쥐 대뇌 피 질의 혈관 구조에서 염료의 세척 및 세척을 모니터링 하기 위한 펄스 레이저 다이오드 기반 데스크탑 광 음향 단층 촬영
Summary
소형 펄스 레이저 다이오드 기반 데스크탑 광 음향 단층 촬영 (PLD-PAT) 시스템은 작은 동물 대뇌 피 질의 맥 관 구조의 고속 동적 생체 내 이미징에 대해 입증 되었습니다.
Abstract
광 청각적 (PA) 단층 촬영 (PAT) 화상 진 찰은 다양 한 전 임상 및 임상 응용에서 유용한 신흥 생물 의학 영상 형식입니다. 맞춤형 원형 링 어레이 기반 트랜스듀서 및 일반 부피가 큰 Nd: YAG/OPO 레이저는 PAT 시스템을 클리닉으로 변환 하는 것을 억제 합니다. 초소형 펄스 레이저 다이오드 (PLDs)는 현재 PA 이미징에 대 한 근 적외선 여기의 대체 소스로 사용 되 고 있습니다. 소형 PLD 기반 데스크탑 PAT 시스템 (PLD-PAT)을 사용 하 여 고속 동적 생체 내 이미징이 입증 되었습니다. 데스크탑 PLD-PAT 시스템을 사용 하는 시각화 된 실험적 프로토콜은이 작업에서 동적 생체 내 뇌 이미징을 위해 제공 됩니다. 이 프로토콜은 바탕 화면 PLD-PAT 시스템 구성, 뇌 혈관 영상에 대 한 동물의 준비, 쥐 대뇌 피 질의 혈관 구조에서 indocyanine green (ICG) 염료 흡수 및 클리어런스 과정의 동적 시각화를 위한 절차를 설명 합니다.
Introduction
광 음향 계산 단층 촬영 (계약/PAT)은 높은 초음파 해상도1,2,3 과 풍부한 광학 콘트라스트를 결합 하는 유망한 비 침 습 적 생물 의학 이미징 양상입니다. 5. 나노초 펄스 레이저는 생체 조직 내부에 존재 하는 빛을 흡수 하는 발 색 광에 에너지를 침전 하는 경우, 국부 적으로 온도 증가 조직의 열 탄성 팽창 및 수축으로 이어지는, 생성의 결과 압력 파도. 이 압력 파는 샘플 주위의 초음파 트랜스듀서에 의해 검출 될 수 있는 초음파 파 또는 광 음향 (PA) 파도로 알려져 있습니다. 검출 된 pa 신호는 다양 한 재구성 알고리즘 (6,7,8,9 )을 사용 하 여 재구성 되어 단면 PA 이미지를 생성 한다. PA 이미징은 신체 내부에 존재 하는 내 인 성 발 색 단에 대 한 파장 의존성으로 인해 거시적 기관에서 현미경 소기관에이르기까지 구조적이 고 기능적인 정보를 제공 합니다. PAT 화상 진 찰은 유방암 검출에 성공적으로사용 되어 왔으며, 센 티 넬 림프절 이미징 (11)은 산소 헤모글로빈 (HbO2), deoxyhemoglobin의 매핑, 총 헤모글로빈 농도 (hbr), 산소량 포화 2) 12 , ( 13) 종양 맥 관 형성14, 작은 동물 몸 전체 영상 (15) 및 기타 용도.
