Name: Un sistema compatto di Tomografia Photoacoustico ad alte prestazioni per In Vivo Imaging cerebrale di piccole dimensioni (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-06-21T14:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 32 s
Description: Scopri la tomografia fotoacustica con diodo laser impulsato per imaging cerebrale in vivo nei ratti. Questo sistema compatto offre imaging ad alta velocità con contrasto ottico elevato per la ricerca neuroscientifica.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

La ricerca è sostenuta dalla borsa di Tier 2 finanziata dal Ministero dell&#39;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&#39;aiuto della macchina.

Tutti gli esperimenti su animali sono stati eseguiti secondo le linee guida ei regolamenti approvati dal Comitato istituzionale per la cura e l&#39;uso degli animali della Nanyang Technological University di Singapore (numero di protocollo animale ARF-SBS / NIE-A0263). 1. Descrizione del sistema <ol><li> Montare il PLD all&#39;interno dello scanner circolare, come mostrato nella Figura 1a . Collegare il PLD all&#39;unità laser driver (LDU). NOTA: Il PLD fornisce impulsi ~ 136 ns ad una lunghezza d&#39;onda di ~ 803 nm, con un&#39;energia di impulso massima di ~ 1,42 mJ e una velocità di ripetizione fino a 7 kHz. L&#39;unità di azionamento laser (LDU) comprende: un regolatore di temperatura, un&#39;alimentazione variabile, un alimentatore (12 V) e un generatore di funzioni; Vedere la tabella dei materiali. L&#39;alimentatore variabile viene utilizzato per controllare l&#39;energia laser e il generatore di funzioni viene utilizzato per modificare la frequenza di ripetizione del PLD. </li><li> Accendere il laser PLD. Impostare la frequenza di ripetizione PLD su &quot;7.000&quot; HZ utilizzando il generatore di funzioni nella LDU. Aumenta l&#39;energia di impulso a 1,42 mJ impostando la tensione dell&#39;alimentazione variabile a &quot;3.1&quot; V. </li><li> Montare il diffusore ottico (OD) davanti alla finestra di uscita PLD per rendere omogeneo il fascio di uscita, come mostrato nella Figura 1a . NOTA: Utilizzare un diffusore con una grana fine ( cioè 1.500 polvere di graniglia). </li><li> Montare l&#39;UST focalizzato sul supporto UST, in modo tale che si affaccia al centro dell&#39;area di scansione, come mostrato nella Figura 1a . NOTA: La frequenza centrale dell&#39;UST è di 2,25 MHz e la lunghezza focale è di 1,9 pollici. </li><li> Posizionare il rivelatore ad ultrasuoni all&#39;interno del serbatoio acrilico, come mostrato nella Figura 1a . Riempire il serbatoio con acqua in modo che l&#39;UST sia completamente immersa. NOTA: Un mezzo d&#39;acqua è usato per abbinare il segnale fotoacustico dal cervello (campione) all&#39;UST. Un serbatoio acrilico d&#39;acqua (WT; vedi la tabella dei materiali) è stato personalizzato-designed per l&#39;imaging di piccole animali. Lo schema del disegno del serbatoio dell&#39;acqua è mostrato in figura 1b . </li><li> Controllare il segnale PA dal campione usando un impianto pulser / ricevitore (PRU, vedere la tabella dei materiali ). NOTA: Questi segnali sono stati digitalizzati da una scheda DAQ a 12 bit (vedere la tabella dei materiali ) ad una velocità di campionamento di 100 MS / s e sono stati salvati in un computer. </li></ol> 2. Preparazione degli animali per la formazione del cervello del cervello NOTA: Il sistema PLD-PAT sopra descritto è stato dimostrato per l&#39;imaging di cervelli animali piccoli. Per questi esperimenti sono stati utilizzati ratti femmine sani (vedi tabella dei materiali ). <ol><li> Anestetizza l&#39;animale mediante iniezione di un cocktail di 2 ml di ketamina, 1 ml di xilazina e 1 ml di soluzione salina (dosaggio di 0,2 ml / 100 g). </li><li> Rimuovere la pelliccia sul cuoio capelluto dell&#39;animale usando