Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

קומפקטית קומפקטית טומוגרפיה מערכת עבור Published: June 21, 2017 doi: 10.3791/55811
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1School of Chemical and Biomedical Engineering, Nanyang Technological University

Summary

מערכת קומפקטית המבוססת על דיודות פולוקוסטיות (PLD-PAT) המבוססת על דיודות פולס-קומפקטיות עבור הדמיה מהירה במוח בחיות קטנות מופגנת.

Abstract

ב vivo הדמיה חיה קטנה יש תפקיד חשוב לשחק מחקרים פרה קליניים. Photacoustic טומוגרפיה (PAT) הוא המתעוררים הדגמה היברידית מודליזציה אשר מראה פוטנציאל גדול עבור יישומים פרה קליניים והן קליניים. קונבנציונאלי אופטיים פרמטרית מתנד מבוססי PAT (OPO-PAT) מערכות הם מגושם ויקר ולא יכול לספק הדמיה במהירות גבוהה. לאחרונה, דיודות לייזר פועמות (PLD) הוכחו בהצלחה כמקור עירור חלופי ל- PAT. פולס לייזר דיודה PAT (PLD-PAT) הוכח בהצלחה עבור הדמיה במהירות גבוהה על רוחות רפאים photacoustic ורקמות ביולוגיות. עבודה זו מספקת פרוטוקול ניסיוני visualized עבור הדמיה מוח vivo באמצעות PLD-PAT. הפרוטוקול כולל את תצורת מערכת PLD-PAT קומפקטית ואת התיאור שלה, הכנה לבעלי חיים הדמיה מוחית, הליך ניסיוני טיפוסי עבור הדמיה דו קוטבית חתך דו מימדי המוח. מערכת PLD-PAT היא קומפקטית עלות efFective והוא יכול לספק במהירות גבוהה, באיכות גבוהה הדמיה. תמונות המוח שנאספו in vivo במהירויות סריקה שונות מוצגים.

Introduction

Photocoustic טומוגרפיה (PAT) הוא מודול הדמיה היברידית כי יש יישומים רבים בשני מחקרים קליניים ופרה קליניים 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . ב PAT, פולסים לייזר nanosecond להקרין רקמה ביולוגית. הקליטה של ​​אור האירוע על ידי chromophores רקמות מוביל לעלייה הטמפרטורה המקומית, אשר לאחר מכן מניב גלי הלחץ הנפלטת בצורה של גלי קול. גלאי אולטרסאונד אוספת את האותות הפוטאקוסטיים במיקומים שונים סביב המדגם. האותות הפוטאקוסטיים (PA) משוחזרים באמצעות אלגוריתמים שונים (כגון אלגוריתם עיכוב וסכום) כדי ליצור את התמונה הפוטאקוסטית.

זה מודול הדמיה היברידית מציעה ברזולוציה גבוהה, הדמיה עמוקה של רקמות וקליטה אופטי גבוהה 7 ,Class = "xref"> 8. לאחרונה, עומק הדמיה של ~ 12 ס"מ הושג ברקמת חזה עוף בעזרת אורך גל ארוך יותר (~ 1,064 ננומטר) וסוכן ניגוד אקסוגני שנקרא phosphorus phthalocyanine. זה רגישות עומק הוא הרבה יותר גבוה מאשר רגישות עומק של שיטות אופטיות אחרות, כגון מיקרוסקופ פלואורסצנטי confocal, מיקרוסקופ פלואורסצנטי שני פוטון, 10 טומוגרפיה קוהרנטיות אופטית, 11 וכו ' באמצעות גל אחד או יותר, PAT יכול להדגים שינויים מבניים ותפקודיים באיברים . עבור מחלות רבות של בני אדם, מודלים בעלי חיים קטנים היו מבוססים היטב 12 , 13 , 14 , 15 . עבור הדמיה של בעלי חיים קטנים, כמה מודלים הוכיחו. מתוך כל אלה גישות, הדמיה הרשות הפלשתינית זכה תשומת לב די מהר בשל היתרונות שהוזכרו לעיל. הרשות הפלסטיניתT הראו את הפוטנציאל שלה הדמיה כלי הדם ברקמות ואיברים ( כלומר, הלב, הריאות, הכבד, העיניים, הטחול, המוח, העור, חוט השדרה, הכליות, וכו ' ) של בעלי חיים קטנים 4 , 16 , 17 , 18 . PAT היא שיטה מבוססת היטב עבור הדמיה מוחית קטנה במוח. גלי PA מיוצרים בשל ספיגת האור על ידי chromophores, כך מרובה אורך גל PAT מאפשר מיפוי של ריכוז המוגלובין הכולל (HbT) ורוויון החמצן (SO 2 ) 19 , 20 , 21 , 22 . המוח הדמיה neurovascular הושג בעזרת סוכני בניגוד אקסוגני 12 , 23 , 24 . שיטת PA יכולה לעזור לתת הבנה טובה יותר של בריאות המוח על ידימתן מידע ברמה המולקולרית והגנטית.

