Summary
Dieser Bericht enthält eine detaillierte Beschreibung der Methodik und Ergebnisse der gleichzeitigen endokardiale und epikardialen optische Abbildung der elektrischen Erregung in der intakten linken Vorhof eines Langendorff-perfundierten Schafe Herzen während stretch-induzierten Vorhofflimmern.
Abstract
Vorhofflimmern (VHF) ist eine komplexe Herzrhythmusstörungen mit einer hohen Morbidität und Mortalität. 1,2 Es ist die häufigste anhaltende Herzrhythmus Störungen in der klinischen Praxis zu sehen und die Prävalenz wird voraussichtlich in den kommenden Jahren zunehmen. 3 Erhöhte intra-atrialen Druck und Dilatation wurden vor langer Zeit erkannt, um AF, 1,4, die die Relevanz von Tiermodellen Highlights und strecken, um AF Dynamik der Studie führte. Das Verständnis der Mechanismen, die AF erfordert Visualisierung der kardialen elektrischen Wellen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. Während hoher zeitlicher Auflösung durch konventionelle elektrische Mapping traditionell in der menschlichen elektrophysiologischen Studien erreicht werden kann, begrenzt die geringe Anzahl von intra-atrialen Elektroden, die gleichzeitig genutzt werden kann die räumliche Auflösung und schließt jegliche detaillierte Verfolgung der elektrischen Wellen während der Arrhythmie. Die Einführung der optischen Abbildung in den frühen 90-er aktiviert wide-field Charakterisierung von fibrillatory Aktivität zusammen mit Sub-Millimeter räumliche Auflösung in Tiermodellen 5,6 und führte zur Identifizierung von schnell drehenden elektrischen Wellenmuster (Rotoren) als die Quellen der fibrillatory Aktivität, die in den Herzkammern oder den Vorhöfen auftreten können. 7-9 Mit kombinierten Zeit-und Frequenz-Domain-Analysen der optischen Abbildung ist es möglich, unterschiedliche Standorte mit hoher Frequenz in regelmäßigen Abständen während der AF zeigen, zusammen mit Frequenz-gradienten zwischen dem linken und rechten Vorhof . Die Region mit dem schnellsten Läufer aktiviert bei der höchsten Frequenz und treibt die gesamte Arrhythmie. 10,11 Die Wellen, die aus solchen Rotor Interaktion mit entweder funktional oder anatomische Hindernisse in den Weg, was das Phänomen der fibrillatory Wärmeleitung. 12 Mapping der endokardialen Oberfläche der hinteren linken Vorhof (PLA) ermöglicht die Verfolgung von AF-Welle Dynamik in der Region mit der höchsten Rotorfrequenz. Wichtig ist, dass die PLA die Region, wo intrakavitäre Katheter-ablative Verfahren sind die meisten erfolgreichen Beendigung AF bei Patienten, 13, die die Relevanz des Studiums AF Dynamik aus dem Inneren des linken Atriums unterstreicht. Hier beschreiben wir ein Schaf Modell der akuten stretch-induzierten AF, die einige der Merkmale der menschlichen paroxysmalen AF ähnelt. Epikardialen Mapping auf den linken Vorhof ist mit endokardiale Kartierung der PLA mit einem Dual-Channel-starren Endoskop, eine CCD-Kamera, die den direktesten Weg, um die Muster der Aktivierung in der jeweiligen Region zu visualisieren für AF Wartung stellt c-montiert ergänzt.
Protocol
1. Herz Entfernung und Langendorff Perfusion
Schafe mit einem Gewicht von 35-40 kg werden anästhesiert mit 4-6 mg / kg Propofol und 60-100 mg / kg Natrium-Pentobarbital. Herzen sind via Thorakotomie entfernt und mit einem Langendorff-Perfusion mit zirkulierenden Sauerstoff (95% O2, 5% CO2) Tyrode-Lösung bei einem konstanten Durchfluss von 240-270 ml / min, pH 7,4 und 35,5 bis 37,5 ° C. Die Tyrode-Zusammensetzung (in mM) lautet: NaCl 130, KCl 4.0, MgCl2 1, CaCl2 1,8, NaHCO3 24, NaH2PO4 1,2, Glucose 5,6 und Albumin 0,04 g / L. Blebbistatin 10 uM (Enzo Life Science International, Inc. Plymouth Meeting, PA, USA) wird verwendet, um die kontraktile Kraft zu reduzieren.