un tagliatore di capelli. Applicare delicatamente la crema di rimozione dei capelli alla rasataZona per ulteriore esaurimento della pelliccia. <ol><li> Rimuovere la crema applicata dopo 4-5 minuti utilizzando un tampone di cotone. </li><li> Applicare unguento artificiale di lacrima agli occhi dell&#39;animale per evitare la secchezza dovuta all&#39;anestesia e all&#39;illuminazione laser. </li></ol></li><li> Montare il supporto animale su misura (vedi tabella dei materiali ) dotato di una maschera di respirazione (vedere la tabella dei materiali ) su una presa di laboratorio. </li><li> Posizionare l&#39;animale in posizione predisposta sul supporto. Fissarlo al supporto usando un nastro chirurgico per evitare il movimento dell&#39;animale durante l&#39;imaging. </li><li> Assicurarsi che la maschera respiratoria copre il naso e la bocca del ratto per fornire l&#39;anestetico inalato. </li></ol> 3. In Vivo Rat Brain Imaging <ol><li> Collegare la maschera di respirazione alla macchina di anestesia. Accendere la macchina anestesia e impostarla per fornire 1,0 L / min di ossigeno con 0,75% isoflurano. <ol><li> Bloccare l&#39;ossimetro ad impulsi ad essoPer controllare la condizione fisiologica dell&#39;animale. </li></ol></li><li> Applicare uno strato di gel ecografico incolore al cuoio capelluto del ratto. Regolare la posizione del jack del laboratorio al centro dello scanner. La maschera di respirazione è personalizzata in base alla finestra di imaging. Il 10% del cono a cono commercialmente disponibile viene tagliato poi collegato ad un pezzo di guanto. <ol><li> Regolare manualmente l&#39;altezza del jack di laboratorio in modo che il piano di imaging sia al centro dell&#39;UST. </li></ol></li><li> Impostare i parametri nel software di acquisizione dati (vedere la tabella dei materiali) come richiesto. Esegui il programma software di acquisizione dati per avviare l&#39;acquisizione ( ossia, l&#39; imaging). NOTA: il programma viene utilizzato per ruotare l&#39;UST e raccogliere segnali A-line PA. Le linee A raccolte verranno salvate sul computer. </li><li> Osservare l&#39;animale durante l&#39;intero periodo di imaging e procedere alla ricostruzione PAT dopo che l&#39;imaging è completo. </li><li> Dopo l&#39;acquisizione dei dati è finita,Ricostruire l&#39;immagine del cervello trasversale dalle linee A utilizzando il programma software di ricostruzione. </li><li> Spegnere il sistema di anestesia, rimuovere l&#39;animale dal palco, riportarlo nella sua gabbia e controllarlo fino a quando non ricupera la coscienza. NOTA: Ad esempio, se l&#39;UST è ruotato per 5 s, il PLD fornisce 35.000 (= 5 x 7.000) impulsi e l&#39;UST raccoglie 35.000 linee A. Le 35.000 linee A vengono ridotte a 500 con una media di oltre 70 segnali (dopo aver effettuato la mediazione di linee A = 35.000 / 70 = 500). La figura 1c illustra l&#39;illuminazione degli impulsi laser e della collezione A-line. Dovrebbe essere utilizzato un programma di ricostruzione basato sull&#39;algoritmo di proiezione di ritardo e somma. </li></ol><img alt="Figura 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55811/55811fig1.jpg" /> 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&#39;acqua, PF: film polimerici e DAQ: unità di controllo laser, AM: anestesia, M: motore, MPU: Scheda di acquisizione dati. ( B ) Schema del serbatoio dell&#39;acqua, vista dall&#39;alto (1) e vista in sezione trasversale (2) per l&#39;imaging cerebrale in animale in vivo . A: metrico Vite, B: piastra anulare acrilica, C: anello &quot;O&quot; 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&#39;illuminazione degli impulsi laser dalle linee PLD e A, raccolta in un tempo di scansione continuo di 5 s. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55811/55811fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>

