Een compact pulsed-laser diode gebaseerde foto-akoestische tomografie (PLD-PAT) systeem voor high-speed in vivo hersenbeelden in kleine dieren wordt aangetoond.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Een compact pulsed-laser diode gebaseerde foto-akoestische tomografie (PLD-PAT) systeem voor high-speed in vivo hersenbeelden in kleine dieren wordt aangetoond.
In vivo speelt kleine dierenbeelden een belangrijke rol in preklinische studies. Photoacoustic tomography (PAT) is een opkomende hybrid imaging modaliteit die groot potentieel voor zowel preklinische als klinische toepassingen aantoont. Conventionele optische parametrische oscillator-gebaseerde PAT (OPO-PAT) systemen zijn omvangrijk en duur en kunnen geen snelle beeldvorming bieden. Onlangs zijn pulsed-laser diodes (PLD's) succesvol aangetoond als een alternatieve excitatiebron voor PAT. Pulsed-laser diode PAT (PLD-PAT) is succesvol aangetoond voor high-speed beeldvorming op photoacoustic phantoms en biologische weefsels. Dit werk biedt een visualized experimenteel protocol voor in vivo hersenbeeldvorming met behulp van PLD-PAT. Het protocol bevat de compacte PLD-PAT-systeemconfiguratie en de beschrijving ervan, dierbereiding voor hersenbeeldvorming en een typische experimentele procedure voor 2D doorsnede-beeldvorming van de rattenhuid. Het PLD-PAT-systeem is compact en kost-efFectief en kan high-speed beeldvorming van hoge kwaliteit leveren. Brainbeelden die in vivo bij verschillende scansnelheden worden verzameld, worden gepresenteerd.
Photoacoustic Tomography (PAT) is een hybrid imaging modaliteit die veel toepassingen heeft in zowel klinische als preklinische studies 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . In PAT bestralen nanoseconde laserpulsen biologisch weefsel. De absorptie van incidentielicht door de weefselchromoforen leidt tot een lokale temperatuurstijging, die dan drukgolven uitzendt in de vorm van geluidsgolven. Een ultrasone detector verzamelt de foto-akoestische signalen op verschillende posities rond het monster. De foto-akoestische (PA) signalen worden gereconstrueerd met behulp van verschillende algoritmes (zoals een vertragings- en som-algoritme) 6 om het foto-akoestische beeld te genereren.
Deze hybrid imaging modaliteit biedt hoge resolutie, diepgeweven beeldvorming en hoge optische absorptie contrast 7 ,Class = "xref"> 8. Onlangs is een beeldvormende diepte van 12 cm bereikt in kippenborstweefsel met behulp van een langere golflengte (~ 1.064 nm) en een exogeen contrastmiddel, die fosforfthalocyanine bevat. Deze diepte gevoeligheid is veel hoger dan de diepte gevoeligheid van andere optische methoden, zoals confocal fluorescentiemicroscopie, twee-foton fluorescentiemicroscopie, 10 optische coherentietomografie, 11 enz. Met meer dan één golflengte kan PAT structurele en functionele veranderingen in organen aantonen . Voor veel mensenziekten zijn kleine dierenmodellen goed gevestigd 12 , 13 , 14 , 15 . Voor het afbeelden van kleine dieren zijn diverse modaliteiten aangetoond. Uit al die benaderingen heeft PA imaging eerder aandacht gekregen vanwege de bovengenoemde voordelen. VADERT heeft zijn potentieel voor het beelden van bloedvaten in de weefsels en organen ( dwz hart, longen, lever, ogen, milt, hersenen, huid, ruggengraat, nier, enz. ) Van kleine dieren 4 , 16 , 17 , 18 weergegeven . PAT is een gevestigde modaliteit voor beeldvorming van kleine dieren. PA-golven worden geproduceerd door de lichtabsorptie door de chromophoren, zodat meerdere golflengten PAT de mapping van de totale hemoglobine concentratie (HbT) en zuurstofverzadiging (SO2) 19 , 20 , 21 , 22 mogelijk maken . Brein-neurovasculaire beeldvorming werd bereikt met behulp van exogene contrastmiddelen 12 , 23 , 24 . PA modaliteit kan bijdragen tot een beter begrip van de gezondheid van de hersenen doorInformatie verstrekken op de moleculaire en genetische niveaus.
