Pulsad laserdiod-baserade Desktop Photoacoustic tomografi för övervakning Wash-in och Wash-out av Dye i råtta kortikal Vasculature
Summary
En kompakt pulsad laserdiodbaserad stationär fotoakustisk tomografi (PLD-PAT)-system demonstreras för snabb dynamisk in vivo-avbildning av små animaliska kortikala kärl.
Abstract
Fotoakustisk (PA) tomografi (PAT) Imaging är en framväxande biomedicinsk avbildning modalitet användbar i olika prekliniska och kliniska tillämpningar. Skräddarsydda cirkulär ring array-baserade givare och konventionella skrymmande nd: YAG/OPO lasrar hämmar översättningen av PAT-systemet till kliniker. Ultrakompakt pulsad laserdioder (PLDs) används för närvarande som en alternativ källa för nära infraröd excitation för PA Imaging. Snabb dynamisk in vivo Imaging har visats med hjälp av ett kompakt PLD-baserat Desktop PAT-system (PLD-PAT). Ett visualiserat experimentellt protokoll som använder Skriv bordets PLD-PAT-system tillhandahålls i detta arbete för dynamisk hjärn avbildning in vivo. Protokollet beskriver Skriv bordet PLD-Pat system konfiguration, beredning av djur för hjärn kärl avbildning, och förfarande för dynamisk visualisering av indocyaningrönt grön (ICG) färgupptagningsförmåga och clearance process i råtta kortikala kärl.
Introduction
Photoacoustic datortomografi (Pact/Pat) är en lovande icke-invasiv biomedicinsk avbildning modalitet kombinerar rik optisk kontrast med hög ultrasond upplösning1,2,3,4, 5. När en nanosekund Pulsade laser insättningar energi på ljusabsorberande kromophores finns inuti någon biologisk vävnad, lokala temperaturökningar leder till termoelastisk expansion och sammandragning av vävnaden, vilket resulterar i generering av Tryck vågor. Dessa tryck vågor kallas ultraljud vågor eller photoacoustic (PA) vågor, som kan detekteras av ultraljud givare runt provet. De upptäckta pa signalerna rekonstrueras med hjälp av olika rekonstruktion algoritmer6,7,8,9 för att generera tvärsnitts pa bilder. PA Imaging ger strukturell och funktionell information från makroskopiska organ till mikroskopiska organeller på grund av våg längden beroende av endogena kromophores närvarande inuti kroppen10. PAT Imaging har framgångs rikt använts för bröst Cancer upptäckt1, Sentinel lymf körtel avbildning11, kart läggning av oxyhemoglobin (HbO2), deoxyhemoglobin (HBR), totalt hemoglobin koncentration (HBT), syremättnad (so och 2) 12 av de , 13, tumör angiogenes14, små djur hela kroppen Imaging15, och andra tillämpningar.
Nd: YAG/OPO lasrar är konventionella excitation källor för första generationen PAT-system som används i stor utsträckning i photoacoustic gemenskap för små djur avbildning och djup vävnad Imaging16. Dessa lasrar ger ~ 100 mJ energi pulser vid låga repetitions hastigheter på ~ 10-100 Hz. PAT-bildbehandlings system som använder dessa kostsamma och skrymmande lasrar lämpar sig inte för höghastighets avbildning med ultraljudstranstorer (SUTs), på grund av den begränsade puls repetitions hastigheten. Detta hämmar real tids övervakning av fysiologiska förändringar som sker vid höga hastigheter inne i djuret. Med hjälp av array-baserade givare som linjära, semi-cirkulär, cirkulär, och volymetriska arrayer med nd: YAG laser excitation, är höghastighets avbildning möjligt. Dessa mat ris givare är dock dyra och ger lägre känslighet jämfört med SUTs; men bild hastigheten begränsas av laserns låga repetitions hastighet. State-of-the-art enda impuls PACT system med anpassade full-ring array givare få PA-data på 50 Hz bild frekvenser17. Dessa array givare behöver komplexa back-end emot elektronik och signal förstärkare, vilket gör det övergripande systemet dyrare och svårare för klinisk användning.
Deras kompakta storlek, lägre kostnads krav och högre puls repetitions hastighet (i storleksordningen KHz) gör pulsade laserdioder (PLDs) mer lovande för Real tids avbildning. På grund av dessa fördelar används PLDs aktivt som en alternativ excitation källa i andra generationen PAT-system. PLD-baserade Pat-system har framgångs rikt demonstrerats för bild Rute hastighet med hjälp av mat ris givare18, djup vävnad och hjärn avbildning19,20,21, kardiovaskulär sjukdoms diagnos22 , och reumatologiska diagnos23. Eftersom SUTs är mycket känsligt och billigare jämfört med mat ris givare används de fortfarande flitigt för PAT-avbildning. Fiberbaserat PLD-system har visats för fantom avbildning24. Ett bärbart PLD-PAT-system har visats tidigare genom att montera PLD inuti PAT-skannern25. Med en SUT cirkulär scanner, Phantom Imaging utfördes under 3 s av skannings tid, och in vivo råtta hjärn avbildning utfördes under en 5 s period med detta PLD-PAT system19.
Dessutom har förbättringar gjorts till detta PLD-Pat-system för att göra det mer kompakt och skapa en stationär modell med åtta akustiska reflektor-baserade Single-element ultraljud givare (sutrs)26,27. Här placerades SUTs i en vertikal i stället för horisontell riktning med hjälp av en 90° akustisk reflektor28. Detta system kan användas för skannings tider på upp till 0,5 s och ~ 3 cm djup i vävnads avbildning och in vivo små djur hjärn avbildning. I detta arbete, detta skriv bord PLD-Pat-system används för att ge visuell demonstration av experiment för in vivo hjärn avbildning hos små djur och för dynamisk visualisering av upptag och clearance process av Food and Drug Administration (FDA)-godkänd indocyaningrönt grönt (ICG) färg ämne i rått hjärnor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta arbete presenterar ett protokoll för att använda en stationär PLD-PAT-system för att genomföra experiment på små djur som råttor för in vivo hjärn avbildning och dynamisk snabb-upptag och clearance process av kontrast medel som ICG. Skrymmande, dyra OPO-PAT-system tar flera minuter (2-5 min) att förvärva en enda tvärsnitts in vivo-bild. En kompakt, låg kostnad, första generationens bärbara PLD-PAT-system ger enkel tvärsnitts in vivo bilder i 5 s. I kontrast, en hög-fart, kompakt, låg-kostnad desk…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forskningen stöds av Singapores hälso Vårds ministeriets nationella medicinska forsknings råd (NMRC/OFIRG/0005/2016: M4062012). Författarna vill tacka Mr Chow WAI Hoong Bobby för maskin verkstad stöd.
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).