2. Stretch-induzierte Vorhofflimmern in der Langendorff-perfundierten Schafe Herzen
Die isolierte, koronare perfundierten Herzen erfährt eine atriale transseptalen Punktion ausgeglichen intrakavitäre Druck in beiden Vorhöfen zu ermöglichen. Alle Vene Öffnungen sind versiegelt, mit Ausnahme der unteren Hohlvene, die kanülierten und ist verbunden mit einem digitalen Sensor (Biopac Systeme Wandler-TSD104A; Biopac Systems, Inc., Goleta, CA, USA) und zu einem Abfluss Kanüle, deren offene Höhe über die Vorhöfe steuert die intra-atrialen Druck. Der Druck wird dann auf 12 cm H 2 O, was zu einer ca. 30% Anstieg der Vorhof-Volumen bezogen auf das Volumen bei 6 cm H 2 O. führt erhöht Der Druck ist stabil gehalten während des gesamten Experiments. Vor der Versiegelung der Venen vierpolige Elektrodenkatheter (Torq, Medtronic Inc. / Minneapolis / MN / USA) sind in jedem der Lungenvenen platziert, um bipolare Signale aus den beiden distalen Elektroden (Abtastrate, 1,0 kHz) mit einem Biopac Systeme Verstärker Rekord (DA100C; Biopac Systems, Inc., Goleta, CA, USA). Zwei weitere Custum-made bipolaren Elektroden sind auf dem Dach des linken Herzohr (LAA) und die Spitze des rechten Herzohr platziert.
3. Optical-Mapping einrichten
- Epikardialen Kartierung der linke Herzohr. Ein Bolus-Injektion von 5 bis 10 ml Di-4-ANEPPS (10 mg / mL) (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) und eine Belastungsdauer von 10 min sind zu erhalten Spannungs-sensitive Fluoreszenz nach Laseranregung benötigt (532 nm) der epikardialen Oberfläche. Die emittierte Fluoreszenz wird dann durch einen 600 nm übertragen langen Pass-Filter und projiziert LittleJoe CCD-Videokamera (80x80 Pixel, SciMeasure Analytical Systems, Inc. Decatur, GA, USA) und erwarb mit einer Rate von 800 Bildern pro Sekunde (siehe schematische Darstellung auf Abbildung 1A). Fünf-Sekunden-Filme sind in 2 min Intervallen während AF erhalten. Die Fläche des zugeordneten epikardialen Oberfläche ist ~ 14 cm 2.
- Endocardial optische Abbildung der PLA des intakten Herzens. Eine zweite LittleJoe CCD-Kamera (80x80 Pixel) ist mit der epikardialen Kamera synchronisiert. Ein 10 mm Durchmesser Dual-Channel-starren Endoskop (Everest VIT, Inc. Flanders, NJ, USA) mit einem 90-Grad-Sichtfeld ist durch die vordere Wand des linken Ventrikels eingeführt, über die Mitralklappe und konzentrierte sich auf die endokardiale Oberfläche der PLA. Die optisch abgebildet Bereich auf der PLA ist ~ 4 cm 2, die bei der Visualisierung der vier Lungenvenen und dem Vorhof septo-Lungen-Bündel (Abbildung 1A, B) ermöglicht. Das Endoskop wird die CCD-Kamera durch ein maßgeschneidertes Okularadapter c-montiert. Laser 532 nm Licht wird dann auf die Anregung Kanal des Endoskop durch eine Flüssigkeit Lichtleiter (0,2 in Kern) geliefert.
4. Vorhofflimmern Protokoll
Unter ständiger atrial Strecke AF wird über Burst-Stimulation (12 Hz, 5 ms Pulse, 2x diastolischen Schwelle) durch eine Stimulationselektrode auf der Oberseite des LAA befindet induziert. AF darf für 50 Minuten und 5-sec optische Filme sind in zwei Minuten-Intervallen erworben fortsetzen. Bipolar-Aufnahmen werden kontinuierlich gesammelt. Übernahme der optischen Filmen löst die gleichzeitige Erfassung der 5-Sekunden-Segmente der bipolaren Aufnahmen.
