Een compacte Pulsed laser diode-gebaseerde desktop fotoakoestische tomografie (PLD-PAT) systeem is aangetoond voor High-Speed dynamische in vivo beeldvorming van kleine dierlijke corticale vasculatuur.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Een compacte Pulsed laser diode-gebaseerde desktop fotoakoestische tomografie (PLD-PAT) systeem is aangetoond voor High-Speed dynamische in vivo beeldvorming van kleine dierlijke corticale vasculatuur.
Fotoakoestische (PA) tomografie (PAT) Imaging is een opkomende biomedische Imaging modaliteit nuttig in verschillende preklinische en klinische toepassingen. Op maat gemaakte circulaire ring array-gebaseerde transducers en conventionele omvangrijke ND: YAG/OPO lasers remmen de vertaling van het PAT-systeem naar klinieken. Ultra-compacte gepulseerde laser diodes (PLDs) worden momenteel gebruikt als een alternatieve bron van near-infrarood excitatie voor PA Imaging. High-Speed dynamic in vivo imaging is aangetoond met behulp van een compact PLD-based desktop PAT-systeem (PLD-PAT). Een gevisualiseerd experimenteel protocol met behulp van de Desktop PLD-PAT systeem is voorzien in dit werk voor dynamic in vivo Brain Imaging. Het protocol beschrijft de Desktop PLD-PAT systeemconfiguratie, de voorbereiding van het dier voor de hersenen vasculaire beeldvorming, en de procedure voor dynamische visualisatie van indocyanine Green (ICG) kleurstof opname en klaring proces in de rat corticale vasculatuur.
Fotoakoestische computertomografie (pact/Pat) is een veelbelovende niet-invasieve biomedische Imaging modaliteit combinatie van rijk optisch contrast met hoge ultrasond resolutie1,2,3,4, 5. Wanneer een nanoseconde doordringt gepulseerde Laser deposito's energie op licht absorberende chromophores aanwezig in een biologisch weefsel, lokale temperatuurstijgingen die leiden tot thermoelastic expansie en samentrekking van het weefsel, wat resulteert in de productie van drukgolven. Deze drukgolven staan bekend als ultrasone golven of fotoakoestische (PA) golven, die kunnen worden gedetecteerd door ultrasone omvormers rond het monster. De gedetecteerde pa signalen worden gereconstrueerd met behulp van verschillende wederopbouw algoritmen6,7,8,9 tot cross-sectionele pa beelden te genereren. PA Imaging biedt structurele en functionele informatie van macroscopische organen aan microscopische organellen als gevolg van de golflengte afhankelijkheid van endogene chromophores aanwezig in het lichaam10. PAT Imaging is met succes gebruikt voor de opsporing van borstkanker1, Sentinel lymfeklieren Imaging11, mapping van oxyhemoglobine (HBO2), deoxyhemoglobin (HbR), totale hemoglobineconcentratie (HbT), zuurstofverzadiging (dus 2) 12 , 13, tumor bloedvat14, kleine dierlijke hele lichaam Imaging15, en andere toepassingen.
ND: YAG/OPO lasers zijn conventionele excitatie bronnen voor de eerste generatie PAT systemen die op grote schaal worden gebruikt in de fotoakoestische Gemeenschap voor kleine dierlijke beeldvorming en Deep tissue Imaging16. Deze lasers bieden ~ 100 mJ energie pulsen bij lage herhalings percentages van ~ 10-100 Hz. De PAT imaging systemen met behulp van deze dure en volumineuze lasers zijn niet geschikt voor high-speed imaging met single-element echografie transducers (SUTs), als gevolg van de beperkte Pulse herhaling tarief. Dit remt real-time monitoring van fysiologische veranderingen die zich bij hoge snelheden in het dier. Met behulp van array-gebaseerde transducers zoals lineaire, semi-circulaire, circulaire, en volumetrische arrays met ND: YAG laser excitatie, high-speed imaging is mogelijk. Echter, deze array transducers zijn duur en bieden lagere gevoeligheden ten opzichte van SUTs; Toch is de Imaging snelheid beperkt door de lage herhaling tarief van de laser. Ultramoderne single-impuls PACT-systemen met aangepaste Full-ring array transducer verkrijgen van de PA gegevens op 50 Hz frame rates17. Deze array transducers moeten complexe back-end ontvangen van elektronica en signaal versterkers, waardoor het algehele systeem duurder en moeilijk voor klinisch gebruik.
