Um sistema de tomografia fotoacústica compacta de alto desempenho para<em> In Vivo</em> Imagem de cérebro de animais pequenos
Summary
É demonstrado um sistema compacto de tomografia fotoacústica baseada em diodos a laser pulsado (PLD-PAT) para imagens cerebrais in vivo de alta velocidade em pequenos animais.
Abstract
A imagem in vivo de animais pequenos tem um papel importante a desempenhar em estudos pré-clínicos. A tomografia fotoacústica (PAT) é uma modalidade de imagem híbrida emergente que mostra grande potencial para aplicações clínicas e pré-clínicas. Os sistemas convencionais PAT (OPO-PAT) baseados em osciladores paramétricos convencionais são volumosos e caros e não podem fornecer imagens de alta velocidade. Recentemente, os díodos a laser pulsado (PLDs) foram demonstrados com sucesso como uma fonte de excitação alternativa para PAT. O DIP de laser pulsado PAT (PLD-PAT) foi demonstrado com sucesso para imagens de alta velocidade em fantasmas fotoacústicos e tecidos biológicos. Este trabalho fornece um protocolo experimental visualizado para imagens cerebrais in vivo usando PLD-PAT. O protocolo inclui a configuração compacta do sistema PLD-PAT e sua descrição, preparação animal para imagens cerebrais e um procedimento experimental típico para imagens cerebrais de ratos 2D de seção transversal. O sistema PLD-PAT é compacto e custo-efeEficaz e pode fornecer imagens de alta velocidade e alta qualidade. Imagens de cérebro coletadas in vivo a várias velocidades de varredura são apresentadas.
Introduction
A tomografia fotoacústica (PAT) é uma modalidade de imagem híbrida que tem muitas aplicações em estudos clínicos e pré-clínicos 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . Em PAT, pulsos de laser de nanosegundo irradiam tecido biológico. A absorção de luz incidente pelos cromóforos de tecido leva a um aumento de temperatura local, que então produz ondas de pressão emitidas sob a forma de ondas sonoras. Um detector de ultra-som coleta os sinais fotoacústicos em várias posições ao redor da amostra. Os sinais fotoacústicos (PA) são reconstruídos usando vários algoritmos (como um algoritmo de atraso e soma) 6 para gerar a imagem fotoacústica.
Esta modalidade de imagem híbrida oferece imagens de alta resolução e de tecido profundo e alto contraste de absorção óptica 7 ,Class = "xref"> 8. Recentemente, uma profundidade de imagem de ~ 12 cm 9 foi alcançada no tecido mamário de frango com o auxílio de um comprimento de onda mais longo (~ 1,064 nm) e um agente de contraste exógeno chamado ftalocianina de fósforo. Essa sensibilidade de profundidade é muito maior do que a sensibilidade de profundidade de outros métodos ópticos, como a microscopia de fluorescência confocal, a microscopia de fluorescência de dois fótons, a tomografia de coerência 10 , 11 , etc. Usando mais de um comprimento de onda, PAT pode demonstrar mudanças estruturais e funcionais nos órgãos . Para muitas doenças humanas, modelos de animais pequenos foram bem estabelecidos 12 , 13 , 14 , 15 . Para a imagem de animais pequenos, várias modalidades foram demonstradas. Fora de todas essas abordagens, a imagem em PA ganhou atenção com bastante rapidez devido às vantagens mencionadas acima. PAT mostrou seu potencial para imaginar vasos sanguíneos nos tecidos e órgãos ( ie coração, pulmões, fígado, olhos, baço, cérebro, pele, medula espinhal, rim, etc. ) de pequenos animais 4 , 16 , 17 , 18 . O PAT é uma modalidade bem estabelecida para imagens cerebrais de animais pequenos. As ondas PA são produzidas devido à absorção de luz pelos cromóforos, portanto, PAT de múltiplas ondas permite o mapeamento da concentração total de hemoglobina (HbT) e saturação de oxigênio (SO 2 ) 19 , 20 , 21 , 22 . A imagem neurovascular do cérebro foi conseguida com a ajuda de agentes de contraste exógenos 12 , 23 , 24 . A modalidade de PA pode ajudar a melhorar a compreensão da saúde do cérebroFornecendo informações nos níveis molecular e genético.
