È stato dimostrato un sistema compatto di tomografia fotoacoustica (PLD-PAT) basato su diodi laser a pulsazione per immagini ad alta velocità in cervello in vivo in piccoli animali.
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Articolo metodologico
È stato dimostrato un sistema compatto di tomografia fotoacoustica (PLD-PAT) basato su diodi laser a pulsazione per immagini ad alta velocità in cervello in vivo in piccoli animali.
L' imaging in animale in vivo ha un ruolo importante da svolgere negli studi preclinici. La tomografia fotoacoustica (PAT) è una modalità di imaging ibrida emergente che presenta un grande potenziale sia per applicazioni precliniche che cliniche. I sistemi PAT (OPO-PAT) basati su oscillatori ottici convenzionali sono ingombranti e costosi e non possono fornire immagini ad alta velocità. Recentemente, i diodi pulsati (PLD) sono stati dimostrati con successo come sorgente di eccitazione alternativa per PAT. Il diodo a pulsazione laser PAT (PLD-PAT) è stato dimostrato con successo per l'imaging ad alta velocità su fantasmi fotoacustici e tessuti biologici. Questo lavoro fornisce un protocollo sperimentale visualizzato per l'imaging cerebrale in vivo usando PLD-PAT. Il protocollo comprende la configurazione compatta del sistema PLD-PAT e la sua descrizione, la preparazione degli animali per l'imaging del cervello e una tipica procedura sperimentale per l'imaging cerebrale a sezione trasversale 2D. Il sistema PLD-PAT è compatto e cost-efIn grado di fornire immagini ad alta velocità e di alta qualità. Le immagini del cervello raccolte in vivo a diverse velocità di scansione sono presentate.
La tomografia fotoacustica (PAT) è una modalità di imaging ibrida che ha molte applicazioni in studi clinici e preclinici 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . In PAT, gli impulsi laser nanosecondi irradiano il tessuto biologico. L'assorbimento della luce incidente dai cromofori tessuti porta ad un aumento locale della temperatura, che produce quindi onde di pressione emesse sotto forma di onde sonore. Un rilevatore ad ultrasuoni raccoglie i segnali fotoacustici in varie posizioni attorno al campione. I segnali fotoacustici (PA) vengono ricostruiti utilizzando vari algoritmi (come un algoritmo di ritardo e somma) 6 per generare l'immagine fotoacustica.
Questa modalità di imaging ibrida offre immagini ad alta risoluzione, tessuto profondo e elevato contrasto di assorbimento ottico 7 ,Class = "xref"> 8. Recentemente, una profondità di imaging di ~ 12 cm è stata raggiunta nel tessuto del petto di pollo con l'aiuto di una lunghezza d'onda più lunga (~ 1.064 nm) e un agente di contrasto esogeno chiamato fosforoftalocyanina. Questa sensibilità di profondità è molto più alta della sensibilità della profondità di altri metodi ottici, come la microscopia a fluorescenza confocale, la microscopia a fluorescenza a due fotoni, la tomografia a 10 coerenza ottica, 11 ecc. Utilizzando più di una lunghezza d'onda, il PAT può dimostrare cambiamenti strutturali e funzionali negli organi . Per molte malattie umane, i modelli di piccoli animali sono stati ben consolidati 12 , 13 , 14 , 15 . Per l'imaging di piccoli animali sono state dimostrate diverse modalità. Su tutti questi approcci, l'imaging PA ha guadagnato l'attenzione piuttosto rapidamente a causa dei vantaggi di cui sopra. PAPÀT ha mostrato il suo potenziale di imaging dei vasi sanguigni nei tessuti e negli organi ( cioè cuore, polmoni, fegato, occhi, milza, cervello, pelle, midollo spinale, rene, ecc. ) Dei piccoli animali 4 , 16 , 17 , 18 . PAT è una modalità ben consolidata per l'imaging cerebrale di piccoli animali. Le onde PA vengono prodotte a causa dell'assorbimento di luce dai cromofori, quindi la PAT a lunghezza d'onda multipla consente la mappatura della concentrazione totale di emoglobina (HbT) e della saturazione dell'ossigeno (SO 2 ) 19 , 20 , 21 , 22 . L'imaging neurovascolare cerebrale è stato ottenuto con l'aiuto di agenti di contrasto esogeni 12 , 23 , 24 . La modalità PA può contribuire a dare una migliore comprensione della salute del cervelloFornendo informazioni a livello molecolare e genetico.
