È stato dimostrato un sistema di tomografia fotoacustica a diodi laser pulsato compatto (PLD-PAT) per l'imaging dinamico in vivo ad alta velocità di piccoli vascolarizzazione corticale animale.
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Articolo metodologico
È stato dimostrato un sistema di tomografia fotoacustica a diodi laser pulsato compatto (PLD-PAT) per l'imaging dinamico in vivo ad alta velocità di piccoli vascolarizzazione corticale animale.
La tomografia fotoacustica (PA) Imaging (PAT) è una modalità di imaging biomedicale emergente utile in varie applicazioni precliniche e cliniche. I trasduttori a base di anelli circolari su misura e i tradizionali laser Nd: YAG/OPO ingombranti inibiscono la traduzione del sistema PAT alle cliniche. I diodi laser pulsati ultra-compatti (PLD) sono attualmente utilizzati come fonte alternativa di eccitazione Near-Infrared per l'imaging PA. L'imaging dinamico in vivo ad alta velocità è stato dimostrato utilizzando un sistema desktop PAT compatto basato su PLD (PLD-PAT). Un protocollo sperimentale visualizzato utilizzando il sistema PLD-PAT desktop è fornito in questo lavoro per l'imaging cerebrale dinamico in vivo. Il protocollo descrive la configurazione del sistema PLD-Pat del desktop, la preparazione di animali per l'imaging vascolare cerebrale e la procedura per la visualizzazione dinamica dell'assorbimento e del processo di clearance del colorante di indocianina Green (ICG) nella vascolarizzazione corticale del ratto.
La tomografia computerizzata fotoacustica (PACT/Pat) è una promettente modalità di imaging biomedico non invasiva che combina un ricco contrasto ottico con alta risoluzione ultrasond1,2,3,4, 5. quando un nanosecondo pulsato laser deposita energia su croofori luce assorbente presenti all'interno di qualsiasi tessuto biologico, aumenti di temperatura locale che conduce all'espansione termoelastica e contrazione del tessuto, conseguente generazione di le onde di pressione. Queste onde di pressione sono conosciute come onde ultrasoniche o onde fotoacustiche (PA), che possono essere rilevate da trasduttori a ultrasuoni intorno al campione. I segnali PA rilevati vengono ricostruiti utilizzando vari algoritmi di ricostruzione6,7,8,9 per generare immagini PA in sezione trasversale. L'imaging PA fornisce informazioni strutturali e funzionali da organi macroscopici a organelli microscopici a causa della dipendenza dalla lunghezza d'onda dei chromofori endogeni presenti all'interno del corpo10. L'imaging PAT è stato utilizzato con successo per il rilevamento del cancro al seno1, l'imaging del linfonodo Sentinel11, la mappatura dell'ossiemoglobina (HBO2), la deossiemoglobina (HBR), la concentrazione totale di emoglobina (HBT), la saturazione di ossigeno (so 2) la 12 anni di , 13, angiogenesi tumorale14, piccolo animale intero corpo Imaging15, e altre applicazioni.
I laser Nd: YAG/OPO sono fonti di eccitazione convenzionali per sistemi PAT di prima generazione che sono ampiamente utilizzati nella comunità fotoacustica per l'imaging di piccoli animali e l'imaging dei tessuti profondi16. Questi laser forniscono ~ 100 impulsi di energia mJ a bassi tassi di ripetizione di ~ 10-100 Hz. I sistemi di imaging PAT che utilizzano questi laser costosi e ingombranti non sono adatti per l'imaging ad alta velocità con trasduttori a ultrasuoni monoelemento (SUTs), a causa della velocità di ripetizione dell'impulso limitata. Questo inibisce il monitoraggio in tempo reale dei cambiamenti fisiologici che si verificano a velocità elevate all'interno dell'animale. Utilizzando trasduttori basati su array come matrici lineari, semicircolari, circolari e volumetriche con eccitazione laser Nd: YAG, è possibile l'imaging ad alta velocità. Tuttavia, questi trasduttori array sono costosi e forniscono sensibilità inferiori rispetto ai SUT; Tuttavia, la velocità di imaging è limitata dal basso tasso di ripetizione del laser. I sistemi PACT a singolo impulso all'avanguardia con trasduttore array full-ring personalizzato ottengono i dati PA a 50 Hz frame rate17. Questi trasduttori di array necessitano di un'elettronica di ricezione back-end complessa e di amplificatori di segnale, rendendo il sistema complessivo più costoso e difficile per l'uso clinico.