Para imagens de animais pequenos, os láseres Nd: YAG / OPO são amplamente utilizados como fontes de excitação PAT. Esses laser fornecem pulsos de infravermelho próximo do ~ 5 ns com energia (~ 100 mJ na janela de saída OPO) com uma taxa de repetição de ~ 10 Hz 25 . O sistema de PA equipado com tais láser é caro e volumoso e permite imagens de baixa velocidade com transdutores de ultra-som de um elemento (UST) devido à baixa taxa de repetição da fonte do laser. Um tempo típico de aquisição da linha A em tais sistemas de PA é ~ 5 min por seção transversal 25 . Um sistema de imagem com um tempo de medição tão longo não é ideal para imagens de animais pequenos, pois é difícil controlar os parâmetros fisiológicos para a imagem completa do corpo, imagens funcionais resolvidas no tempo, etc. Ao adotar vários USTs de um único elemento, matriz Com base em USTs, ou um laser de alta taxa de repetição, é possível aumentar a velocidade de imagem da PASistemas. Usar apenas um UST de um único elemento para coletar todos os sinais de PA em torno da amostra irá limitar a velocidade de imagem do sistema. Múltiplos UST de um único elemento dispostos em geometria circular ou semi-circular são demonstrados para técnicas de imagem de alta velocidade e altamente sensíveis. Os USTs 26 baseados em matriz, como matrizes lineares, semi-circulares, circulares e volumétricas, foram utilizados com sucesso na imagem em tempo real 1 . Esses USTs baseados em matriz aumentarão a velocidade de imagem e reduzirão a sensibilidade de medição, mas são caros. No entanto, a velocidade de imagem dos sistemas de PA que usam USTs baseados em matriz ainda está limitada pela taxa de repetição do laser.
Tecnologia de laser pulsado avançada para fazer diodos de laser pulsado de alta taxa de repetição (PLDs). 7,000 quadros / s A imagem fotoacústica B-scan foi demonstrada com PLDs usando uma plataforma de ultra-som clínica 27 . Tais PLDs podem melhorar a velocidade de imagem daE sistema PAT, mesmo com geometria de varredura circular UST de um elemento. Os UST de elemento único são menos caros e altamente sensíveis, ao contrário dos USTs baseados em matrizes. Ao longo da última década, poucas pesquisas foram relatadas sobre o uso de PLD de alta taxa de repetição como fonte de excitação para imagens de PA. Foi demonstrado um PLD de infravermelho próximo a fibra para imagem PA de fantasmas 28 . A imagem in vivo de vasos sanguíneos a uma profundidade de ~ 1 mm abaixo da pele humana foi demonstrada usando PLD de baixa energia 29 . Foi relatado um microscópio fotoacústico de resolução óptica baseado em PLD (ORPAM). Usando PLDs, foi demonstrada uma imagem de imagem de 1,5 cm de profundidade a uma taxa de quadros de 0,43 Hz 30 . Muito recentemente, um sistema PLD-PAT foi relatado que forneceu imagens em tão curto quanto ~ 3 s e a uma profundidade de imagem de ~ 2 cm em tecido biológico 25 , 31 . Este estudo revelou que um sistema tão baixo e compacto pode fornecer alta qualidadeImagens, mesmo em altas velocidades. O sistema PLD-PAT pode ser usado para imagens fotoacústicas de alta taxa de quadros (7.000 fps), imagem de vasos sanguíneos superficiais, imagem de junção de dedos, imagem de tecido de 2 cm de profundidade, imagens de cérebro de animais pequenos, etc. O único comprimento de onda e Os impulsos de pouca pulsação de energia da PLD limitam sua aplicação a imagens multi-espectrales e de tecidos profundos. Experimentos foram realizados em pequenos animais usando o mesmo sistema PLD-PAT usado para aplicações pré-clínicas. O objetivo deste trabalho é fornecer a demonstração experimental visualizada do sistema PLD-PAT para imagens cerebrais transversais 2D in vivo de animais pequenos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este trabalho apresenta um protocolo para realização de imagens cerebrais in vivo em ratos usando um sistema PLD-PAT. O protocolo inclui uma descrição detalhada do sistema de imagem e seu alinhamento, bem como uma ilustração da imagem cerebral em ratos. Os sistemas de PAT baseados em OPO existentes são caros e volumosos e podem fornecer uma imagem transversal em 5-10 min. O sistema PLD-PAT é compacto, portátil e de baixo custo e pode fornecer imagens de boa qualidade em 3 s. O desempenho do sistema foi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
A pesquisa é apoiada pelo subsídio de Nível 2 financiado pelo Ministério da Educação em Cingapura (ARC2 / 15: M4020238) e pelo Conselho Nacional de Pesquisa Médica do Ministério da Saúde de Singapura (NMRC / OFIRG / 0005/2016: M4062012). Os autores agradecem ao Sr. Chow Wai Hoong Bobby pela ajuda da maquina.
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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