Per l'imaging di piccole animali, i laser Nd: YAG / OPO sono ampiamente utilizzati come sorgenti di eccitazione PAT. Questi laser erogano ~ 5 ns impulsi a infrarossi vicino ad energia (~ 100 mJ alla finestra di uscita OPO) ad una frequenza di ripetizione ~ 10 Hz. Il sistema PA dotato di tali laser è costoso e ingombrante e consente l'imaging a bassa velocità con trasduttori ad ultrasuoni a singolo elemento (UST) a causa della bassa frequenza di ripetizione della sorgente laser. Un tipico tempo di acquisizione A-line in tali sistemi PA è ~ 5 min per sezione 25 . Un sistema di imaging con un così lungo tempo di misurazione non è l'ideale per l'imaging di piccole animali, perché è difficile controllare i parametri fisiologici per l'imaging a tutto il corpo, l'imaging funzionale risolti in tempo, ecc. Adottando più UST di un singolo elemento, array O un laser ad alta repetizione, è possibile aumentare la velocità di imaging di PAsistemi. Utilizzando solo un UST a un singolo elemento per raccogliere tutti i segnali PA intorno al campione limiterà la velocità di imaging del sistema. Sono stati dimostrati più UST di un singolo elemento disposti in geometria circolare o semicircolare per tecniche di imaging ad alta velocità e altamente sensibili. Gli UST 26 basati sugli array, come gli array array lineari, semicircolari, circolari e volumetrici, sono stati utilizzati con successo per l'imaging in tempo reale 1 . Questi UST basati su matrici aumenteranno la velocità di imaging e riducono la sensibilità di misura, ma sono costosi. Tuttavia, la velocità di imaging dei sistemi PA che utilizzano UST a matrice è ancora limitata dalla velocità di ripetizione del laser.
La tecnologia laser a pulsazione avanzata per produrre diodi ad impulsi ad alta reputazione (PLD). 7.000 fotogrammi / s di imaging fotoacustico B-scansione è stata dimostrata con PLD utilizzando una piattaforma clinica a ultrasuoni 27 . Tali PLD possono migliorare la velocità di imaging di thE PAT, anche con la geometria di scansione circolare UST a singolo elemento. Gli UST a singolo elemento sono meno costosi e molto sensibili, a differenza degli UST basati su matrici. Negli ultimi dieci anni, sono stati riportati scarsi risultati sull'utilizzo di PLD ad alta ripetizione come fonte di eccitazione per l'imaging PA. È stata dimostrata una PLD vicino a infrarossi a fibra per l'imaging PA di fantasmi 28 . L'imaging in vivo dei vasi sanguigni ad una profondità di 1 mm sotto la pelle umana è stato dimostrato utilizzando PLD a basso consumo energetico 29 . È stato riportato un microscopio fotoacustico a risoluzione ottica (ORPAM) basato su PLD. Utilizzando PLD, è stata dimostrata un'immagine profonda di 1,5 cm ad una velocità di fotogramma di 0,43 Hz. Recentemente, un sistema PLD-PAT è stato riferito che ha fornito immagini in breve come ~ 3 s e ad una ~ 2 cm profondità di imaging nel tessuto biologico 25 , 31 . Questo studio ha dimostrato che un tale sistema a basso costo e compatto può offrire un alto quaAnche a velocità elevate. Il sistema PLD-PAT può essere utilizzato per l'imaging fotoacoustico ad alta velocità (7.000 fps), l'imaging surgelico dei vasi sanguigni, l'imaging delle dita, l'imaging dei tessuti a due centimetri, l'immagine cerebrale a piccole animali, ecc. La lunghezza singola e Impulsi a basso impulso di energia da PLD limitano la sua applicazione a immagini multi-spettrali e profonde. Sono stati condotti esperimenti su piccoli animali che utilizzano lo stesso sistema PLD-PAT usato per applicazioni pre-cliniche. Lo scopo di questo lavoro è quello di fornire la dimostrazione sperimentale visualizzata del sistema PLD-PAT per l'imaging cerebrale a sezione trasversale 2D in animali vivi.
