Name: Hand-Held klinische photoakustische Imaging-System für Echtzeit-nicht-invasive kleine Tier Imaging (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-10-16T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 43 s
Description: Erfahren Sie die photoakustische Bildgebung mit einem handgehaltenen klinischen System für Echtzeit-Untersuchungen an kleinen Tieren. Diese Methode ermöglicht nicht-invasive Bildgebung mit hoher Auflösung.

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Die Autoren möchten die finanzielle Unterstützung durch das Tier-1-Forschungsstipendium, gefördert durch das Ministerium für Bildung in Singapur zu erkennen (RG48/16: M4011617) und Tier-2-Forschungsstipendium finanziert vom Bildungsministerium in Singapur (ARC2/15: M4020238). Die Autoren möchten Dr. Rhonnie Österreich Dienzo für seine Hilfe mit Umgang mit Tier zu erkennen.

alle Tierversuche durchgeführt nach den anerkannten Richtlinien und Verordnungen der institutionellen Animal Care und Nutzung Ausschuss der Nanyang Technological University, Singapore (Tier-Protokollnummer ARF-SBS / NIE-A0263).
 1. Handheld Echtzeit-klinische PA und uns Imaging System <ol><li>die schematische Darstellung der handheld klinische PAI System 33 ist in Figur 1a dargestellt. Es besteht aus einem optischen parametrischen Oszillator (OPO) Laser gepumpt durch einen Frequenz verdoppelt Nanosekunde gepulster Nd: YAG Pumpe Laser, einem gegabelten optische Faserbündel ( Abbildung 1 b), eine maßgeschneiderte 3D-Druck handheld Sonde Fassung ( Abbildung 1 c) 33, klinische dual modal-USA und PA-System und eine klinisch vereinbar lineare Anordnung UST (siehe Tabelle der Werkstoffe).</li>
	<li>Starten Sie die Software des Herstellers im klinischen US-System durch Klicken auf das Symbol für die Software auf dem Desktop.</li>
	<li>Wählen Sie den Touch-Screen, der &#39; Forschung &#39; Taste, um das US-System in der Forschung-Modus zu betreiben. Klicken Sie auf die kombinierten USA und PA imaging-Skript aus der Liste und klicken Sie auf den Betriebsschalter für Bildgebung in den Kombinationsmodus.</li>
	<li>Synchronisieren der klinischen US-System mit dem Laser mit der Laser-Trigger, oder mit einer Fotodiode. 
	Hinweis: Schließen Sie die feste Synchronisierung heraus aus dem Laser US System Sync in. Achten Sie darauf, positives Signal der Transistor-Transistor-Logik (TTL) als das Sync-Signal zur Verfügung zu stellen. Eine Photodiode Signal kann auch für Sync Zweck verwendet werden. Die US-System Sync in ist mit der Fotodiode Detektor mit einer Photodiode Bias-Modul verbunden. Immer wenn der Laser eingeschaltet ist, gibt die Fotodiode ein Signal auszulösen und synchronisieren Sie den Laser und das US-System. Führen Sie diesen Schritt jedes Mal.</li>
	<li>Schalten Sie den Laser im Netzbetrieb wechseln, und drehen Sie den Schlüssel auf der linken Seite auf dem Laser-Controller. Starten den Laser nach Sicherstellung der Wiederholung beträgt 10 Hz (F10 wird auf dem Display angezeigt werden) und die Q-Switch-Verzögerung ist so niedrig wie 170 µs, niedrige Laserenergie zu gewährleisten. Um die Verzögerungszeit eingestellt, drücken Sie die select-Taste bis Sie sehen in der Verzögerung schätzen und auf 170 erhöhen. 
	Hinweis: Der Laser dauert ca. 20 min zum warm up</li>
	<li>Öffnen Sie die Softwareschnittstelle auf einem Computer und in der Goto-Menü die Wellenlänge als 675 nm und drücken Sie die &#39; Start &#39; Taste, um die Wellenlänge bei 675 nm. 
	Hinweis: Der Laser kann abgestimmt von 670 bis 2.500 nm, jedoch ist es instabil bei 670 nm.</li>
	<li>Drücken Sie den Auslöser gedrückt und schalten Sie den Laser mit dem Schalter, richten Sie den Laserstrahl auf die Faser geben.</li>
	<li>Mit einen 1 Zoll (2,5 cm) Durchmesser plankonvexe Linse der Brennweite 15 mm, Fokussierung des Laserstrahls auf die Faserbündel, so dass das Licht auf dem Faserende Eingang fällt. 
	Hinweis: Die optische Faser hat 1.600 kleine Fasern gebündelt. Es ist in der Mitte mit zwei rechteckigen Ausgabe enden gegabelt, die 800 optische Fasern haben. Die 800 Fasern werden in eine Fläche von 0,1 x 4 cm, verpackt, passend mit den Abmessungen der UST. Der Kerndurchmesser jede optische Faser ist 185 µm mit einer numerischen Apertur von 0,22.</li>
	<li>Schalten Sie den Laser nach Ausrichtung.</li>
	<li>Aus 4 Sonde Halter mit verschiedenen Blickwinkeln der Beleuchtung (0°, 5°, 10° und 15°) wählen Sie die entsprechenden Sondenhalter basierend auf der Anwendung (Tiefe von imaging, Größe des Objekts, die Form des Objekts und Lage des Objekts). 
	Hinweis: Die Sonde Inhaber wurden entworfen und 3D-Druck im Labor. Er hat drei Steckplätze, zwei für die gegabelten Lichtleitfasern und die zentrale für die UST. Die Dimension der Sondenhalter stützte sich auf die Abmessungen der Lichtleitfaser und UST. Monte-Carlo-Simulationen wurden durchgeführt, um die Beleuchtung erforderlich für imaging SLNs bei höheren Tiefe zu studieren. SNR lag in einer geringeren Tiefe für eine Lichtstärke von 15 ° 33.</li>
	<li>Passen die gegabelten optische Faser in 3D gedruckte Sondenhalter Beleuchtung schräg von 15˚.</li>
