Name: Gepulste Laser-Diode-Based Desktop photoakustische Tomographie für die Überwachung von Wash-In und Wash-Out of Dye in Rat Cortical Vasculature (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-05-30T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 46 s
Description: Erfahren Sie die photoakustische Tomographie mit gepulster Laserdiode zur dynamischen Bildgebung der Rattenkortikalen Gefäße. Diese kostengünstige Methode ermöglicht Hochgeschwindigkeitsaufnahmen in nur 0,5 Sekunden.

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Die Forschung wird vom Nationalen Medizinischen Forschungsrat des Singapore Ministry of Health unterstützt (NMRC/OFIRG/0005/2016: M4062012). Die Autoren danken Herrn Chow Wai Hoong Bobby für die Unterstützung der Maschinenwerkstatt.

Alle Tierversuche wurden nach den Richtlinien und Vorschriften durchgeführt, die vom Institutional Animal Care and Use Committee der Nanyang Technological University, Singapur, genehmigt wurden (Tierprotokoll-Nummer ARF-SBS/NIE-A0331).
1. Systembeschreibung
<ol><li>Montieren Sie den PLD-Laser in den kreisförmigen Scanner und montieren Sie den optischen Diffusor (OD) vor dem PLD-Ausstiegsfenster, um den Ausgangsstrahl homogen zu machen, wie in Abbildung 1Agezeigt. Verbinden Sie die PLD mit dem Lasertreibergerät (LDU). NOTE: Die PLD erzeugt ~ 816 nm Wellenlängenpulse, Pulse von ~ 107 ns Dauer und bis zu einer 2 KHz-Wiederholungsrate mit einer maximalen Pulsenergie von ~ 3,4 mJ. Die LDU besteht aus Kühl-, 12-V-Netzteil, variabler Hochspannungsversorgung zur Steuerung der Laserleistung und Funktionsgenerator zur Änderung der Pulswiederholrate.</li>
	<li>Montieren Sie alle acht SUTRs auf jedem SUTR-Halter einzeln so, dass die Oberfläche jedes akustischen Reflektors in Richtung der Mitte des Scanbereichs blickt, wie in Abbildung 1B gezeigt. Verbinden Sie jedes SUTR-Kabel mit Hilfe von Verbindungskabeln an den geräuscharmen Signalverstärker. Hinweis: Die zentrale Frequenz des Ultraschallwandlers beträgt 5 MHz und hat einen Wirkbereich mit einem Durchmesser von 13 mm. Für jeden Kanal sind zwei Verstärker mit je 24 dB-Gewinnen in Serie miteinander verbunden.</li>
	<li>Schalten Sie die Stromversorgung des Kühlers ein, dann schalten Sie den Schalter des Kühlers ein, um die Temperatur zwischen 20 ° C und 25 ° C einzustellen.</li>
	<li>Schalten Sie die Stromversorgung ein und schalten Sie die Stromsteuerung langsam ein, um die Stromgrenze auf 0,3 A zu setzen. Setzen Sie die Spannung auf 12 V. Überprüfen Sie, ob der Strom 0,1 A nicht überschreitet.</li>
	<li>Die Hochspannungsversorgung einschalten Drücken Sie den "Preset"-Knopf und setzen Sie den Strom auf 1 A und die Spannung auf 0 V.</li>
	<li>Schalten Sie die Stromversorgung des Funktionsgenerators ein. Drücken Sie den "Recall"-Button und wählen Sie eine 2 KHz-Konfiguration, um die Laserpulse in dieser Wiederholungsrate zu erzeugen.</li>
	<li>Legen Sie den Acryltank in den Scanner , wie in Abbildung 1A dargestellt , und füllen Sie den Tank mit Wasser, so dass die detektierende Oberfläche der SUTRs vollständig in Wasser eingetaucht ist.</li>
	<li>Achten Sie darauf, dass sich alle SUTRs, die Oberflächen erkennen, innerhalb des Wassermediums befinden. Schalten Sie die Stromversorgung des Low-Noise-Signalverstärkers ein.</li>
</ol>2. Tierpräparation für die Gehirnbildgebung der Ratte