<ol><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+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Recent advances toward preclinical and clinical translation of photoacoustic tomography: a review.</a> J Biomed Opt. 22 (4), 041006(2017).</li>
<li>Strohm, E. M., Moore, M. J., Kolios, M. C. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/7317491/">Single Cell Photoacoustic Microscopy: A Review.</a> IEEE Sel Top Quantum Electron. 22 (3), 6801215(2016).</li>
<li>Valluru, K. S., Willmann, J. K. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5040138/">Clinical photoacoustic imaging of cancer.</a> Ultrasonography. 35 (4), 267(2016).</li>
<li>Zhou, Y., Yao, J., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://biomedicaloptics.spiedigitallibrary.org/article.aspx?articleid=2516208">Tutorial on photoacoustic tomography.</a> J Biomed Opt. 21 (6), 061007(2016).</li>
<li>Yao, J., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoacoustic+Brain+Imaging%3A+from+Microscopic+to+Macroscopic+Scales%5BTitle%5D)+AND+%22Neurophotonics%22%5BJournal%5D)">Photoacoustic Brain Imaging: from Microscopic to Macroscopic Scales.</a> Neurophotonics. 1 (1), 011003(2014).</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+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Experimental validation of tangential resolution improvement in photoacoustic tomography using a modified delay-and-sum reconstruction algorithm.</a> J Biomed Opt. 21 (8), 086011(2016).</li>
<li>Strohm, E. M., Moore, M. J., Kolios, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+resolution+ultrasound+and+photoacoustic+imaging+of+single+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Photoacoustics%22%5BJournal%5D)">High resolution ultrasound and photoacoustic imaging of single cells.</a> Photoacoustics. 4 (1), 36-42 (2016).</li>
<li>Upputuri, P. K., Wen, Z. -B., Wu, Z., Pramanik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Super-resolution+photoacoustic+microscopy+using+photonic+nanojets%3A+a+simulation+study%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Super-resolution photoacoustic microscopy using photonic nanojets: a simulation study.</a> J Biomed Opt. 19 (11), 116003(2014).</li>
<li>Zhou, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Phosphorus+Phthalocyanine+Formulation+with+Intense+Absorbance+at+1000+nm+for+Deep+Optical+Imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Theranostics%22%5BJournal%5D)">A Phosphorus Phthalocyanine Formulation with Intense Absorbance at 1000 nm for Deep Optical Imaging.</a> Theranostics. 6 (5), 688-697 (2016).</li>
<li>Upputuri, P. K., Wu, Z., Gong, L., Ong, C. K., Wang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Super-resolution+coherent+anti-Stokes+Raman+scattering+microscopy+with+photonic+nanojets%5BTitle%5D)+AND+%22Opt+Express%22%5BJournal%5D)">Super-resolution coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy with photonic nanojets.</a> Opt Express. 22 (11), 12890-12899 (2014).</li>
<li>Raghunathan, R., Singh, M., Dickinson, M. E., Larin, K. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+coherence+tomography+for+embryonic+imaging%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Optical coherence tomography for embryonic imaging: a review.</a> J Biomed Opt. 21 (5), 050902(2016).</li>
<li>Burton, N. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multispectral+opto-acoustic+tomography+%28MSOT%29+of+the+brain+and+glioblastoma+characterization%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Multispectral opto-acoustic tomography (MSOT) of the brain and glioblastoma characterization.</a> Neuroimage. 65 (2), 522-528 (2013).</li>
<li>Su, R., Ermilov, S. A., Liopo, A. V., Oraevsky, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+optoacoustic+imaging+as+a+new+noninvasive+technique+to+study+long-term+biodistribution+of+optical+contrast+agents+in+small+animal+models%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional optoacoustic imaging as a new noninvasive technique to study long-term biodistribution of optical contrast agents in small animal models.</a> J Biomed Opt. 17 (10), 101506(2012).</li>
<li>Hu, S., Maslov, K., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+functional+chronic+imaging+of+a+small+animal+model+using+optical-resolution+photoacoustic+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Phys%22%5BJournal%5D)">In vivo functional chronic imaging of a small animal model using optical-resolution photoacoustic microscopy.</a> Med Phys. 36 (6), 2320-2323 (2009).</li>
<li>Zhang, E. Z., Laufer, J., Pedley, R. B., Beard, P. 3D photoacoustic imaging system for in vivo studies of small animal models. Proc SPIE. 6856, 68560(2008).</li>
