密集した脈打ったレーザーのダイオード・ベースの卓上の光音響の断層撮影 (PLD-PAT) システムは小さい動物の皮質の脈管構造の高速動的のインビボのイメージ投射のために証明される。
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方法論記事
密集した脈打ったレーザーのダイオード・ベースの卓上の光音響の断層撮影 (PLD-PAT) システムは小さい動物の皮質の脈管構造の高速動的のインビボのイメージ投射のために証明される。
光音響 (PA) 断層撮影 (PAT) 画像化は、様々な前臨床および臨床的適用において有用な新生生物医学的画像化モダリティである。カスタムメイドの円形リングアレイベースのトランスデューサと従来のかさばる Nd: YAG/OPO レーザーは、診療所への PAT システムの翻訳を阻害します。超小型パルスレーザダイオード (PLDs) は、現在、PA イメージングのための近赤外励起の代替源として使用されています。高速度動的 in vivo イメージングは、コンパクト PLD ベースのデスクトップ PAT システム (PLD-PAT) を使用して実証されています。デスクトップ PLD-PAT システムを使用して視覚化された実験的なプロトコルは動的な in vivo 脳イメージ投射のためのこの仕事で提供される。プロトコルは、デスクトップ PLD-PAT システム構成、脳血管イメージングのための動物の調製、およびラット皮質脈管構造におけるインドシアニングリーン (ICG) 染料取り込みおよびクリアランスプロセスの動的な可視化のための手順を説明する。
光音響計算断層撮影法 (協定/PAT) は、高 ultrasond 解像度1、2、3、4と豊富な光学的コントラストを組み合わせた有望な非侵襲的生体イメージングモダリティです。5.ナノ秒パルスレーザーが生体組織内に存在する光吸収発色団にエネルギーを堆積させると、局所的な温度が上昇して組織の thermoelastic の拡大と収縮をもたらし、結果として発生する圧力波これらの圧力波は、超音波または光音響 (PA) 波として知られており、サンプルの周りの超音波トランスデューサによって検出することができる。検出された pa 信号は、断面 pa 画像を生成するために、6、7、8、9の様々な再構成アルゴリズムを使用して再構築される。PA イメージングは、体10の中に存在する内因性発色団の波長依存性に起因する巨視的な器官からの微細なオルガネラに構造的および機能的情報を提供する。PAT イメージングが正常に使用された乳がん検出1、センチネルリンパ節イメージング11、オキシヘモグロビン (HbO2)、deoxyhemoglobin (HbR)、総ヘモグロビン濃度 (HbT)、酸素飽和度 (2)12,図13は、腫瘍の血管新生14、動物全体の全身イメージング15、および他の用途である。
Nd: YAG/OPO レーザは、小型動物イメージングおよび深部組織画像化16のための光音響コミュニティで広く使用されている第一世代の PAT システムに対する従来の励起源である。これらのレーザーは ~ 10-100 Hz の低い繰り返し率で ~ 100 mJ エネルギーパルスを提供します。これらの高価でかさばるレーザーを使用した PAT イメージングシステムは、パルス反復速度が限られているため、単元素超音波トランスデューサ (SUTs) による高速イメージングには適していません。これは、動物の内部で高速で発生する生理的変化のリアルタイムモニタリングを阻害する。リニア、半円形、円形、容積型アレイなどのアレイ・ベースのトランスデューサを Nd: YAG レーザー励起で使用することで、高速イメージングが可能です。しかし、これらの配列トランスデューサは高価であり、SUTs に比べて低い感度を提供します。しかし、撮像速度は、レーザの低い繰り返し速度によって制限される。カスタマイズされたフルリングの配列のトランスデューサーが付いている最先端の単一インパルスの協定システムは50の Hz フレーム率17で PA データを得る。これらのアレイトランスデューサは、複雑なバックエンドの受信電子機器および信号増幅器を必要とするため、システム全体のコストが高くなり、臨床使用が困難になります。
小型、低コスト、高パルス繰り返し率 (KHz の次数) により、パルスレーザダイオード (PLDs) がよりリアルタイムイメージングにより有望になります。これらの利点のために、PLDs は第二世代 PAT システムの代替励起源として積極的に使用されています。PLD に基づいた PAT システムは、アレイトランスデューサ18を用いた高フレームレートイメージングに対して正常に実証されており、深部組織および脳イメージング19、20、21、心血管疾患診断22、リウマチ診断23.SUTs は、アレイトランスデューサと比較して高感度で安価であるため、PAT イメージングにも広く使用されています。繊維ベース PLD システムは、ファントムイメージング24のために実証されている。携帯用 PLD-PAT システムは PAT スキャナ25の中の PLD を取付けることによって前に証明された。1 SUT 環状走査器を用いて、3 s の走査時間の間にファントム画像化を行い、そしてインビボでラット脳画像化を、この PLD − PAT システム19を用いて 5 s 期間中に行った。
