. Questo lavoro fornisce un protocollo sperimentale visualizzato per l'imaging cerebrale in vivo usando PLD-PAT. Il protocollo comprende la configurazione compatta del sistema PLD-PAT e la sua descrizione, la preparazione degli animali per l'imaging del cervello e una tipica procedura sperimentale per l'imaging cerebrale a sezione trasversale 2D. Il sistema PLD-PAT è compatto e cost-efIn grado di fornire immagini ad alta velocità e di alta qualità. Le immagini del cervello raccolte in vivo a diverse velocità di scansione sono presentate.
Introduction
La tomografia fotoacustica (PAT) è una modalità di imaging ibrida che ha molte applicazioni in studi clinici e preclinici 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . In PAT, gli impulsi laser nanosecondi irradiano il tessuto biologico. L'assorbimento della luce incidente dai cromofori tessuti porta ad un aumento locale della temperatura, che produce quindi onde di pressione emesse sotto forma di onde sonore. Un rilevatore ad ultrasuoni raccoglie i segnali fotoacustici in varie posizioni attorno al campione. I segnali fotoacustici (PA) vengono ricostruiti utilizzando vari algoritmi (come un algoritmo di ritardo e somma) 6 per generare l'immagine fotoacustica.
Questa modalità di imaging ibrida offre immagini ad alta risoluzione, tessuto profondo e elevato contrasto di assorbimento ottico 7 ,Class = "xref"> 8. Recentemente, una profondità di imaging di ~ 12 cm è stata raggiunta nel tessuto del petto di pollo con l'aiuto di una lunghezza d'onda più lunga (~ 1.064 nm) e un agente di contrasto esogeno chiamato fosforoftalocyanina. Questa sensibilità di profondità è molto più alta della sensibilità della profondità di altri metodi ottici, come la microscopia a fluorescenza confocale, la microscopia a fluorescenza a due fotoni, la tomografia a 10 coerenza ottica, 11 ecc. Utilizzando più di una lunghezza d'onda, il PAT può dimostrare cambiamenti strutturali e funzionali negli organi . Per molte malattie umane, i modelli di piccoli animali sono stati ben consolidati 12 , 13 , 14 , 15 . Per l'imaging di piccoli animali sono state dimostrate diverse modalità. Su tutti questi approcci, l'imaging PA ha guadagnato l'attenzione piuttosto rapidamente a causa dei vantaggi di cui sopra. PAPÀT ha mostrato il suo potenziale di imaging dei vasi sanguigni nei tessuti e negli organi ( cioè cuore, polmoni, fegato, occhi, milza, cervello, pelle, midollo spinale, rene, ecc. ) Dei piccoli animali 4 , 16 , 17 , 18 . PAT è una modalità ben consolidata per l'imaging cerebrale di piccoli animali. Le onde PA vengono prodotte a causa dell'assorbimento di luce dai cromofori, quindi la PAT a lunghezza d'onda multipla consente la mappatura della concentrazione totale di emoglobina (HbT) e della saturazione dell'ossigeno (SO 2 ) 19 , 20 , 21 , 22 . L'imaging neurovascolare cerebrale è stato ottenuto con l'aiuto di agenti di contrasto esogeni 12 , 23 , 24 . La modalità PA può contribuire a dare una migliore comprensione della salute del cervelloFornendo informazioni a livello molecolare e genetico.
