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Article de méthode

Un système de tomographie photoacoustique compacte haute performance pour

10.3K vues

⸱

DOI :

10.3791/55811

⸱

21 juin 2017

 ,  ,  , 
1School of Chemical and Biomedical Engineering, Nanyang Technological University

Dans cet article

Résumé

Un système compacte de tomographie photo-acoustique à base de diode à laser pulsé (PLD-PAT) pour l'imagerie cérébrale à grande vitesse in vivo chez les petits animaux est démontré.

Résumé

L' imagerie animale chez les petits animaux a un rôle important à jouer dans les études précliniques. La tomographie photoacoustique (PAT) est une modalité d'imagerie hybride émergente qui présente un grand potentiel pour les applications précliniques et cliniques. Les systèmes PAT (OPO-PAT) basés sur les oscillateurs paramétriques optiques classiques sont volumineux et coûteux et ne peuvent pas fournir une image haute vitesse. Récemment, les diodes à laser pulsé (PLD) ont été démontrées avec succès comme une source d'excitation alternative pour PAT. La diode laser à impulsions PAT (PLD-PAT) a été démontrée avec succès pour l'imagerie à grande vitesse sur des fantômes photoacoustiques et des tissus biologiques. Ce travail fournit un protocole expérimental visualisé pour l'imagerie cérébrale in vivo en utilisant PLD-PAT. Le protocole comprend la configuration compacte du système PLD-PAT et sa description, la préparation des animaux pour l'imagerie cérébrale et une procédure expérimentale typique pour l'imagerie cérébrale de rat à 2D en coupe transversale. Le système PLD-PAT est compact et coûteuxEfficace et peut fournir une image haute vitesse et de haute qualité. Les images du cerveau recueillies in vivo à différentes vitesses de balayage sont présentées.

Introduction

La tomographie photoacoustique (PAT) est une modalité d'imagerie hybride qui a de nombreuses applications dans les études cliniques et précliniques 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . En PAT, les impulsions laser à la nanoseconde irradient le tissu biologique. L'absorption de la lumière incidente par les chromophores des tissus conduit à une élévation de la température locale, qui donne alors des ondes de pression émises sous forme d'ondes sonores. Un détecteur d'ultrasons collecte les signaux photoacoustiques à diverses positions autour de l'échantillon. Les signaux photoacoustiques (PA) sont reconstruits en utilisant différents algorithmes (comme un algorithme de retard et de somme) 6 pour générer l'image photoacoustique.

Cette modalité d'imagerie hybride offre une image haute résolution et des tissus profonds et un contraste d'absorption optique élevé 7 ,Class = "xref"> 8. Récemment, une profondeur d'imagerie de ~ 12 cm 9 a été obtenue dans le tissu de poitrine de poulet à l'aide d'une longueur d'onde plus longue (~ 1 064 nm) et d'un agent de contraste exogène appelé phosphate de phtalocyanine. Cette sensibilité à la profondeur est beaucoup plus élevée que la sensibilité de profondeur d'autres méthodes optiques, telles que la microscopie de fluorescence confocale, la microscopie à fluorescence à deux photons, la tomographie par cohérence optique 10 , 11, etc. En utilisant plus d'une longueur d'onde, PAT peut démontrer des changements structurels et fonctionnels dans les organes . Pour de nombreuses maladies humaines, les modèles de petits animaux ont été bien établis 12 , 13 , 14 , 15 . Pour l'imagerie des petits animaux, plusieurs modalités ont été démontrées. Sur toutes ces approches, l'imagerie PA a rapidement attiré l'attention en raison des avantages mentionnés ci-dessus. PennsylvanieT a montré son potentiel pour imager les vaisseaux sanguins dans les tissus et les organes ( c.-à-d., Le cœur, les poumons, le foie, les yeux, la rate, le cerveau, la peau, la moelle épinière, les reins, etc. ) des petits animaux 4 , 16 , 17 , 18 . PAT est une modalité bien établie pour l'imagerie cérébrale des petits animaux. Les ondes PA sont produites en raison de l'absorption de la lumière par les chromophores, de sorte que le PAT à longueur d'onde multiple permet la cartographie de la concentration totale d'hémoglobine (HbT) et de la saturation en oxygène (SO 2 ) 19 , 20 , 21 , 22 . L'imagerie neurovasculaire du cerveau a été réalisée à l'aide d'agents de contraste exogènes 12 , 23 , 24 . La modalité de PA peut aider à mieux comprendre la santé du cerveau parFournissant des informations aux niveaux moléculaire et génétique.

