本研究展示了一种基于紧凑型脉冲激光二极管的桌面式光声断层成像（PLD-PAT）系统，用于小动物大脑皮层血管系统的高速动态活体成像。
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本文内容
摘要
摘要
光声（PA）断层扫描（PAT）成像是近年来发展起来的一种生物医学成像技术，适用于多种临床前及临床应用。由定制的环形阵列换能器和传统笨重的Nd:YAG/OPO激光器构成的系统限制了PAT设备向临床的转化。目前，超紧凑型脉冲激光二极管（PLD）正被用作光声成像中近红外激发的替代光源。已有研究利用基于紧凑型PLD的台式PAT系统（PLD-PAT）实现了高速动态活体成像。本文提供了一套使用该台式PLD-PAT系统进行动态活体脑成像的可视化实验方案。该方案详细描述了台式PLD-PAT系统的配置、用于脑血管成像的动物准备步骤，以及对大鼠皮层血管中吲哚菁绿（ICG）染料摄取与清除过程进行动态可视化的方法流程。
引言
光声计算机断层扫描（PACT/PAT）是一种有前景的非侵入性生物医学成像技术，结合了丰富的 高光学对比度 超声 分辨率1,2,3,4,5当纳秒脉冲激光将能量沉积到光吸收性生色团上时 存在于任何生物组织中，局部温度升高会导致组织的热弹性膨胀和收缩，从而产生压力波。这些压力波被称为超声波或光声（PA）波，可通过样品周围的超声换能器进行检测。所检测到的光声信号通过多种重建算法进行重构。6,7,8,9 以生成横截面光声图像。由于体内内源性发色团对波长的依赖性，光声成像可提供从宏观器官到微观细胞器的结构与功能信息。10光声断层成像已成功用于乳腺癌检测1，前哨淋巴结成像11，氧合血红蛋白（HbO）的映射2)，脱氧血红蛋白（HbR），总血红蛋白浓度（HbT），氧饱和度（SO2)12,13肿瘤血管生成14，小型动物全身成像15以及其他应用。
Nd:YAG/OPO 激光器是第一代光声断层成像（PAT）系统的常规激发光源，广泛应用于光声成像领域的小动物成像和深层组织成像16。这些激光器可在约 10–100 Hz 的低重复频率下提供约 100 mJ 能量的脉冲。由于脉冲重复频率受限，使用这些昂贵且体积庞大的激光器的 PAT 成像系统不适合与单元素超声换能器（SUTs）联用进行高速成像，从而限制了对动物体内快速生理变化的实时监测。采用基于阵列的换能器（如线性、半圆形、圆形和体阵列）结合 Nd:YAG 激光激发，可实现高速成像。然而，这些阵列换能器成本较高，且灵敏度低于单元素超声换能器；此外，成像速度仍受限于激光器的低重复频率。目前最先进的单脉冲光声计算机断层扫描（PACT）系统采用定制的全环形阵列换能器，可实现 50 Hz 的帧率采集光声数据17。这些阵列换能器需要复杂的后端接收电子元件和信号放大器，导致整个系统成本更高，且不利于临床应用。
由于脉冲激光二极管（PLDs）体积小、成本低且脉冲重复频率高（千赫兹量级），因此在实时成像方面更具前景。得益于这些优势，PLDs 已被积极用作第二代光声断层成像（PAT）系统的替代激发光源。基于 PLD 的 PAT 系统已成功应用于高帧率成像（使用阵列换能器）18、深层组织与脑部成像19,20,21、心血管疾病诊断22以及风湿病诊断23。由于单元素超声换能器（SUTs）相比阵列换能器具有更高的灵敏度和更低的成本，目前仍被广泛用于 PAT 成像。基于光纤的 PLD 系统已实现对仿体的成像24。此前已有研究通过将 PLD 安装在 PAT 扫描仪内部，构建出便携式 PLD-PAT 系统25。利用一个单元素超声换能器的环形扫描装置，该 PLD-PAT 系统在 3 秒扫描时间内完成了仿体成像，并在 5 秒内实现了活体大鼠脑部成像19。
此外，已对该PLD-PAT系统进行了改进，使其结构更加紧凑，并利用八个基于声学反射器的单元素超声换能器（SUTRs）构建了台式模型26,27。在此系统中，借助90°声学反射器，将SUTs以垂直方向而非水平方向放置28。该系统可用于组织成像和活体小动物脑成像，扫描时间最长可达0.5秒，成像深度约为3 cm。本研究中，该台式PLD-PAT系统用于活体小动物脑成像实验的可视化演示，以及大鼠脑内经美国食品药品监督管理局（FDA）批准的吲哚菁绿（ICG）染料摄取与清除过程的动态可视化。