さらに、この PLD-PAT システムを改良して、8つの音響リフレクタベースの単一要素超音波トランスデューサ (SUTRs)26,27を使用して、よりコンパクトにしてデスクトップモデルを作成しました。ここで、SUTs は、90°音響反射器28の補助を用いて水平方向の代わりに垂直に配置した。このシステムはティッシュのイメージ投射およびインビボの小さい動物の頭脳のイメージ投射の 0.5 s そして〜 3 cm までのスキャンの時間のために使用することができる。この作品では、このデスクトップ PLD-PAT システムは、小動物におけるインビボ脳イメージングのための実験の視覚的なデモンストレーションを提供し、食品医薬品局 (FDA) の取り込みおよびクリアランスプロセスの動的な可視化のために使用されています-承認インドシアニン緑 (ICG) ラットの脳内染料。
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全ての動物実験は、シンガポールの南洋理工大学の動物医療・ユース委員会 (動物プロトコル番号 ARF-SBS/NIE-A0331) が承認したガイドラインと規制に従って実施された。
1. システム記述
2. ラット脳イメージングのための動物の調製
注: 健康な雌ラット (材料のテーブルを参照) は、小動物の皮質脈管構造を画像化するための上記のデスクトップ PLD-PAT システムを実証するために使用されました。
3. ラット脳における ICG の取込みとクリアランス過程の動的 in vivo イメージング
4.
注: 1.25 ICG 粉末の mg をマイクロ計量機を用いて秤量し、5ml の蒸留水と混合し、ICG 溶液に対して323μ m の濃度を得た。
5.
注: 0.5 s スキャン時間の間に取得された A 線は、1つの断面イメージを生成するために使用します。各スキャンの間には、約 0.4 ~ 0.6 秒の時間差があります。

図 1: デスクトップ PLD-PAT システムの概略。(A) デスクトップ PLD-PAT の概略を設定します。PLD: パルスレーザーダイオード、OD: 光ディフューザー、SUTR: 音響リフレクタベースの単一要素超音波トランスデューサ、AM: 麻酔機、CSP: 円形スキャニングプレート、SM: ステッピングモータ、LDU: レーザー駆動部、アンプ: アンプ、DAQ: データ集録カード。(B) 走査中心を中心とした 8 SUTRs の円形配置。この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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ダイナミックな in vivo 脳イメージングのために説明されたデスクトップ PLD-PAT システムの可能性は、対応する結果とこのプロトコルで展示しています。デスクトップ PLD-PAT システムの高速画像化能力は、健康な雌ラットのインビボ脳画像化を行うことによって実証された。PA 信号は、それぞれ 4 s と 0.5 s のスキャン速度でラット脳の周りの360°と45°で回転する 8 SUTRs を使用して収集されました。図 2a, Bは、それぞれ 4 s および 0.5 s の走査速度で雌ラット (98 g) の脳画像を示す。矢状洞 (SS) および横洞 (TS) は両方の画像ではっきりと見える。図 2c、脳領域上の頭皮を除去する前と後のラット脳の写真をそれぞれ表示します。PAT イメージングは、無傷の皮膚および頭蓋骨で非侵襲的に行われました。
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本研究では、ICG のような造影剤の生体内脳イメージングや動的な高速取り込み・クリアランスプロセスについて、ラットのような小動物の実験を行うためのデスクトップ PLD-PAT システムを使用するためのプロトコルを提示する。かさばる、高価な OPO システムは、インビボ画像の単一の断面を取得するために数分 (2-5 分) かかります。密集した、低価格の、第1世代の携帯用 PLD-PAT システムは5つの s のインビボイメージの単一の横断面を提供する。これに対して、高速、コンパクト、低コストのデスクトップ PLD-PAT システムは、インビボ画像の高品質2D 断面をわずか 0.5 s26でレンダリングします。ここでは、同一のデスクトップ PLD-PAT システムが、高速インビボ動的脳イメージングのために実証された。このシステムを使用して、急速に変化する生理的現象の連続的なモニタリングは、ICG の取り込みおよびクリアランスプロセスによる PA 信号の立ち上がりと下降のために小動物の内部で行われます。しかし、PLDs には単波長生成などの制限があり、機能的イメージングを禁止しています。また、機...
