Name: Tomografía fotoacústica de escritorio basada en diodos láser pulsada para monitoreo de lavado y lavado de tinte en rata cortical vasculatura (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-05-30T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 46 s
Description: Aprende tomografía fotoacústica de escritorio con diodos láser pulsados para imagen dinámica in vivo de vasculatura cortical en ratas. Este sistema de bajo costo permite monitorear cambios cerebrales con alta resolución.

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La investigación está respaldada por el Consejo Nacional de investigación médica del Ministerio de salud de Singapur (NMRC/OFIRG/0,005/2016: M4062012). A los autores les gustaría agradecer al Sr. Chow WAI Hoong Bobby por el apoyo de la tienda de máquinas.

Todos los experimentos con animales se realizaron de acuerdo con las pautas y regulaciones aprobadas por el Comité institucional de cuidado y uso de animales de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (número de protocolo animal, ARF-SBS/NIE-A0331).
1. Descripción del sistema
<ol><li>Monte el láser PLD en el escáner circular y Monte el difusor óptico (OD) delante de la ventana de salida PLD para que el haz de salida sea homogéneo, como se muestra en la figura 1A. Conecte el PLD a la unidad de controlador láser (LDU). Nota: el PLD genera pulsos de longitud de onda de ~ 816 nm, pulsos de ~ 107 NS en duración, y hasta una velocidad de repetición de 2 KHz con una energía de pulso máxima de ~ 3,4 mJ. El LDU consiste en enfriador, fuente de alimentación de 12 V, fuente de alimentación variable de alto voltaje para controlar la potencia del láser, y el generador de funciones para cambiar la tasa de repetición de pulso.</li>
	<li>Monte los ocho SUTRs en cada soporte SUTR uno por uno de tal manera que la superficie de cada Reflector acústico se enfrente al centro del área de escaneo, como se muestra en la figura 1B. Conecte cada cable SUTR al amplificador de señal de bajo ruido con la ayuda de cables de conexión. Nota: la frecuencia central del transductor de ultrasonido es de 5 MHz y tiene un área activa de 13 mm de diámetro. Dos amplificadores cada uno de 24 dB de ganancia están conectados en serie para cada canal.</li>
	<li>Encienda la fuente de alimentación del enfriador y, a continuación, encienda el interruptor del enfriador para ajustar la temperatura entre 20 ° c y 25 ° c.</li>
	<li>Encienda el suministro de la fuente de alimentación de baja tensión y gire lentamente el control actual para establecer el límite de corriente en 0,3 a. Fije la tensión a 12 V. Verifique que la corriente no exceda de 0,1 A.</li>
	<li>Encienda el suministro de la fuente de alimentación de alta tensión. Pulse el botón "PRESET" y ajuste la corriente a 1 a y el voltaje a 0 V. Habilite el botón "salida": 0 V/0 A.</li>
	<li>Encienda la fuente de alimentación del generador de funciones. Presione el botón "Recall" y elija una configuración de 2 KHz para generar los pulsos de láser a esta velocidad de repetición.</li>
	<li>Coloque el tanque de acrílico dentro del escáner como se muestra en la figura 1A y llene el tanque con agua de tal manera que la superficie de detección de los SUTRS se sumerja completamente dentro del agua.</li>
	<li>Asegúrese de que todos los SUTRs que detectan superficies están dentro del medio de agua. Encienda la fuente de alimentación del amplificador de señal de bajo ruido.</li>
</ol>2. preparación de animales para la imagen del cerebro de rata
Nota: se utilizaron ratas hembra sanas (ver tabla de materiales) para demostrar el sistema de sobremesa PLD-Pat descrito anteriormente para la creación de imágenes de la vasculatura cortical de animales pequeños.
<ol><li>Sostenga al animal en su espalda al detener el movimiento de la cabeza y el cuerpo. Anestesiar el animal mediante inyección intraperitoneal de una mezcla de 2 mL de ketamina (100 mg/mL), 2 mL de xilazina (20 mg/mL) y 1 mL de solución salina (dosis de 0,2 mL/100 g). Nota: después de la inyección, el dedo del pie del animal es pellizcado para probar cualquier reflejo positivo como movimientos de la pierna o del cuerpo, vocalización, o aumentos marcados en las respiraciones. La ausencia de tales acciones reflejas confirma la anestesitización exitosa del animal.</li>
	<li>Para prevenir la sequedad debida a la anestesia y a la iluminación láser, aplicar con mucho cuidado ungüento de lágrima artificial a los ojos de rata. Coloca el animal en posición propensa en el Banco de trabajo y retira el pelaje del cuero cabelludo del animal usando una podadora y aplica suavemente la crema de depilación al área afeitada y retira la piel por completo.<ol>