Pour l'imagerie des petits animaux, les lasers Nd: YAG / OPO sont largement utilisés comme sources d'excitation PAT. Ces lasers fournissent des impulsions infrarouges proches de ~ 5 ns avec de l'énergie (~ 100 mJ à la fenêtre de sortie OPO) à un taux de répétition de ~ 10 Hz 25 . Le système de PA équipé de ces lasers est coûteux et volumineux et permet l'imagerie à basse vitesse avec des transducteurs à ultrasons à un seul élément (UST) en raison du faible taux de répétition de la source laser. Un temps typique d'acquisition de ligne A dans de tels systèmes de PA est de ~ 5 min par section transversale 25 . Un système d'imagerie avec un temps de mesure si long n'est pas idéal pour l'imagerie des petits animaux, car il est difficile de contrôler les paramètres physiologiques pour l'imagerie corporelle complète, l'imagerie fonctionnelle résolue dans le temps, etc. En adoptant plusieurs UST à un seul élément, Ou un laser à haute répétition, il est possible d'augmenter la vitesse d'imagerie de PASystèmes. L'utilisation d'un seul UST à un seul élément pour collecter tous les signaux PA autour de l'échantillon limitera la vitesse d'imagerie du système. Plusieurs UST à un seul élément disposés en géométrie circulaire ou semi-circulaire sont démontrés pour des techniques d'imagerie haute vitesse et très sensibles. Les UST 26 basés sur les tableaux, tels que les tableaux linéaires, semi-circulaires, circulaires et volumétriques, ont été utilisés avec succès pour l'imagerie en temps réel 1 . Ces UST basés sur le tableau augmentent la vitesse d'imagerie et réduisent la sensibilité à la mesure, mais ils coûtent cher. Cependant, la vitesse d'imagerie des systèmes PA qui utilisent des UST basées sur le tableau est encore limitée par le taux de répétition du laser.

La technologie laser pulsée est avancée pour produire des diodes laser pulsées à haute répétition (PLD). 7 000 images / s L'imagerie photoacoustique B-scan a été démontrée avec des PLD utilisant une plate-forme d'échographie clinique 27 . De tels PLD peuvent améliorer la vitesse d'imagerie deE système PAT, même avec une géométrie de balayage circulaire UST à un seul élément. Les UST à un élément sont moins coûteux et très sensibles, contrairement aux UST basés sur les tableaux. Au cours de la dernière décennie, peu de recherches ont été rapportées sur l'utilisation de PLD à taux de répétition élevé comme source d'excitation pour l'imagerie PA. Un PLD à proximité d'infrarouge à base de fibres a été démontré pour l'imagerie PA de fantômes 28 . L'imagerie in vivo des vaisseaux sanguins à une profondeur de ~ 1 mm au-dessous de la peau humaine a été démontrée en utilisant des PLD à faible énergie 29 . Un microscope photoacoustique à résolution optique PLD (ORPAM) a été signalé. En utilisant des PLD, une image profonde de ~ 1,5 cm à une cadence de 0,43 Hz a été démontrée 30 . Très récemment, un système PLD-PAT a été signalé qui a fourni des images aussi courtes que ~ 3 s et à une profondeur d'imagerie de ~ 2 cm dans un tissu biologique 25 , 31 . Cette étude a prouvé qu'un tel système compact et peu coûteux peut fournir une qualité élevéeLite images, même à grande vitesse. Le système PLD-PAT peut être utilisé pour l'imagerie photoacoustique à haute cadence (7 000 images par seconde), l'imagerie des vaisseaux sanguins, l'imagerie des doigts, l'imagerie tissulaire de 2 cm de profondeur, l'imagerie cérébrale des petits animaux, etc. La longueur d'onde unique et Les impulsions à faible impulsion d'énergie de PLD limitent son application à l'imagerie multi-spectrale et à tissus profonds. Des expériences ont été réalisées sur de petits animaux utilisant le même système PLD-PAT utilisé pour des applications précliniques. Le but de ce travail est de fournir la démonstration expérimentale expérimentée du système PLD-PAT pour l'imagerie cérébrale en 2D in vivo in vivo de petits animaux.