<li>Deng, Z., Li, W., Li, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Slip-ring-based+multi-transducer+photoacoustic+tomography+system%5BTitle%5D)+AND+%22Opt+Lett%22%5BJournal%5D)">Slip-ring-based multi-transducer photoacoustic tomography system.</a> Opt Lett. 41 (12), 2859-2862 (2016).</li>
<li>Tang, J., Coleman, J. E., Dai, X., Jiang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wearable+3-D+Photoacoustic+Tomography+for+Functional+Brain+Imaging+in+Behaving+Rats%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">Wearable 3-D Photoacoustic Tomography for Functional Brain Imaging in Behaving Rats.</a> Sci Rep. 6, 25470(2016).</li>
<li>Pramanik, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+carbon+nanotube-enhanced+non-invasive+photoacoustic+mapping+of+the+sentinel+lymph+node%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Med+Biol%22%5BJournal%5D)">In vivo carbon nanotube-enhanced non-invasive photoacoustic mapping of the sentinel lymph node.</a> Phys Med Biol. 54 (11), 3291-3301 (2009).</li>
<li>Yao, J., Xia, J., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiscale+Functional+and+Molecular+Photoacoustic+Tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrason+Imaging%22%5BJournal%5D)">Multiscale Functional and Molecular Photoacoustic Tomography.</a> Ultrason Imaging. 38 (1), 44-62 (2016).</li>
<li>Huang, S., Upputuri, P. K., Liu, H., Pramanik, M., Wang, M. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/TB/C5TB02367J#!divAbstract">A dual-functional benzobisthiadiazole derivative as an effective theranostic agent for near-infrared photoacoustic imaging and photothermal therapy.</a> J Mat Chem B. 4 (9), 1696-1703 (2016).</li>
<li>Olefir, I., Mercep, E., Burton, N. C., Ovsepian, S. V., Ntziachristos, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hybrid+multispectral+optoacoustic+and+ultrasound+tomography+for+morphological+and+physiological+brain+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Hybrid multispectral optoacoustic and ultrasound tomography for morphological and physiological brain imaging.</a> J Biomed Opt. 21 (8), 086005(2016).</li>
<li>Hu, S., Maslov, K., Tsytsarev, V., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+transcranial+brain+imaging+by+optical-resolution+photoacoustic+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Functional transcranial brain imaging by optical-resolution photoacoustic microscopy.</a> J Biomed Opt. 14 (4), 040503(2009).</li>
<li>Yao, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Noninvasive+photoacoustic+computed+tomography+of+mouse+brain+metabolism+in+vivo%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Noninvasive photoacoustic computed tomography of mouse brain metabolism in vivo.</a> Neuroimage. 64 (1), 257-266 (2013).</li>
<li>Hu, S., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neurovascular+photoacoustic+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Front+Neuroenergetics%22%5BJournal%5D)">Neurovascular photoacoustic tomography.</a> Front Neuroenergetics. 2, 10(2010).</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>Yang, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoacoustic+tomography+of+small+animal+brain+with+a+curved+array+transducer%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Opt%22%5BJournal%5D)">Photoacoustic tomography of small animal brain with a curved array transducer.</a> J Biomed Opt. 14 (5), 054007(2009).</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+%22Biomed+Opt+Express%22%5BJournal%5D)">High frame rate photoacoustic imaging at 7000 frames per second using clinical ultrasound system.</a> Biomed Opt Express. 7 (2), 312-323 (2016).</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+%22Opt+Lett%22%5BJournal%5D)">Pulsed near-infrared laser diode excitation system for biomedical photoacoustic imaging.</a> Opt Lett. 31 (23), 3462-3464 (2006).</li>
<li>Kolkman, R. G. M., Steenbergen, W., van Leeuwen, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+photoacoustic+imaging+of+blood+vessels+with+a+pulsed+laser+diode%5BTitle%5D)+AND+%22Lasers+Med+Sci%22%5BJournal%5D)">In vivo photoacoustic imaging of blood vessels with a pulsed laser diode.</a> Lasers Med Sci. 21 (3), 134-139 (2006).</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+%22Opt+Express%22%5BJournal%5D)">Handheld probe integrating laser diode and ultrasound transducer array for ultrasound/photoacoustic dual modality imaging.</a> Opt Express. 22 (21), 26365-26374 (2014).</li>
<li>Upputuri, P. K., Pramanik, M. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/2057-1976/1/4/045010/pdf">Pulsed laser diode based optoacoustic imaging of biological tissues.</a> Biomed Phys Eng Express. 1 (4), 045010-045017 (2015).</li>
<li><a target="_blank" href="https://www.amazon.com/American-National-Standard-Safe-Lasers/dp/091203565X">American National Standard for Safe Use of Lasers ANSI Z136.1-2000</a>. , American National Standards Institute, Inc. New York, NY. (2000).</li>
</ol>

