Компактная импульсная лазерная диод на основе настольной фотоакустической томографии (PLD-PAT) система показана для высокоскоростного динамического в естественных условиях визуализации малых животных корковых сосудов.
Фотоакустическая (PA) томография (ПЭТ) визуализация – это формирующаяся биомедицинская визуализация, полезная в различных доклинических и клинических приложениях. Заказные круговой кольцевой массив на основе преобразователей и обычных громоздких ND: YAG/по по-лазеры препятствовать переводу системы ПЭТ для клиник. Ультра-компактные Импульсные лазерные диоды (PLDs) в настоящее время используются как альтернативный источник околоинфракрасного возбуждения для АКУСТИЧЕСКОЙ визуализации. Высокоскоростная динамика в естественных условиях визуализации была продемонстрирована с помощью компактных PLD-на основе настольного системы ПЭТ (PLD-PAT). Визуализированный экспериментальный протокол с использованием настольной системы PLD-PAT предоставляется в этой работе для динамического в естественных условиях визуализации мозга. Протокол описывает конфигурацию настольной системы PLD-PAT, подготовку животного для обработки изображений сосудов головного мозга, а так же процедуру динамической визуализации индокьяннского зеленого (мкг) поглощения красителя и процесса расчистки в сосудах крысы-корковых сосудов.
Фотоакустическая компьютерная томография (Пакт/Пат)-перспективный неинвазивный биомедицинский метод визуализации, сочетающий в себе богатый оптический контраст с высоким разрешением1,2,3,4, 5. когда наносекундного импульсного лазерного месторождения энергии на свет поглощающих хрофофоры присутствуют внутри любой биологической ткани, местное повышение температуры приводит к термоупругим расширения и сжатия ткани, в результате чего поколение волн давления. Эти волны давления известны как ультразвуковые волны или фотоакустические (PA) волны, которые могут быть обнаружены ультразвуковыми преобразователи вокруг образца. Обнаруженные сигналы PA реконструированы с помощью различных алгоритмов реконструкции6,7,8,9 для создания кросс-секционных годовых изображений. PA-визуализация обеспечивает структурную и функциональную информацию от макроскопических органов к микроскопическим органеллами из-за зависимости длины волны от эндогенных хромофор, присутствующих внутри тела10. ПЭТ-изображения успешно используется для выявления рака молочной железы1, сторожевого лимфатического узла визуализации11, отображение оксигемоглобина (HBO2), Дезоксиггемоглобина (HBR), Общая концентрация гемоглобина (HBR), насыщение кислорода (so 2) в 12 , 13, опухоль ангиогенез14, маленькое животное всего тела визуализации15, и другие приложения.
Nd: YAG/по АПО лазеры являются традиционными источниками возбуждения для первого поколения систем ПЭТ, которые широко используются в фотоакустическом сообществе для малых изображений животных и глубоких тканей изображений16. Эти лазеры обеспечивают ~ 100 МЮ энергетические импульсы при низких темпах повторения ~ 10-100 Гц. Системы визуализации ПЭТ с использованием этих дорогостоящих и громоздких лазеров не подходят для высокоскоростного изображения с односоставными ультразвуковыми преобразователи (SUTs), из-за ограниченного коэффициента повторения импульса. Это препятствует мониторингу в реальном времени физиологических изменений, происходящих на высоких скоростях внутри животного. Использование массива основе преобразователей, как линейные, полукруглые, круглые, и объемных массивов с ND: YAG лазерного возбуждения, высокоскоростного изображения возможно. Тем не менее, эти массив преобразователей являются дорогостоящими и обеспечить меньшую чувствительность по сравнению с SUTs; Тем не менее, скорость изображения ограничена низкой скоростью повторения лазера. Государство-оф-искусство одного импульса Пакт систем с заказной полный кольцо массив преобразователь получить данные PA на 50 Гц кадров17. Эти массив преобразователей необходимо сложное Back-End получения электроники и усилителей сигнала, что делает общую систему более дорогим и трудным для клинического использования.
Их компактные размеры, более низкие требования к затратам и более высокий коэффициент повторения импульсов (по заказу кГц) делают Импульсные лазерные диоды (PLDs) более перспективными для визуализации в реальном времени. Благодаря этим преимуществам, PLDs активно используются в качестве альтернативного источника возбуждения в системах ПЭТ второго поколения. PLD основе ПЭТ системы были продемонстрированы успешно для высокой частоты кадров изображений с использованием массива преобразователей18, глубокий-ткани и мозга визуализации19,20,21, сердечно-сосудистых заболеваний диагностики22 , и ревматологии диагностика23. Поскольку SUTs являются высокочувствительными и менее дорогими по сравнению с массивом преобразователей, они все еще широко используются для сканирования ПЭТ. Волоконно-основанная система PLD были продемонстрированы для фантомное изображение24. Портативный PLD-PAT система была продемонстрирована ранее монтажа PLD внутри ПЭТ сканер25. С одного круглого сканера сут, фантомное изображение было выполнено в течение 3-х годов времени сканирования, и в естественных условиях мозга крысы изображений была выполнена в течение 5-х годов с помощью этой системы PLD-PAT19.