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Protocole

Toutes les expériences sur les animaux ont été réalisées conformément aux directives et aux règlements approuvés par le Comité institutionnel pour les soins et l'utilisation des animaux de l'Université technologique de Nanyang, Singapour (numéro de protocole animal ARF-SBS / NIE-A0263).

1. Description du système

  1. Monter le PLD à l'intérieur du scanner circulaire, comme le montre la figure 1a . Connectez le PLD à l'unité de pilote laser (LDU).
    REMARQUE: Le PLD fournit des impulsions ~ 136-n à une longueur d'onde de ~ 803 nm, avec une énergie d'impulsion maximale de ~ 1,42 mJ et un taux de répétition allant jusqu'à 7 kHz. L'unité de commande laser (LDU) comprend: un contrôleur de température, une alimentation électrique variable, une alimentation (12 V) et un générateur de fonctions; Voir la table des matières. L'alimentation variable est utilisée pour contrôler la puissance du laser, et le générateur de fonctions est utilisé pour modifier le taux de répétition du PLD.
  2. Allumez le laser PLD. Réglez le taux de répétition PLD à "7,000" HZ en utilisant le générateur de fonctions dans le LDU. Augmenter l'énergie de la impulsion à 1,42 mJ en réglant la tension de l'alimentation variable à "3.1" V.
  3. Monter le diffuseur optique (OD) devant la fenêtre de sortie PLD pour rendre le faisceau de sortie homogène, comme le montre la figure 1a .
    REMARQUE: Utilisez un diffuseur avec un grain fin ( c. -à-d. Un vernis de 1.500 grains).
  4. Montez l'UST focalisé sur le support de l'UST, de sorte qu'il soit en face du centre de la zone de balayage, comme le montre la figure 1a .
    NOTE: La fréquence centrale de l'UST est de 2,25 MHz, et la longueur focale est de 1,9 pouce.
  5. Placez le détecteur d'ultrasons à l'intérieur du réservoir en acrylique, comme le montre la figure 1a . Remplissez le réservoir d'eau de sorte que l'UST soit totalement immergé.
    REMARQUE: Un milieu d'eau est utilisé pour coupler le signal photoacoustique du cerveau (échantillon) à l'UST. Un réservoir d'eau acrylique (WT, voir la Table des matériaux) était personnalisé- conçu pour l'imagerie des petits animaux. Le schéma de la conception du réservoir d'eau est représenté sur la figure 1b .
  6. Vérifiez le signal PA de l'échantillon à l'aide d'un émetteur / récepteur (PRU, voir la Table des matériaux ).
    REMARQUE: ces signaux ont été numérisés par une carte DAQ 12 bits (voir la table des matières ) à une fréquence d'échantillonnage de 100 MS / s et ont été enregistrés sur un ordinateur.

2. Préparation animale pour l'imagerie cérébrale de rat

REMARQUE: Le système PLD-PAT décrit ci-dessus a été démontré pour l'imagerie du cerveau des petits animaux. Pour ces expériences, des rats femelles en bonne santé (voir le tableau des matériaux ) ont été utilisés.

  1. Anesthésier l'animal par injection intrapéritonéale d'un cocktail de 2 mL de kétamine, 1 mL de xylazine et 1 mL de solution saline (dosage de 0,2 mL / 100 g).
  2. Retirer la fourrure sur le cuir chevelu de l'animal à l'aide d'un coupe-cheveux. Appliquer délicatement la crème d'épilation au raséZone pour l'épuisement de la fourrure.
    1. Enlevez la crème appliquée après 4 à 5 minutes à l'aide d'un coton-tige.
    2. Appliquer la pommade artificielle aux yeux de l'animal pour éviter la sécheresse due à l'anesthésie et à l'éclairage laser.
  3. Montez le support d'animal sur mesure (voir le tableau des matériaux ) équipé d'un masque respiratoire (voir la table des matières ) sur une prise de laboratoire.
  4. Placez l'animal en position inclinée sur le support. Fixez-le au support à l'aide d'un ruban chirurgical pour éviter le mouvement de l'animal pendant l'imagerie.
  5. Assurez-vous que le masque respiratoire recouvre le nez et la bouche du rat pour délivrer l'anesthésie inhalée.