Gli autori non hanno alcun interesse finanziario rilevante nel manoscritto e nessun altro potenziale conflitto di interessi da divulgare.

Questo lavoro presenta un protocollo per eseguire un&#39;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&#39;illustrazione dell&#39;immagine cerebrale sui ratti. I sistemi PAT esistenti basati su OPO sono costosi e ingombranti e possono fornire un&#39;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...

<html> 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&#39;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&#39;immagine fotoacustica. Questa modalità di imaging ibrida offre immagini ad alta risoluzione, tessuto profondo e elevato contrasto di assorbimento ottico 7 ,Class = &quot;xref&quot;&gt; 8. Recentemente, una profondità di imaging di ~ 12 cm è stata raggiunta nel tessuto del petto di pollo con l&#39;aiuto di una lunghezza d&#39;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&#39;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&#39;imaging di piccoli animali sono state dimostrate diverse modalità. Su tutti questi approcci, l&#39;imaging PA ha guadagnato l&#39;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&#39;imaging cerebrale di piccoli animali. Le onde PA vengono prodotte a causa dell&#39;assorbimento di luce dai cromofori, quindi la PAT a lunghezza d&#39;onda multipla consente la mappatura della concentrazione totale di emoglobina (HbT) e della saturazione dell&#39;ossigeno (SO 2 ) 19 , 20 , 21 , 22 . L&#39;imaging neurovascolare cerebrale è stato ottenuto con l&#39;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&#39;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&#39;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&#39;ideale per l&#39;imaging di piccole animali, perché è difficile controllare i parametri fisiologici per l&#39;imaging a tutto il corpo, l&#39;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&#39;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&#39;utilizzo di PLD ad alta ripetizione come fonte di eccitazione per l&#39;imaging PA. È stata dimostrata una PLD vicino a infrarossi a fibra per l&#39;imaging PA di fantasmi 28 . L&#39;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&#39;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&#39;imaging fotoacoustico ad alta velocità (7.000 fps), l&#39;imaging surgelico dei vasi sanguigni, l&#39;imaging delle dita, l&#39;imaging dei tessuti a due centimetri, l&#39;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&#39;imaging cerebrale a sezione trasversale 2D in animali vivi.