Hun compacte formaat, lagere kosten eisen, en hogere Pulse herhaling tarief (volgorde van KHz) te maken gepulseerde laser diodes (PLDs) meer veelbelovend voor real-time Imaging. Door deze voordelen, PLDs worden actief gebruikt als een alternatieve excitatie bron in de tweede generatie PAT systemen. PLD-based Pat-systemen zijn aangetoond met succes voor high-frame rate Imaging met behulp van array transducers18, diep-weefsel en de hersenen Imaging19,20,21, cardiovasculaire ziektediagnose22 , en Reumatologie diagnose23. Als SUTs zijn zeer gevoelig en minder duur in vergelijking met array transducers, ze zijn nog steeds veelvuldig gebruikt voor PAT Imaging. Fiber-based PLD systeem zijn aangetoond voor Phantom Imaging24. Een draagbaar PLD-PAT systeem is eerder aangetoond door de montage van de PLD in de PAT scanner25. Met een SUT circulaire scanner, Phantom Imaging werd uitgevoerd tijdens 3 s van de scantijd, en in vivo rat Brain Imaging werd uitgevoerd tijdens een periode van 5 s met behulp van dit PLD-PAT systeem19.
Verder zijn er verbeteringen aangebracht in dit PLD-Pat systeem om het compacter te maken en een desktop model te maken met acht akoestische reflector-gebaseerde single-element Ultrasound transducers (SUTRs)26,27. Hier werden SUTs geplaatst in een verticale in plaats van horizontale richting met behulp van een 90° akoestische reflector28. Dit systeem kan worden gebruikt voor scantijden van maximaal 0,5 s en ~ 3 cm diep in weefsel Imaging en in vivo kleine dierlijke hersen beeldvorming. In dit werk, dit bureaublad PLD-PAT-systeem wordt gebruikt om de visuele demonstratie van experimenten voor in vivo Brain Imaging in kleine dieren en voor dynamische visualisatie van de opname en goedkeuring proces van Food and Drug Administration (FDA)-goedgekeurde indocyanine groen (ICG) kleurstof in rat hersenen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Alle dierproeven werden uitgevoerd volgens de richtlijnen en verordeningen goedgekeurd door de Institutional Animal zorg en het gebruik Comite van Nanyang technologische universiteit, Singapore (Animal protocol nummer ARF-SBS/NIE-A0331).
1. Beschrijving van het systeem
2. dierlijke voorbereiding voor rat Brain Imaging
Opmerking: gezonde vrouwelijke ratten (Zie tabel van materialen) werden gebruikt om de hierboven beschreven Desktop PLD-Pat-systeem voor de beeldvorming kleine dierlijke corticale vasculatuur aan te tonen.
3. Dynamic in vivo beeldvorming van opname en klaring proces van ICG in de rat hersenen
4.
Opmerking: 1,25 mg ICG poeder werd gewogen met behulp van een micro-weegmachine en gemengd met 5 mL gedestilleerd water om een concentratie van 323 μM voor de ICG oplossing te verkrijgen.
5.
Opmerking: A-lijnen verworven tijdens een 0,5 s scantijd worden gebruikt om een cross-sectionele beeld te genereren. Er is tijdhiaat van ~ 0.4-0.6 s tussen elke scan.

Figuur 1: schematische van de Desktop PLD-Pat-systeem. (A) schematische van het bureaublad PLD-Pat ingesteld. PLD: gepulseerde laser diode, OD: optische diffuser, SUTR: akoestische reflector gebaseerd single-element echografie transducer, AM: anesthesie machine, CSP: circulaire scannen plaat, SM: Stappenmotor, LDU: Laser Driving unit, AMP: versterker, DAQ: data acquisitie kaart. (B) circulaire opstelling van acht SUTRs rond het scancentrum. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De potentie van het beschreven Desktop PLD-PAT systeem voor dynamic in vivo Brain Imaging is in dit protocol met overeenkomstige resultaten tentoongesteld. High-speed imaging vermogen van de Desktop PLD-PAT-systeem werd aangetoond door het uitvoeren van in vivo hersen beeldvorming van gezonde vrouwelijke ratten. PA signalen werden verzameld met behulp van acht SUTRs roterende in 360 ° en 45 ° rond de rat hersenen bij scansnelheden van 4 s en 0,5 s, respectievelijk. Figuur 2a, B
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Dit werk presenteert een protocol om een desktop PLD-PAT-systeem te gebruiken voor het uitvoeren van experimenten op kleine dieren zoals ratten voor in vivo hersen beeldvorming en dynamische snelle opname en ontruiming proces van contrastmiddelen zoals ICG. Omvangrijke, dure OPO-PAT systemen nemen enkele minuten (2-5 min) om een enkele cross-sectionele in vivo beeld te verwerven. Een compacte, goedkope, eerste generatie draagbare PLD-PAT systeem biedt enkele cross-sectionele in vivo beelden in 5 s. In tegenstelling, een ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hebben geen relevante financiële belangen of mogelijke belangenconflicten te onthullen.