<li>Después de 4 – 5 min, retire la crema aplicada usando un hisopo de algodón.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Monte el soporte de animal hecho a medida (ver tabla de materiales) equipado con una mascarilla respiratoria (ver tabla de materiales) en un conector de laboratorio.</li>
	<li>Colocar el animal en posición propensa en el soporte para que la cabeza se apoye en la plataforma horizontal del soporte. Utilice cinta quirúrgica para sujetar el animal al soporte.</li>
	<li>Asegúrese de que la mascarilla cubra la nariz y la boca de la rata para suministrar la mezcla de anestesia. La mascarilla de respiración se personaliza para adaptarse a la ventana de imágenes. 10% del cono de nariz comercialmente disponible se corta y luego se conecta a un pedazo de guante.</li>
	<li>Conecte la mascarilla de respiración a la máquina de anestesia antes de encenditarla.</li>
	<li>Encienda la máquina de anestesia y establezca para entregar la mezcla anestésica que contiene 1,0 L/min de oxígeno con 0,75% isoflurano a la mascarilla de respiración animal.<ol>
<li>Sujete el oxímetro de pulso a una de las patas traseras del animal para monitorear su condición fisiológica.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Aplique una capa de gel de ultrasonido incoloro al cuero cabelludo de la rata utilizando un aplicador con punta de algodón. Ajuste la posición del conector de laboratorio al centro del escáner y ajuste la altura del conector de laboratorio manualmente para que el plano de imagen se sitúe en el centro del reflector acústico.</li>
</ol>3. imágenes dinámicas in vivo del proceso de captación y despacho de ICG en el cerebro de rata
<ol><li>Fije los parámetros en el software de adquisición de datos (ver tabla de materiales) para un escaneo de adquisición de 360 °.</li>
	<li>Encienda la emisión láser PLD habilitando la salida del generador de funciones (se iniciará la emisión láser). A continuación, aumente lentamente el voltaje de la fuente de alimentación variable de alta tensión a 120 V para obtener la máxima energía por pulso.</li>
	<li>Ejecute el programa de adquisición de datos (consulte la tabla de materiales) para rotar los ocho SUTRS en 360 ° durante un tiempo de escaneo de 4 s. Nota: por ejemplo, si los SUTRs se giran para 4S, el PLD ofrece pulsos 8.000 (= 4 x 2.000) y cada SUTR recopila 8000 líneas A. Estas 8.000 a-Lines se reducen a 400 promediando más de 20 señales (después de promediar a-Lines = 8000/20 = 400). Un programa de reconstrucción basado en el algoritmo de retroproyección de retardo y suma se utiliza para averiguar el radio de escaneo de cada SUTR.</li>
	<li>Desactive la salida del generador de funciones para apagar la emisión del láser.</li>
	<li>Utilizando el algoritmo de reconstrucción en el software de procesamiento de datos (ver tabla de materiales) averiguar el radio de escaneo de los ocho SUTRS por ensayo y error, utilizando el algoritmo de retroproyección.</li>
	<li>Fije los parámetros en el software de adquisición de datos (ver tabla de materiales) para la adquisición de 45 ° durante un tiempo de escaneo de 0,5 s. Nota: por ejemplo, si los SUTRs se giran para 0.5 s, el PLD ofrece pulsos 1.000 (= 0,5 x 2.000) y cada SUTR recopila 1000 líneas A. Estas 1.000 a-Lines se reducen a 400 promediando más de 20 señales (después de promediar a-Lines = 1000/20 = 50).</li>
	<li>Habilite la salida del generador de funciones para encender la emisión del láser.</li>
	<li>Ejecute el programa de adquisición de datos (ver tabla de materiales) para rotar los ocho SUTRS en 45 ° para obtener los datos de control iniciales antes de administrar ICG.</li>
	<li>Desactive la salida del generador de funciones para apagar la emisión del láser.</li>
	<li>Identificar la vena de cola del animal e inyectar 0,3 mL de ICG (ver tabla de materiales) (323 μm) en la vena de la cola de la rata.</li>
</ol>4.
Nota: 1,25 mg de ICG en polvo se pesó con una máquina de micropesaje y se mezcló con 5 mL de agua destilada para obtener una concentración de 323 μM para la solución de ICG.
<ol><li>Habilite la salida del generador de funciones para encender la emisión del láser.</li>
	<li>Ejecute el programa de adquisición de datos (ver tabla de materiales) para adquirir líneas a sobre un tiempo de escaneo de 0,5 s en rotación de 45 °.</li>
</ol>5.
