Gepulseerde laser diode-gebaseerde desktop fotoakoestische tomografie voor het toezicht op Wash-in en wassen-out van kleurstof in de rat corticale Vasculatuur
Summary
Een compacte Pulsed laser diode-gebaseerde desktop fotoakoestische tomografie (PLD-PAT) systeem is aangetoond voor High-Speed dynamische in vivo beeldvorming van kleine dierlijke corticale vasculatuur.
Abstract
Fotoakoestische (PA) tomografie (PAT) Imaging is een opkomende biomedische Imaging modaliteit nuttig in verschillende preklinische en klinische toepassingen. Op maat gemaakte circulaire ring array-gebaseerde transducers en conventionele omvangrijke ND: YAG/OPO lasers remmen de vertaling van het PAT-systeem naar klinieken. Ultra-compacte gepulseerde laser diodes (PLDs) worden momenteel gebruikt als een alternatieve bron van near-infrarood excitatie voor PA Imaging. High-Speed dynamic in vivo imaging is aangetoond met behulp van een compact PLD-based desktop PAT-systeem (PLD-PAT). Een gevisualiseerd experimenteel protocol met behulp van de Desktop PLD-PAT systeem is voorzien in dit werk voor dynamic in vivo Brain Imaging. Het protocol beschrijft de Desktop PLD-PAT systeemconfiguratie, de voorbereiding van het dier voor de hersenen vasculaire beeldvorming, en de procedure voor dynamische visualisatie van indocyanine Green (ICG) kleurstof opname en klaring proces in de rat corticale vasculatuur.
Introduction
Fotoakoestische computertomografie (pact/Pat) is een veelbelovende niet-invasieve biomedische Imaging modaliteit combinatie van rijk optisch contrast met hoge ultrasond resolutie1,2,3,4, 5. Wanneer een nanoseconde doordringt gepulseerde Laser deposito’s energie op licht absorberende chromophores aanwezig in een biologisch weefsel, lokale temperatuurstijgingen die leiden tot thermoelastic expansie en samentrekking van het weefsel, wat resulteert in de productie van drukgolven. Deze drukgolven staan bekend als ultrasone golven of fotoakoestische (PA) golven, die kunnen worden gedetecteerd door ultrasone omvormers rond het monster. De gedetecteerde pa signalen worden gereconstrueerd met behulp van verschillende wederopbouw algoritmen6,7,8,9 tot cross-sectionele pa beelden te genereren. PA Imaging biedt structurele en functionele informatie van macroscopische organen aan microscopische organellen als gevolg van de golflengte afhankelijkheid van endogene chromophores aanwezig in het lichaam10. PAT Imaging is met succes gebruikt voor de opsporing van borstkanker1, Sentinel lymfeklieren Imaging11, mapping van oxyhemoglobine (HBO2), deoxyhemoglobin (HbR), totale hemoglobineconcentratie (HbT), zuurstofverzadiging (dus 2) 12 , 13, tumor bloedvat14, kleine dierlijke hele lichaam Imaging15, en andere toepassingen.
ND: YAG/OPO lasers zijn conventionele excitatie bronnen voor de eerste generatie PAT systemen die op grote schaal worden gebruikt in de fotoakoestische Gemeenschap voor kleine dierlijke beeldvorming en Deep tissue Imaging16. Deze lasers bieden ~ 100 mJ energie pulsen bij lage herhalings percentages van ~ 10-100 Hz. De PAT imaging systemen met behulp van deze dure en volumineuze lasers zijn niet geschikt voor high-speed imaging met single-element echografie transducers (SUTs), als gevolg van de beperkte Pulse herhaling tarief. Dit remt real-time monitoring van fysiologische veranderingen die zich bij hoge snelheden in het dier. Met behulp van array-gebaseerde transducers zoals lineaire, semi-circulaire, circulaire, en volumetrische arrays met ND: YAG laser excitatie, high-speed imaging is mogelijk. Echter, deze array transducers zijn duur en bieden lagere gevoeligheden ten opzichte van SUTs; Toch is de Imaging snelheid beperkt door de lage herhaling tarief van de laser. Ultramoderne single-impuls PACT-systemen met aangepaste Full-ring array transducer verkrijgen van de PA gegevens op 50 Hz frame rates17. Deze array transducers moeten complexe back-end ontvangen van elektronica en signaal versterkers, waardoor het algehele systeem duurder en moeilijk voor klinisch gebruik.