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方案
所有动物实验均按照新加坡南洋理工大学机构动物护理和使用委员会批准的指南和规定进行（动物实验方案编号 ARF-SBS/NIE-A0331）。
1. 系统描述
- 将PLD激光器安装到圆形扫描仪上，并在PLD出射窗口前安装光学扩散器（OD），以使输出光束均匀，如图1A所示。将PLD连接至激光驱动单元（LDU）。
注意：PLD产生波长约为816 nm、脉冲持续时间约107 ns、重复频率最高达2 kHz、最大脉冲能量约为3.4 mJ的脉冲。LDU包括冷却器、12 V电源、用于控制激光功率的可调高压电源以及用于调节脉冲重复频率的函数发生器。 - 将八个SUTR逐一安装至各自的SUTR支架上，使每个声学反射面朝向扫描区域中心，如图1B所示。利用连接电缆将每个SUTR的电缆连接至低噪声信号放大器。
注意：超声换能器的中心频率为5 MHz，有效面积直径为13 mm。每个通道串联连接两个增益为24 dB的放大器。 - 开启冷却器的电源，然后打开冷却器开关，将温度设定在20 °C至25 °C之间。
- 开启低压电源供电，缓慢调节电流控制旋钮，将电流限值设为0.3 A。将电压设为12 V。确认电流不超过0.1 A。
- 开启高压电源供电。按下“Preset”按钮，将电流设为1 A，电压设为0 V。启用“Output”按钮：此时为0 V/0 A输出。
- 开启函数发生器的电源。按下“Recall”按钮，选择2 kHz配置，以在此重复频率下产生激光脉冲。
- 将丙烯酸水箱放置于扫描仪内部，如图1A所示，并向水箱注水，使SUTR的探测表面完全浸没于水中。
- 确保所有SUTR的探测表面均处于水介质中。开启低噪声信号放大器的电源。
2. 大鼠脑成像的动物准备
注意：采用健康雌性大鼠（参见材料表）演示上述用于小动物皮层血管成像的台式 PLD-PAT 系统。
- 通过固定动物的头部和身体运动，使其仰卧。通过腹腔注射混合液进行麻醉，混合液成分为 2 mL 氯胺酮（100 mg/mL）、2 mL 赛拉嗪（20 mg/mL）和 1 mL 生理盐水（剂量为 0.2 mL/100 g）。
注意：注射后，捏压动物的脚趾以检测是否存在腿部或身体运动、发声或呼吸明显增强等阳性反射。若无此类反射反应，则表明动物已成功麻醉。 - 为防止因麻醉和激光照射导致眼睛干涩，需非常小心地将人工泪液软膏涂抹于大鼠眼部。将动物俯卧置于工作台面上，使用理发剪去除其头皮上的毛发，并在剃毛区域轻轻涂抹脱毛膏，彻底清除毛发。
- 4–5 分钟后，用棉签擦去已涂抹的脱毛膏。
- 将定制的动物固定装置（参见 材料表）安装在实验升降台上，该装置配备有呼吸面罩（参见 材料表）。
- 将动物俯卧放置于固定装置上，使其头部置于装置的水平平台上。使用手术胶带将动物固定在装置上。
- 确保呼吸面罩覆盖大鼠的鼻部和口部，以输送麻醉混合气体。呼吸面罩经过定制以适配成像窗口：将市售鼻罩的 10% 部分切除后，连接一段手套材料制成。
- 在开启麻醉机前，先将呼吸面罩连接至麻醉机。
- 开启麻醉机，并设置为向动物呼吸面罩输送含 1.0 L/min 氧气和 0.75% 异氟烷的麻醉混合气体。
- 将脉搏血氧仪夹在动物的一只后肢上，以监测其生理状态。
- 使用棉签蘸取无色超声耦合剂，均匀涂抹于大鼠头皮。调整实验升降台的位置至扫描仪中心，并手动调节升降台高度，使成像平面位于声学反射器的中心位置。
3. 大鼠脑内ICG摄取与清除过程的动态活体成像
- 在数据采集软件（参见材料表）中设置参数，进行360°扫描采集。
- 通过启用函数发生器的输出来开启PLD激光发射（激光发射将启动）。然后，缓慢将可调高压电源的电压升高至120 V，以获得每脉冲最大能量。
- 运行数据采集软件（参见材料表）程序，使全部八个SUTR在4秒扫描时间内旋转360°。
注意：例如，若SUTR旋转4秒，PLD将发射8,000个脉冲（= 4 × 2,000），每个SUTR采集8,000条A-line。通过对20个信号取平均值，将这8,000条A-line减少至400条（平均后A-line数 = 8,000/20 = 400）。使用基于延时求和反向投影算法的重建程序，确定每个SUTR的扫描半径。 - 关闭函数发生器的输出，以停止激光发射。
