Tomographie photoacoustique de bureau à diode laser pulsée pour la surveillance du lavage et du lavage de colorant dans la vascularisation corticale de rat
Summary
Un système de tomodensitométrie photoacoustique (PLD-PAT) de bureau à diode laser pulsée compacte est démontré pour l’imagerie dynamique in vivo à grande vitesse de la vascularisation corticale des petits animaux.
Abstract
L’imagerie par tomographie photoacoustique (PA) est une modalité d’imagerie biomédicale émergente, utile dans diverses applications précliniques et cliniques. Les transducteurs à anneau circulaire sur mesure et les lasers volumineux ND: YAG/OPO conventionnels inhibent la traduction du système PAT dans les cliniques. Les diodes laser pulsées ultra-compactes (PLD) sont actuellement utilisées comme source alternative d’excitation proche infrarouge pour l’imagerie PA. L’imagerie dynamique in vivo à haute vitesse a été démontrée à l’aide d’un système de PAT de bureau compact basé sur PLD (PLD-PAT). Un protocole expérimental visualisé utilisant le système PLD-PAT de bureau est fourni dans ce travail pour l’imagerie cérébrale dynamique in vivo. Le protocole décrit la configuration du système PLD-PAT de bureau, la préparation de l’animal pour l’imagerie vasculaire cérébrale, et la procédure pour la visualisation dynamique de l’absorption de colorant de vert d’indocyanine (ICG) et le processus de clairance dans le vasculature corticale de rat.
Introduction
La tomodensitométrie photoacoustique (PACT/Pat) est une modalité d’imagerie biomédicale non invasive prometteuse combinant un contraste optique riche avec une haute résolution ultrasond1,2,3,4, 5. quand un laser pulsé nanoseconde dépose de l’énergie sur des chromophores absorbant la lumière présents dans tout tissu biologique, les augmentations de température locales conduisant à l’expansion thermoélastique et la contraction du tissu, entraînant la génération de les vagues de pression. Ces ondes de pression sont connues sous le nom d’ondes ultrasoniques ou d’ondes photoacoustiques (PA), qui peuvent être détectées par des sondes ultrasoniques autour de l’échantillon. Les signaux PA détectés sont reconstruits à l’aide de divers algorithmes de reconstruction6,7,8,9 pour générer des images de PA transversales. L’imagerie PA fournit des informations structurelles et fonctionnelles des organes macroscopiques aux organites microscopiques en raison de la dépendance de longueur d’onde des chromophores endogènes présents à l’intérieur du corps10. L’imagerie PAT a été utilisée avec succès pour la détection du cancer du sein1, l’imagerie du ganglion sentinelle11, la cartographie de l’oxyhémoglobine (HBO2), la désoxyhémoglobine (HBr), la concentration totale en hémoglobine (hbt), la saturation en oxygène (SO 2) les le 12 , 13, angiogenèse de tumeur14, imagerie de corps entier de petit animal15, et d’autres applications.
Les lasers Nd: YAG/OPO sont des sources d’excitation conventionnelles pour les systèmes PAT de première génération qui sont largement utilisés dans la communauté photoacoustique pour l’imagerie des petits animaux et l’imagerie des tissus profonds16. Ces lasers fournissent ~ 100 impulsions d’énergie mJ à des taux de répétition faible de ~ 10-100 Hz. Les systèmes d’imagerie PAT utilisant ces lasers coûteux et encombrants ne conviennent pas à l’imagerie à haute vitesse avec des sondes à ultrasons à un seul élément (TS), en raison du taux de répétition d’impulsions limité. Cela inhibe la surveillance en temps réel des changements physiologiques survenant à des vitesses élevées à l’intérieur de l’animal. L’utilisation de capteurs à base de baies comme les matrices linéaires, semi-circulaires, circulaires et volumétriques avec l’excitation laser Nd: YAG, l’imagerie haute vitesse est possible. Cependant, ces capteurs de tableau sont coûteux et fournissent des sensibilités inférieures par rapport aux SUTs; Pourtant, la vitesse d’imagerie est limitée par le faible taux de répétition du laser. Les systèmes PACT à impulsion unique à la pointe de la technologie avec transducteur à anneau complet sur mesure obtiennent les données PA à des fréquences d’image de 50 Hz17. Ces capteurs de matrice ont besoin de l’électronique de réception de back-end complexe et des amplificateurs de signal, rendant le système global plus coûteux et difficile pour une utilisation clinique.
Leur taille compacte, leurs exigences de coût moindres et leur taux de répétition d’impulsions plus élevé (ordre de KHz) rendent les diodes laser pulsées plus prometteuses pour l’imagerie en temps réel. En raison de ces avantages, les PLD sont activement utilisés comme source d’excitation alternative dans les systèmes PAT de deuxième génération. Les systèmes Pat basés sur PLD ont été démontrés avec succès pour l’imagerie à cadence élevée à l’aide de sondes matricielles18, des tissus profonds et de l’imagerie cérébrale19,20,21, diagnostic des maladies cardiovasculaires22 et le diagnostic de rhumatologie23. Comme les SUTs sont très sensibles et moins coûteux par rapport aux capteurs de matrice, ils sont encore largement utilisés pour l’imagerie PAT. Des systèmes PLD basés sur des fibres ont été démontrés pour l’imagerie fantôme24. Un système PLD-PAT portatif a déjà été démontré par le montage du PLD à l’intérieur du scanneur PAT25. Avec un scanner circulaire SUT, l’imagerie fantôme a été réalisée pendant 3 s de temps de balayage, et l’imagerie cérébrale in vivo de rat a été réalisée pendant une période de 5 s utilisant ce système PLD-PAT19.
En outre, des améliorations ont été apportées à ce système PLD-Pat pour le rendre plus compact et créer un modèle de bureau à l’aide de huit capteurs acoustiques à un seul élément à base de réflecteur (SUTRS)26,27. Ici, les SUTs ont été placés dans une verticale au lieu de la direction horizontale à l’aide d’un réflecteur acoustique 90° 28. Ce système peut être utilisé pour des temps de balayage allant jusqu’à 0,5 s et environ 3 cm de profondeur dans l’imagerie tissulaire et dans l’imagerie cérébrale des petits animaux in vivo. Dans ce travail, ce système PLD-PAT de bureau est utilisé pour fournir la démonstration visuelle d’expériences pour l’imagerie cérébrale in vivo chez les petits animaux et pour la visualisation dynamique du processus d’absorption et de clairance de l’indocyanine approuvée par la FDA (Food and Drug Administration) colorant vert (ICG) dans les cerveaux de rat.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ce travail présente un protocole pour utiliser un système PLD-PAT de bureau pour mener des expériences sur de petits animaux comme des rats pour l’imagerie cérébrale in vivo et le processus dynamique d’absorption rapide et de clairance des agents de contraste comme ICG. Les systèmes OPO-PAT volumineux et coûteux prennent plusieurs minutes (2-5 min) pour acquérir une seule image in vivo en coupe transversale. Un système PLD-PAT portatif compact, peu coûteux et de première génération fournit des images in …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La recherche est soutenue par le Conseil national de recherches médicales du ministère de la santé de Singapour (NMRC/OFIRG/0005/2016: M4062012). Les auteurs aimeraient remercier m. Chow Wai Hoong Bobby pour le support de l’atelier de machines.
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 |
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