Hun compacte formaat, lagere kosten eisen, en hogere Pulse herhaling tarief (volgorde van KHz) te maken gepulseerde laser diodes (PLDs) meer veelbelovend voor real-time Imaging. Door deze voordelen, PLDs worden actief gebruikt als een alternatieve excitatie bron in de tweede generatie PAT systemen. PLD-based Pat-systemen zijn aangetoond met succes voor high-frame rate Imaging met behulp van array transducers18, diep-weefsel en de hersenen Imaging19,20,21, cardiovasculaire ziektediagnose22 , en Reumatologie diagnose23. Als SUTs zijn zeer gevoelig en minder duur in vergelijking met array transducers, ze zijn nog steeds veelvuldig gebruikt voor PAT Imaging. Fiber-based PLD systeem zijn aangetoond voor Phantom Imaging24. Een draagbaar PLD-PAT systeem is eerder aangetoond door de montage van de PLD in de PAT scanner25. Met een SUT circulaire scanner, Phantom Imaging werd uitgevoerd tijdens 3 s van de scantijd, en in vivo rat Brain Imaging werd uitgevoerd tijdens een periode van 5 s met behulp van dit PLD-PAT systeem19.
Verder zijn er verbeteringen aangebracht in dit PLD-Pat systeem om het compacter te maken en een desktop model te maken met acht akoestische reflector-gebaseerde single-element Ultrasound transducers (SUTRs)26,27. Hier werden SUTs geplaatst in een verticale in plaats van horizontale richting met behulp van een 90° akoestische reflector28. Dit systeem kan worden gebruikt voor scantijden van maximaal 0,5 s en ~ 3 cm diep in weefsel Imaging en in vivo kleine dierlijke hersen beeldvorming. In dit werk, dit bureaublad PLD-PAT-systeem wordt gebruikt om de visuele demonstratie van experimenten voor in vivo Brain Imaging in kleine dieren en voor dynamische visualisatie van de opname en goedkeuring proces van Food and Drug Administration (FDA)-goedgekeurde indocyanine groen (ICG) kleurstof in rat hersenen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit werk presenteert een protocol om een desktop PLD-PAT-systeem te gebruiken voor het uitvoeren van experimenten op kleine dieren zoals ratten voor in vivo hersen beeldvorming en dynamische snelle opname en ontruiming proces van contrastmiddelen zoals ICG. Omvangrijke, dure OPO-PAT systemen nemen enkele minuten (2-5 min) om een enkele cross-sectionele in vivo beeld te verwerven. Een compacte, goedkope, eerste generatie draagbare PLD-PAT systeem biedt enkele cross-sectionele in vivo beelden in 5 s. In tegenstelling, een …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Het onderzoek wordt ondersteund door de Singapore ministerie van volksgezondheid van de nationale Raad voor medisch onderzoek (NMRC/OFIRG/0005/2016: M4062012). De auteurs willen de heer Chow Wai Leif Bobby bedanken voor de machine winkel te ondersteunen.
Materials
| 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 |
References
- Lin, L., et al. Single-breath-hold photoacoustic computed tomography of the breast. Nature Communications. 9 (1), 2352 (2018).
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Fast photoacoustic imaging systems using pulsed laser diodes: a review. Biomedical Engineering Letters. 8 (2), 167-181 (2018).
- Yao, J., Wang, L. V. Recent progress in photoacoustic molecular imaging. Current Opinion in Chemical Biology. 45, 104-112 (2018).
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Recent advances toward preclinical and clinical translation of photoacoustic tomography: a review. Journal of Biomedical Optics. 22 (4), 041006 (2017).
- Yao, J., Wang, L. V. Photoacoustic microscopy. Laser & Photonics Reviews. 7 (5), 758-778 (2013).
- Awasthi, N., Kalva, S. K., Pramanik, M., Yalavarthy, P. K. Image Guided Filtering for Improving Photoacoustic Tomographic Image Reconstruction. Journal of Biomedical Optics. 23 (9), 091413 (2018).
