Показана компактная система фотоакустической томографии на основе диодов на основе импульсного лазерного излучения (PLD-PAT) для высокоскоростной визуализации мозга in vivo у мелких животных.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Показана компактная система фотоакустической томографии на основе диодов на основе импульсного лазерного излучения (PLD-PAT) для высокоскоростной визуализации мозга in vivo у мелких животных.
В животноводстве in vivo важную роль играют доклинические исследования. Фотоакустическая томография (PAT) - это новый гибридный метод визуализации, который демонстрирует большой потенциал как для доклинических, так и для клинических применений. Обычные системы PAT (OPO-PAT) на основе оптического параметрического осциллятора являются громоздкими и дорогими и не могут обеспечить высокоскоростную визуализацию. Недавно импульсы с импульсным лазером (PLD) были успешно продемонстрированы как альтернативный источник возбуждения для PAT. Импульсно-лазерный диод PAT (PLD-PAT) был успешно продемонстрирован для высокоскоростного изображения на фотоакустических фантомах и биологических тканях. Эта работа представляет собой визуализированный экспериментальный протокол для визуализации мозга in vivo с использованием PLD-PAT. Протокол включает в себя компактную конфигурацию системы PLD-PAT и ее описание, подготовку животных к визуализации головного мозга и типичную экспериментальную процедуру для двумерного изображения мозга головного мозга с поперечным сечением. Система PLD-PAT компактна и экономичнаЭффективно и может обеспечить высокоскоростную высококачественную визуализацию. Представлены изображения мозга, собранные in vivo при различных скоростях сканирования.
Фотоакустическая томография (PAT) представляет собой гибридный метод визуализации, который имеет множество применений в клинических и доклинических исследованиях 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . В PAT наносекундные лазерные импульсы облучают биологическую ткань. Поглощение падающего света тканевыми хромофорами приводит к локальному повышению температуры, которое затем дает волны давления, излучаемые в виде звуковых волн. Ультразвуковой детектор собирает фотоакустические сигналы в разных положениях вокруг образца. Сигналы фотоакустики (ПА) восстанавливаются с использованием различных алгоритмов (таких как алгоритм задержки и суммирования) 6 для генерации фотоакустического изображения.
Этот гибридный способ визуализации предлагает изображение с высоким разрешением, глубокой тканью и высокий контраст оптического поглощения 7 ,Class = "xref"> 8. В последнее время в ткани куриной грудки с помощью более длинной длины волны (~ 1 064 нм) и экзогенного контрастного вещества, называемого фосфаровым фталоцианином, была достигнута глубина 9 -мм изображения. Эта чувствительность по глубине намного выше чувствительности по глубине других оптических методов, таких как конфокальная флуоресцентная микроскопия, двухфотонная флуоресцентная микроскопия, 10-я оптическая когерентная томография и т. Д. Используя более одной длины волны, ПАТ может демонстрировать структурные и функциональные изменения в органах , Для многих заболеваний человека были разработаны модели с малым животным 12 , 13 , 14 , 15 . Для визуализации мелких животных было продемонстрировано несколько модальностей. Из всех этих подходов визуализация ПА получила довольно быстрое внимание благодаря преимуществам, упомянутым выше. ПенсильванияT показал свой потенциал для визуализации кровеносных сосудов в тканях и органах ( например, сердца, легких, печени, глаз, селезенки, мозга, кожи, спинного мозга, почек и т. Д. ) Мелких животных 4 , 16 , 17 , 18 . PAT - это хорошо зарекомендовавшая себя мода для визуализации головного мозга мелких животных. PA-волны возникают из-за поглощения света хромофорами, поэтому многоволновое PAT позволяет отображать общую концентрацию гемоглобина (HbT) и насыщение кислородом (SO 2 ) 19 , 20 , 21 , 22 . С помощью экзогенных контрастных агентов 12 , 23 , 24 достигалась нейрососудистая визуализация головного мозга. Модификация ПА может помочь лучше понять состояние здоровья мозгаПредоставляя информацию на молекулярном и генетическом уровнях.
Для изображений с малым животным лазеры Nd: YAG / OPO широко используются в качестве источников возбуждения PAT. Эти лазеры доставляют ~ 5 нс ближнего инфракрасного импульса с энергией (~ 100 мДж в окне вывода OPO) при частоте повторения ~ 10 Гц. Система PA, оборудованная такими лазерами, является дорогостоящей и громоздкой и обеспечивает низкоскоростную визуализацию с помощью одноэлементных ультразвуковых преобразователей (UST) из-за низкой частоты повторения лазерного источника. Типичное время получения A-линии в таких системах PA составляет ~ 5 минут на поперечное сечение 25 . Система визуализации с таким длительным временем измерения не идеальна для изображений с малым животным, поскольку трудно контролировать физиологические параметры для полнообъемной визуализации, функционального изображения с временным разрешением и т. Д. Принимая множество одноэлементных UST, массив На основе UST, или лазер с высокой частотой повторения, можно увеличить скорость формирования изображения PAсистемы. Использование только одного элемента UST для сбора всех сигналов PA вокруг образца будет ограничивать скорость формирования изображения в системе. Для высокоскоростных высокочувствительных методов визуализации демонстрируются множественные одноэлементные UST, расположенные в круговой или полукруглой геометрии. На основе массивов UST 26 , таких как линейные, полукруглые, круговые и объемные массивы, были успешно использованы для визуализации в реальном времени 1 . Эти массивные USTs увеличивают скорость обработки изображений и уменьшают чувствительность измерения, но они дороги. Тем не менее, скорость формирования изображений в системах PA, использующих устройства на основе массива, по-прежнему ограничена частотой повторения работы лазера.