Hinweis: Gesunde weibliche Ratten (siehe Materialtabelle) wurden verwendet, um das oben beschriebene Desktop-SPD-PAT-System zur Abbildung von kleinen tierischen Kortikalvaskulatur zu demonstrieren.
<ol><li>Halten Sie das Tier auf dem Rücken, indem Sie den Kopf und die Körperbewegung festhalten. Das Tier durch intraperitoneale Injektion einer Mischung aus 2 ml Ketamin (100 mg/mL), 2 ml Xylazine (20 mg/mL) und 1 mL Salz (Dosierung von 0,2 mL/100 g) betäuben. Hinweis: Nach der Injektion wird die Zehe des Tieres gekneigt, um auf positive Reflexe wie Bein-oder Körperbewegungen, Vokalisierung oder deutliche Zunahme der Atemwege zu testen. Das Fehlen solcher Reflexmaßnahmen bestätigt eine erfolgreiche Betäubung des Tieres.</li>
	<li>Um Trockenheit durch Anästhesie und Laserbeleuchtung zu verhindern, wird die künstliche Tränensalbe sehr sorgfältig auf die Rattenaugen aufgetragen. Legen Sie das Tier in anfällige Position auf die Arbeitsbank und entfernen Sie das Fell auf der Kopfhaut des Tieres mit einem Haarschneider und legen Sie sanft Haarentfernungscreme auf den rasierten Bereich und entfernen Sie das Fell vollständig.<ol>
<li>Nach 4 – 5 min die aufgetragene Creme mit einem Wattestäbchen entfernen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Montieren Sie den mit einer Atemmaske ausgestatteten Tierhalter (siehe Materialtafel) auf einem Label-Buchse.</li>
	<li>Legen Sie das Tier in anfälliger Position auf den Halter, so dass der Kopf auf der horizontalen Plattform des Halters ruht. Verwenden Sie chirurgisches Klebeband, um das Tier auf den Halter zu sichern.</li>
	<li>Achten Sie darauf, dass die Atemmaske die Nase und den Mund der Ratte bedeckt, um eine Anästhesie-Mischung zu liefern. Die Atemmaske ist an das Bildfenster angepasst. 10% des handelsüblichen Nasenkegels wird geschnitten und dann mit einem Stück Handschuh verbunden.</li>
	<li>Schließen Sie die Atemmaske mit der Anästhesie-Maschine an, bevor Sie sie einschalten.</li>
	<li>Schalten Sie die Anästhesie-Maschine ein und stellen Sie sie so ein, dass sie eine Narkosmischung mit 1,0 L/min Sauerstoff mit 0,75% Isofluran an die Tieratmennase liefert.<ol>
<li>Klemmen Sie den Pulsoximeter an einem der Hinterbeine des Tieres, um seinen physiologischen Zustand zu überwachen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Mit einem Baumwoll-getippten Applikator eine Schicht farbloser Ultraschallgel auf die Kopfhaut der Ratte auftragen. Stellen Sie die Labor-Jack-Position an die Mitte des Scanners und stellen Sie die Höhe des Lab-Wagenheber manuell so ein, dass die Bildfläche in der Mitte des akustischen Reflektors steht.</li>
</ol>3. Dynamik in vivo Abbildung der Aufnahme und Räumung von ICG im Rattenhirn
<ol><li>Stellen Sie die Parameter in der Datenerfassungssoftware (siehe Materialtabelle) für einen 360 °-Erfassungsscan ein.</li>
	<li>Schalten Sie die PLD-Laseremission ein, indem Sie die Leistung des Funktionsgenerators ermöglichen (Laseremission startet). Dann erhöhen Sie langsam die Spannung der variablen Hochspannungsversorgung auf 120 V für maximale Promilte.</li>