- Kalva, S. K., Pramanik, M. Experimental validation of tangential resolution improvement in photoacoustic tomography using a modified delay-and-sum reconstruction algorithm. Journal of Biomedical Optics. 21 (8), 086011 (2016).
- Pramanik, M. Improving tangential resolution with a modified delay-and-sum reconstruction algorithm in photoacoustic and thermoacoustic tomography. The Journal of the Optical Society of America. 31 (3), 621-627 (2014).
- Xu, M., Wang, L. V. Universal back-projection algorithm for photoacoustic computed tomography. Physical Review E. 71 (1), 016706 (2005).
- Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs. Science. 335 (6075), 1458-1462 (2012).
- Sivasubramanian, K., Periyasamy, V., Pramanik, M. Non-invasive sentinel lymph node mapping and needle guidance using clinical handheld photoacoustic imaging system in small animal. Journal of Biophotonics. 11 (1), e201700061 (2018).
- Hu, S., Maslov, K., Wang, L. V. Second-generation optical-resolution photoacoustic microscopy with improved sensitivity and speed. Optics Letters. 36 (7), 1134-1136 (2011).
- Stein, E. W., Maslov, K., Wang, L. V. Noninvasive, in vivo imaging of blood-oxygenation dynamics within the mouse brain using photoacoustic microscopy. Journal of Biomedical Optics. 14 (2), 020502 (2009).
- Ku, G., Wang, X. D., Xie, X. Y., Stoica, G., Wang, L. V. Imaging of tumor angiogenesis in rat brains in vivo by photoacoustic tomography. Applied Optics. 44 (5), 770-775 (2005).
- Ma, R., Taruttis, A., Ntziachristos, V., Razansky, D. Multispectral optoacoustic tomography (MSOT) scanner for whole-body small animal imaging. Optics Express. 17 (24), 21414-21426 (2009).
- Zhou, Y., et al. A Phosphorus Phthalocyanine Formulation with Intense Absorbance at 1000 nm for Deep Optical Imaging. Theranostics. 6 (5), 688-697 (2016).
- Li, L., et al. Single-impulse panoramic photoacoustic computed tomography of small-animal whole-body dynamics at high spatiotemporal resolution. Nature Biomedical Engineering. 1 (1), 0071 (2017).
- Sivasubramanian, K., Pramanik, M. High frame rate photoacoustic imaging at 7000 frames per second using clinical ultrasound system. Biomedical Optics Express. 7 (2), 312-323 (2016).
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Dynamic in vivo imaging of small animal brain using pulsed laser diode-based photoacoustic tomography system. Journal of Biomedical Optics. 22 (9), 090501 (2017).
- Upputuri, P. K., Periyasamy, V., Kalva, S. K., Pramanik, M. A High-performance compact photoacoustic tomography system for in vivo small-animal brain imaging. Journal of Visualized Experiments. (124), e55811 (2017).
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Pulsed laser diode based optoacoustic imaging of biological tissues. Biomedical Physics & Engineering Express. 1 (4), 045010-045017 (2015).
- Arabul, M. U., et al. Toward the detection of intraplaque hemorrhage in carotid artery lesions using photoacoustic imaging. Journal of Biomedical Optics. 22 (4), (2016).
- Daoudi, K., et al. Handheld probe integrating laser diode and ultrasound transducer array for ultrasound/photoacoustic dual modality imaging. Optics Express. 22 (21), 26365-26374 (2014).
- Allen, J. S., Beard, P. Pulsed near-infrared laser diode excitation system for biomedical photoacoustic imaging. Optics Letters. 31 (23), 3462-3464 (2006).
- 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).
- Kalva, S. K., Upputuri, P. K., Pramanik, M. High-speed, low-cost, pulsed-laser-diode-based second-generation desktop photoacoustic tomography system. Optics Lett. 44 (1), 81-84 (2019).
- Kalva, S. K., Hui, Z. Z., Pramanik, M. Calibrating reconstruction radius in a multi single-element ultrasound-transducer-based photoacoustic computed tomography system. J Opt Soc Am A. 35 (5), 764-771 (2018).
- Kalva, S. K., Pramanik, M. Use of acoustic reflector to make compact photoacoustic tomography system. Journal of Biomedical Optics. 22 (2), 026009 (2017).
- . American National Standard for Safe Use of Lasers. ANSI Standard Z136.1-2007. , (2007).