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著者は、開示するために、関連する金銭的利害や潜在的な対立の利害関係を持っていません。
この研究は、シンガポール保健省の国立医学研究評議会 (ユーザー/OFIRG/0005/2016: M4062012) によって支援されています。著者は、マシンショップのサポートのためのチョウワイ Hoong ボビー氏に感謝したいと思います。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 12 V電源 | Voltcraft | PPS-11810 | PLDの作動電圧を供給するには |
| 音響リフレクター | オリンパス | F102 | 45度リフレクター 超音波トランスデューサーに増強 |
| アクリル水タンク | NTUワークショップ | カスタムメイド | 動物の脳と検出器との間の音響結合媒体として機能する水を保持するために使用されます |
| 麻酔器 | Medical plus pte ltd | 酸素濃縮器付き非再呼吸麻酔器。 | 動物に酸素とイソフルランを供給します |
| 動物販売業者 | In Vivos Pte Ltd、シンガポール | 研究目的で小動物を供給する動物販売業者 | |
| アニマルホルダー | NTUワークショップ | カスタムメイド | 腹部に動物を保持するために使用 |
| 呼吸マスク | NTUワークショップ | カスタムメイド | 動物ホルダーと一緒に使用して、動物に麻酔混合物を供給するために |
| サーキュラー | スキャナーNTUワークショップ | カスタムメイド | のスキャナーは、アルミニウム |
| 製DAQ(データ収集)カード | Spectrum | M2i.4932-exp | 16ビット、30 MS / 秒、8チャンネル、1 Gs、PCIe |
| データ取得ソフトウェア | National Instruments Corporation、Austin、TX、USA) | NI LabVIEW 2015 SP1(32ビット) | ステッピングモーターを制御し、検出器からPAシングルを取得するために当研究室で開発されたLabVIEWベースのプログラムデータ処理 |
| ソフトウェア | Matlab (Mathworks, Natick, MA, USA) | Matlab R2015b | 当研究室で開発された断面PA画像の再構成のためのMatlabコード |
| ファンクションジェネレータ | RIGOL | DG1022 | PLDの繰り返し率を変更します。DAQをレーザー励起と同期するためのTTL信号を提供します。 |
| 低ノイズ信号増幅器 | Genetron | Mini-circuitsを使用したカスタムメイド、ZFL-500LN-BNC | を受信し、SUTRからのPA信号を増幅します。ゲインは24dBです。 |
| 光学ディフュー | ザーThorlabs | DG-120 | レーザービームを均質にするために使用される |
| パルスレーザーダイオード | Quantel、フランス | QD-Q1924-ILO-WATER | それは816nmの波長、パルスエネルギーあたり3.4mJ、107nsのパルス幅、2KHzの最大パルス反復率、寸法の仕様を持つ励起レーザー光源です。 |
| シンガポール | NTac:SD、Sprague Dawley / SD | 女性、体重100±10g、ラットの系統:Sprague Dawley、年齢:4-5週間 | |
| 付きステッピング | モーターLINエンジニアリング(サーボダイナミクス) | モーター:CO-5718L-01P-RO、ギアボックス:DPL64 / 1;電源 PW-100-24 | 検出器ホルダーを円形に動かします。トルク:2.08N-m、ローター慣性:2.6kg-cm2 |
| 超音波ゲル | プログレス/パーカーアクアソニックゲル | PA-GEL-CLEA-5000 | クリア超音波ゲル |
| 超音波トランスデューサ | オリンパス | V309-SU/U8423013 | 光音響検出に使用される超音波センサー。中央周波数5MHz、0.5インチ |
| 可変高電圧電源 | Elektro-Automatik | EA-PS 8160-04 T | レーザー出力電力を変更するには |
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