Per l'imaging di piccole animali, i laser Nd: YAG / OPO sono ampiamente utilizzati come sorgenti di eccitazione PAT. Questi laser erogano ~ 5 ns impulsi a infrarossi vicino ad energia (~ 100 mJ alla finestra di uscita OPO) ad una frequenza di ripetizione ~ 10 Hz. Il sistema PA dotato di tali laser è costoso e ingombrante e consente l'imaging a bassa velocità con trasduttori ad ultrasuoni a singolo elemento (UST) a causa della bassa frequenza di ripetizione della sorgente laser. Un tipico tempo di acquisizione A-line in tali sistemi PA è ~ 5 min per sezione 25 . Un sistema di imaging con un così lungo tempo di misurazione non è l'ideale per l'imaging di piccole animali, perché è difficile controllare i parametri fisiologici per l'imaging a tutto il corpo, l'imaging funzionale risolti in tempo, ecc. Adottando più UST di un singolo elemento, array O un laser ad alta repetizione, è possibile aumentare la velocità di imaging di PAsistemi. Utilizzando solo un UST a un singolo elemento per raccogliere tutti i segnali PA intorno al campione limiterà la velocità di imaging del sistema. Sono stati dimostrati più UST di un singolo elemento disposti in geometria circolare o semicircolare per tecniche di imaging ad alta velocità e altamente sensibili. Gli UST 26 basati sugli array, come gli array array lineari, semicircolari, circolari e volumetrici, sono stati utilizzati con successo per l'imaging in tempo reale 1 . Questi UST basati su matrici aumenteranno la velocità di imaging e riducono la sensibilità di misura, ma sono costosi. Tuttavia, la velocità di imaging dei sistemi PA che utilizzano UST a matrice è ancora limitata dalla velocità di ripetizione del laser.
La tecnologia laser a pulsazione avanzata per produrre diodi ad impulsi ad alta reputazione (PLD). 7.000 fotogrammi / s di imaging fotoacustico B-scansione è stata dimostrata con PLD utilizzando una piattaforma clinica a ultrasuoni 27 . Tali PLD possono migliorare la velocità di imaging di thE PAT, anche con la geometria di scansione circolare UST a singolo elemento. Gli UST a singolo elemento sono meno costosi e molto sensibili, a differenza degli UST basati su matrici. Negli ultimi dieci anni, sono stati riportati scarsi risultati sull'utilizzo di PLD ad alta ripetizione come fonte di eccitazione per l'imaging PA. È stata dimostrata una PLD vicino a infrarossi a fibra per l'imaging PA di fantasmi 28 . L'imaging in vivo dei vasi sanguigni ad una profondità di 1 mm sotto la pelle umana è stato dimostrato utilizzando PLD a basso consumo energetico 29 . È stato riportato un microscopio fotoacustico a risoluzione ottica (ORPAM) basato su PLD. Utilizzando PLD, è stata dimostrata un'immagine profonda di 1,5 cm ad una velocità di fotogramma di 0,43 Hz. Recentemente, un sistema PLD-PAT è stato riferito che ha fornito immagini in breve come ~ 3 s e ad una ~ 2 cm profondità di imaging nel tessuto biologico 25 , 31 . Questo studio ha dimostrato che un tale sistema a basso costo e compatto può offrire un alto quaAnche a velocità elevate. Il sistema PLD-PAT può essere utilizzato per l'imaging fotoacoustico ad alta velocità (7.000 fps), l'imaging surgelico dei vasi sanguigni, l'imaging delle dita, l'imaging dei tessuti a due centimetri, l'immagine cerebrale a piccole animali, ecc. La lunghezza singola e Impulsi a basso impulso di energia da PLD limitano la sua applicazione a immagini multi-spettrali e profonde. Sono stati condotti esperimenti su piccoli animali che utilizzano lo stesso sistema PLD-PAT usato per applicazioni pre-cliniche. Lo scopo di questo lavoro è quello di fornire la dimostrazione sperimentale visualizzata del sistema PLD-PAT per l'imaging cerebrale a sezione trasversale 2D in animali vivi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo lavoro presenta un protocollo per eseguire un'immagine cerebrale in vivo su ratti utilizzando un sistema PLD-PAT. Il protocollo include una descrizione dettagliata del sistema di imaging e del suo allineamento, nonché un'illustrazione dell'immagine cerebrale sui ratti. I sistemi PAT esistenti basati su OPO sono costosi e ingombranti e possono fornire un'immagine trasversale in 5-10 min. Il sistema PLD-PAT è compatto, portatile e a basso costo e può fornire immagini di buona qualità in…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La ricerca è sostenuta dalla borsa di Tier 2 finanziata dal Ministero dell'Istruzione di Singapore (ARC2 / 15: M4020238) e dal Consiglio Nazionale di Ricerca Medica del Ministero della Salute di Singapore (NMRC / OFIRG / 0005/2016: M4062012). Gli autori vorrebbero ringraziare il signor Chow Wai Hoong Bobby per l'aiuto della macchina.
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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