5. Frequenzanalyse
Frequenzanalyse ermöglicht die Identifizierung von Regionen mit hoher Aktivierung Rate während AF, zusammen mit Frequenz-gradienten zwischen dem linken und rechten Vorhof. Dominant-Frequenz (DF) Karten von jeder optischen Films sind nach der Anwendung einer schnellen Fourier-Transformation-Algorithmus (FFT), um die Zeit-Serie Fluoreszenzsignal bei jedem Pixel aufgezeichnet erhalten. 7 FFT wird auch auf die 5 Sekunden bipolare Signale (High-pass gefiltert angewendet bei 3 Hz und tiefpassgefiltert bei 35 Hz) synchronisiert mit dem optischen Filmen.
6. Vorhofflimmern Dynamik
- Generierung von Phase-Karten. Die Analyse der AF Dynamik nutzt Phase Filme über Hilbert-Transformation generiert. 14 Kurz gesagt, ist die momentane Phase des Aktionspotentials an jedem Pixel aufgezeichnet durch die Umwandlung der ursprünglichen Zeitreihen-Signale, so dass jede spektrale Komponente durch die entsprechenden Quartal Zyklus verschoben wird ermittelt . 15 Afterwards, die momentane Phase des Signals wird von der Arcustangens des Verhältnisses der transformierten Signal an das ursprüngliche Signal erhalten. Der Phasenwinkel, mit Werten zwischen-π und π Bogenmaß ist als kontinuierlicher Farbschema dargestellt, um eine Phase Karte, in der die kontinuierliche räumliche Phase Change spiegelt den Prozess der Anregung, Repolarisation und Erholung zu konstruieren. 14
- Charakterisierung der Aktivierungsmuster. Verschiedene Klassen von Aktivierungsmuster können unter Verwendung Phase Filme (Abbildung 2), einschließlich der folgenden sein:
- Ein Rotor wird durch das Vorhandensein aller Phasen konvergierenden auf eine Singularität Punkt Dauer von mehr als einer Umdrehung (Abbildung 2A) identifiziert.
- Ein Durchbruch wird als Wellenfront, die in der Sichtfeld und propagieren nach außen (Abb. 2B) in einem Ziel-Muster definiert.
- Raumzeitlich organisiert periodischen Wellen sind ein Minimum von vier aufeinanderfolgenden periodischen Wellen, die aus dem gleichen Ort in das Blickfeld, mit ähnlichen Richtung und inter-wave-Intervall (Abbildung 2C) definiert.
Weitere Quantifizierung ermöglicht räumliche Korrelation der höchsten Frequenz-Domains mit den gängigsten Muster der Aktivierung aus dieser Region erhalten. Letzteres unterstreicht die zentrale Rolle der Kartierung der endokardialen Oberfläche der PLA, da er stellt häufig die Region, wo die höchste Frequenz Domänen während der akuten AF befinden.
7. Repräsentative Ergebnisse:
Dominant-Frequenz (DF) Gradienten aus PLA zu LAA und RAA vorhanden sind während der akuten stretch-induzierten AF. Die höchste DF Region ist entweder an oder nahe einer der Lungenvenen oder irgendwo in der PLA lokalisiert. 11 Ein Vertreter AF Folge in Abbildung 3 gezeigt wird, (rechte untere Lungenvene) in die höchste DF auf der PLA lokalisiert ist. Die Ergebnisse unterstützen die Präsenz von Hochfrequenz-Quellen in der PLA treibende AF im Einklang mit dem von links nach rechts DF Gradienten während ablative Verfahren in paroxysmaler menschlichen AF beobachtet. 16
Die Quantifizierung der Muster der Aktivierung mit Phase Karte Filme zeigt, dass die höchste Anzahl von Rotoren an der PLA und der Verbindung zwischen der PLA und der LAA gefunden wird. 8 Gelegentlich ist es möglich, langlebige Rotoren, deren Drehpunkt (Singularity Punkt) zu identifizieren lokalisiert mit der höchsten Frequenz-Domäne. 10 Da Vorhofgewebe stellt eine dreidimensionale Struktur, die Identifizierung Rotoren auf dem zugeordneten endokardiale Oberfläche des PLA lässt vermuten, dass der Drehpunkt dieser Rotoren (Filament) schließlich senkrecht auf die Oberfläche des Mapping-Bereich ist . Abbildung 4 zeigt einen solchen Rotor aus dem Endokard des PLA mit gleichzeitiger fibrillatory Wärmeleitung in Richtung der LAA, die auch korreliert mit einer Frequenz Gefälle zwischen den PLA und der LAA (9 und 6,4 Hz bzw.) zu verzeichnen. Die Anzahl der Rotoren ist durchweg höher an der PLA als die LAA, die eine wesentliche Rolle des Wiedereintritts auf dem PLA schlägt, um die Arrhythmie in diesem Modell zu erhalten.