Le loro dimensioni compatte, i requisiti di costo più bassi e la frequenza di ripetizione degli impulsi (ordine di KHz) rendono i diodi laser pulsati (PLD) più promettenti per l'imaging in tempo reale. Grazie a questi vantaggi, i PLD vengono utilizzati attivamente come fonte di eccitazione alternativa nei sistemi PAT di seconda generazione. I sistemi Pat basati su PLD sono stati dimostrati con successo per l'imaging ad alta frequenza con trasduttori di array18, deep-tissue e imaging cerebrale19,20,21, diagnosi di malattia cardiovascolare22 e la diagnosi di reumatologia23. Poiché i SUT sono molto sensibili e meno costosi rispetto ai trasduttori di array, sono ancora ampiamente utilizzati per l'imaging PAT. Il sistema PLD a base di fibre è stato dimostrato per l'imaging Phantom24. Un sistema PLD-PAT portatile è stato dimostrato in precedenza montando il PLD all'interno dello scanner PAT25. Con uno scanner circolare SUT, l'imaging fantasma è stato eseguito durante 3 s di tempo di scansione e l'imaging cerebrale del ratto in vivo è stato eseguito durante un periodo di 5 s utilizzando questo sistema PLD-PAT19.
Inoltre, sono stati apportati miglioramenti a questo sistema PLD-Pat per renderlo più compatto e creare un modello desktop utilizzando otto trasduttori a ultrasuoni a singolo elemento basati su riflettore acustico (sutrs)26,27. Qui, SUTs sono stati collocati in una verticale invece di direzione orizzontale con l'ausilio di un riflettore acustico 90° 28. Questo sistema può essere impiegato per i tempi di scansione fino a 0,5 s e ~ 3 cm di profondità nell'imaging tissutale e nell'imaging cerebrale di piccoli animali in vivo. In questo lavoro, questo sistema PLD-Pat desktop viene utilizzato per fornire la dimostrazione visiva di esperimenti per l'imaging cerebrale in vivo in piccoli animali e per la visualizzazione dinamica del processo di assorbimento e di clearance di indocianina approvata dalla FDA (Food and Drug Administration) colorante verde (ICG) nei cervelli di ratto.
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Tutti gli esperimenti sugli animali sono stati eseguiti secondo le linee guida e i regolamenti approvati dal Comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali dell'Università tecnologica di Nanyang, Singapore (Animal Protocol number ARF-SBS/NIE-A0331).
1. Descrizione del sistema
2. preparazione animale per l'imaging cerebrale del ratto
Nota: ratti femminili sani (vedere tabella dei materiali) sono stati utilizzati per dimostrare il sistema PLD-Pat desktop sopra descritto per l'imaging di piccoli vascolarizzazione corticale animale.
3. Imaging dinamico in vivo dell'assorbimento e del processo di clearance di ICG nel cervello del ratto
4.
Nota: 1,25 mg di polvere di ICG è stato pesato utilizzando una macchina di micropesata e mescolato con 5 mL di acqua distillata per ottenere una concentrazione di 323 μM per la soluzione ICG.
5.
Nota: le linee A acquisite durante un tempo di scansione di 0,5 s vengono utilizzate per generare un'immagine in sezione trasversale. C'è spazio di tempo di ~ 0.4 – 0.6 s tra ogni scansione.

Figura 1: schema del sistema PLD-Pat del desktop. (A) schema del desktop PLD-Pat impostato. PLD: diodo laser pulsato, OD: diffusore ottico, SUTR: trasduttore a ultrasuoni monoelemento a riflettore acustico, AM: macchina per anestesia, CSP: piastra di scansione circolare, SM: motore stepper, LDU: unità di guida laser, AMP: amplificatore, DAQ: scheda di acquisizione dati. (B) disposizione circolare di otto sutr attorno al centro di scansione. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.
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Il potenziale del sistema PLD-PAT del desktop descritto per l'imaging cerebrale dinamico in vivo è stato presentato in questo protocollo con i risultati corrispondenti. La capacità di imaging ad alta velocità del sistema PLD-PAT per desktop è stata dimostrata eseguendo l'imaging cerebrale in vivo di ratti femminili sani. I segnali PA sono stati raccolti utilizzando otto SUTRs rotanti in 360 ° e 45 ° intorno al cervello del ratto a velocità di scansione di 4 s e 0,5 s, rispettivamente.