	<li>Führen Sie das Programm zur Datenerfassung (siehe Materialtabelle) aus, um alle acht SUTRs in 360 ° über eine 4-scanner-Zeit zu drehen. Hinweis: Wenn zum Beispiel die SUTRs für 4s gedreht werden, liefert die PLD 8.000 (= 4 x 2.000) Pulse und jeder SUTR sammelt 8000 A-Linien. Diese 8.000 A-Leitungen werden auf 400 reduziert, indem sie durchschnittlich über 20 Signale (nach einer Mittelung von A-Zeilen = 8000/20 = 400) haben. Ein Rekonstruktionsprogramm, das auf dem Delay-und-Sum-Rückprojektionsalgorithmus basiert, wird verwendet, um den Scanradius der einzelnen SUTR zu ermitteln.</li>
	<li>Deaktivieren Sie die Ausgabe des Funktionsgenerators, um die Laseremission auszuschalten.</li>
	<li>Mithilfe des Rekonstruktionsalgorithmus in der Datenverarbeitungssoftware (siehe Materialtabelle) finden Sie anhand des Rückprojektionsalgorithmus den Scanradius aller acht SUTRs per Trial-and-Fehler.</li>
	<li>Stellen Sie die Parameter in der Datenerfassungssoftware (siehe Materialtabelle) für 45 °-Erfassung über eine Scanzeit von 0,5 s ein. Hinweis: Wenn zum Beispiel die SUTRs für 0,5 s gedreht werden, liefert die PLD 1.000 (= 0,5 x 2.000) Pulse und jeder SUTR sammelt 1000 A-Linien. Diese 1.000 A-Leitungen werden auf 400 reduziert, indem sie durchschnittlich über 20 Signale (nach durchschnittlich A-Linien = 1000/20 = 50).</li>
	<li>Aktivieren Sie die Ausgabe des Funktionsgenerators, um die Laseremission einzuschalten.</li>
	<li>Führen Sie das Programm zur Datenerfassung (siehe Materialtabelle) aus, um alle acht SUTRs in 45 ° zu drehen, um erste Kontrolldaten zu erhalten, bevor Sie ICG verwalten. </li>
	<li>Deaktivieren Sie die Ausgabe des Funktionsgenerators, um die Laseremission auszuschalten.</li>
	<li>Identifizieren Sie die Schwanzvene des Tieres und spritzen Sie 0,3 mL ICG (siehe Materialtabelle) (323 μM) in die Schwanzvene der Ratte.</li>
</ol>4. Platz
Hinweis: 1,25 mg ICG-Pulver wurden mit einer Mikro-Wiegemaschine gewogen und mit 5 ml destilliertem Wasser vermischt, um eine Konzentration von 323 μM für die ICG-Lösung zu erhalten.
<ol><li>Aktivieren Sie die Ausgabe des Funktionsgenerators, um die Laseremission einzuschalten.</li>
	<li>Führen Sie das Programm zur Datenerfassung (siehe Materialtabelle) aus, um A-Linien über eine Scanzeit von 0,5 s in 45 ° Rotation zu erfassen. </li>
</ol>5. Platz
Hinweis: A-Zeilen, die während einer Scanzeit von 0,5 s aufgenommen wurden, werden verwendet, um ein Querschnittsbild zu erzeugen. Zwischen jedem Scan besteht eine Zeitspanneit von ~ 0.4 – 0,6 s.
<ol><li>Nachdem die Datenerfassung beendet ist, rekonstruieren Sie mit dem Rückprojektionsalgorithmus in der Datenverarbeitungssoftware (siehe Materialtabelle) das Querschnittsbild des Gehirns aus den gespeicherten A-Linien.</li>
	<li>Schalten Sie den Laser aus und schalten Sie dann die Anästhesie-Maschine aus, senken Sie den Laborheber und entfernen Sie das Tier von der Bühne. Bringe das Tier in den Käfig zurück und kontrolliere, bis es das Bewusstsein wiedererlangt.</li>
</ol><img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59764/59764fig1.jpg"> Abbildung 1: Schematische Schematik des Desktop-SPD-PAT-Systems. (A) Schematic of the desktop PLD-PAT set. PLD: Gepulste Laserdiode, OD: Optischer Diffusor, SUTR: Akustischer Reflektor-basierter Einelement-Ultraschall-Wandler, AM: Anästhesie-Maschine, CSP: Rundscanner-Platte, SM: Schrittmotor, LDU: Laserantrieb, AMP: Verstärker, DAQ: Datenerfassungskarte. (B) Rundanordnung von acht SUTRs rund um das Scanzentrum. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59764/59764fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