Insgesamt stützen die Ergebnisse die Theorie, dass stabile und schnelle Rotoren in den linken Vorhof kann eine akute stretch-induzierten AF und ausgehenden Wellen fahren unterziehen komplexen, räumlich verteilten Leitungsblock Muster, wie sie den Kopf zur rechten Vorhof, die sich als fibrillatory Wärmeleitung und progressiv abnehmende dominant Frequenz.
Abbildung 1. Schematische Darstellung des experimentellen Aufbau. A: Ein starres Endoskop wird durch die vordere Wand des linken Ventrikels und der Mitralklappe Öffnung eingeführt und konzentrierte sich auf die endokardiale Oberfläche der hinteren linken Vorhof (PLA). Eine CCD-Kamera ist mit dem Endoskop gekoppelt und Laser-Beleuchtung wird durch einen Laser Flüssigkeit Führung mit dem unteren Teil des Endoskop zur Verfügung gestellt. Epikardialen Mapping basiert auf dem LAA durchgeführt. Bipolare Elektroden werden auf der rechten Vorhof und das Dach des linken Vorhof platziert. Zusätzliche bipolare Signale aus den Lungenvenen erhalten. B: Seitenansicht des linken Vorhof nach dem Öffnen der Seitenwand zur Illustration. Die Spitze des Endoskop beleuchtet die endokardiale Oberfläche der PLA. Eine bipolare Elektrode wird auf dem Dach des linken Atriums befindet. LAA: linke Herzohr. LV: linke Herzkammer. RA: rechten Vorhof. RV: rechte Herzkammer.
Abbildung 2. Unterschiedliche Muster der Aktivierung nach der Generation der Phase Filmen identifiziert. A: Sequential Schnappschüsse von der linken Herzohr (LAA) zeigen das Schwenken eines Rotors um seine Drehpunkt (Singularity Punkt). Von links nach rechts, ist eine volle Umdrehung vollendet. B: Eine Probe Durchbruch Aktivierungsmuster auf dem LAA. Die Welle wird auf der bispro rechten Ecke des Sichtfeldes und breitet sich nach außen. C: Vier raumzeitlich organisiert periodische Wellen (bei 0, 182, 352 und 512 ms, jeweils) aus dem PLA Region zur LAA. Isochronen sind bei 10 ms Intervallen aufgetragen. Unten, Schlüssel für die verschiedenen Phasen des Aktionspotentials ist farblich gekennzeichnet.
Abbildung 3. Identifizierung der Regionen mit der höchsten Frequenz Aktivität während der akuten stretch-induzierten AF in einer Langendorff-perfundierten isolierten Schafe Herzen. A: Anatomische Ansicht des linken Herzohr (LAA), rechts Herzohr (RAA) und posterioren linken Vorhof (PLA). PLA Bild ist eine endoskopische Blick auf das zugeordnete Region mit den vier Lungenvenen (PV). B: DF-Karten durch optische Abbildung auf der LAA und PLA erhalten. Frequency-Wert in der RAA wurde von bipolaren Elektrogramme erhalten. Die höchste Frequenz Region ist in der PLA entfernt. C: Repräsentative Leistungsspektren, in dem die maximale DF entspricht auf 12,4 Hz auf der PLA Bereich der rechten PVs. LSPV: linke obere Lungenvene. LIPV: linke untere Lungenvene. RSPV: rechts obere Lungenvene. RIPV: rechte untere Lungenvene. Wiedergabe aus Lit. 11 (David Filgueiras Rama & José Jalife. Mechanismen Vorhofflimmern. In Basic Science for Clinical Electrophysiologist, vol. 3 (ed. Charles Antzelevitch) 141-156 (Saunders, 2011).