Het onderzoek wordt ondersteund door de Singapore ministerie van volksgezondheid van de nationale Raad voor medisch onderzoek (NMRC/OFIRG/0005/2016: M4062012). De auteurs willen de heer Chow Wai Leif Bobby bedanken voor de machine winkel te ondersteunen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 12 V voeding | Voltcraft | PPS-11810 | Voor de voedingsspanning voor PLD |
| Akoestische reflector | Olympus | F102 | 45 graden reflector die is toegevoegd aan de ultrasone transducer |
| Acrylen watertank | NTU workshop | Op maat gemaakt | Wordt gebruikt om water te bevatten dat dient als akoestisch koppelmedium tussen dierenhersenen en detector |
| Anesthesieapparaat | Medical plus pte ltd | Niet-rebreathing anesthesieapparaat met zuurstofconcentrator. | Voedt zuurstof en isofluraangegeven aan dieren |
| Dierenverdeler | In Vivos Pte Ltd, Singapore | Dierenverdeler die kleine dieren levert voor onderzoeksdoeleinden | |
| Dierhouders | NTU workshop | Op maat gemaakt | Wordt gebruikt om dieren op hun buik vast te houden |
| Ademmasker | NTU workshop | Op maat gemaakt | Wordt gebruikt samen met dierhouders om een anesthesiegemeng aan het dier te leveren |
| Circulaire scanner | NTU workshop | Op maat gemaakt | Scanner is gemaakt van aluminium |
| DAQ (Data acquisitiekaart) | Spectrum | M2i.4932-exp | 16 bit, 30 Ms/s, 8 kanalen, 1 Gs, PCIe |
| Data acquisitiesoftware | National Instruments Corporation, Austin, TX, USA) | NI LabVIEW 2015 SP1 (32 bit) | LabVIEW-programma ontwikkeld in ons laboratorium voor het besturen van de stapmotor en het verzamelen van de PA-signalen van de detector |
| Dataverwerkingssoftware | Matlab (Mathworks, Natick, MA, USA) | Matlab R2015b | Matlab-code ontwikkeld in ons laboratorium voor het reconstrueren van dwarsdoorsnede PA-beelden |
| Functiegenerator | RIGOL | DG1022 | Om de herhalingssnelheid van de PLD te wijzigen. Het geeft een TTL-signaal om de DAQ te synchroniseren met de laser-excitatio. |
| Lage ruissignaalversterker | Genetron | Op maat gemaakt met Mini-circuits, ZFL-500LN-BNC | Om het PA-signaal van SUTR te ontvangen en te versterken. De versterking is 24 dB. |
| Optische diffuser | Thorlabs | DG-120 | Wordt gebruikt om de laserstraal homogeen te maken |
| Gepulsaerde laserdiode | Quantel, Frankrijk | QD-Q1924-ILO-WATER | Het is de excitatielaserbron met specificaties van 816 nm golflengte, 3,4 mJ per pulsenergie, 107 ns pulsbreedte, 2 KHz maximale herhalingssnelheid, afmetingen: 13,0 x 7,6 x 5,0 cm |
| Ratten | In Vivos Pte Ltd, Singapore | NTac:SD, Sprague Dawley / SD | Vrouwelijk, gewicht 100±10g, rattenstam: Sprague Dawley, leeftijd: 4-5 weken |
| Stapmotor met versnellingsbak | LIN Engineering (Servo Dynamics) | Motor: CO-5718L-01P-RO, Versnellingsbak: DPL64/1; Voeding PW-100-24 | Om de detectorhouder in een cirkelvormige geometrie te verplaatsen. Koppel: 2,08 N-m, Rotor traagheid: 2,6 kg-cm2 |
| Ultrasoon gel | Progress/parker acquasonic gel | PA-GEL-CLEA-5000 | Helder ultrasoon gel |
| Ultrasone transducer | Olympus | V309-SU/ U8423013 | Ultrasone sensoren gebruikt voor foto-akoestische detectie. Centrale frequentie 5 MHz, 0,5 inch |
| Variabele hoogspanningsvoeding | Elektro-Automatik | EA-PS 8160-04 T | Om de laseruitgangsvermogen te wijzigen |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.