<ol><li>Lin, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single-breath-hold+photoacoustic+computed+tomography+of+the+breast%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Single-breath-hold photoacoustic computed tomography of the breast.</a> Nature Communications. 9 (1), 2352(2018).</li>
<li>Upputuri, P. K., Pramanik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fast+photoacoustic+imaging+systems+using+pulsed+laser+diodes%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Biomedical+Engineering+Letters%22%5BJournal%5D)">Fast photoacoustic imaging systems using pulsed laser diodes: a review.</a> Biomedical Engineering Letters. 8 (2), 167-181 (2018).</li>
<li>Yao, J., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+progress+in+photoacoustic+molecular+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Current+Opinion+in+Chemical+Biology%22%5BJournal%5D)">Recent progress in photoacoustic molecular imaging.</a> Current Opinion in Chemical Biology. 45, 104-112 (2018).</li>
<li>Upputuri, P. K., Pramanik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+advances+toward+preclinical+and+clinical+translation+of+photoacoustic+tomography%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Optics%22%5BJournal%5D)">Recent advances toward preclinical and clinical translation of photoacoustic tomography: a review.</a> Journal of Biomedical Optics. 22 (4), 041006(2017).</li>
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<li>Kalva, S. K., Pramanik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+validation+of+tangential+resolution+improvement+in+photoacoustic+tomography+using+a+modified+delay-and-sum+reconstruction+algorithm%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Optics%22%5BJournal%5D)">Experimental validation of tangential resolution improvement in photoacoustic tomography using a modified delay-and-sum reconstruction algorithm.</a> Journal of Biomedical Optics. 21 (8), 086011(2016).</li>
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<li>Wang, L. V., Hu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoacoustic+Tomography%3A+In+Vivo+Imaging+from+Organelles+to+Organs%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs.</a> Science. 335 (6075), 1458-1462 (2012).</li>
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<li>Sivasubramanian, K., Pramanik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+frame+rate+photoacoustic+imaging+at+7000+frames+per+second+using+clinical+ultrasound+system%5BTitle%5D)+AND+%22Biomedical+Optics+Express%22%5BJournal%5D)">High frame rate photoacoustic imaging at 7000 frames per second using clinical ultrasound system.</a> Biomedical Optics Express. 7 (2), 312-323 (2016).</li>
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</ol>