Nota: las líneas a adquiridas durante un tiempo de escaneo de 0,5 s se utilizan para generar una imagen de sección transversal. Hay un intervalo de tiempo de ~ 0.4 – 0.6 s entre cada escaneo.
<ol><li>Una vez finalizada la adquisición de datos, utilizando el algoritmo de retroproyección en el software de procesamiento de datos (consulte tabla de materiales), reconstruya la imagen del cerebro de sección transversal de las líneas a guardadas.</li>
	<li>Apague el láser y luego apague la máquina de anestesia, baje el conector de laboratorio y retire el animal del escenario. Devuelva el animal a la jaula y monitoree hasta que recupere la consciencia.</li>
</ol><img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59764/59764fig1.jpg"> Figura 1: esquema del sistema PLD-Pat de escritorio. (A) esquema del escritorio PLD-Pat configurado. PLD: diodo láser pulsado, OD: difusor óptico, SUTR: transductor de ultrasonido de un solo elemento basado en Reflector acústico, AM: máquina de anestesia, CSP: placa de escaneo circular, SM: motor de paso, LDU: unidad de conducción láser, AMP: amplificador, DAQ: tarjeta de adquisición de datos. (B) disposición circular de ocho SUTRS alrededor del centro de escaneo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59764/59764fig1large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</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>
<li>Yao, J., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoacoustic+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Laser+%26+Photonics+Reviews%22%5BJournal%5D)">Photoacoustic microscopy.</a> Laser & Photonics Reviews. 7 (5), 758-778 (2013).</li>
<li>Awasthi, N., Kalva, S. K., Pramanik, M., Yalavarthy, P. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Image+Guided+Filtering+for+Improving+Photoacoustic+Tomographic+Image+Reconstruction%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Optics%22%5BJournal%5D)">Image Guided Filtering for Improving Photoacoustic Tomographic Image Reconstruction.</a> Journal of Biomedical Optics. 23 (9), 091413(2018).</li>
<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>
<li>Pramanik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improving+tangential+resolution+with+a+modified+delay-and-sum+reconstruction+algorithm+in+photoacoustic+and+thermoacoustic+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+the+Optical+Society+of+America%22%5BJournal%5D)">Improving tangential resolution with a modified delay-and-sum reconstruction algorithm in photoacoustic and thermoacoustic tomography.</a> The Journal of the Optical Society of America. 31 (3), 621-627 (2014).</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>Hu, S., Maslov, K., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Second-generation+optical-resolution+photoacoustic+microscopy+with+improved+sensitivity+and+speed%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Second-generation optical-resolution photoacoustic microscopy with improved sensitivity and speed.</a> Optics Letters. 36 (7), 1134-1136 (2011).</li>
<li>Stein, E. W., Maslov, K., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Noninvasive%2C+in+vivo+imaging+of+blood-oxygenation+dynamics+within+the+mouse+brain+using+photoacoustic+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Optics%22%5BJournal%5D)">Noninvasive, in vivo imaging of blood-oxygenation dynamics within the mouse brain using photoacoustic microscopy.</a> Journal of Biomedical Optics. 14 (2), 020502(2009).</li>
<li>Ku, G., Wang, X. D., Xie, X. Y., Stoica, G., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+of+tumor+angiogenesis+in+rat+brains+in+vivo+by+photoacoustic+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Imaging of tumor angiogenesis in rat brains in vivo by photoacoustic tomography.</a> Applied Optics. 44 (5), 770-775 (2005).</li>
<li>Ma, R., Taruttis, A., Ntziachristos, V., Razansky, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multispectral+optoacoustic+tomography+%28MSOT%29+scanner+for+whole-body+small+animal+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Multispectral optoacoustic tomography (MSOT) scanner for whole-body small animal imaging.</a> Optics Express. 17 (24), 21414-21426 (2009).</li>
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<li>Li, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single-impulse+panoramic+photoacoustic+computed+tomography+of+small-animal+whole-body+dynamics+at+high+spatiotemporal+resolution%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Single-impulse panoramic photoacoustic computed tomography of small-animal whole-body dynamics at high spatiotemporal resolution.</a> Nature Biomedical Engineering. 1 (1), 0071(2017).</li>