Технология импульсных лазеров усовершенствована для создания импульсных импульсных лазерных диодов с высокой повторяемостью (PLD). 7000 кадров / с. Фотоакустическая визуализация B-scan была продемонстрирована с помощью PLD с использованием клинической ультразвуковой платформы 27 . Такие PLD могут улучшить скорость обработки изображенийE PAT, даже с одноэлементной геометрией сканирования UST. Одноэлементные USTs являются менее дорогостоящими и высокочувствительными, в отличие от UST. В течение последнего десятилетия было мало исследований по использованию PLD с высокой частотой повторения в качестве источника возбуждения для изображений PA. Для визуализации PA фантомов 28 была продемонстрирована PLD на основе волокон на основе инфракрасного излучения. Показания in vivo кровеносных сосудов на глубине ~ 1 мм ниже кожи человека были продемонстрированы с использованием PLD с низкой энергией 29 . Сообщалось о фотоакустическом микроскопе с оптическим разрешением на основе PLD (ORPAM). Используя PLD, было показано изображение глубиной ~ 1,5 см при частоте кадров 0,43 Гц. 30 . Совсем недавно сообщалось о системе PLD-PAT, которая обеспечивала изображения через ~ 3 с и глубину формирования изображения размером 2 см в биологической ткани 25 , 31 . Это исследование показало, что такая недорогая компактная система может обеспечить высокий уровеньДаже на высоких скоростях. Система PLD-PAT может использоваться для фотоакустической визуализации с высоким кадром (7000 кадров в секунду), визуализации поверхностного кровеносного сосуда, визуализации пальцевого сустава, двухслойной визуализации ткани, визуализации головного мозга мелких животных и т . Д. Одноволновые и Импульсы с малой пульсовой энергией от PLD ограничивают его применение в мультиспектральном и глубоком изображении тканей. Эксперименты проводились на мелких животных с использованием той же системы PLD-PAT, которая использовалась для доклинических применений. Цель этой работы - предоставить визуализированную экспериментальную демонстрацию системы PLD-PAT для двумерного поперечного срединного визуализации мозга мелких животных.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Все эксперименты на животных проводились в соответствии с руководящими принципами и положениями, одобренными Комитетом по уходу за больными и их использованием в Технологическом университете Наньяна в Сингапуре (номер протокола животных ARF-SBS / NIE-A0263).
1. Описание системы
2. Подготовка животных к визуализации головного мозга крыс
ПРИМЕЧАНИЕ. Система PLD-PAT, описанная выше, была продемонстрирована для визуализации небольших животных животных. Для этих экспериментов использовали здоровых самок крыс (см. Таблицу материалов ).
3. В визуализации мозга крыс Vivo

Рисунок 1: Схема системы PLD-PAT. (A) Схема PLD-PAT. PLD: импульсный лазерный диод, CSP: circuЛазерная сканирующая пластина, AM: анестезиологическая машина, M: двигатель, MPU: моторный шкив, LDU: блок лазерного драйвера, PRU: блок пульсатора / приемника, UST: ультразвуковой преобразователь, WT: резервуар для воды, PF: полимерная пленка и DAQ: Карта сбора данных. ( Б ) Схема резервуара для воды, вид сверху (1) и вид в поперечном разрезе (2) для визуализации головного мозга мелких животных животных in vivo . A: метрический винт, B: акриловая кольцевая пластина, C: силиконовое кольцо «O», D: прозрачная полиэтиленовая крышка толщиной 100 мкм. У резервуара имелось отверстие диаметром 9 см на его дне и было запечатано с помощью ультразвуковой и оптически прозрачной полиэтиленовой мембраны толщиной 100 мкм. ( C ) Схема освещения лазерных импульсов от PLD и A-линий, сбор в течение 5 с непрерывного сканирования. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты визуализации мозга in vivo , демонстрирующие возможности описанной системы PLD-PAT, демонстрируются в этом разделе. Чтобы продемонстрировать высокоскоростные возможности визуализации системы PLD-PAT, была выполнена визуализация мозга in vivo двух разных здоровых крыс. На рисунке 2 показаны изображения головного мозга крысы (93 г) на разных скоростях сканирования. На рисунках 2a и b показаны фотографи...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
В этой работе представлен протокол для визуализации изображений мозга in vivo на крысах с использованием системы PLD-PAT. Протокол включает подробное описание системы формирования изображения и ее выравнивание, а также иллюстрацию изображения мозга на крысах. Существующие системы PAT на основе OPO являются дорогостоящими и громоздкими и могут обеспечить одно поперечное изображение через 5-10 мин. Система PLD-PAT компактна, портативна и недорогая и может обеспечить высококачественные изображения за 3 с. Производ...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
У авторов нет соответствующих финансовых интересов в рукописи и других потенциальных конфликтов интересов для раскрытия.
Исследование поддерживается грантом уровня 2, финансируемым Министерством образования Сингапура (ARC2 / 15: M4020238) и Национальным советом медицинских исследований Министерства здравоохранения Сингапура (NMRC / OFIRG / 0005/2016: M4062012). Авторы хотели бы поблагодарить г-на Чоу Вай Хоонга Бобби за помощь в механическом магазине.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Импульсный лазерный диод | Quantel, Франция | QD-Q1910-SA-TEC | Это возбуждающий лазерный источник со спецификациями 803 нм, 1,4 мДж в импульсе, 136 нс в импульсе, 7 кГц максимум, размеры: 11,0 x 6,0 x 3,6 см, вес: ~150 г |
| Шаговый двигатель с редуктором | LIN Engineering (Servo Dynamics) | Двигатель: CO-5718-01P, Редуктор: DPL64/1, I = 10 для NEMA 23; источник питания PW100-48 | Переместить держатель детектора по круговой геометрии. Крутящий момент: 2,08 Н-м, Инерция ротора: 2,6 кг-см2 |
| Ультразвуковой генератор/приемник | Olympus | 5072PR | Для приема, фильтрации и усиления сигнала PA от UST. Его полоса пропускания составляет 35 МГц, а коэффициент усиления — ± 59 дБ. |
| Ультразвуковой преобразователь | Olympus | V306-SU-NK-CF1.9IN/Q4200069 | Ультразвуковые датчики, используемые для фотоакустического детектирования. Центральная частота 2,25 МГц, 0,5 дюйма, цилиндрический фокус 1,9 дюйма |
| PCIe DAQ (сбор данных) Карта | GaGe | CSE4227/ A6000610/B0E00610 | 12 бит, 100 Мвыб/с, 2 канала, 1 Gs встроенная память, интерфейс PCIe x16 |
| Rats | In Vivos Pte Ltd, Сингапур | NTac:SD, Sprague Dawley / SD | Female, вес 100 & 10 г |
| Акриловый бак для воды | Мастерская NTU | Custom-made | Содержит воду, которая выступает в качестве акустической связующей среды между мозгом и детектором |
| Circular Scanner | Мастерская NTU | Сканер на заказ | изготовлен из алюминия |
| Аппарат для анестезии | медицинский плюс pte ltd | аппарат для нередыхающей анестезии с кислородным концентратором. | Поставляет кислород и изофлуран животным |
| Пульсоксиметр портативный | Medtronic | PM10N с ветеринарным датчиком | Контролирует пульсоксиметрию животного |
| Ультразвуковой гель | Progress/parker acquasonic gel | PA-GEL-CLEA-5000 | Прозрачный ультразвуковой гель |
| acqusison программное обеспечение | National Instruments Corporation,Остин,Техас,США | NI LabVIEW 2015 SP1 | В нашей лаборатории разработана программа на базе LabVIEW для управления шаговым двигателем и получения сигналов ПА от детектора |
| Программное обеспечение для обработки данных | Matlab (Mathworks, Natick, MA, США) | Matlab R2012b | Код Matlab для реконструкции изображений ПА был разработан в нашей лаборатории |
| Регулятор температуры | LaridTech, MO,США | MTTC1410 | Он будет постоянно контролировать температуру PLD |
| Источник питания 12 В | Voltcraft | PPS-11810 | Для подачи рабочего напряжения для |
| ПЛС Переменный источник питания | BASETech | BT-153 | Для изменения выходной мощности лазера |
| Функция генератора | Funktionsgenerator | FG250D | Для изменения повторяемости PLD. Он будет подавать сигнал TTL для синхронизации сбора данных с лазерным возбуждением. |
| Дистрибьютор животных | In Vivos Pte Ltd, Сингапур | Дистрибьютор животных, поставляющий мелких животных для исследовательских целей. | |
| Держатель для животных | NTU мастерская | Изготовлен на заказ | Используется для удержания животного на животе |
| Дыхательная маска | NTU мастерская | Изготовлен | на заказ Используется вместе с держателем животного для подачи анестезиологической смеси животному |
| Пентобарбитал натрия | Валабарб | Используется для усыпления животного после сеанса. | |
| Оптический диффузор | Thorlabs | DG10-1500 | Используется для придания лазерному лучу однородности |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.