עבור הדמיה חיה קטנה, ND: YAG / לייזרים OPO נמצאים בשימוש נרחב מקורות PAT עירור. לייזרים אלה מספקים ~ 5 ns ליד פולסים אינפרא אדום עם אנרגיה (~ 100 mJ בחלון פלט OPO) ב ~ 10-Hz שיעור חזרות 25 . מערכת ה- PA המצוידת בלייזרים מסוג זה היא יקרה וגדולה ומאפשרת הדמיה במהירות נמוכה עם מתחי אולטראסאונד חד-רכיביים (UST) בשל שיעור החזרה הנמוך של מקור הלייזר. A טיפוסית רכישת קו זמן במערכות PA כזה הוא ~ 5 דקות לכל חתך 25 . מערכת הדמיה עם זמן מדידה ארוך כזה אינה אידיאלית להדמיה של בעלי חיים קטנים, מכיוון שקשה לשלוט על הפרמטרים הפיזיולוגיים עבור הדמיה של הגוף כולו, הדמיה פונקציונלית של זמן, וכו '. על ידי אימוץ מספר רב של אלמנטים בודדים מסוג UST, מערך מבוססי USTs, או לייזר חזרות שיעור גבוה, ניתן להגדיל את מהירות הדמיה של הרשותמערכות. שימוש רק אחד UST אלמנט אחד לאסוף את כל האותות PA סביב המדגם יגביל את מהירות הדמיה של המערכת. מספר רב של אלמנטים בודדים מסודרים בגיאומטריה מעגלית או חצי עגולה מודגמים בטכניקות הדמיה מהירות, רגישות. USTs 26 , כגון מערכים ליניאריים, חצי עגולים, מעגליים, ונפחיים, שימשו בהצלחה עבור הדמיה בזמן אמת 1 . אלה מבוססי מערך USTs יגדיל את מהירות הדמיה ולהפחית את רגישות המדידה, אבל הם יקרים. עם זאת, מהירות הדמיה של מערכות PA המשתמשות במערך מבוסס USTs עדיין מוגבל על ידי שיעור החזרה של הלייזר.

טכנולוגיית Pulsed-Laser התקדמה כדי ליצור דיודות לייזר חוזרות בעלות חוזק גבוה (PLD). 7,000 מסגרות / s B- סריקה photacoustic הדמיה הודגם עם PLDs באמצעות אולטרסאונד קליני פלטפורמה 27 . אלה PLDs יכול לשפר את מהירות הדמיה של הE מערכת PAT, אפילו עם אלמנט בודד UST עגול סריקה הגיאומטריה. USTs חד-רכיביים הם פחות יקרים ורגישים מאוד, בניגוד ל- USTs מבוססי מערך. במהלך העשור האחרון, מחקר קטן דווח על שימוש של PLDs שיעור החזרה גבוה כמקור עירור הדמיה הרשות. סיבים מבוססי אינפרא אדום PLD הוכח עבור הדמיה PA של רפאים 28 . ב vivo הדמיה של כלי דם בעומק ~ 1 מ"מ מתחת לעור האדם הוכח באמצעות אנרגיה נמוכה PLDs 29 . PLD מבוסס אופטי רזולוציה מיקרוסקופ photacoustic (ORPAM) דווח. באמצעות PLDs, ~ 1.5 ס"מ הדמיה עמוקה בקצב מסגרת של 0.43 הרץ הודגם 30 . לאחרונה, מערכת PLD-PAT דווח כי סיפקה תמונות קצר כמו ~ 3 s ו ~ ~ 2 ס"מ עומק הדמיה ברקמות ביולוגיות 25 , 31 . מחקר זה הוכיח כי עלות נמוכה, מערכת קומפקטית יכולה לספק גבוהה quaתמונות, אפילו במהירויות גבוהות. ניתן להשתמש במערכת PLD-PAT עבור הדמיה פוטו-אקוסטית גבוהה, הדמיה של כלי דם מופרעים, הדמיה משותפת של אצבע, הדמיה של רקמה בעובי 2 ס"מ, הדמיה מוחית קטנה, וכו ' . אורך הגל היחיד דופק פולסים אנרגיה נמוכה מ PLD להגביל את היישום שלה רב הדמיה ספקטרלית עמוק הדמיה. ניסויים בוצעו על בעלי חיים קטנים באמצעות אותה PLD-PAT המערכת המשמשת יישומים פרה קליניים. מטרת עבודה זו היא לספק את ההדגמה ניסיוני visualized של מערכת PLD-PAT עבור in vivo 2D חתך המוח הדמיה של בעלי חיים קטנים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כל הניסויים בבעלי חיים בוצעו על פי ההנחיות והתקנות שאושרו על ידי טיפול בבעלי חיים מוסדיים ועדת שימוש של אוניברסיטת נניאנג טכנולוגית, סינגפור (פרוטוקול בעלי חיים מספר ARF-SBS / NIE-A0263).