Abbildung 4. Simultaneousphase Karten (A, B) und dominanten Frequenz Karten (C) von posterior linken Vorhof (PLA) und linke Herzohr (LAA). A: Sequential Schnappschüsse aus dem PLA zeigt einen Rotor und das Abdriften seiner Einmaligkeit zeigen. B: Gleichzeitige Phase Schnappschüsse aus dem LAA. Muster der Aktivierung zeigen Ausbreitung Wellen mit fibrillatory Leitung. Singularity Punkte sind auch in Korrelation mit wavebreaks in der fibrillatory Leitung Region. (Siehe auch Video-4) C: Gleichzeitige dominanten Frequenz Karten aus der PLA und der LAA. Der schnellste Region ist an der PLA (9 Hz), die mit der Anwesenheit eines Rotors in der Phase map Analyse korreliert entfernt. Die höchste Frequenz, bei der LAA ist 6 Hz, die mit fibrillatory Wärmeleitung korreliert. Auf der rechten Seite der Platte C sind einzelne Pixel optische Aktivierungen aus PLA und LAA gezeigt.
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Discussion
Die Merkmale der akuten stretch-induzierten AF in der isolierten Schafe Herzen ähneln einige der Eigenschaften der menschlichen paroxysmalen AF. Ein akuter Anstieg der intra-atrialen Druck in die Schafe Herzen ermöglicht die Pflege von AF für lange Zeit, ähnlich wie ein höheres Risiko für Vorhofflimmern bei Patienten mit Vorhofflimmern Dilatation beobachtet. 1 Das Vorhandensein von links nach rechts DF Gradienten in der Schafe Atrien ist auch ähnlich wie in der menschlichen elektrophysiologische Untersuchungen registriert. 16 Darum Verständnis des Mechanismus Erhaltung AF in dieser akuten Modell kann die therapeutische Strategien derzeit in der menschlichen paroxysmalen AF verwendet zu verbessern. Einige der Grenzen des gegenwärtigen Ansatzes sind: erstens die Schwierigkeit der Wiedergabe der Wirkung des vegetativen Nervensystems auf das Vorhofflimmern in isolierten Herzen, die Extrapolation der Ergebnisse schließt in vivo Situationen. Und zweitens, konzentriert sich das Modell auf akute stretch-induzierten AF, und deshalb Schlussfolgerungen sollten nicht strukturell umgestaltet Herzen, in denen Fibrose und Veränderungen der elektrischen Eigenschaften Muster der Aktivierung der PLA-und LAA beeinträchtigen könnten, ausgedehnt werden. Schließlich ist anzumerken, dass aufgrund der optischen Einschränkungen sowie die Toxizität von spannungsabhängigen Farbstoffen und motion-Entkopplung Verbindungen, optische Mapping-Techniken sind derzeit nicht in lebendigen Subjekten möglich sein.
Ungeachtet der Einsatz von optischen Abbildung und insbesondere die endokardiale Kartierung der PLA als Beweis in diesem Protokoll Fortschritte unserer mechanistischen Verständnis der AF durch die Identifizierung der höchsten Anzahl von Rotoren in der schnellsten Frequenzbereich. Letztere lassen vermuten, dass Wiedereintritt wesentlich sein können, um die Arrhythmie zu erhalten. So konzentrieren verschiedene pharmakologische Strategien zur Beendigung Wiedereintritt kann studierte mit diesem Modell, das es für relevant translationale Studien macht.
Technologische Verbesserungen in der optischen Abbildung Ansatz werden ständig gesucht. Obwohl die Weitwinkel-Sicht und hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung mit optischen Abbildung erhalten ermöglicht die Identifizierung von langlebigen Rotoren auf der 2D-Oberfläche abgebildet, sehr oft die Rotoren abdriften aus dem Blickfeld. So würde eine weitere Panorama-optische Abbildung Ansatz eine bessere Verfolgung von driftenden Rotoren und die Arrhythmie im Allgemeinen. New Farbstoffe, die tiefer eindringenden Signale und neue mathematische Analysen liefern könnte auch ermöglichen Tracking Rotoren und deren Filamente innerhalb der 3D-Struktur der PLA Wand. Letzteres würde auch ein besseres Verständnis der Muster der Aktivierungen zuvor als Oberfläche Durchbrüche beschrieben, die intramural reentrant Tätigkeit darstellen könnte. Weitere Verbesserungen verfolgt sind: geringere Toxizität des Spannungs-sensitiven Farbstoffen, optische Sonden für weitere physiologische Parameter, wie zB intrazelluläre Calcium-Konzentration, bessere Verbindungen und Techniken für Motion Reduktion.