	<li>UST in der Zentrum-Slot des Inhabers einfügen. 
	Hinweis: Abbildung 1 d zeigt das Foto eines Sondenhalter mit Glasfaser und UST. Die linear array UST hat 128 Array-Elemente. Die Center-Frequenz der UST beträgt 8,5 MHz und die gebrochene Bandbreite beträgt 95 %. Die Länge der UST ist 3,85 cm. Aber das System hat nur 64 parallele Datenerfassung Hardware und erfordert, dass zwei laser-Impulse zum Erfassen von Daten aus den 128 Elementen. Daher ist die effektive Bildrate des Systems eine halbe Pulswiederholrate des Lasers, die 5 Frames pro zweite 34 ist.</li>
	<li>Stellen Sie den Abstand zwischen UST und dem Faserende bis 1 cm durch Lösen der Schrauben auf der Seite und ziehen Sie ihn nach dem Einstellen der genauen Entfernung. 
	Hinweis: Die Parameter sind für SLN Bildgebung mit Simulation und phantom Experimente 33 optimiert. Die UST kann mit den beiden Schrauben am Sondenhalter gesichert werden. Dies bietet die Flexibilität, der Abstand zwischen Glasfaser und UST variieren.</li>
	<li>Schalten Sie den Laser und achten Sie darauf, einen rechteckigen Laserstrahl zu erhalten vor vor der UST Ort.</li>
	<li>Schalter der Laser ausgeschaltet. Erhöhen die Laserenergie (durch Erhöhung der Verzögerung) auf den gewünschten Wert für die Bildgebung Zweck. 
	Hinweis: Finden Sie im Handbuch für die maximale Verzögerung, die für den ND: YAG-Laser festgelegt werden kann. Die gewünschte Delay-Wert für dieses System für SLN Imaging wurde eingerichtet, um 210.</li>
</ol> 2. Auflösung Charakterisierung <ol><li>die im Handel erhältlichen Huhn Gewebe Platte nehmen und schneiden Sie es in eine 6 x 6 cm 2 Platte. In 0,5 cm dicke Scheiben schneiden mit einem Messer.</li>
	<li>Legen Sie ein Point-Objekt, wie eine Nadel 23 G, der Durchmesser von 0,6 mm auf Huhn Brustgewebe.</li>
	Schalten Sie den Laser <li>. 
	Achtung: Schutzbrille sollte getragen werden, bei der Arbeit mit dem Laser für den Rest des Protokolls. Während der Alignment-Prozess wurde eine Ausnahme gemacht, da die Laserenergie schwach war.</li>
	<li>PA nehmen Bilder von der Nadel in unterschiedlichen Tiefen durch Stapeln mehrerer Huhn Brust Gewebe Scheiben Dicke 0,5 cm eins nach dem anderen bis zu 3 cm. anwenden U.S. Gel zwischen Hähnchenbrust Gewebeschichten, uns die Kopplung zu verbessern.</li>
	<li>Und speichern die Bilder Strahl gebildet als .mat Datei.</li>
	<li>Schalten Sie den Laser.</li>
	<li>Verarbeiten die Daten mit dem internen Code mit Bildverarbeitungs-Software 17. 
	Hinweis: Um die axialen und lateralen Auflösung zu bestimmen, die Point-Spread Funktion aus den normalisierten PA-Signalen entlang der jeweiligen Richtungen zu finden und sie an einer Gaußverteilung Funktion 17 anpassen. Erhalten Sie die volle Breite am halben Maximum. Um die Point-spread-Funktion zu erhalten, ist es erforderlich, einen Punkt zu Bild. Allerdings gibt es eine weitere Möglichkeit eine Point-spread-Funktion zu erhalten, wenn ein Punkt-Ziel imaging schwierig ist (wie in unserem Fall für einen sehr kleinen Punkt Ziel das Signal recht klein ist und daher wir ein etwas größeres Ziel verwenden). Wenn das Ziel groß ist, nicht direkt den Punkt Funktion verteilt, man kann eine Kante zu verbreiten-Funktion erhalten. Dann erhält man indem man die erste Ableitung der Funktion Rand verteilen, die Point-spread-Funktion. Es ist daher nicht unbedingt ein Punkt-Ziel verwenden zur Berechnung der Auflösung 22.</li>
</ol> 3. Tierische Vorbereitung für SLN Imaging Hinweis: das handheld klinische Abbildungssystem oben beschriebenen zeigte sich für Kleintiere SLN-Bildgebung. Für Experimente wurden 6 bis 8 Wochen alten gesunde, weibliche Ratten (NTac:Sprague Dawley, 220 ± 30 g) beschafft. Weibliche Ratten verwendet werden, weil das Auftreten von Brustkrebs bei männlichen Ratten seltener ist. Männliche Ratten können jedoch auch für das Studium verwendet werden. Darüber hinaus werden in der Literatur, weibliche Ratten verwendet allgemein für die SLN-Bildgebung.
<ol><li>Rat Anesthetization <ol><li>vor Bildgebung, betäuben die Ratte mit der Anästhesie-Lösung enthält einen Cocktail von Ketamin (100 mg/mL), Xylazin (20 mg/mL) und injizierbare Kochsalzlösung mit einem Anteil von 2:1:1. Eine sterile chirurgische 1 mL Spritze mit Nadel (27G, ½ Zoll) 0,2 mL Cocktail pro 100 g Tier Gewicht hinzufügen.</li>
		<li>Genick den Hals der Ratte mit der Hand und den rechten unteren Quadranten des Abdomens mit einem Alkoholtupfer desinfizieren. Anästhesie-Lösung in den tierischen Körper einspritzen.</li>
		<li>Sorgen dafür, dass das Tier betäubt wird, indem auf Reflex auf Zehe Prise.</li>
	</ol></li> <li>Für SLN imaging, entfernen Sie Haare aus der Region of Interest sanft mit handelsüblichen Haarentfernungs-Creme. Verwenden Sie so viel wie erforderlich, um das Gebiet vollständig zu bedecken. Entfernen Sie die Creme mit einem nassen Wattestäbchen nach 3-5 min Anwendung. Um Augen von Trockenheit und versehentliche Laser Schaden zu verhindern, gelten künstliche Träne Salbe.</li>