1. תיאור המערכת

  1. הרכיב את PLD בתוך הסורק העגול, כפי שמוצג באיור 1 א . חבר את PLD ליחידת מנהל הלייזר (LDU).
    הערה: PLD מספק ~ 136 ns פולסים באורך גל של ~ 803 ננומטר, עם מקסימום דופק אנרגיה של ~ 1.42 mJ ואת קצב חזרות עד 7 קילוהרץ. יחידת הלייזר (LDU) כוללת: בקר טמפרטורה, ספק כוח משתנה, ספק כוח (12 וולט) וגנרטור של פונקציות; ראה טבלה של חומרים. ספק כוח משתנה משמש לשלוט על כוח לייזר, ואת מחולל הפונקציה משמש כדי לשנות את שיעור החזרה של PLD.
  2. הפעל את לייזר PLD. הגדר את קצב החזרה של PLD ל- "7,000" HZ באמצעות מחולל הפונקציה ב- LDU. הגדל את אנרגיית הדופק ל 1.42 mJ על ידי הגדרת המתח של ספק הכוח המשתנה ל- "3.1" V.
  3. הר מפזר אופטי (OD) מול חלון היציאה PLD לעשות את הפלט קרן הומוגנית, כפי שמוצג בתרשים 1 א .
    הערה: השתמש במפזר עם חריץ בסדר ( כלומר, פולנית 1,500-grit).
  4. הרכיב את UST ממוקד על המחזיק UST, כך שהוא פונה למרכז אזור הסריקה, כפי שמוצג בתרשים 1 א .
    הערה: התדר המרכזי של UST הוא 2.25 MHz ואורך המוקד הוא 1.9 אינץ '.
  5. מניחים את גלאי אולטרסאונד בתוך הטנק אקריליק, כפי שמוצג בתרשים 1 א . מלאו את המיכל במים כך ש- UST שקוע לחלוטין.
    הערה: מדיום מים משמש לזוג האות photacoustic מן המוח (מדגם) ל UST. מיכל מים אקרילי (WT, ראה את לוח החומרים) היה מותאם אישית- מעוצבת עבור הדמיה חיה קטנה. סכמטי של מיכל מים עיצוב מוצג באיור 1b .
  6. בדוק את האות PA מהמדגם באמצעות יחידת פולסר / מקלט (PRU, ראה טבלה של חומרים ).
    הערה: אותות אלה היו דיגיטציה על ידי כרטיס DQ 12-bit (ראה טבלה של חומרים ) בקצב של 100 MS / s הדגימה נשמרו במחשב.

2. הכנת בעלי חיים הדמיה מוח עכברוש

הערה: מערכת PLD-PAT שתוארה לעיל הודגם הדמיה מוח קטן בעלי חיים. עבור ניסויים אלה, חולדות נקבה בריא (ראה טבלה של חומרים ) שימשו.

  1. להרדים את החיה על ידי הזרקת intraperitoneally קוקטייל של 2 מ"ל של קטמין, 1 מ"ל של xylazine, ו 1 מ"ל של תמיסת מלח (מינון של 0.2 מ"ל / 100 גרם).
  2. הסר את הפרווה על הקרקפת של החיה באמצעות קליפר השיער. בעדינות להחיל מסיר להסרת שיער מגולחאזור עבור דלדול נוסף של הפרווה.
    1. הסר את קרם להחיל לאחר 4-5 דקות באמצעות צמר גפן.
    2. החל משחה דמעה מלאכותית לעיני החיה כדי למנוע את היובש עקב הרדמה ותאורה לייזר.
  3. הר בעל בעל חיים בהתאמה אישית (ראה טבלה של חומרים ) מצויד מסכה נשימה (ראה טבלה של חומרים ) על מעבדה ג 'ק.
  4. מניחים את החיה במצב נוטה על המחזיק. אבטח אותו למחזיק באמצעות סרט כירורגי כדי למנוע תנועה של החיה במהלך ההדמיה.
  5. ודא כי מסכת הנשימה מכסה את האף והפה של החולדה כדי לספק הרדמה inhaled.