<table><tbody><tr><td>Diodo laser pulsato</td><td>Quantel, Francia</td><td>QD-Q1910-SA-TEC</td><td>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</td></tr><tr><td>Motore passo-passo con riduttore</td><td>LIN Engineering (Servo Dynamics)</td><td>Motore: CO-5718-01P, riduttore: DPL64/1, I = 10 per NEMA 23; alimentatore PW100-48</td><td>Per spostare il supporto del rivelatore in una geometria circolare. Coppia: 2,08 N-m, Inerzia del rotore: 2,6 kg-cm2</td></tr><tr><td>Pulsatore/ricevitore ad ultrasuoni</td><td>Olympus</td><td>5072PR</td><td>Per ricevere, filtrare e amplificare il segnale PA da UST. La sua larghezza di banda è di 35 MHz e il guadagno è &plusmn; 59 dB.</td></tr><tr><td>Trasduttore ad ultrasuoni</td><td>Olympus</td><td>V306-SU-NK-CF1.9IN/Q4200069</td><td>Sensori ad ultrasuoni utilizzati per il rilevamento fotoacustico. Frequenza centrale 2,25 MHz, 0,5 pollici, messa a fuoco cilindrica</td></tr><tr><td>Scheda PCIe DAQ (acquisizione dati)</td> da 1,9 pollici <td>GaGe</td><td>CSE4227/ A6000610/B0E00610</td><td>12 bit, 100 Ms/s, 2 canali, 1 Gs di memoria integrata, interfaccia PCIe x16</td></tr><tr><td>Rats</td><td>In Vivos Pte Ltd, Singapore</td><td>NTac:SD, Sprague Dawley / SD</td><td>Femmina, peso 100 & </td></tr><tr><td>Serbatoio dell'acqua in acrilico da 10 g&nbsp;</td><td>Officina NTU</td><td>Su misura</td><td>Contiene l'acqua che funge da mezzo di accoppiamento acustico tra il cervello e il rivelatore</td></tr><tr><td>Scanner circolare</td>Lo scanner <td>su misura</td> <td>dell'officina NTU</td><td>è realizzato in alluminio&nbsp;</td></tr><tr><td>Macchina per anestesia</td><td>medical plus pte ltd</td><td>Macchina per anestesia non rerespirante con concentratore di ossigeno.</td><td>Fornisce ossigeno e isoflurano agli animali</td></tr><tr><td>Pulsossimetro portatile</td><td>Medtronic</td><td>PM10N con sensore veterinario</td><td>Monitora la pulsossimetria dell'animale</td></tr><tr><td>Gel per ultrasuoni</td><td>Progress/parker acquasonic</td><td>gel PA-GEL-CLEA-5000</td><td>Gel per ultrasuoni trasparente</td>Software</tr> per <tr><td>l'acquisizione dei dati</td><td>National Instruments Corporation,Austin,TX,USA)</td><td>NI LabVIEW 2015 SP1</td><td>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</td></tr><tr><td>Software di elaborazione dati</td><td>Matlab (Mathworks, Natick, MA, USA)</td><td>Matlab R2012b</td><td>Il codice Matlab per la ricostruzione di immagini PA è stato sviluppato nel nostro laboratorio</td></tr><tr><td>Regolatore di temperatura&nbsp;</td><td>LaridTech, MO, USA</td><td>MTTC1410</td><td>Controllerà costantemente la temperatura del PLD&nbsp;</td></tr><tr><td>Alimentazione a 12 V&nbsp;</td><td>Voltcraft&nbsp;</td><td>PPS-11810</td><td>Per fornire tensione di esercizio per l'alimentatore variabile PLD</td></tr><tr><td>&nbsp;</td><td>BASETech</td><td>BT-153</td><td>Per modificare la potenza di uscita del laser</td></tr><tr><td>Generatore di funzioni&nbsp;</td><td>Funktionsgenerator</td><td>FG250D</td><td>Per modificare la velocità di ripetizione del PLD. Fornirà un segnale TTL per sincronizzare il DAQ con l'eccitazione laser.</td></tr><tr><td>Distributore di animali</td><td>In Vivos Pte Ltd, distributore</td><td>di animali di Singapore che fornisce piccoli animali a scopo di ricerca.</td><td></td></tr><tr><td>Portaanimali</td><td>Officina NTU</td><td>Su misura</td><td>Utilizzato per tenere l'animale sull'addome</td></tr><tr><td>Maschera respiratoria</td><td>Officina NTU</td><td>Su misura</td><td>Utilizzato insieme al supporto per animali per fornire una miscela di anestesia all'animale</td></tr><tr><td>Pentobarbital sodico</td><td>Valabarb</td><td></td><td>Utilizzato per l'eutanasia dell'animale dopo l'esperienza.</td></tr><tr><td>Diffusore ottico</td><td>Thorlabs</td><td>DG10-1500</td><td>Utilizzato per rendere omogeneo il raggio laser</td></tr></tbody></table>

un sistema compatto di tomografia photoacoustico ad alte prestazioni per<em&gt; in vivo</em&gt; imaging cerebrale di piccole dimensioni

A High-performance Compact Photoacoustic Tomography System for In Vivo Small-animal Brain Imaging

L&#39; 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&#39;imaging ad alta velocità su fantasmi fotoacustici e tessuti biologici. Questo lavoro fornisce un protocollo sperimentale visualizzato per l&#39;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&#39;imaging del cervello e una tipica procedura sperimentale per l&#39;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.

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&#39;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...

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.

Un sistema compatto di Tomografia Photoacoustico ad alte prestazioni per<em&gt; In Vivo</em&gt; Imaging cerebrale di piccole dimensioni

In vivo small-animal imaging has an important role to play in preclinical studies. Photoacoustic tomography (PAT) is an emerging hybrid imaging modality ...