3. In Vivo Rat Brain Imaging

  1. Connectez le masque de respiration à la machine d'anesthésie. Allumez la machine anesthésique et installez-la pour fournir 1,0 L / min d'oxygène avec 0,75% d'isoflurane.
    1. Serrer l'oxymètre de poulsS pour surveiller l'état physiologique de l'animal.
  2. Appliquer une couche de gel ultrason incolore sur le cuir chevelu du rat. Réglez la position du laboratoire au centre du scanner. Le masque de respiration est personnalisé en fonction de la fenêtre d'imagerie. 10% du cône du nez disponible dans le commerce est coupé puis relié à un morceau de gant.
    1. Réglez la hauteur de la prise de laboratoire manuellement afin que le plan d'imagerie soit au centre de l'UST.
  3. Définissez les paramètres dans le logiciel d'acquisition de données (voir la table des matières) au besoin. Exécutez le logiciel logiciel d'acquisition de données pour commencer l'acquisition ( c.-à-d. L' imagerie).
    REMARQUE: Le programme sert à faire pivoter l'UST et à collecter les signaux de la ligne A-line. Les lignes A collectées seront enregistrées sur l'ordinateur.
  4. Observez l'animal pendant toute la durée de l'imagerie et passez à la reconstruction du PAT après que l'imagerie est terminée.
  5. Une fois l'acquisition de données terminée,Reconstruire l'image du cerveau en coupe transversale à partir des lignes A en utilisant le programme de reconstruction.
  6. Éteignez le système d'anesthésie, éliminez l'animal de la scène, renvoyez-le dans sa cage et surveillez-le jusqu'à ce qu'il récupère la conscience.
    REMARQUE: Par exemple, si l'UST est tourné pendant 5 s, le PLD délivre 35 000 (= 5 x 7 000) impulsions et l'UST collecte 35 000 lignes A. Les 35 000 lignes A sont réduites à 500 par une moyenne de plus de 70 signaux (après la moyenne des lignes A = 35 000/70 = 500). La figure 1c illustre l'illumination des impulsions laser et la collection A-line. Un programme de reconstruction basé sur un algorithme de rétroprojection de retard et de somme devrait être utilisé.

figure-protocol-1
Figure 1: schémas du système PLD-PAT. (A) Schéma du PLD-PAT. PLD: diode à laser pulsé, CSP: circuitPlaque de balayage, AM: machine d'anesthésie, M: moteur, MPU: unité de poulie de moteur, LDU: unité de pilote laser, PRU: unité de pulsation / récepteur, UST: transducteur à ultrasons, WT: réservoir d'eau, PF: film polymère et DAQ: Carte d'acquisition de données. ( B ) Schéma du réservoir d'eau, vue de dessus (1) et vue en coupe transversale (2) pour l'imagerie cérébrale animale animale in vivo . A: vis métrique, B: plaque annulaire acrylique, C: anneau "O" en silicone, D: 100 μm d'épaisseur, couvercle en polyéthylène transparent. Le réservoir avait un trou de 9 cm de diamètre à son fond et a été scellé avec une membrane en polyéthylène ultrasonique et optiquement transparente de 100 μm d'épaisseur. ( C ) Schéma de l'illumination des impulsions laser à partir des lignes PLD et A, collecte dans un temps de balayage continu de 5 s. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

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Résultats

Les résultats d'imagerie cérébrale in vivo qui démontrent les capacités du système PLD-PAT décrit sont présentés dans cette section. Pour démontrer les capacités d'imagerie à grande vitesse du système PLD-PAT, l'imagerie cérébrale in vivo de deux rats sains différents a été réalisée. La figure 2 montre les images cérébrales d'un rat femelle (93 g) à diverses vitesses de balayage. Les figures 2a ...

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Discussion

Ce travail présente un protocole pour effectuer une imagerie cérébrale in vivo sur des rats en utilisant un système PLD-PAT. Le protocole comprend une description détaillée du système d'imagerie et son alignement, ainsi qu'une illustration de l'imagerie cérébrale chez les rats. Les systèmes PAT existants basés sur OPO sont coûteux et volumineux et peuvent fournir une image en coupe transversale en 5-10 min. Le système PLD-PAT est compact, portable et peu coûteux et peut fournir des images de bonne q...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n'ont pas d'intérêt financier pertinent dans le manuscrit et aucun autre conflit d'intérêt potentiel à divulguer.