3. ב ויוו עכברוש המוח הדמיה

  1. חבר את מסכת הנשימה למכונת ההרדמה. הפעל את מכונת הרדמה ולהגדיר אותו לספק 1.0 L / min של חמצן עם 0.75% isoflurane.
    1. מהדק את הדופק oximeter אליוזנב כדי לפקח על המצב הפיזיולוגי של החיה.
  2. החל שכבת ג'ל אולטרסאונד חסרת צבע על הקרקפת של החולדה. כוונן את מיקום המעבדה למרכזה של הסורק. מסכת הנשימה מותאמת אישית כדי להתאים את חלון ההדמיה. 10% של קונוס האף זמין מסחרית הוא לחתוך מכן מחובר חתיכת כפפה.
    1. כוונן את גובה שקע המעבדה באופן ידני כך שמישור ההדמיה נמצא במוקד UST.
  3. הגדר את הפרמטרים בתוכנה רכישת נתונים (ראה טבלה של חומרים) כנדרש. הפעל את הנתונים רכישת תוכנה כדי להתחיל לרכוש ( כלומר, הדמיה).
    הערה: התוכנית משמשת לסובב את UST ולאסוף אותות PA-A. A-A שנאספו שורות יישמרו במחשב.
  4. לבחון את החיה במהלך כל תקופת ההדמיה ולהמשיך שחזור PAT לאחר ההדמיה תושלם.
  5. לאחר רכישת הנתונים הסתיימה,לשחזר את התמונה חתך רוחב חתך מן A- קווים באמצעות תוכנה לשחזור תוכנה.
  6. לכבות את מערכת ההרדמה, להסיר את החיה מהבמה, להחזיר אותו לכלוב שלה, לפקח עליו עד שהוא חוזר להכרה.
    הערה: לדוגמה, אם ה- UST מסובב במשך 5 שניות, ה- PLD מספק 35,000 (= 5 x 7,000) פולסים ו- UST אוסף 35,000 קווי A. 35,000 A- שורות מופחתים ל 500 על ידי ממוצע של מעל 70 אותות (לאחר ממוצעים A- שורות = 35,000 / 70 = 500). איור 1 ג ממחיש את התאורה של פעימות לייזר ואוסף קו. יש להשתמש בתוכנית שחזור המבוססת על אלגוריתם ההשלכה של העיכוב והסך בחזרה.

איור 1
איור 1: שרטוטים של מערכת PLD-PAT. ( א ) סכמטי של PLD-PAT. PLD: דיודת פולסים לייזר, CSP: circuצלחת סריקה, AM: מכונת הרדמה, M: מנוע, MPU: יחידת גלגלת המנוע, LDU: יחידת נהיגה לייזר, PRU: יחידת פולסר / מקלט, UST: מתמר אולטרסאונד, WT: מיכל מים, PF: סרט פולימרי, ו- DAQ: כרטיס רכישת נתונים. ( ב ) סכמטי של מיכל המים, מבט עליון (1) ו חתך להציג (2) ב vivo קטן הדמיה מוחית הדמיה. A: מטרי בורג, B: לוחית אקרילית חדה, C: סיליקון "O" טבעת, D: 100 מיקרומטר עבה, כיסוי פוליאתיל שקוף. הטנק היה חור בקוטר 9 ס"מ בתחתית שלו היה אטום עם קרום אולטרסוני ואופטי שקוף, 100 מיקרומטר עבה פוליאתילן קרום. ( ג ) סכמטי של תאורה של פעימות לייזר מן PLD ו- A- שורות, אוסף של 5 שניות זמן סריקה רציפה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