Voor beeldvorming met kleine dieren worden Nd: YAG / OPO lasers veel gebruikt als PAT excitatie bronnen. Deze lasers leveren ~ 5 ns bijna-infraroodpulsen met energie (~ 100 mJ bij het OPO-uitvoervenster) bij een herhalingssnelheid van 10 Hz. Het PA-systeem uitgerust met dergelijke lasers is kostbaar en omvangrijk en maakt het mogelijk om met lage-snelheid beeldvorming met een-element-ultrageluid transducers (UST) te maken vanwege de lage herhalingssnelheid van de laserbron. Een typische A-lijn aanwinstijd in dergelijke PA-systemen is ~ 5 min per doorsnede 25 . Een beeldvorming systeem met zo'n lange metingstijd is niet ideaal voor beeldvorming met kleine dieren, omdat het moeilijk is om de fysiologische parameters te controleren voor beeldvorming in het hele lichaam, tijdoplossend functioneel beeldvorming, enz. Door meerdere single-element USTs te selecteren, Gebaseerde UST's, of een laser met hoge repetitiesnelheid, is het mogelijk om de beeldsnelheid van PA te verhogensystemen. Door slechts één single-element UST te gebruiken om alle PA signalen te verzamelen rond het monster, wordt de beeldsnelheid van het systeem beperkt. Meerdere single-element UST's die in cirkelvormige of halfcirkelvormige geometrie worden geregeld, worden aangetoond voor high-speed, zeer gevoelige beeldvormingstechnieken. Array-gebaseerde USTs 26 , zoals lineaire, halve cirkelvormige, cirkelvormige en volumetrische arrays, zijn succesvol gebruikt voor real-time beeldvorming 1 . Deze array-gebaseerde UST's zullen de beeldsnelheidsnelheid verhogen en de meetgevoeligheid verminderen, maar ze zijn duur. Echter, de beeldsnelheid van PA systemen die gebruik maken van array-gebaseerde UST's is nog steeds beperkt door de herhalingssnelheid van de laser.
Pulsed-laser technologie is geavanceerd om hoge-repetitie-rate pulserende-laser diodes (PLD's) te maken. 7000 frames / s B-scan foto-akoestische beeldvorming werd aangetoond met PLD's met behulp van een klinisch ultrasound platform 27 . Dergelijke PLD's kunnen de afbeeldingssnelheid van th verbeterenE PAT-systeem, zelfs bij single-element UST circulaire scan geometrie. Single-element UST's zijn minder duur en zeer gevoelig, in tegenstelling tot array-gebaseerde UST's. In het afgelopen decennium werd weinig onderzoek gerapporteerd over het gebruik van PLD's met hoge herhalingsgraad als de excitatiebron voor PA-beeldvorming. Een vezelgebaseerde bijna-infrarood PLD werd aangetoond voor PA-beeldvorming van fantoom 28 . De in vivo beeldvorming van bloedvaten bij een ~ 1 mm diepte onder de menselijke huid werd aangetoond met behulp van energiezuinige PLD's 29 . Een PLD-gebaseerde optische resolutie foto-akoestische microscoop (ORPAM) werd gemeld. Met behulp van PLD's werd ~ 1,5 cm diepbeeldvorming bij een beeldsnelheid van 0,43 Hz aangetoond 30 . Zeer recent werd een PLD-PAT-systeem gemeld dat beelden op zo kort als ~ 3 s en op een ~ 2 cm beelddiepte in biologisch weefsel 25 , 31 leverden. Deze studie bleek dat zo'n goedkoop, compact systeem hoge qua kan leverenLity beelden, zelfs bij hoge snelheden. Het PLD-PAT-systeem kan worden gebruikt voor fotocoustic imaging met hoge beeldsnelheid (7000 fps), beeldschermbeelden op het bloed, vingergewichtbeelden, 2 cm diepe weefselbeelden, beeldvorming met kleine dieren, enz. De enkelvoudige golflengte en Low pulse-energy pulsen van PLD beperken de toepassing ervan tot multispectrale en diepe weefselbeelden. Er zijn experimenten uitgevoerd op kleine dieren met hetzelfde PLD-PAT systeem dat wordt gebruikt voor preklinische toepassingen. Het doel van dit werk is het visualiseren van de experimentele demonstratie van het PLD-PAT-systeem voor in-vivo 2D doorsnedebeelden van kleine dieren.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Alle dierproeven werden uitgevoerd volgens de richtlijnen en voorschriften die zijn goedgekeurd door het Institutionele Diervoeder- en Gebruikskomitee van Nanyang Technologische Universiteit, Singapore (Animal Protocol Number ARF-SBS / NIE-A0263).