Remerciements

La recherche est soutenue par la subvention de niveau 2 financée par le ministère de l'Éducation à Singapour (ARC2 / 15: M4020238) et le Conseil national de recherches médicales du ministère de la Santé de Singapour (NMRC / OFIRG / 0005/2016: M4062012). Les auteurs souhaitent remercier M. Chow Wai Hoong Bobby pour l'aide de l'atelier de mécanique.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Diode laser pulséeQuantel, FranceQD-Q1910-SA-TECIl s’agit de la source laser d’excitation avec spécifications 803 nm, 1,4 mJ par impulsion, impulsion 136 ns, 7 kHz maximum, dimensions : 11,0 x 6,0 x 3,6 cm, poids : ~150 g
Moteur pas à pas avec boîte de vitessesLIN Engineering (Servo Dynamics)Moteur : CO-5718-01P, Boîte de vitesses : DPL64/1, I = 10 pour NEMA 23 ; alimentation PW100-48Pour déplacer le support du détecteur dans une géométrie circulaire. Couple : 2,08 N-m, Inertie du rotor : 2,6 kg-cm2
Émetteur/récepteur à ultrasonsOlympus5072PRPour recevoir, filtrer et amplifier le signal PA de l’UST. Sa bande passante est de 35 MHz et son gain est de ± ; 59 dB.
Sonde à ultrasonsOlympusV306-SU-NK-CF1.9IN/Q4200069Capteurs à ultrasons utilisés pour la détection photoacoustique. Fréquence centrale 2,25 MHz, 0,5 po, mise au point cylindrique 1,9 pouce
PCIe DAQ (acquisition de données) CarteGaGeCSE4227/ A6000610/B0E0061012 bits, 100 Ms/s, 2 canaux, 1 Gs sur la mémoire intégrée, interface PCIe x16
RatsIn Vivos Pte Ltd, SingapourNTac :SD, Sprague Dawley / SDFemelle, poids 100 ± ;
Réservoir d’eau acrylique 10g  ;Atelier NTUSur mesureIl contient l’eau qui agit comme un milieu de couplage acoustique entre le cerveau et le détecteur
Scanner circulaire.sur mesurel’atelier NTUest fabriqué en aluminium.
Appareil d’anesthésiemédical plus pte ltdAppareil d’anesthésie sans respiration avec concentrateur d’oxygène.Fournit de l’oxygène et de l’isoflurane à l’animal
Oxymètre de pouls portableMedtronicPM10N avec capteur vétérinaireSurveille l’oxymétrie de pouls de l’animal
Gel à ultrasonsProgress/parker acquasonic gelPA-GEL-CLEA-5000Gel à ultrasons transparent
Logiciel d’acquisition de donnéesNational Instruments Corporation,Austin,TX,USA)NI LabVIEW 2015 SP1Le programme basé sur LabVIEW a été développé dans notre laboratoire pour contrôler le moteur pas à pas et acquérir les singnales PA du détecteur
Logiciel de traitement de donnéesMatlab (Mathworks, Natick, MA, USA)Matlab R2012bcode Matlab pour la reconstruction d’images PA a été développé dans notre laboratoire
Contrôleur de température  ;LaridTech, MO, USAMTTC1410Il contrôlera constamment la température du PLD   ;
Alimentation 12 V  ;Voltcraft  ;PPS-11810Pour fournir une tension de fonctionnement pour l’alimentation variable PLD
  ;BASETechBT-153Pour changer la puissance de sortie du laser
Générateur de fonctions  ;FunktionsgeneratorFG250DPour modifier le taux de répétition du PLD. Il fournira un signal TTL pour synchroniser l’DAQ avec l’excitation laser.
Distributeur d’animauxIn Vivos Pte Ltd, SingapourDistributeur d’animaux qui fournit de petits animaux à des fins de recherche.
Porte-animalAtelierNTU Sur mesureUtilisé pour tenir l’animal sur son abdomen
Masque respiratoireAtelier NTUFait sur mesureUtilisé avec le support pour animaux pour fournir un mélange anesthésique à l’animal
Pentobarbital sodiumValabarbUtilisé pour euthanasier l’animal après l’expérience.
Diffuseur optiqueThorlabsDG10-1500Utilisé pour rendre le faisceau laser homogène
Le scanner de Le

Références

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