Gepulste Laser-Diode-Based Desktop photoakustische Tomographie für die Überwachung von Wash-In und Wash-Out of Dye in Rat Cortical Vasculature
Summary
Für die Hochgeschwindigkeits-Dynamik in der vivo-Bildgebung der kleinen tierischen Kortikalvaskulatur wird ein kompaktes, pulsiertes, auf Diode-basiertem Desktop-Sotakus-Tomografiesystem (PLD-PAT) demonstriert.
Abstract
Die photoakustische (PA) Bildgebung (PAT) ist eine sich abzeichnende biomedizinische Bildgebung, die in verschiedenen präklinischen und klinischen Anwendungen nützlich ist. Maßgeschneiderte Rundringarögel-basierte Wandler und herkömmliche sperrige Nd: YAG/OPO-Laser hemmen die Übersetzung des PAT-Systems in Kliniken. Ultrakompakt gepulste Laserdioden (PLDs) werden derzeit als alternative Quelle für Infrarot-Anregung in der Nähe von PA-Ableitungen eingesetzt. Die Hochgeschwindigkeitsdynamik in der vivo-Bildgebung wurde mit einem kompakten SPS-basierten Desktop-PAT-System (PLD-PAT) demonstriert. Ein visualisiertes Versuchsprotokoll mit dem Desktop-SPD-PAT-System wird in dieser Arbeit für die dynamische In-vivo-Hirn-Bildgebung bereitgestellt. Das Protokoll beschreibt die Desktop-SPD-PAT-Systemkonfiguration, die Vorbereitung von Tieren für die Gehirn-Gefäß-Bildgebung und das Verfahren zur dynamischen Visualisierung von indocyanine grün (ICG) Farbstoffaufnahme und Räumprozess in Ratte kortikalen Vaskulatur.
Introduction
Die photoakustische Computertomographie (PACT/PAT) ist eine vielversprechende, nicht-invasive biomedizinische Bildgebung, die einen reichen optischen Kontrast mit hoher Ultraschallauflösung1,2,3, 4 kombiniert. 5. Wenn ein nanosekundengepulster Laser Energie auf lichtabsorbierende Chromophore ablagert, die in jedem biologischen Gewebe vorhanden sind, steigt die lokale Temperatur an, was zu einer thermoelastischen Ausdehnung und Kontraktion des Gewebes führt, was zur Erzeugung von Druckwellen. Diese Druckwellen werden als Ultraschallwellen oder photoakustische (PA) Wellen bezeichnet, die durch Ultraschallwandler rund um die Probe erkannt werden können. Die erkannten PA-Signale werden mit verschiedenen Rekonstruktionsalgorithmen 6,7, 8,9rekonstruiert,um Querschnittsbilder der PA zu erzeugen. Die Beschallung liefert strukturelle und funktionelle Informationen von makroskopischen Organen bis hin zu mikroskopischen Organellen aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit endogener Chromophores,die im Körper 10 vorkommen. Die PAT-Bildgebungwurdeerfolgreich zur Brustkrebsdetektion 1, Sentinel-Lymphknotenbildgebung11, Abbildung von Oxyhemoglobin (HbO2), Deoxy-Hämoglobin (HbR), Total-Hämoglobin-Konzentration (HbT), Sauerstoffsättigung (SO) eingesetzt. 2) 12 , 13, Tumorangiogenese14, Kleintier-Körper, die15, und andere Anwendungen.