1. Systeem Beschrijving
2. Voorbereiding van dieren voor de hersenbeelden van de hersenen
OPMERKING: Het hierboven beschreven PLD-PAT-systeem werd aangetoond voor het imago van kleine dierenhersen. Voor deze experimenten werden gezonde vrouwelijke ratten (zie de tabel van materialen ) gebruikt.
3. In Vivo Rat Brain Imaging

Figuur 1: Schema's van het PLD-PAT-systeem. (A) Schematisch van de PLD-PAT. PLD: pulsed-laser diode, CSP: circuLarve-scanplaat, AM: anesthesie machine, M: motor, MPU: motor katrol eenheid, LDU: laser driver unit, PRU: pulser / ontvanger eenheid, UST: ultrasound transducer, WT: watertank, PF: polymeer film en DAQ: Data acquisition card. ( B ) Schema van de watertank, bovenaanzicht (1) en dwarsdoorsnede (2) voor in-vivo beeldvorming van kleine dieren. A: metrische schroef, B: acryl ringplaat, C: siliconen "O" ring, D: 100 μm dik, transparant polyethyleen bedekking. De tank had een gat van 9 cm op zijn bodem en werd afgesloten met een ultrasone en optisch transparante 100 μm dikke polyethyleenmembraan. ( C ) Schematisch van de verlichting van laserpulsen van de PLD en A-lijnen, verzameling in een 5-s continue scantijd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De in vivo hersenbeeldresultaten die de mogelijkheden van het beschreven PLD-PAT-systeem tonen, worden in deze sectie getoond. Om de high-speed beeldvormingsmogelijkheden van het PLD-PAT-systeem te demonstreren, werd de in vivo hersenafbeelding van twee verschillende gezonde ratten uitgevoerd. Figuur 2 toont de hersenbeelden van een vrouwelijke rat (93 g) bij verschillende scansnelheden. Figuur 2a en b tonen de...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Dit werk bevat een protocol voor het uitvoeren van in vivo hersenbeelden op ratten met behulp van een PLD-PAT-systeem. Het protocol bevat een gedetailleerde beschrijving van het beeldvormingssysteem en de uitlijning daarvan, evenals een illustratie van hersenbeelden op ratten. De bestaande OPO-gebaseerde PAT-systemen zijn duur en omvangrijk en kunnen in een 5-10 min een doorsnedebeeld geven. Het PLD-PAT-systeem is compact, draagbaar en goedkoop en kan in 3 s goede beelden leveren. De prestatie van het systeem w...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hebben geen relevante financiële belangen in het manuscript en geen andere potentiële belangenconflicten om te onthullen.