Die Autoren haben keine relevanten finanziellen Interessen oder mögliche Interessenkonflikte offenzulegen.

Diese Arbeit stellt ein Protokoll vor, um ein Desktop-SPD-PAT-System für die Durchführung von Experimenten an Kleintieren wie Ratten für in vivo Gehirn-Bildgebung und dynamischen Schnellaufnahme und Räumungsprozess von Kontrastmitteln wie ICG zu verwenden. Sperrige, teure OPO-PAT-Systeme brauchen mehrere Minuten (2-5 min), um einen einzigen Querschnitt in vivo Bild zu erhalten. Ein kompaktes, kostengünstiges, tragbares PLD-PAT-System der ersten Generation bietet eine Einzelquerschnittsgelähmte in vivo-Bildern in 5 s. Im ...

Die photoakustische Computertomographie (PACT/PAT) ist eine vielversprechende, nicht-invasive biomedizinische Bildgebung, die einen reichen optischen Kontrast mit hoher Ultraschallauflösung1,2,3, 4 kombiniert. 5. Wenn ein nanosekundengepulster Laser Energie auf lichtabsorbierende Chromophore ablagert, die in jedem biologischen Gewebe vorhanden sind, steigt die lokale Temperatur an, was zu einer thermoelastischen Ausdehnung und Kontraktion des Gewebes führt, was zur Erzeugung von Druckwellen. Diese Druckwellen werden als Ultraschallwellen oder photoakustische (PA) Wellen bezeichnet, die durch Ultraschallwandler rund um die Probe erkannt werden können. Die erkannten PA-Signale werden mit verschiedenen Rekonstruktionsalgorithmen 6,7, 8,9rekonstruiert,um Querschnittsbilder der PA zu erzeugen. Die Beschallung liefert strukturelle und funktionelle Informationen von makroskopischen Organen bis hin zu mikroskopischen Organellen aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit endogener Chromophores,die im Körper 10 vorkommen. Die PAT-Bildgebungwurdeerfolgreich zur Brustkrebsdetektion 1, Sentinel-Lymphknotenbildgebung11, Abbildung von Oxyhemoglobin (HbO2), Deoxy-Hämoglobin (HbR), Total-Hämoglobin-Konzentration (HbT), Sauerstoffsättigung (SO) eingesetzt. 2) 12 , 13, Tumorangiogenese14, Kleintier-Körper, die15, und andere Anwendungen.
Nd: YAG/OPO Laser sind konventionelle Anregungsquellen für PAT-Systeme der ersten Generation, die in der photoakustischen Gemeinschaft für die Kleintierbildgebung und Tiefengewebe-Bildgebung16 weit verbreitetsind. Diese Laser liefern ~ 100 mJ-Energiepulse bei niedrigen Wiederholungsraten von ~ 10-100 Hz. Die PAT-Bildgebungssysteme, die diese teuren und sperrigen Laser verwenden, sind aufgrund der begrenzten Pulswiederholrate nicht für die Hochgeschwindigkeits-Bildgebung mit Einelement-Ultraschallwandlern (SUTs) geeignet. Dies verhindert die Echtzeitüberwachung physiologischer Veränderungen, die bei hohen Geschwindigkeiten im Tier auftreten. Mit array-basierten Wandlern wie linearen, halbkreisförmigen, kreisförmigen und volumetrischen Arrays mit Nd: YAG-Laseranregung ist eine Hochgeschwindigkeits-Bildgebung möglich. Allerdings sind diese Array-Wandler teuer und bieten geringere Empfindlichkeiten im Vergleich zu SUTs; Dennoch wird die Bildgeschwindigkeit durch die geringe Wiederholungsrate des Lasers begrenzt. Modernste Ein-Impuls-PACT-Systeme mit maßgeschneidertem Vollring-Array-Wandler erhalten die PA-Daten mit 50 Hz-Bildraten17. Diese Array-Wandler benötigen komplexe Backend-Empfangselektronik und Signalverstärker, was das Gesamtsystem teurer und für den klinischen Einsatz schwieriger macht.
Ihre kompakte Größe, der geringere Kostenaufwand und die höhere Pulswiederholrate (KHz) machen gepulste Laserdioden (PLDs) für die Echtzeit-Bildgebung vielversprechender. Aufgrund dieser Vorteile werden PLDs in PAT-Systemen der zweiten Generation aktiv als alternative Anregungsquelle eingesetzt. PLD-basierte PAT-Systeme wurden erfolgreich für die Bildgebungmithoher Bildfrequenz mit Array-Wandlern18,Tiefengewebe und Gehirnbildgebung 19, 20,21, Herz-Kreislauf-Erkrankungen diagnostiziert 22 , und Rheumatologie Diagnose23. Da SUTs im Vergleich zu Array-Wandlern hochempfindlich und kostengünstiger sind, werden sie immer noch ausgiebig für die PAT-Bildgebung verwendet. Das auf Fiber-basiertem PLD-System wurde für die Phantombildgebung24demonstriert. Ein tragbares PLD-PAT-System wurde zuvor durch die Montage der SPD im PAT-Scanner 25 demonstriert. Mit einem SUT-Kreisscanner wurde die Phantombildgebung während der 3 s der Scanzeit durchgeführt, und in vivo rat wurde die Gehirnbildgebungwährendeiner 5-sm-Periode mit diesem PLD-PAT-System 19 durchgeführt.
Darüber hinaus wurden Verbesserungen an diesem PLD-PAT-System vorgenommen, um es kompakter zu machen und ein Desktop-Modell mit acht akustischen Reflektor-basierten Einelement-Ultraschalltransformatoren (SUTRs) 26,27zuerstellen. Hier wurden SUTs mit Hilfe eines 90 °-akustischen Reflektors 28in vertikaler statt horizontalerRichtung platziert. Dieses System kann für Scanzeiten von bis zu 0,5 s und ~ 3 cm Tiefe in der Gewebebildgebung und in vivo Kleintierhirn-Bildgebung eingesetzt werden. In dieser Arbeit wird dieses Desktop-SPD-PAT-System verwendet, um die visuelle Demonstration von Experimenten für in vivo Gehirnbildgebung bei Kleintieren und für die dynamische Visualisierung der Aufnahme und Abfertigung von Food and Drug Administration (FDA)-zugelassenen Indocyanin-zugelassen Grüner (ICG) Farbstoff im Rattenhirn.