Nd: YAG/OPO Laser sind konventionelle Anregungsquellen für PAT-Systeme der ersten Generation, die in der photoakustischen Gemeinschaft für die Kleintierbildgebung und Tiefengewebe-Bildgebung16 weit verbreitetsind. Diese Laser liefern ~ 100 mJ-Energiepulse bei niedrigen Wiederholungsraten von ~ 10-100 Hz. Die PAT-Bildgebungssysteme, die diese teuren und sperrigen Laser verwenden, sind aufgrund der begrenzten Pulswiederholrate nicht für die Hochgeschwindigkeits-Bildgebung mit Einelement-Ultraschallwandlern (SUTs) geeignet. Dies verhindert die Echtzeitüberwachung physiologischer Veränderungen, die bei hohen Geschwindigkeiten im Tier auftreten. Mit array-basierten Wandlern wie linearen, halbkreisförmigen, kreisförmigen und volumetrischen Arrays mit Nd: YAG-Laseranregung ist eine Hochgeschwindigkeits-Bildgebung möglich. Allerdings sind diese Array-Wandler teuer und bieten geringere Empfindlichkeiten im Vergleich zu SUTs; Dennoch wird die Bildgeschwindigkeit durch die geringe Wiederholungsrate des Lasers begrenzt. Modernste Ein-Impuls-PACT-Systeme mit maßgeschneidertem Vollring-Array-Wandler erhalten die PA-Daten mit 50 Hz-Bildraten17. Diese Array-Wandler benötigen komplexe Backend-Empfangselektronik und Signalverstärker, was das Gesamtsystem teurer und für den klinischen Einsatz schwieriger macht.
Ihre kompakte Größe, der geringere Kostenaufwand und die höhere Pulswiederholrate (KHz) machen gepulste Laserdioden (PLDs) für die Echtzeit-Bildgebung vielversprechender. Aufgrund dieser Vorteile werden PLDs in PAT-Systemen der zweiten Generation aktiv als alternative Anregungsquelle eingesetzt. PLD-basierte PAT-Systeme wurden erfolgreich für die Bildgebungmithoher Bildfrequenz mit Array-Wandlern18,Tiefengewebe und Gehirnbildgebung 19, 20,21, Herz-Kreislauf-Erkrankungen diagnostiziert 22 , und Rheumatologie Diagnose23. Da SUTs im Vergleich zu Array-Wandlern hochempfindlich und kostengünstiger sind, werden sie immer noch ausgiebig für die PAT-Bildgebung verwendet. Das auf Fiber-basiertem PLD-System wurde für die Phantombildgebung24demonstriert. Ein tragbares PLD-PAT-System wurde zuvor durch die Montage der SPD im PAT-Scanner 25 demonstriert. Mit einem SUT-Kreisscanner wurde die Phantombildgebung während der 3 s der Scanzeit durchgeführt, und in vivo rat wurde die Gehirnbildgebungwährendeiner 5-sm-Periode mit diesem PLD-PAT-System 19 durchgeführt.
Darüber hinaus wurden Verbesserungen an diesem PLD-PAT-System vorgenommen, um es kompakter zu machen und ein Desktop-Modell mit acht akustischen Reflektor-basierten Einelement-Ultraschalltransformatoren (SUTRs) 26,27zuerstellen. Hier wurden SUTs mit Hilfe eines 90 °-akustischen Reflektors 28in vertikaler statt horizontalerRichtung platziert. Dieses System kann für Scanzeiten von bis zu 0,5 s und ~ 3 cm Tiefe in der Gewebebildgebung und in vivo Kleintierhirn-Bildgebung eingesetzt werden. In dieser Arbeit wird dieses Desktop-SPD-PAT-System verwendet, um die visuelle Demonstration von Experimenten für in vivo Gehirnbildgebung bei Kleintieren und für die dynamische Visualisierung der Aufnahme und Abfertigung von Food and Drug Administration (FDA)-zugelassenen Indocyanin-zugelassen Grüner (ICG) Farbstoff im Rattenhirn.
Protocol
Representative Results
Discussion
Diese Arbeit stellt ein Protokoll vor, um ein Desktop-SPD-PAT-System für die Durchführung von Experimenten an Kleintieren wie Ratten für in vivo Gehirn-Bildgebung und dynamischen Schnellaufnahme und Räumungsprozess von Kontrastmitteln wie ICG zu verwenden. Sperrige, teure OPO-PAT-Systeme brauchen mehrere Minuten (2-5 min), um einen einzigen Querschnitt in vivo Bild zu erhalten. Ein kompaktes, kostengünstiges, tragbares PLD-PAT-System der ersten Generation bietet eine Einzelquerschnittsgelähmte in vivo-Bildern in 5 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Forschung wird vom Nationalen Medizinischen Forschungsrat des Singapore Ministry of Health unterstützt (NMRC/OFIRG/0005/2016: M4062012). Die Autoren danken Herrn Chow Wai Hoong Bobby für die Unterstützung der Maschinenwerkstatt.
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).
