Ein kompaktes Puls-Laser-Dioden-basiertes photoakustisches Tomographie-System (PLD-PAT) für die Hochgeschwindigkeits- In-vivo- Gehirn-Bildgebung bei kleinen Tieren wird gezeigt.
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Methodenartikel
Ein leistungsstarkes kompaktes Fotoakustik-Tomographie-System für
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
In vivo spielt die Kleinbild-Bildgebung eine wichtige Rolle in präklinischen Studien. Photoakustische Tomographie (PAT) ist eine aufkommende Hybrid-Imaging-Modalität, die ein großes Potenzial für präklinische und klinische Anwendungen zeigt. Konventionelle optische parametrische Oszillator-basierte PAT (OPO-PAT) -Systeme sind sperrig und teuer und können keine Hochgeschwindigkeits-Bildgebung bereitstellen. In letzter Zeit wurden Pulslaserdioden (PLDs) als alternative Anregungsquelle für PAT erfolgreich nachgewiesen. Die Puls-Laserdiode PAT (PLD-PAT) wurde erfolgreich für die Hochgeschwindigkeits-Bildgebung auf photoakustischen Phantomen und biologischen Geweben demonstriert. Diese Arbeit liefert ein visualisiertes experimentelles Protokoll für die in vivo- Gehirn-Bildgebung mit PLD-PAT. Das Protokoll beinhaltet die kompakte PLD-PAT-Systemkonfiguration und deren Beschreibung, Tierpräparation für die Gehirn-Bildgebung und ein typisches experimentelles Verfahren für die 2D-Querschnittsrücken-Gehirn-Bildgebung. Das PLD-PAT-System ist kompakt und kostengünstigFective und kann High-Speed, qualitativ hochwertige Bildgebung. Gehirnbilder, die in vivo bei verschiedenen Scan-Geschwindigkeiten gesammelt wurden, werden präsentiert.
Einleitung
Photoakustische Tomographie (PAT) ist eine hybride bildgebende Methode, die sowohl in der klinischen als auch in der präklinischen Studie 1 , 2 , 3 , 4 , 5 viele Anwendungen hat. In PAT bestrahlen Nanosekunden-Laserpulse biologisches Gewebe. Die Absorption von einfallendem Licht durch die Gewebe-Chromophore führt zu einem lokalen Temperaturanstieg, der dann Druckwellen ergibt, die in Form von Schallwellen emittiert werden. Ein Ultraschalldetektor sammelt die photoakustischen Signale an verschiedenen ....
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Protokoll
Alle Tierversuche wurden nach den Richtlinien und Vorschriften durchgeführt, die vom Institutional Animal Care and Use Committee der Nanyang Technological University, Singapur (Tierprotokoll Nr. ARF-SBS / NIE-A0263) genehmigt wurden.
1. Systembeschreibung
- Montieren Sie die PLD in den kreisförmigen Scanner, wie in Abbildung 1a gezeigt . Verbinden Sie die PLD mit der Lasertreibereinheit (LDU).
HINWEIS: Die PLD liefert ~ 136-ns-Impulse bei einer Wellenlänge von ~ 803 nm mit einer maximalen Pulsenergie von ~ 1,42 mJ und einer Wiederholrate bis zu 7 kHz. Die Laserantriebseinheit (LDU) umfasst: ei....
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Ergebnisse
Die in vivo- Gehirn-Imaging-Ergebnisse, die die Fähigkeiten des beschriebenen PLD-PAT-Systems zeigen, werden in diesem Abschnitt gezeigt. Um die High-Speed-Imaging-Fähigkeiten des PLD-PAT-Systems zu demonstrieren, wurde die in vivo- Gehirn-Bildgebung von zwei verschiedenen gesunden Ratten durchgeführt. Fig. 2 zeigt die Gehirnbilder einer weiblichen Ratte (93 g) bei verschiedenen Abtastgeschwindigkeiten. Abbildung 2a
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Diskussion
Diese Arbeit stellt ein Protokoll für die Durchführung in vivo Gehirn-Bildgebung auf Ratten mit einem PLD-PAT-System. Das Protokoll enthält eine detaillierte Beschreibung des Bildgebungssystems und dessen Ausrichtung sowie eine Darstellung der Gehirnabbildung an Ratten. Die vorhandenen OPO-basierten PAT-Systeme sind teuer und sperrig und können in 5-10 min ein Querschnittsbild liefern. Das PLD-PAT-System ist kompakt, portabel und kostengünstig und kann in 3 s qualitativ hochwertige Bilder liefern. Die Leistung .......
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Offenlegungen
Die Autoren haben keine relevanten finanziellen Interessen im Manuskript und keine anderen potenziellen Interessenkonflikte zu offenbaren.
Danksagungen
Die Forschung wird unterstützt durch die Tier-2-Förderung durch das Ministerium für Bildung in Singapur (ARC2 / 15: M4020238) und der Singapur Ministerium für Gesundheit National Medical Research Council (NMRC / OFIRG / 0005/2016: M4062012) gefördert. Die Autoren danken Herrn Chow Wai Hoong Bobby für den Maschinenladen helfen.
