Импульсный лазерный диод на основе Фотоакустической томографии для мониторинга мытье-в и промыть-из красителя в крысы корковых сосудистую
Summary
Компактная импульсная лазерная диод на основе настольной фотоакустической томографии (PLD-PAT) система показана для высокоскоростного динамического в естественных условиях визуализации малых животных корковых сосудов.
Abstract
Фотоакустическая (PA) томография (ПЭТ) визуализация – это формирующаяся биомедицинская визуализация, полезная в различных доклинических и клинических приложениях. Заказные круговой кольцевой массив на основе преобразователей и обычных громоздких ND: YAG/по по-лазеры препятствовать переводу системы ПЭТ для клиник. Ультра-компактные Импульсные лазерные диоды (PLDs) в настоящее время используются как альтернативный источник околоинфракрасного возбуждения для АКУСТИЧЕСКОЙ визуализации. Высокоскоростная динамика в естественных условиях визуализации была продемонстрирована с помощью компактных PLD-на основе настольного системы ПЭТ (PLD-PAT). Визуализированный экспериментальный протокол с использованием настольной системы PLD-PAT предоставляется в этой работе для динамического в естественных условиях визуализации мозга. Протокол описывает конфигурацию настольной системы PLD-PAT, подготовку животного для обработки изображений сосудов головного мозга, а так же процедуру динамической визуализации индокьяннского зеленого (мкг) поглощения красителя и процесса расчистки в сосудах крысы-корковых сосудов.
Introduction
Фотоакустическая компьютерная томография (Пакт/Пат)-перспективный неинвазивный биомедицинский метод визуализации, сочетающий в себе богатый оптический контраст с высоким разрешением1,2,3,4, 5. когда наносекундного импульсного лазерного месторождения энергии на свет поглощающих хрофофоры присутствуют внутри любой биологической ткани, местное повышение температуры приводит к термоупругим расширения и сжатия ткани, в результате чего поколение волн давления. Эти волны давления известны как ультразвуковые волны или фотоакустические (PA) волны, которые могут быть обнаружены ультразвуковыми преобразователи вокруг образца. Обнаруженные сигналы PA реконструированы с помощью различных алгоритмов реконструкции6,7,8,9 для создания кросс-секционных годовых изображений. PA-визуализация обеспечивает структурную и функциональную информацию от макроскопических органов к микроскопическим органеллами из-за зависимости длины волны от эндогенных хромофор, присутствующих внутри тела10. ПЭТ-изображения успешно используется для выявления рака молочной железы1, сторожевого лимфатического узла визуализации11, отображение оксигемоглобина (HBO2), Дезоксиггемоглобина (HBR), Общая концентрация гемоглобина (HBR), насыщение кислорода (so 2) в 12 , 13, опухоль ангиогенез14, маленькое животное всего тела визуализации15, и другие приложения.
Nd: YAG/по АПО лазеры являются традиционными источниками возбуждения для первого поколения систем ПЭТ, которые широко используются в фотоакустическом сообществе для малых изображений животных и глубоких тканей изображений16. Эти лазеры обеспечивают ~ 100 МЮ энергетические импульсы при низких темпах повторения ~ 10-100 Гц. Системы визуализации ПЭТ с использованием этих дорогостоящих и громоздких лазеров не подходят для высокоскоростного изображения с односоставными ультразвуковыми преобразователи (SUTs), из-за ограниченного коэффициента повторения импульса. Это препятствует мониторингу в реальном времени физиологических изменений, происходящих на высоких скоростях внутри животного. Использование массива основе преобразователей, как линейные, полукруглые, круглые, и объемных массивов с ND: YAG лазерного возбуждения, высокоскоростного изображения возможно. Тем не менее, эти массив преобразователей являются дорогостоящими и обеспечить меньшую чувствительность по сравнению с SUTs; Тем не менее, скорость изображения ограничена низкой скоростью повторения лазера. Государство-оф-искусство одного импульса Пакт систем с заказной полный кольцо массив преобразователь получить данные PA на 50 Гц кадров17. Эти массив преобразователей необходимо сложное Back-End получения электроники и усилителей сигнала, что делает общую систему более дорогим и трудным для клинического использования.
Их компактные размеры, более низкие требования к затратам и более высокий коэффициент повторения импульсов (по заказу кГц) делают Импульсные лазерные диоды (PLDs) более перспективными для визуализации в реальном времени. Благодаря этим преимуществам, PLDs активно используются в качестве альтернативного источника возбуждения в системах ПЭТ второго поколения. PLD основе ПЭТ системы были продемонстрированы успешно для высокой частоты кадров изображений с использованием массива преобразователей18, глубокий-ткани и мозга визуализации19,20,21, сердечно-сосудистых заболеваний диагностики22 , и ревматологии диагностика23. Поскольку SUTs являются высокочувствительными и менее дорогими по сравнению с массивом преобразователей, они все еще широко используются для сканирования ПЭТ. Волоконно-основанная система PLD были продемонстрированы для фантомное изображение24. Портативный PLD-PAT система была продемонстрирована ранее монтажа PLD внутри ПЭТ сканер25. С одного круглого сканера сут, фантомное изображение было выполнено в течение 3-х годов времени сканирования, и в естественных условиях мозга крысы изображений была выполнена в течение 5-х годов с помощью этой системы PLD-PAT19.
Кроме того, были внесены усовершенствования в эту систему PLD-Pat, чтобы сделать ее более компактной и создать настольную модель, используя восемь акустических рефлектора на основе одноэлемента ультразвуковых преобразователей (suтрс)26,27. Здесь, SUTs были помещены в вертикальное вместо горизонтального направления с помощью акустического отражателя 90° 28. Эта система может быть использован для сканирования раз до 0,5 s и ~ 3 см глубоко в тканях и в естественных условиях малых изображений мозга животных. В этой работе, этот Настольный PLD-Pat система используется для обеспечения визуальной демонстрацией экспериментов для в естественных условиях визуализации мозга у мелких животных и для динамической визуализации поглощения и очистки процесса пищевых продуктов и медикаментов (FDA)-утвержденных индоцианин зеленый (мкг) краситель в крысиных мозгах.
Protocol
Representative Results
Discussion
Эта работа представляет собой протокол для использования настольных PLD-PAT системы для проведения экспериментов на мелких животных, как крысы для в естественных условиях визуализации мозга и динамического быстрого поглощения и оформления процесса контрастных агентов, как мкг. Громозд?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Исследование поддерживается Национальным Советом по медицинским исследованиям министерства здравоохранения Сингапура (НГРК/ОФИРГ/0005/2016: M4062012). Авторы хотели бы поблагодарить г-н Чоу Вай Hoong Бобби для машины поддержки магазина.
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).