<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>
<li>Upputuri, P. K., Pramanik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+in+vivo+imaging+of+small+animal+brain+using+pulsed+laser+diode-based+photoacoustic+tomography+system%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Optics%22%5BJournal%5D)">Dynamic in vivo imaging of small animal brain using pulsed laser diode-based photoacoustic tomography system.</a> Journal of Biomedical Optics. 22 (9), 090501(2017).</li>
<li>Upputuri, P. K., Periyasamy, V., Kalva, S. K., Pramanik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+High-performance+compact+photoacoustic+tomography+system+for+in+vivo+small-animal+brain+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">A High-performance compact photoacoustic tomography system for in vivo small-animal brain imaging.</a> Journal of Visualized Experiments. (124), e55811(2017).</li>
<li>Upputuri, P. K., Pramanik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pulsed+laser+diode+based+optoacoustic+imaging+of+biological+tissues%5BTitle%5D)+AND+%22Biomedical+Physics+%26+Engineering+Express%22%5BJournal%5D)">Pulsed laser diode based optoacoustic imaging of biological tissues.</a> Biomedical Physics & Engineering Express. 1 (4), 045010-045017 (2015).</li>
<li>Arabul, M. U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toward+the+detection+of+intraplaque+hemorrhage+in+carotid+artery+lesions+using+photoacoustic+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Optics%22%5BJournal%5D)">Toward the detection of intraplaque hemorrhage in carotid artery lesions using photoacoustic imaging.</a> Journal of Biomedical Optics. 22 (4), (2016).</li>
<li>Daoudi, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Handheld+probe+integrating+laser+diode+and+ultrasound+transducer+array+for+ultrasound%2Fphotoacoustic+dual+modality+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Handheld probe integrating laser diode and ultrasound transducer array for ultrasound/photoacoustic dual modality imaging.</a> Optics Express. 22 (21), 26365-26374 (2014).</li>
<li>Allen, J. S., Beard, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pulsed+near-infrared+laser+diode+excitation+system+for+biomedical+photoacoustic+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Pulsed near-infrared laser diode excitation system for biomedical photoacoustic imaging.</a> Optics Letters. 31 (23), 3462-3464 (2006).</li>
<li>Upputuri, P. K., Pramanik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Performance+characterization+of+low-cost%2C+high-speed%2C+portable+pulsed+laser+diode+photoacoustic+tomography+%28PLD-PAT%29+system%5BTitle%5D)+AND+%22Biomed+Opt+Express%22%5BJournal%5D)">Performance characterization of low-cost, high-speed, portable pulsed laser diode photoacoustic tomography (PLD-PAT) system.</a> Biomed Opt Express. 6 (10), 4118-4129 (2015).</li>
<li>Kalva, S. K., Upputuri, P. K., Pramanik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed%2C+low-cost%2C+pulsed-laser-diode-based+second-generation+desktop+photoacoustic+tomography+system%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Lett%22%5BJournal%5D)">High-speed, low-cost, pulsed-laser-diode-based second-generation desktop photoacoustic tomography system.</a> Optics Lett. 44 (1), 81-84 (2019).</li>
<li>Kalva, S. K., Hui, Z. Z., Pramanik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Calibrating+reconstruction+radius+in+a+multi+single-element+ultrasound-transducer-based+photoacoustic+computed+tomography+system%5BTitle%5D)+AND+%22J+Opt+Soc+Am+A%22%5BJournal%5D)">Calibrating reconstruction radius in a multi single-element ultrasound-transducer-based photoacoustic computed tomography system.</a> J Opt Soc Am A. 35 (5), 764-771 (2018).</li>
<li>Kalva, S. K., Pramanik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Use+of+acoustic+reflector+to+make+compact+photoacoustic+tomography+system%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Optics%22%5BJournal%5D)">Use of acoustic reflector to make compact photoacoustic tomography system.</a> Journal of Biomedical Optics. 22 (2), 026009(2017).</li>
<li>American National Standard for Safe Use of Lasers. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22ANSI+Standard+Z136.1-2007%22">ANSI Standard Z136.1-2007</a>. , NY. (2007).</li>
</ol>