	<li>Statt blau underpad auf den Tisch und positionieren Sie das Tier seitlich darauf. Verwalten Sie einatmen Anästhesie durch eine Nase Kegel (0,75 % Isofluran zusammen mit Sauerstoff (1,2 L/min)), um das Tier in Narkose während der Experimente zu erhalten. Das Pulsoximeter an der Hinterpfote der Ratte zur Überwachung der Herzfrequenz und periphere Sauerstoffsättigung während Experimente Clip. 
	Hinweis: Stellen Sie sicher, dass das Tier ist warm mit einem Heizkissen für Tiere zugelassen.</li>
</ol> 4. In Vivo SLN Imaging von Ratten <ol><li>vor Bildgebung, 0,5 bis 1 mL der US-Gel auf die Haut mit einer Spritze auftragen und verteilen Sie es nun mit einem Applikator. Legen Sie eine 0,5 cm dicke Hähnchenbrust Gewebe Scheibe der Größe 6 x 6 cm auf der imaging-Bereich und tragen Sie mehr US-Gel auf das Huhn Gewebe Kupplung verbessern. 
	Hinweis: LNs befinden sich unter der Haut (innerhalb von ca. 2-3 mm) bei Ratten. Beim Menschen LNs sind in einer Tiefe von 1 cm. daher, Huhn Gewebe befindet sich in der imaging-Bereich der Ratte, das menschliche bildgebende Szenario zu imitieren. Alternativ kann Gewebe imitiert Phantome anstelle von Huhn Gewebe verwendet werden.</li>
	<li>Schalter auf dem Laser. Bringen Sie die Halterung Handheld-Sonde auf dem Huhn Gewebe und Scan It (Verschieben der Inhaber von rechts nach links) in die USA und PA Kombinationsmodus. 
	Hinweis: Der Bereich des Laserstrahls ist etwa 3 cm 2 und Fluence errechnet sich zu ca. 8 mJ/cm 2, das ist weniger als die American National Standards Institute (ANSI) Sicherheitsgrenze (20 mJ/cm 2) 35 . Die bildgebende Tiefe wird auf 2 cm im klinischen US-System festgelegt. Schutzbrille sollte getragen werden, zu allen Zeiten als der Laser eingeschaltet ist.</li>
	<li>Stellen die bildgebende Tiefe 2 cm für PA imaging.</li>
	<li>Erhalten ein Kontrollbild der Region von Interesse, über das vordere Bein im thorakalen Bereich durch Verschieben der Handheld-Sonde von Seite zu Seite vor der Injektion des Kontrastmittels. 
	Hinweis: Alle Daten werden in den Strahl gebildet Daten gespeichert zur Weiterverarbeitung geben.</li>
	<li>0,2 mL des Kontrastmittels, (d.h., MB (10 mg/mL)) in das Maul des Tieres Spritzen und massieren Sie es gut für 2 min Kontrast Agent in die Lymphknoten durch die Lymphgefäße Erleichterung.</li>
	<li>Scan nach 5 min mit dem handheld Sonde entlang das Huhn Gewebe um die SLN mit Hilfe von PA-Signal zu finden. 
	Hinweis: Alle Bilder sind im Strahl gebildet Datentyp gespeichert.</li>
	<li>Klicken Sie auf die &#39; Einfrieren &#39; Taste von den Steuerelementen auf dem US-System und klicken Sie auf die &#39; ausgewählte Frames exportieren &#39; Button von Touchscreen-Monitor, die aufgezeichneten Daten zu exportieren. 
	Hinweis: Daten können in verschiedenen Formaten gespeichert werden nämlich Strahl gebildet, Scan konvertiert, Kanal und IQ</li>
	<li>2 weitere Ebenen von 0,5 cm dicken Huhn Gewebe Scheiben auf das Tier einzeln hinzufügen und suchen Sie die SLN um die Machbarkeit der Bildgebung bis 1,5 cm Tiefe zeigen.</li>
	<li>Nach dem Imaging, entfernen die Huhn-Gewebe-Scheiben</li>
	<li>Schalten Sie den Laser.</li>
</ol> 5. PA-Spektroskopie der SLN <ol><li>auf die Ratte eine 0,5 cm dicke Hähnchenbrust Gewebe Scheibe legen.</li>
	<li>Legen Sie die Wellenlänge des Lasers als 670 nm unter Verwendung der Software.</li>
	<li>Schalter auf dem Laser. Scannen mit der Sonde entlang das Huhn Brustgewebe auf dem Gebiet der SLN mit Hilfe von PA-Signal gefunden.</li>
	<li>Die Sonde stabil zu halten, nach der Identifizierung der SLN.</li>
	<li>Auf dem Laser tuning-Software zur Verfügung gestellt, geben Sie die Wellenlänge als 800 nm in der Lasersoftware, stellen Sie die Geschwindigkeit als 10 nm/s, und klicken Sie auf die &#39; Start &#39; Schaltfläche ". 
	Hinweis: Das hängt die Wellenlänge von 670 nm bis 800 nm mit einer Geschwindigkeit von 10 nm/s. Der Wellenlängenbereich variiert werden soll hängt das Absorptionsspektrum des Kontrastmittels verwendet. MB hat eine scharfe Spitze rund 670 nm.</li>
	<li>Beobachten die Veränderung in PA-Signal mit Wellenlänge ändern.</li>
	<li>Schalten Sie den Laser.</li>
	<li>Entfernen Sie das Huhn Gewebe Slice.</li>
</ol> 6. Echtzeit-Nadel Tracking mittels PAI <ol><li>Ort eine 0,5 cm dicke Hähnchenbrust Gewebe Slice auf das Tier. Legen Sie die Wellenlänge auf 675 nm.</li>
	<li>Schalter auf dem Laser. Bewegen die Sonde zu lokalisieren und identifizieren SLN auf dem Bildschirm mit Hilfe des Signals PA.</li>
	<li>Echtzeit-tracking-Nadel <ol><li>injizieren eine 23 G-Nadel, Abmessungen 0,6 x 32 mm 2, parallel zur UST durch das Huhn Gewebe in das Tier, SLN, zu erreichen, während es in Führung in Echtzeit auf dem klinischen US-Systemmonitor.</li>
	</ol></li> <li>Nach Experimenten, schalten Sie den Laser aus. Das Huhn-Gewebe zu entfernen und Puls Oximeter vom Tier und verschieben Sie das Tier an der Werkbank. Das Ultraschallgel auf die Ratte mit Baumwoll-Tücher reinigen.</li>
	<li>Legen Sie das Tier auf seine Bettwäsche und überwachen, bis er das Bewusstsein wiedererlangt.</li>
	<li>Das Tier in seinen Käfig zurück, nachdem sein Verhalten normal ist.</li>
</ol>