את in vivo המוח הדמיה תוצאות המדגימות את היכולות של המתואר PLD-PAT המערכת הם showcased בסעיף זה. כדי להדגים את יכולות הדמיה במהירות גבוהה של מערכת PLD-PAT, הדמיה מוחית של vivo של שני חולדות בריאים שונים בוצעה. איור 2 מציג את תמונות המוח של חולדה נקבה (93 גרם) במהירויות סריקה שונות. איור 2a ו- b להראות את התמונות של המוח חולדה לפני ואחרי הסרת הקרקפת על אזור המוח. PAT הדמיה נעשה לא פולשני ( כלומר, עם העור ואת הגולגולת שלם). אותות PA של חתך המוח נאספו על ידי סיבוב מעגלי של UST במשך 5 s, 10 s, 20 s ו- 30 s. איור 2 ג - הצג את התמונות חתך משוחזר PAT של המוח חולדה, שהושגו 5 s, 10 s, 20 s, ו 30 שניות סריקה פעמים. בכל התמונות האלה במוח, סינוס רוחבי (TS), סינוס sagittal מעולה (SS), ורידים מוחיים (CV), כולל סניפים, נראים בבירור. תכונות אלה מסומנות על התמונה המוצגת באיור 2f . תוצאות אלה מבטיחות כי המערכת יכולה לספק באיכות גבוהה תמונות vivo , אפילו במהירויות סריקה גבוהה.

איור 2
איור 2: לא פולשני ב Vivo PLD-PAT תמונות. פולשניות PLD-PAT תמונות של כלי הדם במוח 93 גרם חולדה נקבה. צילום של המוח חולדה לפני ( א ) ואחרי ( ב ) הסרת הקרקפת. בתמונות במוח vivo בזמני סריקה שונים: ( c ) 5 s, ( d ) 10 s, ( e ) 20 s, ו- ( f ) 30 s. SS: סינוס sagittal, TS: סינוס רוחבי, ו- CV: ורידים מוחיים. / Ftp_upload / 55811 / 55811fig2large.jpg "target =" _ blank "> אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

ניסוי הדמיה דומה בוצע על חולדה נקבה אחרת (95 גרם), ותמונות המוח המקביל שהושג 5 s, 10 s, 20 s, ו -30 s מוצגים בתרשים 3 .

איור 3
איור 3 : לא פולשני ב Vivo PLD-PAT תמונות. פולשניות PLD-PAT תמונות של כלי הדם במוח חולדה 95 גרם נקבה. צילום של המוח חולדה לפני ( א ) ואחרי ( ב ) הסרת הקרקפת. בתמונות במוח vivo בזמני סריקה שונים: ( c ) 5 s, ( d ) 10 s, ( e ) 20 s, ו- ( f ) 30 s.Rce.jove.com/files/ftp_upload/55811/55811fig3large.jpg "target =" _ blank "> אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

עבודה זו מציגה פרוטוקול לביצוע הדמיה מוח vivo על חולדות באמצעות מערכת PLD-PAT. הפרוטוקול כולל תיאור מפורט של מערכת הדמיה ויישור שלה, כמו גם איור של הדמיה מוחית על חולדות. מערכות ה- PAT הקיימות מבוססות OPO הן יקרות וגדולות ויכולות לספק תמונה אחת חתךית בטווח של 5-10 דקות. מערכת PLD-PAT היא קומפקטית, ניידת ועלות נמוכה ויכולה לספק תמונות באיכות טובה ב -3 שניות. הביצועים של המערכת נלמדו בעבר ברוחות רפאים ובהשוואה למערכת PAT קונבנציונלית 25 . כאן, אותו PLD-PAT הודגם מהר הדמיה מוח vivo . התוצאה מוכיחה כי המערכת יכולה לספק באיכות גבוהה תמונות vivo , אפילו 5 s.

אמנם יש מספר יתרונות, מערכת PLD-PAT יש כמה חסרונות. PLD המשמש במחקר זה מספק פולסים באורך גל אחד, ולכן זה לא יכול לספק funcהדמיה, הדורשת תאורה גל רב. עבור הדמיה תפקודית, PLD עם יכולות גל תאורה רב נדרש. אנרגיה נמוכה פולסים PLD להגביל את עומק הדמיה. עם זאת, באמצעות סוכן ניגוד אקסוגני, ניתן לשפר את עומק הדמיה של מערכת PLD-PAT.