Los autores no tienen intereses financieros relevantes o posibles conflictos de interés para revelar.

Este trabajo presenta un protocolo para utilizar un sistema de sobremesa PLD-PAT para realizar experimentos en animales pequeños como ratas para imágenes cerebrales in vivo y proceso dinámico de captación y despacho de agentes de contraste como ICG. Los costosos y voluminosos sistemas OPO-PAT toman varios minutos (2-5 min) para adquirir una sola imagen transversal in vivo. Un sistema portátil PLD-PAT compacto, de bajo costo y de primera generación, proporciona imágenes de una sola sección transversal in vivo en 5 s. Por ...

La tomografía computarizada fotoacústica (PACT/PAT) es una prometedora modalidad de imagen biomédica no invasiva que combina un rico contraste óptico con una alta resolución de ultrasonidos1,2,3,4, 5. cuando un láser pulsado nanosegundo deposita energía en los cromóforos que absorben la luz presentes dentro de cualquier tejido biológico, los aumentos de temperatura locales conducen a la expansión y contracción termoelástica del tejido, lo que resulta en la generación de ondas de presión. Estas ondas de presión se conocen como ondas de ultrasonido o ondas fotoacústicas (PA), que se pueden detectar mediante transductores de ultrasonido alrededor de la muestra. Las señales PA detectadas se reconstruyen utilizando varios algoritmos de reconstrucción6,7,8,9 para generar imágenes de PA de sección transversal. La imagen de PA proporciona información estructural y funcional de órganos macroscópicos a orgánulos microscópicos debido a la dependencia de la longitud de onda de los cromos endógenos presentes en el interior del cuerpo10. La toma de imágenes PAT se ha utilizado con éxito para la detección de cáncer de mama1, diagnóstico de ganglios linfáticos centinela11, mapeo de oxihemoglobina (HbO2), desoxihemoglobina (HBR), concentración total de hemoglobina (HBT), saturación de oxígeno (SO 2) 12 , 13, angiogénesis tumoral14, imagen del cuerpo entero de un animal pequeño15, y otras aplicaciones.
Los láseres Nd: YAG/OPO son fuentes de excitación convencionales para sistemas PAT de primera generación que son ampliamente utilizados en la comunidad fotoacústica para imágenes de animales pequeños y imágenes de tejidos profundos16. Estos láseres proporcionan ~ 100 mJ pulsos de energía a bajas tasas de repetición de ~ 10-100 Hz. Los sistemas de imágenes PAT que utilizan estos láseres costosos y voluminosos no son adecuados para imágenes de alta velocidad con transductores de ultrasonido de un solo elemento (SUTs), debido a la tasa de repetición de pulso limitada. Esto inhibe la monitorización en tiempo real de los cambios fisiológicos que ocurren a altas velocidades dentro del animal. Utilizando transductores basados en arreglos de discos como matrices lineales, semicirculares, circulares y volumétricas con excitación láser Nd: YAG, es posible la creación de imágenes de alta velocidad. Sin embargo, estos transductores de matriz son caros y proporcionan sensibilidades más bajas en comparación con los SUTs; sin embargo, la velocidad de imagen está limitada por la baja tasa de repetición del láser. Los sistemas PACT de impulso único de vanguardia con transductor de matriz de anillo completo personalizado obtienen los datos de PA a una velocidad de fotogramas de 50 Hz17. Estos transductores de matriz necesitan dispositivos electrónicos de recepción de back-end complejos y amplificadores de señal, lo que hace que el sistema general sea más costoso y difícil para el uso clínico.
Su tamaño compacto, requisitos de menor costo y mayor tasa de repetición de pulsos (orden de KHz) hacen que los diodos láser pulsados (PLDs) sean más prometedores para la creación de imágenes en tiempo real. Debido a estas ventajas, los PLD se utilizan activamente como fuente de excitación alternativa en sistemas PAT de segunda generación. Los sistemas Pat basados en PLD se han demostrado con éxito para imágenes de alta velocidad de fotogramas utilizando transductores de matriz18, imágenes de tejido profundo y de cerebro19,20,21, diagnóstico de enfermedades cardiovasculares22 , y el diagnóstico de Reumatología23. Como los SUTs son altamente sensibles y menos costosos en comparación con los transductores de matriz, todavía se utilizan extensivamente para la toma de imágenes PAT. Se ha demostrado el sistema PLD basado en fibra para imágenes fantasma24. Un sistema portátil PLD-PAT se ha demostrado previamente mediante el montaje del PLD dentro del escáner PAT25. Con un escáner circular SUT, la imagen fantasma se realizó durante 3 s de tiempo de escaneo, y la imagen del cerebro de rata in vivo se realizó durante un período de 5 s usando este sistema PLD-PAT19.
Además, se han realizado mejoras en este sistema PLD-Pat para hacerla más compacta y crear un modelo de escritorio utilizando ocho transductores de ultrasonido de un solo elemento basados en Reflector acústico (SUTRS)26,27. Aquí, los SUTs fueron colocados en una dirección vertical en lugar de horizontal con la ayuda de un reflector acústico de 90° 28. Este sistema se puede emplear para tiempos de escaneo de hasta 0,5 s y ~ 3 cm de profundidad en imágenes de tejidos e imágenes cerebrales de animales pequeños in vivo. En este trabajo, este sistema de sobremesa PLD-Pat se utiliza para proporcionar la demostración visual de los experimentos para la imagen cerebral in vivo en animales pequeños y para la visualización dinámica de la captación y el proceso de despacho de la administración de alimentos y medicamentos (FDA)-indocianina aprobado tinte verde (ICG) en cerebros de rata.