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</ol>

Die Autoren haben keine relevanten finanziellen Interessen im Manuskript und keine andere potenzielle Interessenkonflikte nicht offenlegen.

Die Kosten für Screening, Diagnose und Behandlung von Krebs ist derzeit sehr hoch. Es gibt verschiedene bildgebende Modalitäten die Früherkennung und Diagnose eingesetzt werden. Ein Großteil dieser bildgebenden Verfahren haben jedoch Beschränkungen einschließlich sperrige Maschinengröße, invasive Diagnostik, Unfreundlichkeit, Patienten, zu teuer, Anforderung von ionisierender Strahlung oder Einsatz von radioaktivem Kontrastmittel. Daher ist eine effiziente, kostengünstige, Echtzeit-Bildgebung und Leitsystem viel benötigt...

Für die Detektion und Staging von Krebs, verschiedene bildgebende Verfahren zur Verfügung. Einige der weit verbreiteten bildgebenden Verfahren sind Magnetresonanz-Tomographie (MRT), Röntgen Computertomographie (CT), Röntgen, Ultraschall (US), Positronen-Emissions-Tomographie (PET), Fluoreszenz-imaging, etc.1,2, 3 , 4., aber einige der vorhandenen bildgebenden Techniken sind entweder invasive, schädlichen Strahlung, oder sind langsam, teuer, sperrig oder unfreundlich zu den Patienten. So gibt es ein ständiger Bedarf zur Entwicklung neuer, schneller und kostengünstiger bildgebender Verfahren für Diagnostik und Therapie5.
Photoakustische Bildgebung (PAI) ist ein aufstrebenden bildgebendes Verfahren, das optische kontrastreich mit hochauflösenden Ultraschall in einem tieferen bildgebenden Tiefe5,6,7,8kombiniert, 9. In PAI dient ein kurzen Laserpuls Gewebe Bestrahlung. Das Licht wird durch das Gewebe absorbiert, führt zu einem kleinen Temperaturanstieg. Durch die thermoelastische Expansion werden Druckwellen (in Form von Schallwellen) im Gewebe erzeugt. Die erzeugten akustischen Wellen (auch bekannt als photoakustische (PA)) sind mit einem Wideband-Ultraschall-Wandler erworben (UST) außerhalb der Grenzen des Gewebes. Diese erworbenen PA-Signale können verwendet werden, um PA-Bilder, die strukturelle und funktionelle Informationen innerhalb des Gewebes zu rekonstruieren. PAI hat eine breite Palette von Anwendungen, einschließlich: Blutgefäß Bildgebung, Sentinel Lymphknoten Bildgebung, Bildgebung des Gehirns Gefäßsystem, Tumor-Bildgebung, molekulare Bildgebung, etc.10,11,12, 13,14,15 PAI hat zahlreiche Anwendungen aufgrund ihrer Vorteile, nämlich: tiefer Eindringtiefe, gute räumliche Auflösung und hohe Weichgewebe Kontrast. Der Kontrast in PAI kann endogene aus Blut, Melanin, etc.sein. Wenn der endogene Kontrast nicht stark genug ist, wie exogene Kontrastmittel organischen Farbstoffen, Nanopartikel, Quantenpunkte, etc.16,17,18,19, 20 , 21 kann verwendet werden, zur Verbesserung des Kontrasts.
Obwohl PAI zahlreiche Vorteile im Vergleich zu anderen bildgebenden Verfahren hat, ist klinische Übersetzung immer noch eine sehr große Herausforderung. Die wichtigsten Einschränkungen sind die sperrigen Natur der Laser verwendet wird, die meisten der USTs verwendet für die Datenerfassung sind nicht kompatibel mit klinischen US-Systeme und die Nichtverfügbarkeit von kommerziell verfügbaren klinischen US bildgebenden Systemen auf rohe Kanal zugreifen Daten. Erst in jüngster Zeit sind kommerzielle klinische US-Maschinen mit Zugriff auf Rohdaten zur Verfügung22geworden. In dieser Arbeit wollen wir die Machbarkeit der PAI mit einem handheld Set-up mit einem klinischen US-Plattform zu zeigen. Wir wollen dies demonstriert der nichtinvasiven Bildgebung des Sentinel Lymphknoten (SLNs) in einem kleinen Tiermodell.
Invasiven Brusttumoren sind eine der führenden Ursachen für Krebstod bei Frauen. Diagnose und staging Brustkrebs früh ist von entscheidender Bedeutung für die Entscheidung, Behandlungsstrategien, die die Prognose des Patienten eine wichtige Rolle spielen. Für eine Brustvergrößerung verwendet Krebs staging Sentinel-Lymphknoten-Biopsie (SLNB) in der Regel sind23,24. SLN ist der primären Lymphknoten, wo ist die Möglichkeit des Findens Krebszellen die höchste aufgrund von Metastasen. SLNBs beinhalten Einspritzen eines Farbstoffs oder ein radioaktiver Tracer, gefolgt von schneiden den Bereich mit einem kleinen Schnitt geöffnet und dann suchen die SLN visuell im Falle von Farbstoffen oder mit Hilfe von einem Geigerzähler, im Falle eines radioaktiven Tracers. Nach der Identifizierung werden ein paar SLN für histopathologische Studien24,25entfernt. Positive SLNB zeigt, dass der Tumor in der Nähe Lymphknoten und vielleicht auch auf andere Organe metastasiert hat. Negativen SLNB zeigt, dass die Wahrscheinlichkeit von Metastasen vernachlässigbar26. SLNB hat zahlreiche Komplikationen im Zusammenhang mit ihm wie Arm Taubheit, Lymphödem, etc.27 , SLNB verbundenen Komplikationen zu beseitigen, ein nicht invasives bildgebendes Verfahren erforderlich ist.
Für SLN-Mapping bei kleinen Tieren und Menschen ist PA Bildgebung mit Hilfe von verschiedenen Kontrast Agenten15,28,29,30,31 ausgiebig erforscht worden , 32. jedoch die derzeit eingesetzten Systeme können nicht in einem klinischen Szenario verwendet werden, wie oben ausgeführt. Ein weiteres Anliegen angesprochen werden ist der chirurgische Eingriff SLNB28beteiligt. Anpassung der minimal-invasiven Eingriffen für feine Nadelbiopsie Aspiration (Feinnadelaspirationsbiopsie) musste die Recovery-Zeit und die Nebenwirkungen der Patienten zu reduzieren. In dieser Arbeit wurde ein klinische US-System verwendet für kombinierte USA und PA Bildgebung verwendet wurde. Zur einfacheren Verwendung in klinischen Einrichtung, eine maßgeschneiderte Handheld-Halterung für Gehäuse Glasfaser und UST konzipiert wurde. Methylenblau (MB) wurde für die Identifizierung und Kartierung SLNs. Darüber hinaus verwendet, um Komplikationen im Zusammenhang mit der SLNB-Operation zu beseitigen, nicht-invasive Echtzeit-Nadel tracking ist auch gezeigt.

