לייזר דיודה פעמו מבוססי שולחן עבודה פוטואקוסטית טומוגרפיה עבור ניטור לשטוף ולשטוף-Out של צבען ב הקורקולטורה של חולדה
Summary
קומפקטי פעמו לייזר דיודה מבוססי שולחן העבודה המבוסס פוטואקוסטית טומוגרפיה (PLD-PAT) מערכת מוכיחה עבור דינמי במהירות גבוהה ב-vivo הדמיה של בעלי חיים קטנים קליפת הגוף.
Abstract
פוטואקוסטית (PA) טומוגרפיה (PAT) הדמיה היא הדמיה ביורפואית המתעוררים שימושי ביישומים שונים פרה וקליניים. מותאם אישית מערך עגול טבעת מבוססת מערכות מבוססות ומגושם קונבנציונאלי: YAG/פופו לייזרים לעכב את התרגום של מערכת PAT למרפאות. אולטרה קומפקטי דיודות לייזר פעמו (PLDs) נמצאים כעת בשימוש כמקור חלופי של עירור הקרוב אינפרא אדום עבור הדמיה של הרשות הפלסטינית. דינמי במהירות גבוהה ב vivo הדמיה הפגינו באמצעות מערכת קומפקטית PLD מבוססי שולחן העבודה PAT (PLD-פט). הפרוטוקול הנסיוני דמיינו באמצעות מערכת PLD-PAT שולחן העבודה מסופק בעבודה זו עבור דינמי הדמיה vivo המוח. הפרוטוקול מתאר את התצורה של שולחן העבודה PLD-PAT, הכנת בעל חיים עבור דימות כלי דם במוח, והליך הדמיה דינמית של indocyanine ירוק (ICG) ספיגת צבען תהליך הסיווג בקליפת המוח של חולדה.
Introduction
טומוגרפיה ממוחשבת של פוטואקוסטית (ברית/פט) היא מודאליות מבטיחה לא פולשנית הדמיה ביו-רפואית המשלבת ניגודיות אופטית עשירה עם רזולוציה גבוהה ultrasond1,2,3,4, 5. כאשר ננו השנייה פעמו לייזר מרבצי אנרגיה על האור סופג כרומטוes נוכח בתוך כל רקמה ביולוגית, הטמפרטורה המקומית מגביר הרחבה התרמואלסטית והתכווצות של הרקמה, וכתוצאה מכך הדור של גלי לחץ. גלי הלחץ הללו מוכרים כגלי אולטרסאונד או כגלים פוטואקוסטיים (PA), אשר ניתן לאתרם על-ידי התמרה אולטרסאונד סביב המדגם. אותות pa שאותרו משוחזרים באמצעות אלגוריתמים שחזור שונים6,7,8,9 כדי ליצור תמונות מוצלבות החוצה. הדמיה של הרשות הפלסטינית מספקת מידע מבני ופונקציונלי מאיברים מאקרוסקופיים ועד לאורגלים מיקרוסקופיים עקב התלות באורך הגל של כרומטוגניים כרומניים המצויים בתוך הגוף10. פט הדמיה כבר בשימוש בהצלחה עבור זיהוי סרטן השד1, לימפה סנטינל צומת הדמיה11, מיפוי של אוקסיהמוגלובין (HbO2), המוגלובין (hbr), ריכוז המוגלובין הכולל (HBR), רווית חמצן (SO 2היכל ה. מיכל בן 12 , 13, הגידול אנגיוגנזה14, גוף קטן חיה הדמיה כולה15, ויישומים אחרים.