L'obiettivo generale di questa procedura è dimostrare le prestazioni di un sistema fotoacustico compatto e a basso costo per l'imaging cerebrale in vivo di piccoli animali. La tomografia fotoacustica o PAT è una modalità di imaging ibrida che combina luce e suono. Il PAT consente l'imaging in vivo di tessuti profondi, dall'organo agli organelli, con un contrasto ottico molto elevato.Questo lavoro presenta un sistema compatto di tomografia fotoacustica basato su un diodo laser a impulsi ad alta velocità per l'acquisizione di immagini cerebrali in sezione trasversale in vivo nei ratti. A illustrare la procedura sarà il dottor Paul Kumar Upputuri, ricercatore, Sandeep Kumar Kalva, studente di dottorato, e Vijitha Periyasamy, responsabile del progetto del nostro laboratorio. Per iniziare la preparazione del sistema, accendere il diodo laser a impulsi montato sull'assise del dispositivo di scansione circolare.Utilizzare l'unità di controllo del laser per impostare la frequenza di ripetizione a 7.000 hertz. Impostare l'alimentatore del laser a 3,1 volt per ottenere un'energia d'impulso di 1,42 millijoule. Successivamente, collegare un trasduttore ultrasuoni focalizzato a immersione a un'unità impulsore-ricevitore.Montare il trasduttore nel suo supporto sotto la piastra circolare di scansione, con il trasduttore orientato verso il centro della piastra. Posizionare l'assiemaggio di scansione in un serbatoio in acrilico, con una finestra di imaging in polietilene sul fondo del serbatoio. Aggiungere acqua nel serbatoio fino a quando il trasduttore è completamente immerso.Verificare che il segnale fotoacustico venga rilevato dall'unità pulsante-ricevente prima di procedere all'imaging. Per iniziare la procedura di imaging, procurarsi un ratto femmina sano. Dopo l'anestesia, tagliare il pelo del cuoio capelluto con un rasoio elettrico.Applicare delicatamente la crema depilatoria sulla zona tagliata. Dopo quattro o cinque minuti, rimuovere la crema con un bastoncino di cotone. Applicare un unguento oculare sterile sugli occhi del ratto per prevenire l'essiccazione e bloccare i raggi laser diffusi.Fissare un supporto per imaging personalizzato, dotato di una maschera respiratoria, su un sollevatore da laboratorio utilizzando nastro chirurgico. Posizionare l'animale in posizione prona sul supporto per imaging, con naso e bocca all'interno della maschera. Assicurare l'animale al supporto per imaging con nastro chirurgico.Posizionare l'assale del lettino di imaging sul tavolo ottico. Collegare la maschera per la respirazione a un apparecchio per anestesia e iniziare a somministrare l'anestetico inalatorio. Applicare un pulsossimetro alla coda o alla zampa posteriore dell'animale per monitorarne le condizioni fisiologiche durante tutta la procedura.Applicare un gel incolore per ultrasuoni sul cuoio capelluto dell'animale. Assicurarsi che l'assiemaggio del letto di imaging sia posizionato in modo sicuro sotto lo scanner, con il cuoio capelluto dell'animale centrato sotto la finestra di imaging. Sollevare con attenzione il letto di imaging fino a quando il gel per ultrasuoni entra in contatto con la finestra di imaging, avendo cura di minimizzare la pressione sulla testa dell'animale.Acquisire immagini di prova e regolare la posizione verticale del lettino finché il piano trasversale di imaging del cervello non si trova nel punto di fuoco del trasduttore ultrasonico. Successivamente, impostare i parametri per l'esperimento e avviare la scansione. Monitorare l'animale durante il periodo di imaging.Utilizzare un software di ricostruzione per ottenere l'immagine cerebrale in sezione trasversale. Al termine dell'imaging, interrompere l'anestesia e permettere all'animale di riprendersi completamente sotto osservazione. Immagini in sezione trasversale del cervello di un ratto femmina sano sono state ottenute mediante imaging PLD PAT non invasivo.I tempi di scansione variavano da cinque a 20 secondi. Il seno trasverso, il seno sagittale superiore e le vene cerebrali erano visibili a tutte le velocità di scansione testate. Le stesse prestazioni sono state osservate quando la procedura è stata ripetuta con una seconda ratto femmina sana.Questo sistema fotoacustico compatto viene utilizzato per acquisire immagini fotoacustiche della vascolarizzazione cerebrale. I risultati indicano che il sistema è in grado di fornire immagini cerebrali individuali di alta qualità con un tempo di scansione basso fino a cinque secondi. Le future applicazioni del sistema PAT sviluppato includono l'imaging di tumori cerebrali, l'imaging di organi in animali di piccola taglia, il monitoraggio di mezzi di contrasto in ingresso e in uscita dal corpo e altre applicazioni terapeutiche.

a-high-performance-compact-photoacoustic-tomography-system-for-vivo

Research

Ricerca

JoVE Journal

Bioengineering

Bioingegneria

Microscopia ottica con risoluzione fotoacustico (OR-PAM) è una tecnologia emergente in grado di assorbimento di imaging ottico...