<table><tbody><tr><td>12 V Stromversorgung</td><td>Voltcraft</td><td>PPS-11810</td><td>Zur Versorgung mit Betriebsspannung für PLD</td></tr><tr><td>Akustischer Reflektor</td><td>Olympus</td><td>F102</td><td>45-Grad-Reflektor, der zum Ultraschallwandler erweitert</td></tr> wurde <tr><td>Acryl-Wassertank</td><td>NTU Werkstatt</td><td>Sonderanfertigung</td><td>Es wird verwendet, um Wasser zu halten, das als akustisches Kopplungsmedium zwischen Tiergehirn und Detektor fungiert</td></tr><tr><td>Anästhesiemaschine</td><td>Medical plus pte ltd</td><td>Nicht-rebreathing Anästhesiegerät mit Sauerstoffkonzentrator.</td><td>Versorgt Tiere mit Sauerstoff und Isofluran</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>Tierhalter</td><td>NTU-Werkstatt</td><td>Sonderanfertigung</td><td>Wird zum Halten eines Tieres auf dem Bauch verwendet</td></tr><tr><td>Atemmaske</td><td>NTU-Werkstatt</td><td>Sonderanfertigung</td><td>Wird zusammen mit dem Tierhalter verwendet, um dem Tier eine Anästhesiemischung zuzuführen</td></tr><tr><td>Zirkulärer Scanner</td><td>NTU-Werkstatt</td><td>Der kundenspezifische</td><td>Scanner besteht aus einer</td></tr><tr><td>Aluminium-Datenerfassungskarte</td><td>Spectrum</td><td>M2i.4932-exp</td><td>16 Bit, 30 Ms/s, 8 Kanäle, 1 Gs, PCIe</td></tr><tr><td>Datenerfassungssoftware</td><td>National Instruments Corporation,Austin,TX,USA)</td><td>NI LabVIEW 2015 SP1 (32 Bit)</td><td>LabVIEW-basiertes Programm, das in unserem Labor zur Steuerung des Schrittmotors und zur Erfassung der PA-Signale vom Detektor entwickelt</td></tr> wurde <tr><td>Datenverarbeitung Software</td><td>Matlab (Mathworks, Natick, MA, USA)</td><td>Matlab R2015b</td><td>Matlab-Code, der in unserem Labor zur Rekonstruktion von PA-Schnittbildern entwickelt</td></tr> wurde <tr><td>Funktionsgenerator</td><td>RIGOL</td><td>DG1022</td><td>Zur Änderung der Wiederholrate des PLD. Es liefert ein TTL-Signal, um das Datenerfassungssystem mit der Laseranregung zu synchronisieren.</td></tr><tr><td>Rauscharmer Signalverstärker</td><td>Genetron</td><td>Sonderanfertigung mit Mini-Schaltungen, ZFL-500LN-BNC</td><td>Zum Empfangen und Verstärken des PA-Signals von SUTR. Die Verstärkung beträgt 24 dB.</td></tr><tr><td>Optischer Diffusor</td><td>Thorlabs</td><td>DG-120</td><td>Wird verwendet, um den Laserstrahl homogen zu machen</td></tr><tr><td>Gepulste Laserdiode</td><td>Quantel, Frankreich</td><td>QD-Q1924-ILO-WATER</td><td>Es ist die Anregungslaserquelle mit Spezifikationen von 816 nm Wellenlänge, 3,4 mJ pro Pulsenergie, 107 ns Pulsbreite, 2 KHz maximale Impulswiedergaberate, Abmessungen: 13,0 x 7,6 x 5,0 cm</td></tr><tr><td>Ratten</td><td>In Vivos Pte Ltd, Singapur</td><td>NTac:SD, Sprague Dawley / SD</td><td>Hündin, Gewicht 100&plusmn; 10g, Stamm von Ratten: Sprague Dawley, Alter: 4-5 Wochen</td></tr><tr><td>Schrittmotor mit Getriebe</td><td>LIN Engineering (Servo Dynamics)</td><td>Motor: CO-5718L-01P-RO, Getriebe: DPL64/1; Netzteil PW-100-24</td><td>Zum Bewegen des Melderhalters in einer kreisförmigen Geometrie. Drehmoment: 2,08 Nm, Rotor-Trägheit: 2,6 kg-cm2</td></tr><tr><td>Ultraschallgel</td><td>Progress/parker acquasonic gel</td><td>PA-GEL-CLEA-5000</td><td>Klares Ultraschallgel</td></tr><tr><td>Ultraschallwandler</td><td>Olympus</td><td>V309-SU/ U8423013</td><td>Ultraschallsensoren zur photoakustischen Detektion. Zentrale Frequenz 5 MHz, 0,5 Zoll</td></tr><tr><td>Variables Hochspannungsnetzteil</td><td>Elektro-Automatik</td><td>EA-PS 8160-04 T</td><td>Zum Ändern der Laserausgangsleistung</td></tr></tbody></table>

gepulste laser-diode-based desktop photoakustische tomographie für die Überwachung von wash-in und wash-out of dye in rat cortical vasculature

Pulsed Laser Diode-Based Desktop Photoacoustic Tomography for Monitoring Wash-In and Wash-Out of Dye in Rat Cortical Vasculature