Het onderzoek wordt ondersteund door de Tier 2-subsidie, gefinancierd door het Ministerie van Onderwijs in Singapore (ARC2 / 15: M4020238) en de National Medical Research Council van Singapore (NMRC / OFIRG / 0005/2016: M4062012). De auteurs willen de heer Chow Wai Hoong Bobby bedanken voor de hulp van de machinewinkel.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Pulsed laser diode | Quantel, France | QD-Q1910-SA-TEC | Het is de excitatielaserbron met specificaties 803 nm, 1,4 mJ per puls, 136 ns puls, 7 kHz maximum, afmetingen: 11,0 x 6,0 x 3,6 cm, gewicht: ~150 gram |
| Stepper motor met versnellingsbak | LIN Engineering (Servo Dynamics) | Motor: CO-5718-01P, Versnellingsbak: DPL64/1, I = 10 voor NEMA 23; voeding PW100-48 | Om de detectorhouder in een cirkelvormige geometrie te bewegen. Koppel: 2,08 N-m, Rotortraagheid: 2,6 kg-cm2 |
| Ultrasoon pulser/ontvanger | Olympus | 5072PR | Om het PA-signaal van UST te ontvangen, filteren en versterken. De bandbreedte is 35 MHz en de versterking is ±59 dB. |
| Ultrasone transducer | Olympus | V306-SU-NK-CF1.9IN/Q4200069 | Ultrasone sensoren gebruikt voor foto-akoestische detectie. Centrale frequentie 2,25 MHz, 0,5 inch, Cilindrische focus 1,9 inch |
| PCIe DAQ (Data-acquisitie) Kaart | GaGe | CSE4227/ A6000610/B0E00610 | 12 bit, 100 Ms/s, 2 kanalen, 1 Gs onboardgeheugen, PCIe x16-interface |
| Ratten | In Vivos Pte Ltd, Singapore | NTac:SD, Sprague Dawley / SD | Vrouwelijk, gewicht 100 ±10g |
| Acrylic watertank | NTU workshop | Op maat gemaakt | Het bevat het water dat fungeert als akoestisch koppelingsmedium tussen hersenen en detector |
| Circulaire Scanner | NTU workshop | Op maat gemaakt | Scanner is gemaakt van Aluminium |
| Anesthesiemachine | medical plus pte ltd | Niet-herademende anesthesiemachine met zuurstofconcentrator. | Voedt zuurstof en isofluraan aan het dier |
| Draagbare pulsoxymeter | Medtronic | PM10N met veterinair sensor | Bewaakt de pulsoxymetrie van het dier |
| Ultrasoundgel | Progress/parker acquasonic gel | PA-GEL-CLEA-5000 | Doorzichtig ultrasoundgel |
| Data-acquisitiesoftware | National Instruments Corporation, Austin, TX, USA) | NI LabVIEW 2015 SP1 | LabVIEW-gebaseerd programma ontwikkeld in ons laboratorium voor het besturen van de steppermotor en het verwerven van de PA-signalen van de detector |
| Dataverwerkingssoftware | Matlab (Mathworks, Natick, MA, USA) | Matlab R2012b | Matlab-code voor reconstructie van PA-beelden is ontwikkeld in ons lab |
| Temperatuurregelaar | LaridTech, MO,USA | MTTC1410 | Het zal constant de temperatuur van de PLD regelen |
| 12 V voeding | Voltcraft | PPS-11810 | Voor het leveren van bedrijfsspanning voor PLD |
| Variabele voeding | BASETech | BT-153 | Om het laseruitgangsvermogen te wijzigen |
| Functiegenerator | Funktionsgenerator | FG250D | Om de herhalingssnelheid van de PLD te wijzigen. Het zal een TTL-signaal leveren om de DAQ te synchroniseren met de laserexcitatie. |
| Dierdistributeur | In Vivos Pte Ltd, Singapore | Dierdistributeur die kleine dieren levert voor onderzoeksdoeleinden. | |
| Dierhouders | NTU workshop | Op maat gemaakt | Gebaat om het dier op zijn buik te houden |
| Ademhalingsmasker | NTU workshop | Op maat gemaakt | Wordt samen met de dierhouders gebruikt om een anesthesiemengsel aan het dier te leveren |
| Pentobarbital natrium | Valabarb | Gebaat voor het euthaniseren van het dier na het experiment. | |
| Optische diffuser | Thorlabs | DG10-1500 | Gebaat om het laserstraal homogeen te maken |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.