- 在数据处理软件（参见材料表）中使用重建算法，通过试错法结合反向投影算法，确定全部八个SUTR的扫描半径。
- 在数据采集软件（参见材料表）中设置参数，进行0.5秒扫描时间内的45°采集。
注意：例如，若SUTR旋转0.5秒，PLD将发射1,000个脉冲（= 0.5 × 2,000），每个SUTR采集1,000条A-line。通过对20个信号取平均值，将这1,000条A-line减少至50条（平均后A-line数 = 1,000/20 = 50）。 - 启用函数发生器的输出，以开启激光发射。
- 运行数据采集软件（参见材料表）程序，使全部八个SUTR旋转45°，在注射ICG前获取初始对照数据。
- 关闭函数发生器的输出，以停止激光发射。
- 识别动物的尾静脉，并将0.3 mL ICG（参见材料表）（323 μM）注入大鼠尾静脉。
4.
注意：使用微量天平称取1.25 mg ICG粉末，加入5 mL蒸馏水混匀，得到浓度为323 μM的ICG溶液。
- 开启信号发生器的输出，以启动激光发射。
- 运行数据采集软件（参见材料表），在45°旋转条件下，以0.5秒扫描时间采集A-line数据。
5.
注意：在 0.5 秒的扫描时间内获取的 A 线用于生成一幅横断面图像。每次扫描之间存在约 0.4–0.6 秒的时间间隔。
- 数据采集结束后，使用数据处理软件中的反投影算法（参见材料表），从保存的A-line重建脑部横截面图像。
- 关闭激光器，然后关闭麻醉机，降低实验升降台，将动物从成像台上取下。将动物放回笼中，并持续监测直至其恢复意识。
图1：台式PLD-PAT系统的示意图。（A）台式PLD-PAT系统的示意图。PLD：脉冲激光二极管，OD：光学扩散器，SUTR：基于声学反射器的单元素超声换能器，AM：麻醉机，CSP：圆形扫描平台，SM：步进电机，LDU：激光驱动单元，AMP：放大器，DAQ：数据采集卡。（B）八个SUTR围绕扫描中心的环形排列。请点击此处查看此图的放大版本。
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结果
本方案通过相应结果展示了所描述的台式PLD-PAT系统在动态活体脑成像方面的潜力。通过在健康雌性大鼠上进行活体脑成像，验证了该台式PLD-PAT系统的高速成像能力。使用八个SUTR探头分别以360°和45°围绕大鼠脑部旋转，扫描速度分别为4 s和0.5 s。图2A,B 分别显示了一只雌性大鼠（98 g）在4 s和0.5 s扫描速度下的脑部图像。在两幅图像中，矢状窦（SS）和横窦（TS）均清晰可见。图2C,D 分别显示了在移除脑区头皮前和后的鼠脑照片。PAT成像在皮肤和颅骨完整的情况下无创完成。
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讨论
本研究介绍了一种利用台式PLD-PAT系统在大鼠等小型动物上进行活体脑成像以及吲哚菁绿（ICG）等对比剂快速摄取与清除动态过程实验的方案。体积庞大且昂贵的OPO-PAT系统获取单幅活体横截面图像需要数分钟（2–5分钟）。而一种紧凑、低成本的第一代便携式PLD-PAT系统可在5秒内获得单幅横截面活体图像。相比之下，高速、紧凑且低成本的台式PLD-PAT系统仅需0.5秒即可生成高质量的二维横截面活体图像26。本文展示了该台式PLD-PAT系统在快速活体动态脑成像中的应用。利用该系统，可在小型动物体内连续监测因ICG摄取与清除过程引起的光声信号快速变化的生理现象。然而，PLD存在一些局限性，例如只能产生单一波长，因而无法实现功能成像。此外，获取功能信息需要多波长照明。同时，由于PLD的单脉冲能量较低，成像深度受限，这一问题可通过使用外源性光声对比剂来增强成像深度加以克服。
使用台式PLD-PAT系统进行实验时，需注意以下事项：（a）由于PLD激光的光束轮廓不均匀，应在激光输出窗口使用光学扩散器；（b）应确保PLD激光束位于扫描中心，且所有S...