Die photoakustische (PA) Bildgebung (PAT) ist eine sich abzeichnende biomedizinische Bildgebung, die in verschiedenen präklinischen und klinischen Anwendungen nützlich ist. Maßgeschneiderte Rundringarögel-basierte Wandler und herkömmliche sperrige Nd: YAG/OPO-Laser hemmen die Übersetzung des PAT-Systems in Kliniken. Ultrakompakt gepulste Laserdioden (PLDs) werden derzeit als alternative Quelle für Infrarot-Anregung in der Nähe von PA-Ableitungen eingesetzt. Die Hochgeschwindigkeitsdynamik in der vivo-Bildgebung wurde mit einem kompakten SPS-basierten Desktop-PAT-System (PLD-PAT) demonstriert. Ein visualisiertes Versuchsprotokoll mit dem Desktop-SPD-PAT-System wird in dieser Arbeit für die dynamische In-vivo-Hirn-Bildgebung bereitgestellt. Das Protokoll beschreibt die Desktop-SPD-PAT-Systemkonfiguration, die Vorbereitung von Tieren für die Gehirn-Gefäß-Bildgebung und das Verfahren zur dynamischen Visualisierung von indocyanine grün (ICG) Farbstoffaufnahme und Räumprozess in Ratte kortikalen Vaskulatur.

Die Potenzialität des beschriebenen Desktop-SPD-PAT-Systems für die Dynamik in der vivo-Hirn-Bildgebung wurde in diesem Protokoll mit entsprechenden Ergebnissen dargestellt. Die Hochgeschwindigkeits-Bildgebung des Desktop-SPD-PAT-Systems wurde durch die Durchführung von in vivo-HGehirnbildgebung von gesunden weiblichen Ratten demonstriert. Die Beschallungssignale wurden mit acht SUTRs gesammelt, die sich in 360 ° und 45 ° um das Rattenhirn mit Scangeschwindigkeiten von 4 s bzw. 0,5 s dreh...

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

Photoacoustic (PA) tomography (PAT) imaging is an emerging biomedical imaging modality useful in various preclinical and clinical applications. ...