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Questo lavoro presenta un protocollo per utilizzare un sistema PLD-PAT desktop per condurre esperimenti su piccoli animali come ratti per l'imaging cerebrale in vivo e il processo dinamico di assorbimento rapido e di clearance di agenti di contrasto come ICG. I sistemi OPO-PAT ingombranti e costosi prendono alcuni minuti (2-5 min) per acquisire un'unica immagine in vivo in sezione trasversale. Un sistema PLD-PAT portatile di prima generazione, compatto, a basso costo, fornisce singole immagini in vivo a sezione trasversa...
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Gli autori non hanno interessi finanziari rilevanti o potenziali conflitti di interesse da divulgare.
La ricerca è sostenuta dal Consiglio nazionale della ricerca medica del Ministero della salute di Singapore (NMRC/OFIRG/0,005/2016: M4062012). Gli autori vorrebbero ringraziare il signor Chow Wai Hoong Bobby per il supporto del reparto macchine.
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Alimentazione 12 V | Voltcraft | PPS-11810 | Per fornire tensione di esercizio per PLD |
| Riflettore acustico | Olympus | F102 | Riflettore a 45 gradi aumentato per il trasduttore ad ultrasuoni |
| Serbatoio dell'acqua in acrilico | Officina NTU Su | misura | Viene utilizzato per trattenere l'acqua che funge da mezzo di accoppiamento acustico tra il cervello animale e il rivelatore |
| Macchina | per anestesiaMedical plus pte ltd | Macchina per anestesia non rerespirante con concentratore di ossigeno. | Fornisce ossigeno e isoflurano agli animali |
| Distributore di animali | In Vivos Pte Ltd, Singapore | Distributore di animali che fornisce piccoli animali per scopi di ricerca | |
| Laboratorio | NTU | per animali Su misura | Utilizzato per tenere l'animale sull'addome |
| Maschera respiratoria | Laboratorio NTU | Su misura | Utilizzato insieme al supporto per animali per fornire una miscela di anestesia all'officina |
| NTU per scanner circolare per animaliLo scanner personalizzato | è realizzato in alluminio | ||
| DAQ (Data acquisition) Card | Spectrum | M2i.4932-exp | 16 bit, 30 Ms/s, 8 canali, 1 Gs, PCIe |
| Software di acquisizione dati | National Instruments Corporation,Austin,TX,USA) | NI LabVIEW 2015 SP1 (32 bit) | Programma basato su LabVIEW sviluppato nel nostro laboratorio per il controllo del motore passo-passo e l'acquisizione dei segnali PA dal rivelatore |
| software | Matlab (Mathworks, Natick, MA, USA) | Matlab R2015b | Codice Matlab sviluppato nel nostro laboratorio per la ricostruzione di immagini PA in sezione trasversale |
| Generatore di funzioni | RIGOL | DG1022 | Per modificare la frequenza di ripetizione del PLD. Fornirà un segnale TTL per sincronizzare il DAQ con l'eccitazione laser. |
| Amplificatore di segnale a basso rumore | Genetron | Realizzato su misura utilizzando Mini-circuiti, ZFL-500LN-BNC | Per ricevere e amplificare il segnale PA da SUTR. Il suo guadagno è di 24 dB. |
| Diffusore ottico | Thorlabs | DG-120 | Utilizzato per rendere omogeneo il raggio laser |
| Diodo laser pulsato | Quantel, Francia | QD-Q1924-ILO-WATER | È la sorgente laser di eccitazione con specifiche di lunghezza d'onda di 816 nm, 3,4 mJ per energia dell'impulso, larghezza dell'impulso di 107 ns, velocità massima di ripetizione dell'impulso di 2 KHz, dimensioni: 13,0 x 7,6 x 5,0 cm |
| Ratti | In Vivos Pte Ltd, Singapore | NTac:SD, Sprague Dawley / SD | Femmina, peso 100± 10g, ceppo di ratti: Sprague Dawley, età: 4-5 settimane |
| Motore passo-passo con riduttore | LIN Engineering (Servo Dynamics) | Motore: CO-5718L-01P-RO, Riduttore: DPL64/1; Alimentazione PW-100-24 | Per spostare il supporto del rivelatore in una geometria circolare. Coppia: 2,08 N-m, Inerzia del rotore: 2,6 kg-cm2 |
| Gel per ultrasuoni | Progress/parker acquasonic | gel PA-GEL-CLEA-5000 | Gel per ultrasuoni trasparente |
| Trasduttore per ultrasuoni | Olympus | V309-SU/ U8423013 | Sensori a ultrasuoni utilizzati per il rilevamento fotoacustico. Frequenza centrale 5 MHz, 0,5 in |
| Alimentatore variabile ad alta tensione | Elektro-Automatik | EA-PS 8160-04 T | Per modificare la potenza di uscita del laser |
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