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披露
作者没有需要披露的相关财务利益或潜在利益冲突。
致谢
本研究由新加坡卫生部国家医学研究理事会（NMRC/OFIRG/0005/2016：M4062012）资助。作者谨此感谢周伟雄先生（Mr. Chow Wai Hoong Bobby）在机械加工方面的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 12 V 电源 | Voltcraft | PPS-11810 | 为 PLD 提供工作电压 |
| 声学反射器 | Olympus | F102 | 附加在超声换能器上的 45 度反射器 |
| 亚克力水箱 | NTU 车间 | 定制 | 用于盛放水，作为动物脑部与探测器之间的声学耦合介质 |
| 麻醉机 | Medical plus pte ltd | 带氧气浓缩器的非重复呼吸麻醉机 | 向动物供应氧气和异氟烷 |
| 实验动物供应商 | In Vivos Pte Ltd, 新加坡 | 为科研用途提供小型实验动物的供应商 | |
| 动物固定装置 | NTU 车间 | 定制 | 用于将动物腹部朝上固定 |
| 呼吸面罩 | NTU 车间 | 定制 | 与动物固定装置配合使用，向动物输送麻醉混合气体 |
| 圆形扫描装置 | NTU 车间 | 定制 | 扫描装置由铝制成 |
| 数据采集卡（DAQ） | Spectrum | M2i.4932-exp | 16 位，30 Ms/s，8 通道，1 Gs，PCIe |
| 数据采集软件 | 美国国家仪器公司（National Instruments Corporation, Austin, TX, USA） | NI LabVIEW 2015 SP1（32 位） | 基于 LabVIEW 开发的程序，用于控制步进电机并从探测器采集光声信号 |
| 数据处理软件 | Matlab（Mathworks, Natick, MA, USA） | Matlab R2015b | 本实验室开发的 Matlab 程序，用于重建横截面光声图像 |
| 函数发生器 | RIGOL | DG1022 | 用于调节 PLD 的重复频率，提供 TTL 信号以实现数据采集系统与激光激发的同步 |
| 低噪声信号放大器 | Genetron | 使用 Mini-circuits ZFL-500LN-BNC 定制 | 用于接收并放大来自 SUTR 的光声信号，增益为 24 dB |
| 光学扩散器 | Thorlabs | DG-120 | 用于使激光光束均匀化 |
| 脉冲激光二极管 | Quantel, 法国 | QD-Q1924-ILO-WATER | 激发光源，波长 816 nm，脉冲能量 3.4 mJ，脉宽 107 ns，最大脉冲重复频率 2 kHz，尺寸：13.0 × 7.6 × 5.0 cm |
| 大鼠 | In Vivos Pte Ltd, 新加坡 | NTac:SD, Sprague Dawley / SD | 雌性，体重 100±10 g，品系：Sprague Dawley，年龄：4–5 周 |
| 带齿轮箱的步进电机 | LIN Engineering（Servo Dynamics） | 电机：CO-5718L-01P-RO，齿轮箱：DPL64/1；电源：PW-100-24 | 用于以圆形轨迹移动探测器支架，扭矩：2.08 N·m，转子惯量：2.6 kg·cm² |
| 超声耦合凝胶 | Progress/parker acquasonic gel | PA-GEL-CLEA-5000 | 透明超声凝胶 |
| 超声换能器 | Olympus | V309-SU/ U8423013 | 用于光声检测的超声传感器，中心频率 5 MHz，直径 0.5 英寸 |
| 可调高压电源 | Elektro-Automatik | EA-PS 8160-04 T | 用于调节激光输出功率 |
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