Die photoakustische Tomographie (PAT) ist eine mikrogekolastete biomedizinische Bildgebungsmodalität, die sowohl optische als auch Ultraschall-Bildgebung kombiniert, um dynamische Veränderungen in kleinen Tierhirnen zu überwachen. Dies ist ein kostengünstiges, tragbares High-Speed-Bildgebungssystem, das eine Bildgeschwindigkeit von nur einer halben Sekunde verwendet. Demonstriert wird das Verfahren mit Sandeep, ein Doktorand, Dr.Paul, ein Forschungsstipendiat, und Rhonnie, eine wissenschaftliche Assistentin.Beginnen Sie mit der Montage aller Einzelelement-Ultraschallwandler auf jedem Messumformerhalter nacheinander, so dass die Oberfläche jedes akustischen Reflektors in Richtung der Mitte des Scanbereichs zeigt. Verwenden Sie Verbindungskabel, um jedes Geberkabel an den Geräuschpegelsignalverstärker anzuschließen. Schalten Sie die Stromversorgung des Kühlers ein und schalten Sie den Kühlerschalter ein, um die Temperatur zwischen 20 und 25 Grad Celsius einzustellen.Schalten Sie das Niederspannungsnetzteil ein und drehen Sie die Stromsteuerung langsam auf 0,3 Ampere. Stellen Sie die Spannung auf 12 Volt ein und stellen Sie sicher, dass der Strom 0,1 Ampere nicht überschreitet. Schalten Sie das Hochspannungsnetzteil ein und drücken Sie die Voreinstellungstaste, um den Strom auf einen Verstärker und die Spannung auf Null Volt einzustellen.Aktivieren Sie die Ausgangstaste und schalten Sie die Stromversorgung des Funktionsgenerators ein. Drücken Sie die Rückruftaste und wählen Sie eine Konfiguration mit zwei Kilohertz aus, um die Laserpulse bei dieser Wiederholungsrate zu erzeugen. Legen Sie den Acryltank in den Scanner und füllen Sie den Tank mit Wasser, bis die Erfassungsflächen der Messumformer vollständig eingetaucht sind.Schalten Sie dann die Stromversorgung des Geräuschpegel-Signalverstärkers ein. Platzieren Sie die anästhesierte Ratte in der anfälligen Position auf der Werkbank. Nach der Bestätigung eines Mangels an Reaktion auf Zehenkneifung, verwenden Sie einen Haarschneider, um das Fell auf der Kopfhaut zu entfernen.Tragen Sie die Enthaarungscreme vorsichtig auf, um das Fell vollständig von der exponierten Haut zu entfernen, indem Sie einen Wattestäbchen verwenden, um die Creme nach vier bis fünf Minuten zu entfernen. Tragen Sie Salbe auf die Augen des Tieres auf und montieren Sie einen maßgeschneiderten Tierhalter, der mit einer Atemmaske auf einem Laborwagen ausgestattet ist. Platzieren Sie die Ratte in der anfälligen Position auf dem Halter mit dem Kopf, der auf der horizontalen Plattform des Halters ruht.Verwenden Sie chirurgisches Klebeband, um das Tier am Halter zu befestizieren. Klemmen Sie das Pulsoximeter an eine Hintergliedmaße, um seinen physiologischen Zustand zu überwachen. Verwenden Sie einen Baumwoll-Applikator, um eine Schicht farbloses Ultraschallgel auf die Kopfhaut aufzutragen.Passen Sie dann die Position der Laborbuchse in der Mitte des Scanners an. Passen Sie die Höhe der Buchse manuell an, sodass sich die Bildebene in der Mitte des akustischen Reflektors befindet. Nachdem Sie die Parameter in der Datenerfassungssoftware für einen 360-Grad-Erfassungsscan einstellt haben, ermöglichen Sie es dem Funktionsgenerator, die gepulste Laserdiodenlaseremission einzuschalten.Erhöhen Sie langsam die Spannung der variablen Hochspannungsversorgung auf 120 Volt für maximale Pro-Puls-Energie. Führen Sie das Datenerfassungssoftwareprogramm aus, um alle acht Messumformer über eine Scanzeit von vier Sekunden um 360 Grad zu drehen. Deaktivieren Sie den Ausgang des Funktionsgenerators, um die Laseremission auszuschalten.Mit dem Rekonstruktionsalgorithmus in der Datenverarbeitungssoftware ermitteln Sie den Scanradius aller acht Messumformer versuchsweise und fehlerfrei mit dem Rückprojektionsalgorithmus. Stellen Sie die Parameter in der Datenerfassungssoftware für eine 45-Grad-Erfassung über eine Scanzeit von 0,5 Sekunden fest. Aktivieren Sie die Ausgabe des Funktionsgenerators, um die Laseremission einzuschalten.Führen Sie das Datenerfassungssoftwareprogramm aus, um alle acht Messumformer um 45 Grad zu drehen, um die anfänglichen Steuerdaten zu erhalten. Deaktivieren Sie den Ausgang des Funktionsgenerators, um die Laseremission auszuschalten. Als nächstes injizieren Sie 0,3 Milliliter Indocyaningrün in die Schwanzvene der Ratte.Aktivieren Sie die Ausgabe des Funktionsgenerators, um die Laseremission einzuschalten. Führen Sie dann die Datenerfassungssoftware aus, um A-Leitungen über eine Scanzeit von 0,5 Sekunden in einer 45-Grad-Drehung zu erfassen. Verwenden Sie am Ende der Erfassung den Rückprojektionsalgorithmus, um das Querschnittsbild des Gehirns aus den gespeicherten A-Linien zu rekonstruieren.Hier werden Hirnbilder einer 98 Gramm schweren weiblichen Ratte gezeigt, die mit vier- und 0,5-Sekunden-Scangeschwindigkeiten gesammelt wurden. Der sagittale Sinus und der Transfersinus sind in beiden Bildern deutlich sichtbar. Die Fotos zeigen die gleiche Region des Rattenhirns vor und nach dem Entfernen der Kopfhaut.Die photoakustische Tomographie kann die gleiche Visualisierung nicht invasiv mit intakter Haut und Schädel erreichen. In diesem Diagramm können Erhöhungen des durchschnittlichen photoakustischen Signals im sagittalen Sinus aufgrund von Zunahmen und anschließenden Abnahme der optischen Absorption durch Indocyaningrün bei 860 Nanometer Wellenlängen im Laufe der Zeit beobachtet werden. Achten Sie beim Einspritzen des ICG-Farbstoffs in die Schwanzvene des Tieres immer besonders.Dieses kostengünstige Desktop-Photoakustik-Tomographiesystem kann für die dynamische Abbildung von Kleintierhirnvaskulaturen mit hoher spezieller Auflösung bei 0,5 Sekunden Scangeschwindigkeit verwendet werden. Weitere Anwendungen dieses Bildgebungssystems sind hirntumorbildgebung, die Bildgebung verschiedener Organe bei Kleintieren und andere therapeutische Anwendungen.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

Biotechnik

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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...

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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.

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Gepulste Laser-Diode-Based Desktop photoakustische Tomographie für die Überwachung von Wash-In und Wash-Out of Dye in Rat Cortical Vasculature (Video) | JoVE Journal

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