<table><tbody><tr><td>Fuente de alimentación de 12 V</td><td>Voltcraft</td><td>PPS-11810</td><td>Para suministrar voltaje de funcionamiento para PLD</td></tr><tr><td>Reflector acústico</td><td>Olympus</td><td>F102</td><td>Reflector de 45 grados aumentado al transductor de ultrasonidos</td></tr><tr><td>Tanque de agua acrílica</td><td>Taller NTU Hecho</td> a <td>medida</td><td>Se utiliza para retener agua que actúa como medio de acoplamiento acústico entre el cerebro del animal y el detector</td></tr><tr><td>Máquina</td> <td>anestésica</td><td>Máquina de anestesia sin reinhalación Medical plus pte ltd con concentrador de oxígeno.</td><td>Suministra oxígeno e isoflurano a los animales</td></tr><tr><td>Distribuidor de animales</td><td>In Vivos Pte Ltd, Singapur</td><td></td><td>Distribuidor de animales que suministra animales pequeños con fines de investigación</td></tr><tr><td>Taller de soporte para animales</td><td>NTU Hecho</td><td>a medida</td><td>Se utiliza para sujetar al animal en su abdomen</td></tr><tr><td>Máscara de respiración</td><td>Taller de NTU</td><td>Hecho a medida</td><td>Se utiliza junto con el soporte para animales para suministrar la mezcla de anestesia al animal</td></tr><tr><td>Escáner circular</td><td>Taller</td> <td>de NTUEl escáner hecho a medida</td><td>está hecho de aluminio</td></tr><tr><td>DAQ (adquisición de datos)</td><td>Espectro</td> de tarjeta <td>M2i.4932-exp</td><td>16 bits, 30 Ms/s, 8 canales, 1 Gs,</td></tr> software de adquisición de datos PCIe <tr><td></td><td>National Instruments Corporation, Austin, TX, EE. UU.)</td> <td>NI LabVIEW 2015 SP1 (32 bits)</td> <td>Programa basado en LabVIEW desarrollado en nuestro laboratorio para controlar el motor paso a paso y adquirir los sencillos de PA del detector</td></tr><tr><td>Procesamiento de datos software</td><td>Matlab (Mathworks, Natick, MA, USA)</td><td>Matlab R2015b</td><td>Código Matlab desarrollado en nuestro laboratorio para la reconstrucción de imágenes transversales de PA</td></tr><tr><td>Generador de funciones</td><td>RIGOL</td><td>DG1022</td><td>Para cambiar la tasa de repetición del PLD. Proporcionará una señal TTL para sincronizar el DAQ con la excitación del láser.</td></tr><tr><td>Amplificador de señal de bajo ruido</td><td>Genetron</td><td>Hecho a medida mediante minicircuitos, ZFL-500LN-BNC</td><td>Para recibir y amplificar la señal de PA de SUTR. Su ganancia es de 24 dB.</td></tr><tr><td>Difusor óptico</td><td>Thorlabs</td><td>DG-120</td><td>Se utiliza para hacer que el rayo láser sea homogéneo</td></tr><tr><td>Diodo láser pulsado</td><td>Quantel, Francia</td><td>QD-Q1924-OIT-WATER</td><td>Es la fuente láser de excitación con especificaciones de longitud de onda de 816 nm, 3,4 mJ por energía de pulso, ancho de pulso de 107 ns, tasa máxima de repetición de pulso de 2 KHz, dimensiones: 13.0 x 7.6 x 5.0 cm</td></tr><tr><td>Ratas</td><td>In Vivos Pte Ltd, Singapur</td><td>NTac: SD, Sprague Dawley / SD</td><td>Mujer, peso 100 y más; 10 g, cepa de ratas: Sprague Dawley, edad: 4-5 semanas</td></tr><tr><td>Motor paso a paso con caja de cambios</td><td>LIN Engineering (Servo Dynamics)</td><td>Motor: CO-5718L-01P-RO, Caja de cambios: DPL64/1; Fuente de alimentación PW-100-24</td><td>Para mover el soporte del detector en una geometría circular. Par de apriete: 2,08 N-m, Inercia del rotor: 2,6 kg-cm2</td></tr><tr><td>Gel de ultrasonidos</td><td>Progress/parker acquasonic gel</td><td>PA-GEL-CLEA-5000</td><td>Gel de ultrasonidos transparente</td></tr><tr><td>Transductor de ultrasonidos</td><td>Olympus</td><td>V309-SU/ U8423013</td><td>Sensores ultrasónicos utilizados para la detección fotoacústica. Frecuencia central 5 MHz, 0,5 in</td></tr><tr><td>Fuente de alimentación variable de alta tensión</td><td>Elektro-Automatik</td><td>EA-PS 8160-04 T</td><td>Para cambiar la potencia de salida del láser</td></tr></tbody></table>