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Tutti gli esperimenti su animali sono stati eseguiti secondo le linee guida ei regolamenti approvati dal Comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali della Nanyang Technological University di Singapore (numero di protocollo animale ARF-SBS / NIE-A0263).
1. Descrizione del sistema
2. Preparazione degli animali per la formazione del cervello del cervello
NOTA: Il sistema PLD-PAT sopra descritto è stato dimostrato per l'imaging di cervelli animali piccoli. Per questi esperimenti sono stati utilizzati ratti femmine sani (vedi tabella dei materiali ).
3. In Vivo Rat Brain Imaging

Figura 1: Schemi del sistema PLD-PAT. (A) Schema del PLD-PAT. PLD: diodo pulsato-laser, CSP: circuitoUnità di pulser / ricevitore, UST: trasduttore ad ultrasuoni, WT: serbatoio d'acqua, PF: film polimerici e DAQ: unità di controllo laser, AM: anestesia, M: motore, MPU: Scheda di acquisizione dati. ( B ) Schema del serbatoio dell'acqua, vista dall'alto (1) e vista in sezione trasversale (2) per l'imaging cerebrale in animale in vivo . A: metrico Vite, B: piastra anulare acrilica, C: anello "O" in silicone, D: copertura in polietilene trasparente di 100 μm. Il serbatoio aveva un foro di diametro di 9 cm al suo fondo ed è stato sigillato con una membrana in polietilene ad ultrasuoni e otticamente trasparente di 100 μm. ( C ) Schema dell'illuminazione degli impulsi laser dalle linee PLD e A, raccolta in un tempo di scansione continuo di 5 s. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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I risultati in vivo di immagini cerebrali che dimostrano le capacità del sistema PLD-PAT descritto sono mostrate in questa sezione. Per dimostrare le capacità di imaging ad alta velocità del sistema PLD-PAT, è stata eseguita l'imaging cerebrale in vivo di due diversi ratti sani. La Figura 2 mostra le immagini del cervello di un ratto femminile (93 g) a diverse velocità di scansione. Figura 2a e b mostrano l...
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Questo lavoro presenta un protocollo per eseguire un'immagine cerebrale in vivo su ratti utilizzando un sistema PLD-PAT. Il protocollo include una descrizione dettagliata del sistema di imaging e del suo allineamento, nonché un'illustrazione dell'immagine cerebrale sui ratti. I sistemi PAT esistenti basati su OPO sono costosi e ingombranti e possono fornire un'immagine trasversale in 5-10 min. Il sistema PLD-PAT è compatto, portatile e a basso costo e può fornire immagini di buona qualità in 3 s...
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Gli autori non hanno alcun interesse finanziario rilevante nel manoscritto e nessun altro potenziale conflitto di interessi da divulgare.
La ricerca è sostenuta dalla borsa di Tier 2 finanziata dal Ministero dell'Istruzione di Singapore (ARC2 / 15: M4020238) e dal Consiglio Nazionale di Ricerca Medica del Ministero della Salute di Singapore (NMRC / OFIRG / 0005/2016: M4062012). Gli autori vorrebbero ringraziare il signor Chow Wai Hoong Bobby per l'aiuto della macchina.