Кроме того, были внесены усовершенствования в эту систему PLD-Pat, чтобы сделать ее более компактной и создать настольную модель, используя восемь акустических рефлектора на основе одноэлемента ультразвуковых преобразователей (suтрс)26,27. Здесь, SUTs были помещены в вертикальное вместо горизонтального направления с помощью акустического отражателя 90° 28. Эта система может быть использован для сканирования раз до 0,5 s и ~ 3 см глубоко в тканях и в естественных условиях малых изображений мозга животных. В этой работе, этот Настольный PLD-Pat система используется для обеспечения визуальной демонстрацией экспериментов для в естественных условиях визуализации мозга у мелких животных и для динамической визуализации поглощения и очистки процесса пищевых продуктов и медикаментов (FDA)-утвержденных индоцианин зеленый (мкг) краситель в крысиных мозгах.
Эта работа представляет собой протокол для использования настольных PLD-PAT системы для проведения экспериментов на мелких животных, как крысы для в естественных условиях визуализации мозга и динамического быстрого поглощения и оформления процесса контрастных агентов, как мкг. Громозд?…
The authors have nothing to disclose.
Исследование поддерживается Национальным Советом по медицинским исследованиям министерства здравоохранения Сингапура (НГРК/ОФИРГ/0005/2016: M4062012). Авторы хотели бы поблагодарить г-н Чоу Вай Hoong Бобби для машины поддержки магазина.
12 V power supply | Voltcraft | PPS-11810 | To supply operating voltage for PLD |
Acoustic reflector | Olympus | F102 | 45 degree reflector augmented to the ultrasound transducer |
Acrylic water tank | NTU workshop | Custom-made | It is used to hold water that acts as an acoustic coupling medium between animal brain and detector |
Anesthetic Machine | Medical plus pte ltd | Non-Rebreathing Anaesthesia machine with oxygen concentrator. | Supplies oxygen and isoflurane to animal |
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 animal on its abdomen |
Breathing mask | NTU workshop | Custom-made | Used along with animal holder to supply anesthesia mixture to the animal |
Circular Scanner | NTU workshop | Custom-made | Scanner is made out of aluminum |
DAQ (Data acquisition) Card | Spectrum | M2i.4932-exp | 16 bit, 30 Ms/s, 8 channels, 1 Gs, PCIe |
Data acqusition software | National Instruments Corporation,Austin,TX,USA) | NI LabVIEW 2015 SP1 (32 bit) | LabVIEW based program 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 R2015b | Matlab code developed in our laboratory for reconstructing cross-sectional PA images |
Function generator | RIGOL | DG1022 | To change the repetition rate of the PLD. It will provide TTL signal to synchronize the DAQ with the laser excitation. |
Low noise signal amplifier | Genetron | Custom-made using Mini-circuits, ZFL-500LN-BNC | To receive, and amplify the PA signal from SUTR. Its gain is 24 dB. |
Optical diffuser | Thorlabs | DG-120 | Used to to make the laser beam homogeneous |
Pulsed laser diode | Quantel, France | QD-Q1924-ILO-WATER | It is the excitation laser source with specifications of 816 nm wavelength, 3.4 mJ per pulse energy, 107 ns pulse width, 2 KHz maximum pulse repitition rate, dimensions : 13.0 x 7.6 x 5.0 cm |
Rats | In Vivos Pte Ltd, Singapore | NTac:SD, Sprague Dawley / SD | Female, weight 100±10g, strain of rats: Sprague Dawley, age: 4-5 weeks |
Stepper motor with gearbox | LIN Engineering (Servo Dynamics) | Motor: CO-5718L-01P-RO, Gearbox: DPL64/1; Power supply PW-100-24 | To move the detector holder in a circular geometry. Torque: 2.08 N-m, Rotor inertia: 2.6 kg-cm2 |
Ultrasound gel | Progress/parker acquasonic gel | PA-GEL-CLEA-5000 | Clear ultrasound gel |
Ultrasound Transducer | Olympus | V309-SU/ U8423013 | Ultrasonic sensors used for photoacoustic detection. Central freqency 5 MHz, 0.5 in |
Variable high voltage power supply | Elektro-Automatik | EA-PS 8160-04 T | To change the laser output power |