tomografía fotoacústica de escritorio basada en diodos láser pulsada para monitoreo de lavado y lavado de tinte en rata cortical vasculatura

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

Las imágenes por tomografía fotoacústica (PA) son una modalidad de imagen biomédica emergente útil en diversas aplicaciones preclínicos y clínicas. Los transductores circulares basados en matrices de anillo circular y los láseres de gran volumen convencionales Nd: YAG/OPO inhiben la traducción del sistema PAT a las clínicas. Los diodos láser pulsados ultracompactos (PLDs) se están utilizando actualmente como una fuente alternativa de excitación de infrarrojo cercano para imágenes de PA. La imagen dinámica in vivo de alta velocidad se ha demostrado utilizando un sistema de sobremesa PAT compacto basado en PLD (PLD-PAT). Un protocolo experimental visualizado utilizando el sistema de sobremesa PLD-PAT se proporciona en este trabajo para imágenes cerebrales dinámicas in vivo. El protocolo describe la configuración del sistema PLD-PAT de sobremesa, la preparación de animales para la imagen vascular cerebral y el procedimiento para la visualización dinámica de la captación y el proceso de aclaramiento de verde indoyanino (ICG) en la vasculatura cortical de rata.

La potencialidad del sistema de sobremesa PLD-PAT descrito para la imagen cerebral dinámica in vivo ha sido exhibida en este protocolo con los resultados correspondientes. La capacidad de imagen de alta velocidad del sistema de sobremesa PLD-PAT se demostró mediante la realización de imágenes cerebrales in vivo de ratas hembra sanas. Las señales PA fueron recolectadas usando ocho SUTRs girando en 360 ° y 45 ° alrededor del cerebro de la rata a velocidades de escaneo de 4 s y 0,5 s, respec...

Se ha demostrado un sistema compacto de tomografía fotoacústica de sobremesa (PLD-PAT) basado en diodos láser pulsado para obtener imágenes dinámicas in vivo de alta velocidad de la vasculatura cortical de animales pequeños.

Tomografía fotoacústica de escritorio basada en diodos láser pulsada para monitoreo de lavado y lavado de tinte en rata cortical vasculatura