בדרך כלל, קרן לייזר PLD אינו אחיד, כך מפזר אופטי מתאים ניתן להשתמש מול החלון לייזר כדי לשפר את איכות התמונה. ודא כי מרכז קרן הלייזר ואת מרכז אזור ההדמיה חופפים. בעת סריקת UST סביב המוח, להבטיח כי UST תמיד פונה למרכז סריקה. בעת יישום הפרוטוקול, יש להקפיד על טיפול נוסף: (א) כמות קוקטייל ההרדמה צריכה להינתן על פי משקלו של בעל החיים; (ב) הזרקת ההרדמה חייבת להיות מדויקת כך שהאברים ( למשל, שלפוחית ​​השתן, המעי והכליות) אינם מושפעים; (ג) במהלך cl שיערIpping, להבטיח כי הקרקפת של החיה לא שרוט; (ד) לחץ מיכל המים על החיה חייב להיות מינימלי ככל האפשר; ו (ה) בעת מיקום החיה מתחת לסורק, ודא כי המטוס הדמיה חתך רוחב של המוח הוא במרכז של UST. יישומים עתידיים של המערכת כוללים הדמיה גידול במוח, הדמיה איברים שונים בעלי חיים קטנים, הדמיה במהירות גבוהה פחות מ 5 s, חקירת biomaterials עבור סוכני ניגוד, ויישומים טיפול. ייתכן שיהיה צורך בפתרון בעיות אם איכות התמונה נמוכה.

בטיחות לייזר עבור בעלי חיים קטנים הדמיה vivo

מגבלת החשיפה המקסימלית המותרת (MPE) לעור תלויה במספר פרמטרים, כגון אורך גל עירור, רוחב הדופק, זמן החשיפה, תאורת שטח וכו ' . גבולות MPE עבור הדמיה vivo נשלטים על ידי תקן לאומי אמריקאי(ANSI) 32 . בטווח גל של 700 עד 1,050 ננומטר, צפיפות האנרגיה על העור הנשלחת על ידי דופק יחיד צריכה להיות נמוכה מ -20 x 10 2 (λ-700) / 1,000 mJ / cm 2 (λ: אורך גל עירור בננומטר). עבור 803 ננומטר PLD אורך גל, את הגבול הוא ~ 31 mJ / cm 2 . אם הלייזר משמש ברציפות במשך תקופה של t = 5 s, אזי MPE הופך ל 1.1 x 10 2 (λ-700) / 1000 × t 0.25 J / cm 2 (= 2.6 J / cm 2 ). בניסוי זה, PLD הופעל ב 7,000 הרץ. במהלך 5 שניות של סריקת זמן, סך של 35,000 (5 × 7,000) פולסים נמסרו למדגם, כך לפי הדופק, MPE היה 0.07 mJ / cm 2 . במערכת הדמיה המתוארת, PLD מספק פולסים עם אנרגיה ב ~ 1.05 mJ לכל הדופק, ואת קרן הלייזר הורחב על שטח 12.6 ס"מ ~. לפיכך, צפיפות האנרגיה בלייזר היה ~ 0.08 mJ / cm 2 באזור המוח. מגבלת בטיחות לייזר ANSI של מערכת PAT יכול להיות chעל ידי הפחתת קרן הלייזר, או על ידי הפחתת קצב החזרה של הדופק.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין אינטרסים כלכליים רלוונטיים בכתב היד ואין שום ניגודי אינטרסים פוטנציאליים אחרים שיש לגלותם.