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Diodo laser pulsato | Quantel, Francia | QD-Q1910-SA-TEC | È la sorgente laser di eccitazione con specifiche 803 nm, 1,4 mJ per impulso, impulso 136 ns, 7 kHz massimo, dimensioni: 11,0 x 6,0 x 3,6 cm, peso: ~150 gm |
| Motore passo-passo con riduttore | LIN Engineering (Servo Dynamics) | Motore: CO-5718-01P, riduttore: DPL64/1, I = 10 per NEMA 23; alimentatore PW100-48 | Per spostare il supporto del rivelatore in una geometria circolare. Coppia: 2,08 N-m, Inerzia del rotore: 2,6 kg-cm2 |
| Pulsatore/ricevitore ad ultrasuoni | Olympus | 5072PR | Per ricevere, filtrare e amplificare il segnale PA da UST. La sua larghezza di banda è di 35 MHz e il guadagno è ± 59 dB. |
| Trasduttore ad ultrasuoni | Olympus | V306-SU-NK-CF1.9IN/Q4200069 | Sensori ad ultrasuoni utilizzati per il rilevamento fotoacustico. Frequenza centrale 2,25 MHz, 0,5 pollici, messa a fuoco cilindrica |
| Scheda PCIe DAQ (acquisizione dati) | GaGe | CSE4227/ A6000610/B0E00610 | 12 bit, 100 Ms/s, 2 canali, 1 Gs di memoria integrata, interfaccia PCIe x16 |
| Rats | In Vivos Pte Ltd, Singapore | NTac:SD, Sprague Dawley / SD | Femmina, peso 100 & |
| Serbatoio dell'acqua in acrilico da 10 g | Officina NTU | Su misura | Contiene l'acqua che funge da mezzo di accoppiamento acustico tra il cervello e il rivelatore |
| Scanner circolare | su misura | dell'officina NTU | è realizzato in alluminio |
| Macchina per anestesia | medical plus pte ltd | Macchina per anestesia non rerespirante con concentratore di ossigeno. | Fornisce ossigeno e isoflurano agli animali |
| Pulsossimetro portatile | Medtronic | PM10N con sensore veterinario | Monitora la pulsossimetria dell'animale |
| Gel per ultrasuoni | Progress/parker acquasonic | gel PA-GEL-CLEA-5000 | Gel per ultrasuoni trasparente |
| l'acquisizione dei dati | National Instruments Corporation,Austin,TX,USA) | NI LabVIEW 2015 SP1 | Il programma basato su LabVIEW è stato sviluppato nel nostro laboratorio per il controllo del motore passo-passo e l'acquisizione dei segnali PA dal rivelatore |
| Software di elaborazione dati | Matlab (Mathworks, Natick, MA, USA) | Matlab R2012b | Il codice Matlab per la ricostruzione di immagini PA è stato sviluppato nel nostro laboratorio |
| Regolatore di temperatura | LaridTech, MO, USA | MTTC1410 | Controllerà costantemente la temperatura del PLD |
| Alimentazione a 12 V | Voltcraft | PPS-11810 | Per fornire tensione di esercizio per l'alimentatore variabile PLD |
| BASETech | BT-153 | Per modificare la potenza di uscita del laser | |
| Generatore di funzioni | Funktionsgenerator | FG250D | Per modificare la velocità di ripetizione del PLD. Fornirà un segnale TTL per sincronizzare il DAQ con l'eccitazione laser. |
| Distributore di animali | In Vivos Pte Ltd, distributore | di animali di Singapore che fornisce piccoli animali a scopo di ricerca. | |
| Portaanimali | Officina NTU | Su misura | Utilizzato per tenere l'animale sull'addome |
| Maschera respiratoria | Officina NTU | Su misura | Utilizzato insieme al supporto per animali per fornire una miscela di anestesia all'animale |
| Pentobarbital sodico | Valabarb | Utilizzato per l'eutanasia dell'animale dopo l'esperienza. | |
| Diffusore ottico | Thorlabs | DG10-1500 | Utilizzato per rendere omogeneo il raggio laser |
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