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Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Gepulste Laserdiode | Quantel, Frankreich | QD-Q1910-SA-TEC | Es ist die Anregungslaserquelle mit den Spezifikationen 803 nm, 1,4 mJ pro Impuls, 136 ns Impuls, 7 kHz maximal, Abmessungen : 11,0 x 6,0 x 3,6 cm, Gewicht: ~150 g |
| Schrittmotor mit Getriebe | LIN Engineering (Servo Dynamics) | Motor: CO-5718-01P, Getriebe: DPL64/1, I = 10 für NEMA 23; Netzteil PW100-48 | Um den Detektorhalter in einer kreisförmigen Geometrie zu bewegen. Drehmoment: 2,08 N-m, Rotor-Trägheit: 2,6 kg-cm2 |
| Ultraschall-Impulsgeber/Empfänger | Olympus | 5072PR | Zum Empfangen, Filtern und Verstärken des PA-Signals von UST. Die Bandbreite beträgt 35 MHz und die Verstärkung beträgt ± 59 dB. |
| Ultraschallwandler | Olympus | V306-SU-NK-CF1.9IN/Q4200069 | Ultraschallsensoren für die photoakustische Detektion. Zentrale Frequenz 2,25 MHz, 0,5 Zoll, zylindrischer Fokus 1,9 Zoll |
| PCIe DAQ (Datenerfassung) Karte | GaGe | CSE4227/ A6000610/B0E00610 | 12 Bit, 100 Ms/s, 2 Kanäle, 1 Gs On-Board-Speicher, PCIe x16 Schnittstelle |
| Rats | In Vivos Pte Ltd, Singapur | NTac:SD, Sprague Dawley / SD | Buchse, Gewicht 100 ± 10g |
| Acryl Wassertank | NTU-Werkstatt | Maßgeschneidert | Es enthält das Wasser, das als akustisches Kopplungsmedium zwischen Gehirn und Detektor fungiert |
| Zirkulärer Scanner | NTU-Werkstatt | Der maßgeschneiderte | Scanner ist aus Aluminium gefertigt. |
| Anästhesiegerät | medical plus pte ltd | ohne Rückatmung mit Sauerstoffkonzentrator. | Versorgt Tiere mit Sauerstoff und Isofluran |
| Tragbares Pulsoxymeter | Medtronic | PM10N mit Veterinärsensor | Überwacht die Pulsoxymetrie des |
| Tieres Ultraschallgel | Progress/Parker Acquasonic Gel | PA-GEL-CLEA-5000 | Klares Ultraschallgel |
| zur Datenerfassung | National Instruments Corporation,Austin,TX,USA) | NI LabVIEW 2015 SP1 | In unserem Labor wurde ein LabVIEW-basiertes Programm zur Steuerung des Schrittmotors und zur Erfassung der PA-Signale aus dem Detektor entwickelt |
| Datenverarbeitungssoftware | Matlab (Mathworks, Natick, MA, USA) | Matlab R2012b | Der Matlab-Code für die Rekonstruktion von PA-Bildern wurde in unserem Labor entwickelt |
| Temperaturregler | LaridTech, MO, USA | MTTC1410 | Es wird ständig die Temperatur des PLD kontrollieren |
| 12 V Stromversorgung | Voltcraft | PPS-11810 | Zur Versorgung mit Betriebsspannung für PLD |
| Variables Netzteil | BASETech | BT-153 | So ändern Sie die Laserausgangsleistung |
| Funktionsgenerator | Funktionsgenerator | FG250D | Zum Ändern der Wiederholrate des PLD. Es liefert ein TTL-Signal, um das Datenerfassungssystem mit der Laseranregung zu synchronisieren. |
| Tierhändler | In Vivos Pte Ltd, Singapur | Tierhändler, der Kleintiere zu Forschungszwecken liefert. | |
| Tierhalter | NTU-Werkstatt | Maßgeschneidert | Wird verwendet, um das Tier auf dem Bauch zu halten |
| Atemmaske | NTU-Werkstatt | Maßgeschneiderte | Wird zusammen mit dem Tierhalter verwendet, um dem Tier eine Anästhesiemischung zuzuführen |
| Pentobarbital-Natrium-Valabarber | Wird zum Einschläfern des Tieres nach dem Ausatmen verwendet. | ||
| Optischer Diffusor | Thorlabs | DG10-1500 | Wird verwendet, um den Laserstrahl homogen zu machen |
Referenzen
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Recent advances toward preclinical and clinical translation of photoacoustic tomography: a review. J Biomed Opt. 22 (4), 041006(2017).
- Strohm, E. M., Moore, M. J., Kolios, M. C. Single Cell Photoacoustic Microscopy: A Review. IEEE Sel Top Quantum Electron. 22 (3), 6801215(2016).
- Valluru, K. S., ....
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Nachdrucke und Genehmigungen