Acknowledgments

המחקר נתמך על ידי מענק רובד 2 ממומן על ידי משרד החינוך בסינגפור (ARC2 / 15: M4020238) ואת המועצה הלאומית למחקר רפואי של משרד הבריאות של סינגפור (NMRC / OFIRG / 0005/2016: M4062012). המחברים מבקשים להודות למר צ'או וואי הונג בובי על העזרה בחנות המכונה.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Pulsed laser diode Quantel, France QD-Q1910-SA-TEC It is the excitation laser source with specifications 803 nm, 1.4 mJ per pulse, 136 ns pulse, 7 kHz maximum, dimentions : 11.0 x 6.0 x 3.6 cm, weight: ~150 gm
Stepper motor with gearbox LIN Engineering (Servo Dynamics) Motor: CO-5718-01P, Gearbox: DPL64/1, I = 10 for NEMA 23; power supply PW100-48 To move the detector holder in a circular geometry. Torque: 2.08 N-m, Rotor inertia: 2.6 kg-cm2
Ultrasonic pulser/receiver Olympus 5072PR To receive, filter and ampligy the PA signal from UST. Its bandwidth is 35 MHz, and gain is ±59 dB.
Ultrasound Transducer Olympus V306-SU-NK-CF1.9IN/Q4200069 Ultrasonic sensors used for photoacoustic detection. Central freqency 2.25 MHz, 0.5 in, Cylindrical focus 1.9 inch
PCIe DAQ (Data acquisition) Card GaGe CSE4227/ A6000610/B0E00610 12 bit, 100 Ms/s, 2 channels, 1 Gs on board memory, PCIe x16 interface
Rats In Vivos Pte Ltd, Singapore NTac:SD, Sprague Dawley / SD Female, weight 100 ±10g
Acrylic water tank  NTU workshop Custom-made It contains the water that acts as an acoustic coupling medium between brain and detector
Circular Scanner  NTU workshop Custom-made Scanner is made out of Alluminum 
Anesthetic Machine medical plus pte ltd Non-Rebreathing Anaesthesia machine with oxygen concentrator. Supplies oxygen and isoflurane to animal
Pulse Oxymeter portable Medtronic PM10N with veterinary sensor Monitors the pulse oxymetry of the animal
Ultrasound gel Progress/parker acquasonic gel PA-GEL-CLEA-5000 Clear ultrasound gel
Data acqusison software National Instruments Corporation,Austin,TX,USA) NI LabVIEW 2015 SP1 LabVIEW based program was developed in our laboratory for controlling the stepper motor and acquring the PA singnals from the detector
Data processing software Matlab (Mathworks, Natick, MA, USA) Matlab R2012b Matlab code for reconstruction of PA images was developed in our lab
Temperature controller  LaridTech, MO,USA MTTC1410 It will constantly control temperature of the PLD 
12 V power supply  Voltcraft  PPS-11810 To supply operating voltage for PLD
Variable power supply  BASETech BT-153 To change the laser output power
Funtion generator  Funktionsgenerator FG250D To change the repetetion rate of the PLD. It will provide TTL signal to synchronize the DAQ with the laser excitation.
Animal distributor In Vivos Pte Ltd, Singapore Animal distributor that supplies small animals for research purpose.
Animal holder NTU workshop Custom-made Used for holding the animal on its abdomen
Breathing mask NTU workshop Custom-made Used along with animal holder to supply anesthesia mixture to the animal
Pentobarbital sodium Valabarb Used for euthanizing the animal after the expeirment.
Optical diffuser Thorlabs DG10-1500 Used to to make the laser beam homogeneous