Nd: YAG/OPO 레이저는 작은 동물 화상 진 찰과 깊은 조직 화상 진 찰16를 위한 광 음향 공동체에서 널리 이용 되는 1 세대 PAT 체계를 위한 전통적인 여기 근원입니다. 이 레이저는 ~ 10-100 Hz의 낮은 반복 속도로 ~ 100 mJ 에너지 펄스를 제공 합니다. 이러한 비용이 많이 들고 부피가 큰 레이저를 사용 하는 PAT 이미징 시스템은 펄스 반복률이 제한 되어 단일 요소 초음파 트랜스듀서 (SUTs)가 있는 고속 이미징에는 적합 하지 않습니다. 이는 동물 내부의 고속에서 발생 하는 생리 적 변화의 실시간 모니터링을 억제 합니다. 선형, 반원형, 원형 및 체적 배열과 같은 어레이 기반 트랜스듀서를 Nd와 함께 사용: YAG 레이저 여기, 고속 이미징이 가능 합니다. 그러나 이러한 어레이 트랜스듀서는 비용이 많이 들며 SUTs에 비해 낮은 민감도를 제공 합니다. 그러나 이미징 속도는 레이저의 낮은 반복 속도에 의해 제한 됩니다. 맞춤형 풀 링 어레이 트랜스듀서를 사용 하는 최첨단 싱글 임펄스 팩트 시스템은 50 Hz 프레임 레이트17에서 PA 데이터를 얻습니다. 이 어레이 트랜스듀서는 복잡 한 백엔드 수신 전자 장치 및 신호 증폭기가 필요 하므로 임상 사용을 위해 전체 시스템을 더 비싸고 어렵게 합니다.
컴팩트 한 크기, 낮은 비용 요구 사항 및 더 높은 펄스 반복 속도 (KHz의 순서)는 실시간 이미징에 대 한 더 유망한 펄스 레이저 다이오드 (PLDs)를 만든다. 이러한 장점으로 인해 PLDs는 2 세대 PAT 시스템에서 대체 여기 소스로 적극적으로 사용 됩니다. Pld 기반 PAT 시스템은 어레이 트랜스듀서를 이용한 하이 프레임 레이트 이미징에 성공적으로 입증되었습니다 18, 심부 조직과 뇌 이미징19,21, 심혈 관 질환 진단22 , 류 마티스 진단23. SUTs는 어레이 트랜스듀서에 비해 매우 민감하고 비용이 적게 들기 때문에 여전히 PAT 이미징에 광범위 하 게 사용 됩니다. 팬텀 이미징24를 위해 파이버 기반 pld 시스템이 시연 되었습니다. 이전에는 PAT 스캐너 (25) 내부에 pld를 장착 하 여 휴대용 pld-PAT 시스템을 시연 했습니다. 1 개의 숫 양의 원형 스캐너로, 팬텀 이미징은 스캔 시간 3 초 동안 수행 되었고, 생체 내 쥐 뇌 이미징은 PLD-PAT 시스템 (19)을 사용 하 여 5 s 기간 동안 수행 되었다.
또한 pld-PAT 시스템을 개선 하 여 더욱 콤팩트 하 게 만들고 8 개의 어쿠스틱 리플렉터 기반 단일 요소 초음파 트랜스듀서 (sutrs)26을사용 하 여 데스크탑 모델을 제작 했습니다. 여기서, SUTs는 90° 음향 반사 기 (28)의 도움으로 수평 방향 대신 수직으로 배치 되었다. 이 시스템은 최대 0.5의 스캔 시간 및 ~ 3cm 깊이의 조직 이미징 및 생체 내 작은 동물 뇌 이미징에 사용 될 수 있습니다. 이 작업에서이 데스크탑 PLD-PAT 시스템은 작은 동물의 생체 내 뇌 이미징을 위한 실험의 시각적 시연과 식품 의약품 안전 청의 통풍 관 및 통관 과정의 동적 시각화를 위해 사용 됩니다 (FDA) 승인 indocyanine 녹색 (ICG) 쥐의 뇌에 염료.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 작품은 생체 내 뇌 이미징 쥐 같은 작은 동물에 대 한 실험을 수행 하기 위한 데스크톱 PLD-PAT 시스템을 사용 하 여 프로토콜을 제시 하 고 ICG 같은 조 영제의 동적 빠른 통풍 관 및 통관 과정. 부피가 큰, 고가의 OPO-PAT 시스템은 생체 내 단일 단면 이미지를 획득 하기 위해 몇 분 (2-5 분)을 소요 한다. 콤팩트 한 저비용 1 세대 휴대용 PLD-PAT 시스템은 5 초 내에 단일 단면 생체 이미지를 제공 합니다. ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 싱가포르 보건부의 국립 의료 연구 위원회 (NMRC/OFIRG/0005/2016)에 의해 지원 됩니다. 저자는 기계가 게 지원을 위한 미스터 차 우와이 호 옹 바비에 게 감사 드립니다.
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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