Nd: לייזרים YAG/פופו הם מקורות עירור קונבנציונאלי עבור מערכות PAT הדור הראשון, כי הם בשימוש נרחב בקהילה פוטואקוסטית עבור הדמיה בעלי חיים קטנים הדמיה רקמות עמוק16. לייזרים אלה לספק ~ 100 mJ פולסים אנרגיה בשיעורי חזרה נמוכה של ~ 10-100 Hz. פט הדמיה מערכות באמצעות אלה לייזרים יקרים ומגושם אינם מתאימים הדמיה במהירות גבוהה עם מתתמרים חד רכיבי אולטרסאונד (SUTs), בשל קצב החזרה מוגבלת הדופק. זה מעכב ניטור בזמן אמת של שינויים פיזיולוגיים המתרחשים במהירויות גבוהות בתוך החיה. באמצעות מערך מבוסס-מדידה כמו ליניארי, חצי עגול, עגול, מערכים נפחי עם Nd: לייזר YAG עירור, מהירות גבוהה הדמיה אפשרית. עם זאת, מפרידי המערך האלה יקרים ומספקים רגישויות נמוכות יותר בהשוואה ל-SUTs; עם זאת, מהירות ההדמיה מוגבלת על-ידי קצב החזרה הנמוך של הלייזר. מערכות הסכם חד-הורית משוכלל ביותר עם מערך מותאם אישית של טבעת מלאה להשיג את נתוני הרשות הפלסטינית ב-50 Hz שיעורי מסגרת17. אלה מערכות מגבירי הצורך מורכבים back-end מקבל אלקטרוניקה מגברי האות, מה שהופך את המערכת הכוללת יקר יותר וקשה לשימוש קליני.
גודל קומפקטי שלהם, דרישות עלות נמוכה יותר, קצב החזרה דופק גבוה (סדר KHz) לעשות דיודות לייזר פעמו (PLDs) מבטיח יותר עבור הדמיה בזמן אמת. בשל יתרונות אלה, PLDs משמשים באופן פעיל כמקור עירור חלופי במערכות הדור השני פט. Pld מבוססי מערכות PAT הוכחו בהצלחה עבור הדמיה שיעור גבוהה מסגרת באמצעות מערך המתמרים18, רקמות עמוק הדמיה המוח19,20,21, אבחון מחלות לב וכלי דם22 ו ראומטולוגיה אבחון23. כמו SUTs הם רגישים מאוד וזול פחות לעומת מערך הצירים, הם עדיין משמשים בהרחבה עבור הדמיה PAT. סיבים מבוססי מערכת PLD הוכחו עבור הדמיה פנטום24. המערכת הניידת PLD-PAT הוכח בעבר על ידי טעינת PLD בתוך הסורק PAT25. עם סורק מעגלי SUT אחד, הדמיה פנטום בוצעה במהלך 3 s זמן הסריקה, ו ב vivo rat הדמיה המוח בוצעה במהלך תקופה של 5 באמצעות זה PLD-PAT מערכת19.
יתר על כן, שיפורים נעשו זה pld-PAT מערכת כדי להפוך אותו לקומפקטי יותר ליצור מודל שולחן העבודה באמצעות שמונה מחזיר אקוסטי מבוסס רכיב יחיד מערכות אולטרסאונד (sutrs)26,27. כאן, SUTs הוצבו אנכית במקום כיוון אופקי בעזרת מחזיר אור אקוסטית 90° 28. מערכת זו יכולה להיות מועסק עבור זמני סריקה של עד 0.5 s ו-~ 3 ס מ עמוק הדמיה רקמות ובvivo קטן בעלי חיים במוח הדמיה. בעבודה זו, שולחן העבודה PLD-PAT מערכת משמש כדי לספק את ההדגמה החזותית של ניסויים עבור הדמיה המוח vivo בבעלי חיים קטנים עבור ויזואליזציה דינמית של ספיגת ותהליך הסיווג של מינהל המזון והתרופות (FDA)-אושרה indocyanine ירוק (ICG) לצבוע במוח חולדה.
Protocol
Representative Results
Discussion
עבודה זו מציגה פרוטוקול להשתמש PLD שולחן העבודה מערכת לניהול ניסויים על בעלי חיים קטנים כמו חולדות עבור vivo המוח הדמיה דינמי מהיר ספיגת ותהליך הסיווג של סוכני ניגוד כמו ICG. מגושם, יקר מערכות פופו-PAT להימשך מספר דקות (2-5 דקות) כדי לרכוש החתך אחד בתמונה vivo. קומפקטי, בעלות נמוכה, הדור הראשון ניידים …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחקר נתמך על ידי המועצה הלאומית לחקר הרפואה של משרד הבריאות של סינגפור (NMRC/OFIRG/0005/2016: M4062012). המחברים רוצים להודות למר צ’או וואי הואנג. לתמיכה בחנות המכונות
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).