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Upputuri, P. K., Pramanik, M. Recent advances toward preclinical and clinical translation of photoacoustic tomography: a review. J Biomed Opt. 22 (4), 041006 (2017).
  2. Strohm, E. M., Moore, M. J., Kolios, M. C. Single Cell Photoacoustic Microscopy: A Review. IEEE Sel Top Quantum Electron. 22 (3), 6801215 (2016).
  3. Valluru, K. S., Willmann, J. K. Clinical photoacoustic imaging of cancer. Ultrasonography. 35 (4), 267 (2016).
  4. Zhou, Y., Yao, J., Wang, L. V. Tutorial on photoacoustic tomography. J Biomed Opt. 21 (6), 061007 (2016).
  5. Yao, J., Wang, L. V. Photoacoustic Brain Imaging: from Microscopic to Macroscopic Scales. Neurophotonics. 1 (1), 011003 (2014).
  6. Kalva, S. K., Pramanik, M. Experimental validation of tangential resolution improvement in photoacoustic tomography using a modified delay-and-sum reconstruction algorithm. J Biomed Opt. 21 (8), 086011 (2016).
  7. Strohm, E. M., Moore, M. J., Kolios, M. C. High resolution ultrasound and photoacoustic imaging of single cells. Photoacoustics. 4 (1), 36-42 (2016).
  8. Upputuri, P. K., Wen, Z. -B., Wu, Z., Pramanik, M. Super-resolution photoacoustic microscopy using photonic nanojets: a simulation study. J Biomed Opt. 19 (11), 116003 (2014).
  9. Zhou, Y., et al. A Phosphorus Phthalocyanine Formulation with Intense Absorbance at 1000 nm for Deep Optical Imaging. Theranostics. 6 (5), 688-697 (2016).
  10. Upputuri, P. K., Wu, Z., Gong, L., Ong, C. K., Wang, H. Super-resolution coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy with photonic nanojets. Opt Express. 22 (11), 12890-12899 (2014).
  11. Raghunathan, R., Singh, M., Dickinson, M. E., Larin, K. V. Optical coherence tomography for embryonic imaging: a review. J Biomed Opt. 21 (5), 050902 (2016).
  12. Burton, N. C., et al. Multispectral opto-acoustic tomography (MSOT) of the brain and glioblastoma characterization. Neuroimage. 65 (2), 522-528 (2013).
  13. Su, R., Ermilov, S. A., Liopo, A. V., Oraevsky, A. A. Three-dimensional optoacoustic imaging as a new noninvasive technique to study long-term biodistribution of optical contrast agents in small animal models. J Biomed Opt. 17 (10), 101506 (2012).
  14. Hu, S., Maslov, K., Wang, L. V. In vivo functional chronic imaging of a small animal model using optical-resolution photoacoustic microscopy. Med Phys. 36 (6), 2320-2323 (2009).
  15. Zhang, E. Z., Laufer, J., Pedley, R. B., Beard, P. 3D photoacoustic imaging system for in vivo studies of small animal models. Proc SPIE. 6856, 68560 (2008).
  16. Deng, Z., Li, W., Li, C. Slip-ring-based multi-transducer photoacoustic tomography system. Opt Lett. 41 (12), 2859-2862 (2016).
  17. Tang, J., Coleman, J. E., Dai, X., Jiang, H. Wearable 3-D Photoacoustic Tomography for Functional Brain Imaging in Behaving Rats. Sci Rep. 6, 25470 (2016).
  18. Pramanik, M., et al. In vivo carbon nanotube-enhanced non-invasive photoacoustic mapping of the sentinel lymph node. Phys Med Biol. 54 (11), 3291-3301 (2009).
  19. Yao, J., Xia, J., Wang, L. V. Multiscale Functional and Molecular Photoacoustic Tomography. Ultrason Imaging. 38 (1), 44-62 (2016).
  20. Huang, S., Upputuri, P. K., Liu, H., Pramanik, M., Wang, M. A dual-functional benzobisthiadiazole derivative as an effective theranostic agent for near-infrared photoacoustic imaging and photothermal therapy. J Mat Chem B. 4 (9), 1696-1703 (2016).
  21. Olefir, I., Mercep, E., Burton, N. C., Ovsepian, S. V., Ntziachristos, V. Hybrid multispectral optoacoustic and ultrasound tomography for morphological and physiological brain imaging. J Biomed Opt. 21 (8), 086005 (2016).
  22. Hu, S., Maslov, K., Tsytsarev, V., Wang, L. V. Functional transcranial brain imaging by optical-resolution photoacoustic microscopy. J Biomed Opt. 14 (4), 040503 (2009).
  23. Yao, J. J., et al. Noninvasive photoacoustic computed tomography of mouse brain metabolism in vivo. Neuroimage. 64 (1), 257-266 (2013).
  24. Hu, S., Wang, L. V. Neurovascular photoacoustic tomography. Front Neuroenergetics. 2, 10 (2010).
  25. Upputuri, P. K., Pramanik, M. Performance characterization of low-cost, high-speed, portable pulsed laser diode photoacoustic tomography (PLD-PAT) system. Biomed Opt Express. 6 (10), 4118-4129 (2015).
  26. Yang, X., et al. Photoacoustic tomography of small animal brain with a curved array transducer. J Biomed Opt. 14 (5), 054007 (2009).
  27. Sivasubramanian, K., Pramanik, M. High frame rate photoacoustic imaging at 7000 frames per second using clinical ultrasound system. Biomed Opt Express. 7 (2), 312-323 (2016).
  28. Allen, J. S., Beard, P. Pulsed near-infrared laser diode excitation system for biomedical photoacoustic imaging. Opt Lett. 31 (23), 3462-3464 (2006).
  29. Kolkman, R. G. M., Steenbergen, W., van Leeuwen, T. G. In vivo photoacoustic imaging of blood vessels with a pulsed laser diode. Lasers Med Sci. 21 (3), 134-139 (2006).
  30. Daoudi, K., et al. Handheld probe integrating laser diode and ultrasound transducer array for ultrasound/photoacoustic dual modality imaging. Opt Express. 22 (21), 26365-26374 (2014).
  31. Upputuri, P. K., Pramanik, M. Pulsed laser diode based optoacoustic imaging of biological tissues. Biomed Phys Eng Express. 1 (4), 045010-045017 (2015).
  32. American National Standard for Safe Use of Lasers ANSI Z136.1-2000. , American National Standards Institute, Inc. New York, NY. (2000).

Tags

הנדסה ביו-הנדסית גליון 124 טומוגרפיה פוטוקוסטית הדמיה של בעלי חיים קטנים דימות מהיר דיודת לייזר פעימה, הדמיה ביו-רפואית
קומפקטית קומפקטית טומוגרפיה מערכת עבור<em&gt; בויבו</em&gt; הדמיה מוחית קטנה של המוח
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Upputuri, P. K., Periyasamy, V.,… More

Upputuri, P. K., Periyasamy, V., Kalva, S. K., Pramanik, M. A High-performance Compact Photoacoustic Tomography System for In Vivo Small-animal Brain Imaging. J. Vis. Exp. (124), e55811, doi:10.3791/55811 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter