Компактная импульсная лазерная диод на основе настольной фотоакустической томографии (PLD-PAT) система показана для высокоскоростного динамического в естественных условиях визуализации малых животных корковых сосудов.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Компактная импульсная лазерная диод на основе настольной фотоакустической томографии (PLD-PAT) система показана для высокоскоростного динамического в естественных условиях визуализации малых животных корковых сосудов.
Фотоакустическая (PA) томография (ПЭТ) визуализация – это формирующаяся биомедицинская визуализация, полезная в различных доклинических и клинических приложениях. Заказные круговой кольцевой массив на основе преобразователей и обычных громоздких ND: YAG/по по-лазеры препятствовать переводу системы ПЭТ для клиник. Ультра-компактные Импульсные лазерные диоды (PLDs) в настоящее время используются как альтернативный источник околоинфракрасного возбуждения для АКУСТИЧЕСКОЙ визуализации. Высокоскоростная динамика в естественных условиях визуализации была продемонстрирована с помощью компактных PLD-на основе настольного системы ПЭТ (PLD-PAT). Визуализированный экспериментальный протокол с использованием настольной системы PLD-PAT предоставляется в этой работе для динамического в естественных условиях визуализации мозга. Протокол описывает конфигурацию настольной системы PLD-PAT, подготовку животного для обработки изображений сосудов головного мозга, а так же процедуру динамической визуализации индокьяннского зеленого (мкг) поглощения красителя и процесса расчистки в сосудах крысы-корковых сосудов.
Фотоакустическая компьютерная томография (Пакт/Пат)-перспективный неинвазивный биомедицинский метод визуализации, сочетающий в себе богатый оптический контраст с высоким разрешением1,2,3,4, 5. когда наносекундного импульсного лазерного месторождения энергии на свет поглощающих хрофофоры присутствуют внутри любой биологической ткани, местное повышение температуры приводит к термоупругим расширения и сжатия ткани, в результате чего поколение волн давления. Эти волны давления известны как ультразвуковые волны или фотоакустические (PA) волны, которые могут быть обнаружены ультразвуковыми преобразователи вокруг образца. Обнаруженные сигналы PA реконструированы с помощью различных алгоритмов реконструкции6,7,8,9 для создания кросс-секционных годовых изображений. PA-визуализация обеспечивает структурную и функциональную информацию от макроскопических органов к микроскопическим органеллами из-за зависимости длины волны от эндогенных хромофор, присутствующих внутри тела10. ПЭТ-изображения успешно используется для выявления рака молочной железы1, сторожевого лимфатического узла визуализации11, отображение оксигемоглобина (HBO2), Дезоксиггемоглобина (HBR), Общая концентрация гемоглобина (HBR), насыщение кислорода (so 2) в 12 , 13, опухоль ангиогенез14, маленькое животное всего тела визуализации15, и другие приложения.
Nd: YAG/по АПО лазеры являются традиционными источниками возбуждения для первого поколения систем ПЭТ, которые широко используются в фотоакустическом сообществе для малых изображений животных и глубоких тканей изображений16. Эти лазеры обеспечивают ~ 100 МЮ энергетические импульсы при низких темпах повторения ~ 10-100 Гц. Системы визуализации ПЭТ с использованием этих дорогостоящих и громоздких лазеров не подходят для высокоскоростного изображения с односоставными ультразвуковыми преобразователи (SUTs), из-за ограниченного коэффициента повторения импульса. Это препятствует мониторингу в реальном времени физиологических изменений, происходящих на высоких скоростях внутри животного. Использование массива основе преобразователей, как линейные, полукруглые, круглые, и объемных массивов с ND: YAG лазерного возбуждения, высокоскоростного изображения возможно. Тем не менее, эти массив преобразователей являются дорогостоящими и обеспечить меньшую чувствительность по сравнению с SUTs; Тем не менее, скорость изображения ограничена низкой скоростью повторения лазера. Государство-оф-искусство одного импульса Пакт систем с заказной полный кольцо массив преобразователь получить данные PA на 50 Гц кадров17. Эти массив преобразователей необходимо сложное Back-End получения электроники и усилителей сигнала, что делает общую систему более дорогим и трудным для клинического использования.
Их компактные размеры, более низкие требования к затратам и более высокий коэффициент повторения импульсов (по заказу кГц) делают Импульсные лазерные диоды (PLDs) более перспективными для визуализации в реальном времени. Благодаря этим преимуществам, PLDs активно используются в качестве альтернативного источника возбуждения в системах ПЭТ второго поколения. PLD основе ПЭТ системы были продемонстрированы успешно для высокой частоты кадров изображений с использованием массива преобразователей18, глубокий-ткани и мозга визуализации19,20,21, сердечно-сосудистых заболеваний диагностики22 , и ревматологии диагностика23. Поскольку SUTs являются высокочувствительными и менее дорогими по сравнению с массивом преобразователей, они все еще широко используются для сканирования ПЭТ. Волоконно-основанная система PLD были продемонстрированы для фантомное изображение24. Портативный PLD-PAT система была продемонстрирована ранее монтажа PLD внутри ПЭТ сканер25. С одного круглого сканера сут, фантомное изображение было выполнено в течение 3-х годов времени сканирования, и в естественных условиях мозга крысы изображений была выполнена в течение 5-х годов с помощью этой системы PLD-PAT19.
Кроме того, были внесены усовершенствования в эту систему PLD-Pat, чтобы сделать ее более компактной и создать настольную модель, используя восемь акустических рефлектора на основе одноэлемента ультразвуковых преобразователей (suтрс)26,27. Здесь, SUTs были помещены в вертикальное вместо горизонтального направления с помощью акустического отражателя 90° 28. Эта система может быть использован для сканирования раз до 0,5 s и ~ 3 см глубоко в тканях и в естественных условиях малых изображений мозга животных. В этой работе, этот Настольный PLD-Pat система используется для обеспечения визуальной демонстрацией экспериментов для в естественных условиях визуализации мозга у мелких животных и для динамической визуализации поглощения и очистки процесса пищевых продуктов и медикаментов (FDA)-утвержденных индоцианин зеленый (мкг) краситель в крысиных мозгах.
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, утвержденными институциональным животным и использовать Комитет Наньянгского технологического университета, Сингапур (Животный номер протокола АРФ-СБС/ни-A0331).
1. Описание системы
2. Подготовка животных для визуализации мозга крысы
Примечание: здоровые крысы женского пола (см. таблицу материалов) были использованы для демонстрации описанных выше настольных PLD-Pat системы для визуализации малых животных корковых сосудов.
3. динамические в естественных условиях изображений поглощения и очистки процесса мкг в мозге крысы
4.
Примечание: 1,25 мг порошка мкг взвешивали с помощью микромашины для взвешивания и смешивали с 5 мл дистиллированной воды для получения концентрации 323 мкм для решения мкг.
5.
Примечание: строки, приобретенные в течение времени сканирования 0,5 s, используются для создания одного поперечного сечения изображения. Существует временной промежуток ~ 0,4-0,6 с каждого сканирования.

Рисунок 1: схема настольной системы PLD-Pat. (A) схема рабочего стола PLD-Pat создана. PLD: импульсный лазерный диод, OD: оптический диффузор, SUTR: акустический отражатель на основе одноэлемента ультразвукового преобразователя, AM: анестезия машина, СНТ: круговой пластины сканирования, SM: шаговые мотор, LDU: Лазерная вождения блока, AMP: усилитель, DAQ: данные приобретение карты. B) круговая компоновка восьми сутрс вокруг сканирующего центра. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенном варианте этой фигуры.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Потенциал описанной настольной системы PLD-PAT для динамического в естественных условиях визуализации мозга был показан в этом протоколе с соответствующими результатами. Высокоскоростной визуализации возможности настольных PLD-ПЭТ системы было продемонстрировано, выполняя в естественных условиях мозга визуализации здоровых самок крыс. PA сигналы были собраны с помощью восьми Сутрс, вращающихся в 360 ° и 45 ° вокруг мозга крысы при скорости сканирования 4 s и 0,5 s, соответственно.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Эта работа представляет собой протокол для использования настольных PLD-PAT системы для проведения экспериментов на мелких животных, как крысы для в естественных условиях визуализации мозга и динамического быстрого поглощения и оформления процесса контрастных агентов, как мкг. Громоздкие, дорогие системы по по-ПЭТ занять несколько минут (2-5 мин), чтобы приобрести единый кросс-секционных в естественных условиях изображения. Компактный, недорогой, первое поколение портативных PLD-PAT система обеспечивает единый кросс-секц...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторы не имеют соответствующих финансовых интересов или потенциальных конфликтов интересов раскрывать.
Исследование поддерживается Национальным Советом по медицинским исследованиям министерства здравоохранения Сингапура (НГРК/ОФИРГ/0005/2016: M4062012). Авторы хотели бы поблагодарить г-н Чоу Вай Hoong Бобби для машины поддержки магазина.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Источник питания 12 В | Voltcraft | PPS-11810 | Для подачи рабочего напряжения на ПЛС |
| Акустический отражатель | Olympus | F102 | 45 градусов Рефлектор 45 градусов дополнен к ультразвуковому преобразователю |
| Акриловый резервуар для воды | мастерская NTU | Изготовлен на заказ | Используется для удержания воды, которая выступает в качестве акустической связующей среды между мозгом животного и детектором |
| Анестезиологическая машина | Medical plus pte ltd | Аппарат для нередыхающей анестезии с кислородным концентратором. | Поставляет кислород и изофлуран животным |
| 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 для животного для подачи анестезиологической смеси животному |
| Круглый сканер | NTU мастерская | Изготовленный на заказ | сканер изготовлен из алюминиевой |
| карты сбора данных Spectrum | M2i.4932-exp | 16 бит, 30 Мвыб/с, 8 каналов, 1 Gs, программное обеспечение для | |
| сбора данных | PCIe National Instruments Corporation, Остин, Техас, США) | NI LabVIEW 2015 SP1 (32 бит) | Программа на основе LabVIEW разработана в нашей лаборатории для управления шаговым двигателем и получения сигнала PA от детектора |
| Обработка данных программное обеспечение | Matlab (Mathworks, Natick, MA, США) | Matlab R2015b | Код Matlab разработан в нашей лаборатории для реконструкции изображений поперечного сечения PA |
| Генератор функций | RIGOL | DG1022 | Для изменения частоты повторения PLD. Он будет подавать сигнал TTL для синхронизации сбора данных с лазерным возбуждением. |
| Малошумящий усилитель сигнала | Genetron | изготовлен на заказ с использованием мини-схем ZFL-500LN-BNC | Для приема и усиления сигнала PA от SUTR. Его коэффициент усиления составляет 24 дБ. |
| Оптический диффузор | Thorlabs | DG-120 | Используется для изготовления однородного лазерного луча |
| Импульсный лазерный диод | Quantel, Франция | QD-Q1924-ILO-WATER | Это возбуждающий лазерный источник со спецификациями длины волны 816 нм, 3,4 мДж на энергию импульса, длительностью импульса 107 нс, максимальной скоростью повторения импульсов 2 кГц, размерами: 13,0 x 7,6 x 5,0 см |
| Rats | In Vivos Pte Ltd, Сингапур | NTac:SD, Sprague Dawley / SD | Сука, вес 100& 10 г, штамм крыс: Sprague Dawley, возраст: 4-5 недель |
| Шаговый двигатель с редуктором | LIN Engineering (Servo Dynamics) | Двигатель: CO-5718L-01P-RO, Редуктор: DPL64/1; Источник питания PW-100-24 | Для перемещения держателя извещателя по круговой геометрии. Крутящий момент: 2,08 Н-м, Инерция ротора: 2,6 кг-см2 |
| Ультразвуковой гель | Progress/parker acquasonic gel | PA-GEL-CLEA-5000 | Прозрачный ультразвуковой |
| гель Ультразвуковой преобразователь | Olympus | V309-SU/ U8423013 | Ультразвуковые датчики, используемые для фотоакустического обнаружения. Центральная частота 5 МГц, 0,5 в |
| Переменный высоковольтный источник питания | Elektro-Automatik | EA-PS 8160-04 T | Для изменения выходной мощности лазера |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.