Tridimensionale con risoluzione ottica Microscopia fotoacustico

Diffuse la tomografia di fluorescenza offre un approccio relativamente a basso costo e potenzialmente ad alta dappertutto per...

Tomografia Computerizzata guidata nel dominio del tempo Tomography Diffuse fluorescenza in animali di piccola taglia per la localizzazione dei biomarcatori tumorali

Fonte: Upputuri, P. K., et al. Un sistema di tomografia fotoacustica compatto ad alte prestazioni per l'imaging cerebrale di piccoli animali In vivo. J. Vis. Exp. (2017)Questo video dimostra un protocollo per l'imaging non invasivo in vivo del cervello di ratto utilizzando la tomografia fotoacustica, mostrando la preparazione, la configurazione del sistema di imaging e l'acquisizione dei dati per ricostruire immagini cerebrali 2D per la visualizzazione delle strutture vascolari e della salute...

Imaging in vivo di un cervello di ratto mediante tomografia fotoacustica

Forniamo qui una descrizione dettagliata del protocollo sperimentale per l'imaging con un sistema optoacustico portatile (fotoacustico) di nuova concezione per l'imaging tridimensionale, funzionale e molecolare in tempo reale. Le potenti prestazioni e la versatilità dimostrate possono definire nuove aree di applicazione della tecnologia optoacustica nella ricerca preclinica e nella pratica clinica.

Universale Mano libera tridimensionale optoacustica Imaging Probe per Deep Tissue angiografia umana e funzionali studi preclinici in tempo reale

Il presente lavoro descrive un nuovo protocollo per eseguire ultrasuoni ad alta frequenza non invasivi e imaging fotoacustico su cervello di ratto, per visualizzare in modo efficiente le regioni sottocorticali profonde e i loro modelli vascolari dirigendo i segnali sui forami del cranio naturalmente presenti sul cranio animale.

Non invasiva parenchimale, vascolare e metabolica ad alta frequenza ad ultrasuoni e fotoacustico Rat profonda Brain Imaging

Qui viene dimostrato un sistema di microscopia fotoacustica (AR-OR-PAM) di risoluzione acustica (AR) e di risoluzione ottica (AR) in grado di ottenere immagini ad alta risoluzione a profondità poca e immagini a tessuto profondo a bassa risoluzione sullo stesso campione in vivo .

Microscopio fotoacustico acustico e ottico<em&gt; In Vivo</em&gt; Piccolo animale Blood Imaging di Vasculature

Una clinica fotoacustico palmare sistema di imaging sarà dimostrato per imaging animale piccolo non-invasivo in tempo reale.

Mano clinico fotoacustico sistema di Imaging per Imaging animale piccolo Non-invasivo in tempo reale

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.

Tomografia fotoacustica basata su diodo laser pulsata per il monitoraggio del lavaggio e del lavaggio del colorante nella Vasculatura corticale del ratto

È stato progettato un doppio imager fotoacustico a scansione raster, che integrava l'imaging a campo largo e l'imaging in tempo reale.

Doppia scansione Raster Photoacoustic Small-Animal Imager per la visualizzazione vascolare

Qui, presentiamo un protocollo sperimentale di imaging per la quantificazione della funzione cardiaca e della morfologia utilizzando la tomografia ad emissione di positroni ad alta risoluzione / tomografia computerizzata per piccoli animali. Vengono considerati sia i topi che i ratti, discutendo i diversi requisiti degli agenti di contrasto della tomografia computerizzata per le due specie.

Tomografia cardiaca ad emissione di positroni ad alta risoluzione/tomografia computerizzata per piccoli animali

Questo lavoro dimostra l'uso di una piattaforma di imaging multimodale basata su ultrasuoni per l'imaging non invasivo dell'ictus ischemico. Questo sistema consente la quantificazione dell'ossigenazione del sangue attraverso l'imaging fotoacustico e la perfusione alterata nel cervello attraverso l'angiografia acustica.

Tomografia fotoacustica, ecografica e angiografica integrata (PAUSAT) per l'imaging non invasivo dell'intero cervello dell'ictus ischemico

Scopri la tomografia fotoacustica con diodo laser impulsato per imaging cerebrale in vivo nei ratti. Questo sistema compatto offre imaging ad alta velocità con contrasto ottico elevato per la ricerca neuroscientifica.

Un sistema compatto di Tomografia Photoacoustico ad alte prestazioni per

Esplora altri video