<table><tbody><tr><td>gütegeschalteter Nd:YAG-Laser</td><td>Kontinuums-Surolith-Pumplaser</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Optischer parametrischer Oszillator</td><td>Kontinuum</td><td></td><td>OPO-Laser</td></tr><tr><td>Klinisches Ultraschall-Bildgebungssystem</td><td>Alpinion</td><td>E-CUBE 12R</td><td>Duales modales Ultraschall- und photoakustisches Bildgebungssystem</td></tr><tr><td>Linearer Array-Ultraschallwandler</td><td>Alpinion</td><td>L3-12</td><td>128-Element-Linear-Array-Wandler mit einer Mittenfrequenz von 8,5 MHz, einer fraktionierten Bandbreite von 95</td></tr>%, <tr><td>gegabelte optische Faser</td><td>CeramOptec</td><td>Sonderanfertigung</td><td>zur Kopplung des Lichts vom Laser an den Handfaserhalter</td></tr><tr><td>Objektiv</td><td>Thorlabs</td><td>LB1869</td><td>Fokussierung des Lichts vom Laser auf die optische</td></tr><tr><td>Faser Ultraschallgel</td><td>Progress/Parker Acquasonic Gel</td><td>PA-GEL-CLEA-5000</td><td>Akustische Kopplung</td></tr><tr><td>Bildverarbeitungssoftware</td><td>Mathworks</td><td>Matlab</td><td>Heimgemachtes Programm mit Matlab</td></tr><tr><td>Anästhesiegerät</td><td>medizinisches plus pte ltd</td><td>Anästhesiegerät ohne Rückatmung mit Sauerstoffkonzentrator.</td><td>Versorgt Tiere mit Sauerstoff und Isofluran</td></tr><tr><td>Tragbares Pulsoxymeter</td><td>Medtronic</td><td>PM10N mit Veterinärsensor</td><td>Überwacht die Pulsoxymetrie des Tieres</td></tr><tr><td>Tierhändler</td><td>In Vivos Pte Ltd, Singapur</td><td></td><td>Tierhändler, der Kleintiere für Forschungszwecke liefert.</td></tr><tr><td>Atemmaske</td><td>nach Maß</td><td></td><td>Wird zusammen mit dem Tierhalter verwendet, um das Brustgewebe des Tieres mit Anästhesie zu versorgen</td></tr><tr><td></td><td>Pasar</td><td></td><td>Wird verwendet, um Tiefe hinzuzufügen, um das menschliche Bildgebungsszenario nachzuahmen</td></tr><tr><td>23G</td><td>Nadel BD Precisionglide</td><td>23G, 1 und halber Zoll</td><td>Wird für die Echtzeit-Nadelführung verwendet</td></tr><tr><td>Halter für das Glasfaserkabel</td><td>Sonderanfertigung</td><td></td><td>Um das Eingangsende des gegabelten Kabels zu halten</td></tr><tr><td>Handheld-Sonde</td><td>Sonderanfertigung 3D-gedruckt</td><td></td><td>Mit zwei Steckplätzen für die beiden Ausgangsenden der optischen Faser und einem Steckplatz für den Ultraschallwandler</td></tr><tr><td>Methylenblau (10 mg/ml)</td><td>Sterop</td><td></td><td>Kontrastmittel für die PA-Bildgebung</td></tr><tr><td>Laser-Tuning-Software</td><td>Surelite OPO PLUS</td><td>SLOPO</td><td>Software zur Abstimmung der Wellenlänge des OPO-Lasers</td></tr><tr><td>Fotodiode</td><td>Thorlabs</td><td>SP05/M</td><td>Zur Detektion des Laserpulses zum Auslösen des Ultraschallsystems</td></tr><tr><td>Photodioden-Bias-Modul</td><td>Thorlabs</td><td>PBM42</td><td>Zur Verstärkung des Photodiodensignals zur Verstärkung des Ultraschallsignals</td></tr> zur <tr><td>Enthaarungscreme</td><td>Reckitt Benckiser</td><td>Veet</td><td>Zur Entfernung von Haaren aus dem Bildgebungsbereich</td></tr><tr><td>Laserleistungsmesser Ophir</td><td></td><td>Starlite, p/n: 7Z01565</td><td>Zur Messung der Laserleistung</td></tr></tbody></table>

hand-held klinische photoakustische imaging-system für echtzeit-nicht-invasive kleine tier imaging

Hand-held Clinical Photoacoustic Imaging System for Real-time Non-invasive Small Animal Imaging

Übersetzung der photoakustische Bildgebung in der Klinik ist eine große Herausforderung. Handheld-Echtzeit-klinische photoakustische bildgebende Systeme sind sehr selten. Hier berichten wir eine kombinierte photoakustische und klinische Ultraschall-imaging-System durch die Integration einer Ultraschallsonde mit Lichtleitung für das kleine Tier Imaging. Wir zeigen dies durch zeigt Sentinel Lymphknoten Bildgebung bei Kleintieren zusammen mit minimal-invasiven Echtzeit Nadelführung. Eine klinische Ultraschall-Plattform mit Zugriff auf raw-Kanal ermöglicht die Integration von photoakustische Bildgebung zu einem handheld in Echtzeit klinische photoakustische imaging-System. Methylenblau wurde für Sentinel Lymphknoten Bildgebung bei 675 nm Wellenlänge verwendet. Darüber hinaus war Nadelführung mit dual modal Ultraschall und photoakustische Bildgebung mit dem abbildenden System angezeigt. Tiefe Bildgebung von bis zu 1,5 cm zeigte sich mit einem 10 Hz-Laser auf eine photoakustische Bildgebung Framerate von 5 Frames pro Sekunde.

<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56649/56649fig1.jpg"> 
Abbildung 1: Systembeschreibung. (a) schematische Darstellung der PAI-System mit dual modal klinischen US-System. OPO - optischen parametrischen Oszillator, der - optische Faserbündel, FH - Faser-Halter, USM - klinischen US-Maschine. Die Faser-Halter integriert die UST und zwei Ausgabe-Glasfaser-Bundle. Die Anästhesiegerät Isoflurane und Sauerstoff versorgen wird verwende...

Eine klinische handheld photoakustische imaging-System wird für die Echtzeit-nicht-invasive kleine Tier Bildgebung nachgewiesen werden.

Hand-Held klinische photoakustische Imaging-System für Echtzeit-nicht-invasive kleine Tier Imaging

Translation of photoacoustic imaging into the clinic is a major challenge. Handheld real-time clinical photoacoustic imaging systems are very rare. Here, ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die nicht-invasive photoakustische Bildgebung am Sentinel-Lymphknoten mit Hilfe eines klinischen Ultraschallsystems zu demonstrieren und die photoakustische Nadelführung in Echtzeit zu veranschaulichen. Photoakustische Bildgebung, eine hybride Bildgebungsmodalität, die Licht und Ultraschall kombiniert, bietet einen hohen optischen Kontrast, eine hohe Auflösung und eine tiefe Gewebebildgebung in vivo. Die Umsetzung für die Kristallbildgebung in die klinische Anwendung ist jedoch eine Herausforderung.In dieser Arbeit wird ein tragbares, photoakustisches Echtzeit-Bildgebungssystem vorgestellt, das die Lichtbeleuchtung in die klinische Ultraschallplattform integriert. Das Verfahren wird von Kathyayini Sivasubramanian, einer Doktorandin, und Vijitha Periyasamy, einer Forscherin aus unserem Labor, demonstriert. Schalten Sie den Laser ein, indem Sie das Stromnetz einschalten und die Taste am Lasercontroller nach links drehen.Um die Verzögerung des Q-Schalters einzustellen, drücken Sie die Auswahltaste, bis Sie den Verzögerungswert sehen, und erhöhen Sie ihn auf 170 Mikrosekunden. Stellen Sie dann die Wiederholrate auf 10 Hertz ein, um eine niedrige Laserenergie zu gewährleisten, und starten Sie den Laser. Öffnen Sie die Software zur Abstimmung der Laserwellenlänge.Wählen Sie das Menü Gehe zu, geben Sie die Wellenlänge bei 675 Nanometern ein und drücken Sie die Starttaste, um die Wellenlänge auf 675 Nanometer einzustellen. Drücken Sie dann den Auslöser und schalten Sie den Laser mit dem Schalter ein. Verwenden Sie eine plankonvexe Linse mit einem Durchmesser von einem Zoll und einer Brennweite von 15 Millimetern, um den Laserstrahl auf das Faserbündel zu fokussieren, so dass das gesamte Licht auf das Fasereingangsende fällt.Schalten Sie nach dem Ausrichten den Laser aus. Wählen Sie den entsprechend abgewinkelten Sondenhalter basierend auf der gewünschten Bildgebungstiefe, der Größe des Objekts, der Form des Objekts und der Position des Objekts. Für dieses Experiment wird die gegabelte optische Faser in einem Lichtwinkel von 15 Grad in den seitlichen Schlitz des Sondenhalters eingesetzt.Lösen Sie die Schrauben an der Seite und stellen Sie den Abstand zwischen dem Schallkopf und dem Faserende auf einen Zentimeter ein. Nachdem Sie es auf den genauen Abstand eingestellt haben, ziehen Sie die Schrauben fest. Schalten Sie dann den Laser wieder ein und stellen Sie sicher, dass sich ein rechteckiger Laserstrahlpunkt vor dem Wandler befindet.Sobald der rechteckige Strahl vor dem Wandler zu sehen ist, erhöhen Sie den Verzögerungswert auf 210 Mikrosekunden. Schalten Sie anschließend das klinische Ultraschallsystem ein und öffnen Sie die vom Hersteller bereitgestellte Bildgebungssoftware. Wählen Sie auf dem Touchscreen die Forschungsschaltfläche in den Betriebs- und Forschungsmodus, klicken Sie dann auf das kombinierte Ultraschall- und photoakustische Bildgebungsskript und klicken Sie auf die Schaltfläche Ausführen für die Bildgebung im kombinierten Modus.Legen Sie zunächst eine 23-Gauge-Nadel auf ein Stück rohes Hähnchenbrustgewebe. Tragen Sie Ultraschallgel auf und legen Sie dann eine Scheibe Hühnertuch darauf. Nehmen Sie bei eingeschaltetem Laser fotoakustische Bilder der Nadel auf.Tragen Sie dann Ultraschallgel auf das Brustgewebe auf und fügen Sie ein zweites Stück Gewebe hinzu. Nehmen Sie ein weiteres photoakustisches Bild auf und tragen Sie das Ultraschallgel weiter auf und stapeln Sie das Brustgewebe nacheinander bis zu drei Zentimeter dickes Bildmaterial, jedes Mal, wenn eine Hühnergewebeschicht hinzugefügt wird. Stellen Sie sicher, dass das Tier betäubt ist, indem Sie nach einem Zehenkneifen auf Reflexe prüfen.Entfernen Sie dann mit einer Haarentfernungscreme die Haare aus der interessierenden Region und tragen Sie eine künstliche Tränensalbe auf, um die Augen vor Trockenheit und versehentlichen Laserschäden zu schützen. Legen Sie als nächstes ein blaues Unterpolster auf den Tisch und positionieren Sie das Tier seitlich darauf. Befestigen Sie den Nasenkegel für die Inhalationsanästhesie und befestigen Sie ein Pulsoximeter an der Hinterpfote, um das Tier während der Versuche zu pflegen und zu überwachen.Tragen Sie vor der Bildgebung ein bis zwei Milliliter Ultraschallgel mit einer Spritze auf die Haut auf und verteilen Sie es mit einem Applikator gut. Legen Sie dann eine 0,5 Zentimeter dicke Scheibe Hähnchenbrustgewebe auf den Bildgebungsbereich und tragen Sie mehr US-Gel auf das Hühnergewebe auf, um die Kopplung zu verbessern.Schalten Sie an dieser Stelle den Laser ein und legen Sie den Handsondenhalter auf das Hühnertuch. Bewegen Sie den Halter im kombinierten Ultraschall- und Photoakustikmodus von rechts nach links. Drücken Sie die Freeze-Taste am Ultraschallgerät und dann die Taste "Ausgewählte Bilder exportieren", um die Kontrollbilder vor der Injektion des Kontrastmittels zu exportieren.Injizieren Sie dann 0,2 Milliliter des Kontrastmittels Methylenblau in die Vorderpfote des Tieres und massieren Sie es zwei Minuten lang gut ein, um den Transport des Kontrastmittels zu den Lymphknoten durch die Lymphgefäße zu erleichtern. Nach fünf Minuten scannen Sie den Bereich erneut mit der Handsonde entlang des Hühnergewebes, um die Wächterlymphknoten mit Hilfe des photoakustischen Signals zu lokalisieren. Speichern Sie nach der Identifizierung die Frames.Geben Sie nacheinander zwei weitere Schichten von 0,5 Zentimeter dicken Hühnergewebescheiben auf das Tier und lokalisieren und speichern Sie die Sentinel-Lymphknotenbilder bis zu 1,5 Zentimeter im Gewebe. Schalten Sie nach der Bildgebung den Laser aus, entfernen Sie alle Hühnergewebescheiben und bereiten Sie die Ratte für die photoakustische Spektroskopie vor. Legen Sie eine 0,5 Zentimeter dicke Platte Hähnchenbrustgewebe auf die Ratte.Ändern Sie dann die Wellenlänge des Lasers auf 670 Nanometer und schalten Sie den Laser ein. Scannen Sie mit der Sonde entlang des Hähnchenbrustgewebes, um den Wächterlymphknoten mit Hilfe des photoakustischen Signals zu lokalisieren. Halten Sie die Sonde stabil, nachdem Sie den Wächterlymphknoten identifiziert haben.Geben Sie in der Lasertuning-Software die Wellenlänge als 800 Nanometer ein, stellen Sie die Geschwindigkeit auf 10 Nanometer pro Sekunde ein und klicken Sie auf die Schaltfläche Start. Dadurch wird die Wellenlänge mit einer Geschwindigkeit von 10 Nanometern pro Sekunde von 670 Nanometern auf 800 Nanometer variiert. Beobachten Sie die Veränderung des photoakustischen Signals vom Wächterlymphknoten auf dem Monitor des Ultraschallgeräts.Um Nadeln in Echtzeit zu verfolgen, stellen Sie die Wellenlänge auf 675 Nanometer ein und bewegen Sie dann die Sonde, um einen Wächterlymphknoten auf dem Bildschirm zu lokalisieren und zu identifizieren. Injizieren Sie eine 23-Gauge-Nadel parallel zum Ultraschallwandler in die Ratte. Leiten Sie es in Echtzeit, während es durch das Hühnergewebe in das Tier gelangt, um den Wächterlymphknoten zu erreichen.Wenn Sie fertig sind, schalten Sie den Laser aus. Entfernen Sie das Hühnergewebe und das Pulsoximeter vom Tier und bringen Sie das Tier auf die Werkbank. Reinigen Sie dann das Ultraschallgel mit Wattetüchern von der Ratte.Sobald es sauber ist, legen Sie das Tier auf seine Einstreu. Beobachte es, bis es wieder zu Bewusstsein kommt, und bringe es in seinen Käfig zurück, nachdem sein Verhalten normal ist. Mit der in diesem Video gezeigten Methode wurde aus den Nadelbildern in verschiedenen Tiefen die volle Breite bei halbem Maximum berechnet.Die axiale Auflösung wurde mit 207 Mikrometern berechnet und die laterale Auflösung, begrenzt durch den Ultraschallwandler, betrug 351 Mikrometer. Vor der Zugabe des Kontrastmittels Methylenblau verschmilzt der Wächterlymphknoten mit dem anderen Gewebe. Nach der Injektion kann der Wächterlymphknoten aufgrund des starken photoakustischen Signals durch das akkumulierte Methylenblau sehr gut identifiziert werden.Die photoakustische Bildgebung ist auch für die Nadelführung nützlich, da Ultraschall allein einen schlechten Kontrast liefert. Bei der photoakustischen Bildgebung ist der von der Nadel erhaltene Kontrast sehr hoch und kann in vivo leicht überwacht und verfolgt werden. Sobald die Nadel den Wächterlymphknoten erreicht, kann ein kleiner Teil des Lymphgewebes für die weitere histologische Untersuchung entnommen werden.Die Sichtbarkeit der photoakustischen Nadelführung wird mit dem klinischen Ultraschallsystem demonstriert. Einmal gemeistert, kann die Technik der photoakustischen Sentinel-Lymphknoten- und Nadelbildgebung innerhalb einer Stunde durchgeführt werden, wenn sie richtig durchgeführt wird. Die in das klinische Ultraschallsystem integrierte Laserlichtabgabe ermöglicht die photoakustische Bildgebung in der Hand.Dies wird bei der Translation der photoakustischen Bildgebung in die Klinik helfen. Zu den potenziellen Anwendungen des tragbaren photoakustischen Bildgebungssystems gehört die Bildgebung von Blutgefäßen, Tumoren, Wächterlymphknoten, Harnblasen und zirkulierenden Tumorzellen.

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Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

Biotechnik

Optische Auflösung photoakustische Mikroskopie (OR-PAM) ist eine aufstrebende Technologie, mit der abbildenden optischen Absorption...

Dreidimensionale Optische Auflösung photoakustische Mikroskopie

Quelle: Upputuri, P. K., et al. Ein kompaktes photoakustisches Hochleistungstomographiesystem für die In-vivo-Bildgebung des Gehirns von Kleintieren. J. Vis. Exp. (2017)Dieses Video demonstriert ein Protokoll für die nicht-invasive In-vivo-Bildgebung des Gehirns von Ratten mittels photoakustischer Tomographie und zeigt die Vorbereitung, den Aufbau des Bildgebungssystems und die Datenerfassung zur Rekonstruktion von 2D-Gehirnbildern zur Visualisierung von Gefäßstrukturen und neurovaskulärer...

In vivo Bildgebung eines Rattengehirns mittels photoakustischer Tomographie

Photoakustische cystography (PAC) hat ein großes Potenzial, um Harnblasen, eine Strahlung empfindlichen inneren Organe bei pädiatrischen Patienten, ohne Verwendung ionisierender Strahlung oder giftige Kontrastmittel abzubilden. Hier zeigen wir die Verwendung von PAC zum Abbilden Harnblasen mit einer Injektion von optisch opaken Tracer in...

Photoakustische Zystographie

Wir bieten hierin eine detaillierte Beschreibung des experimentellen Protokolls für die Bildgebung mit einem neu entwickelten tragbaren optoakustischen (photoakustischen) System für dreidimensionale funktionelle und molekulare Bildgebung in Echtzeit. Die demonstrierte Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit kann neue Anwendungsbereiche der optoakustischen Technologie in der präklinischen Forschung und klinischen Praxis definieren.

Universal-Hand Dreidimensionale Optoakustische Bildgebung Sonde für Deep Tissue Menschen Angiographie und Funktions präklinischen Studien in Echtzeit

Die vorliegende Arbeit beschreibt ein neues Protokoll zur Durchführung von nicht-invasiver Hochfrequenz-Ultraschall- und photoakustischer Bildgebung am Rattengehirn, um tiefe subkortikale Regionen und ihre Gefäßmuster effizient zu visualisieren, indem Signale auf Schädelforamina gerichtet werden, die natürlicherweise auf tierischen Schädeln vorhanden sind.

Nicht-invasive Parenchymale, Gefäß- und Stoffwechselhochfrequenz-Ultraschall und Photoakustische Rat Deep Brain Imaging

Hier wird eine umschaltbare akustische Auflösung (AR) und eine optische Auflösung (OR) photoakustische Mikroskopie (AR-OR-PAM) -System gezeigt, die sowohl eine hochauflösende Bildgebung in flacher Tiefe als auch eine niedrige Auflösung der tiefen Gewebeabbildung auf der gleichen Probe in vivo ermöglicht .

Umschaltbare akustische und optische Auflösung Photoakustische Mikroskopie für<em&gt; In vivo</em&gt; Kleintier-Blut-Vaskulatur-Bildgebung

Ein kompaktes Puls-Laser-Dioden-basiertes photoakustisches Tomographie-System (PLD-PAT) für die Hochgeschwindigkeits- In-vivo- Gehirn-Bildgebung bei kleinen Tieren wird gezeigt.

Ein leistungsstarkes kompaktes Fotoakustik-Tomographie-System für<em&gt; In vivo</em&gt; Kleintier Gehirn Bildgebung

Für die Hochgeschwindigkeits-Dynamik in der vivo-Bildgebung der kleinen tierischen Kortikalvaskulatur wird ein kompaktes, pulsiertes, auf Diode-basiertem Desktop-Sotakus-Tomografiesystem (PLD-PAT) demonstriert.

Gepulste Laser-Diode-Based Desktop photoakustische Tomographie für die Überwachung von Wash-In und Wash-Out of Dye in Rat Cortical Vasculature

Es wurde ein doppelter Raster-Scanning-Foto-Imager entwickelt, der Weitfeld-Bildgebung und Echtzeit-Bildgebung integriert.

Dual Raster-Scanning Photoakustischer Kleintier-Imager für Vaskuläre Visualisierung

Diese Arbeit demonstriert den Einsatz einer multimodalen ultraschallbasierten Bildgebungsplattform für die nicht-invasive Bildgebung des ischämischen Schlaganfalls. Dieses System ermöglicht die Quantifizierung der Sauerstoffsättigung des Blutes durch photoakustische Bildgebung und die Beeinträchtigung der Durchblutung im Gehirn durch akustische Angiographie.

Integrierte photoakustische, Ultraschall- und Angiographietomographie (PAUSAT) für die nicht-invasive Ganzhirnbildgebung des ischämischen Schlaganfalls

Erfahren Sie die photoakustische Bildgebung mit einem handgehaltenen klinischen System für Echtzeit-Untersuchungen an kleinen Tieren. Diese Methode ermöglicht nicht-invasive Bildgebung mit hoher Auflösung.

Hand-Held klinische photoakustische Imaging-System für Echtzeit-nicht-invasive kleine Tier Imaging

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