Tomografía fotoacústica de escritorio basada en diodos láser pulsada para monitoreo de lavado y lavado de tinte en rata cortical vasculatura
Summary
Se ha demostrado un sistema compacto de tomografía fotoacústica de sobremesa (PLD-PAT) basado en diodos láser pulsado para obtener imágenes dinámicas in vivo de alta velocidad de la vasculatura cortical de animales pequeños.
Abstract
Las imágenes por tomografía fotoacústica (PA) son una modalidad de imagen biomédica emergente útil en diversas aplicaciones preclínicos y clínicas. Los transductores circulares basados en matrices de anillo circular y los láseres de gran volumen convencionales Nd: YAG/OPO inhiben la traducción del sistema PAT a las clínicas. Los diodos láser pulsados ultracompactos (PLDs) se están utilizando actualmente como una fuente alternativa de excitación de infrarrojo cercano para imágenes de PA. La imagen dinámica in vivo de alta velocidad se ha demostrado utilizando un sistema de sobremesa PAT compacto basado en PLD (PLD-PAT). Un protocolo experimental visualizado utilizando el sistema de sobremesa PLD-PAT se proporciona en este trabajo para imágenes cerebrales dinámicas in vivo. El protocolo describe la configuración del sistema PLD-PAT de sobremesa, la preparación de animales para la imagen vascular cerebral y el procedimiento para la visualización dinámica de la captación y el proceso de aclaramiento de verde indoyanino (ICG) en la vasculatura cortical de rata.
Introduction
La tomografía computarizada fotoacústica (PACT/PAT) es una prometedora modalidad de imagen biomédica no invasiva que combina un rico contraste óptico con una alta resolución de ultrasonidos1,2,3,4, 5. cuando un láser pulsado nanosegundo deposita energía en los cromóforos que absorben la luz presentes dentro de cualquier tejido biológico, los aumentos de temperatura locales conducen a la expansión y contracción termoelástica del tejido, lo que resulta en la generación de ondas de presión. Estas ondas de presión se conocen como ondas de ultrasonido o ondas fotoacústicas (PA), que se pueden detectar mediante transductores de ultrasonido alrededor de la muestra. Las señales PA detectadas se reconstruyen utilizando varios algoritmos de reconstrucción6,7,8,9 para generar imágenes de PA de sección transversal. La imagen de PA proporciona información estructural y funcional de órganos macroscópicos a orgánulos microscópicos debido a la dependencia de la longitud de onda de los cromos endógenos presentes en el interior del cuerpo10. La toma de imágenes PAT se ha utilizado con éxito para la detección de cáncer de mama1, diagnóstico de ganglios linfáticos centinela11, mapeo de oxihemoglobina (HbO2), desoxihemoglobina (HBR), concentración total de hemoglobina (HBT), saturación de oxígeno (SO 2) 12 , 13, angiogénesis tumoral14, imagen del cuerpo entero de un animal pequeño15, y otras aplicaciones.
Los láseres Nd: YAG/OPO son fuentes de excitación convencionales para sistemas PAT de primera generación que son ampliamente utilizados en la comunidad fotoacústica para imágenes de animales pequeños y imágenes de tejidos profundos16. Estos láseres proporcionan ~ 100 mJ pulsos de energía a bajas tasas de repetición de ~ 10-100 Hz. Los sistemas de imágenes PAT que utilizan estos láseres costosos y voluminosos no son adecuados para imágenes de alta velocidad con transductores de ultrasonido de un solo elemento (SUTs), debido a la tasa de repetición de pulso limitada. Esto inhibe la monitorización en tiempo real de los cambios fisiológicos que ocurren a altas velocidades dentro del animal. Utilizando transductores basados en arreglos de discos como matrices lineales, semicirculares, circulares y volumétricas con excitación láser Nd: YAG, es posible la creación de imágenes de alta velocidad. Sin embargo, estos transductores de matriz son caros y proporcionan sensibilidades más bajas en comparación con los SUTs; sin embargo, la velocidad de imagen está limitada por la baja tasa de repetición del láser. Los sistemas PACT de impulso único de vanguardia con transductor de matriz de anillo completo personalizado obtienen los datos de PA a una velocidad de fotogramas de 50 Hz17. Estos transductores de matriz necesitan dispositivos electrónicos de recepción de back-end complejos y amplificadores de señal, lo que hace que el sistema general sea más costoso y difícil para el uso clínico.
Su tamaño compacto, requisitos de menor costo y mayor tasa de repetición de pulsos (orden de KHz) hacen que los diodos láser pulsados (PLDs) sean más prometedores para la creación de imágenes en tiempo real. Debido a estas ventajas, los PLD se utilizan activamente como fuente de excitación alternativa en sistemas PAT de segunda generación. Los sistemas Pat basados en PLD se han demostrado con éxito para imágenes de alta velocidad de fotogramas utilizando transductores de matriz18, imágenes de tejido profundo y de cerebro19,20,21, diagnóstico de enfermedades cardiovasculares22 , y el diagnóstico de Reumatología23. Como los SUTs son altamente sensibles y menos costosos en comparación con los transductores de matriz, todavía se utilizan extensivamente para la toma de imágenes PAT. Se ha demostrado el sistema PLD basado en fibra para imágenes fantasma24. Un sistema portátil PLD-PAT se ha demostrado previamente mediante el montaje del PLD dentro del escáner PAT25. Con un escáner circular SUT, la imagen fantasma se realizó durante 3 s de tiempo de escaneo, y la imagen del cerebro de rata in vivo se realizó durante un período de 5 s usando este sistema PLD-PAT19.
Además, se han realizado mejoras en este sistema PLD-Pat para hacerla más compacta y crear un modelo de escritorio utilizando ocho transductores de ultrasonido de un solo elemento basados en Reflector acústico (SUTRS)26,27. Aquí, los SUTs fueron colocados en una dirección vertical en lugar de horizontal con la ayuda de un reflector acústico de 90° 28. Este sistema se puede emplear para tiempos de escaneo de hasta 0,5 s y ~ 3 cm de profundidad en imágenes de tejidos e imágenes cerebrales de animales pequeños in vivo. En este trabajo, este sistema de sobremesa PLD-Pat se utiliza para proporcionar la demostración visual de los experimentos para la imagen cerebral in vivo en animales pequeños y para la visualización dinámica de la captación y el proceso de despacho de la administración de alimentos y medicamentos (FDA)-indocianina aprobado tinte verde (ICG) en cerebros de rata.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este trabajo presenta un protocolo para utilizar un sistema de sobremesa PLD-PAT para realizar experimentos en animales pequeños como ratas para imágenes cerebrales in vivo y proceso dinámico de captación y despacho de agentes de contraste como ICG. Los costosos y voluminosos sistemas OPO-PAT toman varios minutos (2-5 min) para adquirir una sola imagen transversal in vivo. Un sistema portátil PLD-PAT compacto, de bajo costo y de primera generación, proporciona imágenes de una sola sección transversal in vivo en 5…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La investigación está respaldada por el Consejo Nacional de investigación médica del Ministerio de salud de Singapur (NMRC/OFIRG/0,005/2016: M4062012). A los autores les gustaría agradecer al Sr. Chow WAI Hoong Bobby por el apoyo de la tienda de máquinas.
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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