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

La tomografía fotoacústica, o PAT, es una modalidad de imagen biomédica híbrida por imágenes, que combina imágenes ópticas y de ultrasonido para monitorear los cambios dinámicos en cerebros de animales pequeños. Este es un sistema de imágenes de alta velocidad portátil y rentable que utiliza una velocidad de imagen tan corta como medio segundo. Demostrar el procedimiento con Sandeep será Praveen, un estudiante de doctorado, el Dr.Paul, un investigador, y Rhonnie, un asistente de investigación.Comience montando todos los transductores de ultrasonido de un solo elemento en cada soporte del transductor de uno en uno, de modo que la superficie de cada reflector acústico mira hacia el centro del área de escaneo. Utilice cables de conexión para conectar cada cable de transductor al amplificador de señal de bajo ruido. Encienda la fuente de alimentación del enfriador y encienda el interruptor del enfriador para ajustar la temperatura entre 20 y 25 grados centígrados.Encienda la fuente de alimentación de baja tensión y gire lentamente el control de corriente a 0,3 amperios. Ajuste la tensión a 12 voltios y verifique que la corriente no exceda 0.1 amperios. Encienda la fuente de alimentación de alto voltaje y pulse el botón preestablecido para ajustar la corriente a un amplificador y el voltaje a cero voltios.Active el botón de salida y encienda la fuente de alimentación del generador de funciones. Pulse el botón de recuperación y seleccione una configuración de dos kilohercios para generar los pulsos láser a esta velocidad de repetición. Coloque el tanque de acrílico dentro del escáner y llene el tanque con agua hasta que las superficies de detección de los transductores estén completamente sumergidas.A continuación, encienda la fuente de alimentación del amplificador de señal de bajo ruido. Coloque la rata anestesiada en la posición propensa en el banco de trabajo. Después de confirmar la falta de respuesta al pellizco del dedo del dedo del de la parte delfín, usa una recortadora de cabello para eliminar el pelaje del cuero cabelludo.Aplica suavemente crema depilatoria para eliminar el pelaje completamente de la piel expuesta usando un hisopo de algodón para eliminar la crema después de cuatro a cinco minutos. Aplique un ung ón en los ojos del animal y monte un soporte de animal hecho a medida equipado con una máscara de respiración en un gato de laboratorio. Coloque la rata en la posición propensa sobre el soporte con la cabeza apoyada en la plataforma horizontal del soporte.Utilice cinta quirúrgica para fijar el animal al soporte. Sujete el oxímetro de pulso a una extremidad posterior para monitorear su condición fisiológica. Usa un aplicador con punta de algodón para aplicar una capa de gel de ultrasonido incoloro en el cuero cabelludo.A continuación, ajuste la posición del conector de laboratorio al centro del escáner. Ajuste la altura del gato manualmente para que el plano de imagen esté en el centro del reflector acústico. Después de configurar los parámetros en el software de adquisición de datos para un escaneo de adquisición de 360 grados, habilite la salida del generador de funciones para encender la emisión láser de diodo láser pulsado.Aumente lentamente el voltaje de la fuente de alimentación de alto voltaje variable a 120 voltios para obtener el máximo de energía por pulso. Ejecute el programa de software de adquisición de datos para rotar los ocho transductores 360 grados durante un tiempo de escaneo de cuatro segundos. Desactive la salida del generador de funciones para desactivar la emisión láser.Utilizando el algoritmo de reconstrucción en el software de procesamiento de datos, determine el radio de escaneo de los ocho transductores por ensayo y error, utilizando el algoritmo de retroproyección. Establezca los parámetros en el software de adquisición de datos para una adquisición de 45 grados durante un tiempo de escaneo de 0,5 segundos. Habilite la salida del generador de funciones para encender la emisión láser.Ejecute el programa de software de adquisición de datos para rotar los ocho transductores 45 grados para obtener los datos de control iniciales. Desactive la salida del generador de funciones para desactivar la emisión láser. A continuación, inyectar 0,3 mililitros de color verde indocyanina en la vena de la cola de la rata.Habilite la salida del generador de funciones para encender la emisión láser. A continuación, ejecute el software de adquisición de datos para adquirir líneas A durante un tiempo de escaneo de 0,5 segundos en una rotación de 45 grados. Al final de la adquisición, utilice el algoritmo de retroproyección para reconstruir la imagen cerebral de sección transversal a partir de las líneas A guardadas.Aquí, se muestran imágenes cerebrales de una rata hembra de 98 gramos, recogidas a velocidades de escaneo de cuatro y 0,5 segundos. El seno sagital y el seno de transferencia son claramente visibles en ambas imágenes. Las fotografías muestran la misma región del cerebro de la rata antes y después de extirpar el cuero cabelludo.Las imágenes por tomografía fotoacústica pueden lograr la misma visualización de forma no invasiva con la piel y el cráneo intactos. En esta gráfica, aumenta la señal fotoacústica media en el seno sagital debido a aumentos y posteriormente disminuye en la absorción óptica por verde indocyanina a 860 longitudes de onda nanómetros con el tiempo se pueden observar. Tenga siempre especial cuidado al inyectar el tinte ICG en la vena de la cola del animal.Este sistema de tomografía fotoacústica de escritorio de bajo costo se puede utilizar para la toma de imágenes dinámicas de pequeñas vasculaturas cerebrales de animales con alta resolución especial a 0,5 segundos de velocidad de exploración. Otras aplicaciones de este sistema de diagnóstico por imágenes incluyen imágenes de tumores cerebrales, imágenes de diferentes órganos en animales pequeños y otras aplicaciones terapéuticas.

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