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Disclosures
Keine Interessenskonflikte erklärt.
Acknowledgments
Unterstützte teilweise durch NHLBI Grants P01-HL039707 und P01-HL087226 und der Leducq Foundation (JJ und OB), von einer spanischen Gesellschaft für Kardiologie Fellowship, Fundación Pedro Barrie de la Maza und Fundación Alfonso Martín Escudero (DFR), der Fédération Française de Kardiologie (RPM), von einem Heart Rhythm Society Fellowship Award, The Fellowship of Japan Heart Foundation / der Japanischen Gesellschaft für Electrocardiology (MY).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Heparin | Sigma-Aldrich | H3393 | |
| Propofol | Abbott Laboratories | 5206-04-03 | |
| Pentobarbital | Lundbeck Inc | NDC 67386-501-55 | |
| Introducer 18 Gauge | Terumo Medical Corp. | SS*FF1832 | |
| Cuffed endotracheal tube (9 mm) | DRE Veterinary | #9440 | |
| Fiber Optic Laryngoscope Case | DRE Veterinary | #991 | |
| Fiber Optic Blade | DRE Veterinary | #984 | |
| Operating Scissors | DRE Veterinary | #9702#1944 | |
| Scalpel Handle #3 Solid 4" | Roboz Surgical Instruments Co. | RS-9843 | |
| Sterile Scalpel Blades | Roboz Surgical Instruments Co. | RS-9801-10 | |
| Ventilation bag | Westmed | 562013 | |
| Sims Scissors Curved Sharp/Blunt | Roboz Surgical Instruments Co. | RS-7035 | |
| Tissue Forceps (×2) | DRE Veterinary | #1895 | |
| KANTROWITZ Thoracic Forceps, 11" | Biomedical Research Instruments | 34-1980 | |
| Finochietto Large Chest Spreader | Kapp Surgical Instrument Inc. | KS-7301 | |
| Thoracotomy shears | Rostfrei Solingen | ||
| Plastic tray | Nalge Nunc international | Fischer | |
| Bonn Scissors (×2) | Roboz Surgical Instruments Co. | RS-5840SC | |
| Surgical silk | Fisher Scientific | 50-900-04214 | |
| Micro Dissecting Forceps | Roboz Surgical Instruments Co. | RS-5130 | |
| Tetrapolar electrode catheters (Torq) (×4) | Medtronic Inc. | 05580SP | |
| Digital sensor. Biopac Systems transducer | Biopac Systems, Inc. | RX104A | |
| Biopac Systems amplifier | Biopac Systems, Inc. | DA-100C | |
| Di-4-ANEPPS | Sigma-Aldrich | D8604-5mg | |
| Blebbistatin | Enzo Life Sciences | BML-E1315-0025 | |
| LittleJ– CCD video camera(×2) | SciMeasure Analytical Systems, Inc. | ||
| Dual-channel rigid borescope | Everest VIT, Inc. | R10-25-0-90 | |
| Perfusion pumps (×2) | Cole-Parmer | GK-77920-30 | |
| Temperature probe | Cole-Parmer | R-08491-02 | |
| pH meter | Fisher Scientific | 01-913-806 | |
| Digital temperature gauge | Cole-Parmer | GK89000-10 | |
| Oxygenator filters | Sorin | 05318 | |
| Silicon perfusion tubes (L/S 15) | Masterflex (Cole Palmer) | 96410-15 | |
| Laser light guides (×6) | Oriel Corp. | 77536 | |
| Liquid light-guide (0.2 in core) | Newport Corp. | 77556 | |
| Laser generator (1 watt) (×1) | Shanghai Dream Lsaer Tecchnology | SDL-532-1000T | |
| Laser generator (5 watt) (×1) | Newport Corp. | MILL 5sJ |
References
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