Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

A عالية الأداء المدمجة نظام التصوير المقطعي الضوئي ل Published: June 21, 2017 doi: 10.3791/55811
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1School of Chemical and Biomedical Engineering, Nanyang Technological University

Summary

ويظهر نظام التصوير المقطعي بالليزر ثنائي الموجات النبضي المضغوط ثنائي الموجات (بلد-بات) لسرعة عالية في التصوير المجهري للدماغ في الحيوانات الصغيرة.

Abstract

في الجسم الحي التصوير حيوان صغير له دور مهم للعب في الدراسات قبل السريرية. التصوير المقطعي الضوئي (بات) هو طريقة التصوير الهجين الناشئة التي تظهر إمكانات كبيرة لكل من التطبيقات قبل السريرية والسريرية. أنظمة بات التقليدية القائمة على مذبذب البارامترية البصرية (أوبو-بات) هي ضخمة ومكلفة ولا يمكن أن توفر التصوير عالية السرعة. في الآونة الأخيرة، وقد أثبتت الثنائيات الليزر نابض (بلدز) بنجاح كمصدر الإثارة بديلة ل بات. نبض ليزر ديود وقد أثبتت بات (بلد بات) بنجاح للتصوير عالية السرعة على الوهمية الضوئي والأنسجة البيولوجية. يوفر هذا العمل بروتوكول تجريبي تصور لفي الجسم الحي التصوير الدماغ باستخدام بلد-بات. ويتضمن البروتوكول تكوين نظام بلد-بات المدمجة ووصفه، وإعداد الحيوان لتصوير الدماغ، وإجراء تجريبي نموذجي ل 2 D المقطع العرضي الفئران تصوير الدماغ. نظام بلد-بات هو المدمجة والتكلفة إففكتيف ويمكن أن توفر عالية السرعة، والتصوير عالية الجودة. يتم عرض الصور الدماغ التي تم جمعها في الجسم الحي في مختلف سرعات المسح الضوئي.

Introduction

التصوير المقطعي الضوئي (بات) هو طريقة التصوير الهجين التي لديها العديد من التطبيقات في كل من الدراسات السريرية وقبل السريرية 1 ، 2 ، 3 ، 4 ، 5 . في بات، نبضات الليزر نانو ثانية تشعي الأنسجة البيولوجية. امتصاص الضوء الحادث من قبل كروموفوريس الأنسجة يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة المحلية، والتي تنتج ثم موجات الضغط المنبعثة في شكل موجات صوتية. كاشف الموجات فوق الصوتية يجمع الإشارات الضوئية في مواقف مختلفة حول العينة. يتم إعادة بناء الإشارات الضوئية (با) باستخدام خوارزميات مختلفة (مثل خوارزمية التأخير والمجموع) 6 لتوليد الصورة الضوئية.

تقدم هذه الطريقة التصوير الهجين عالية الدقة، والتصوير الأنسجة العميقة وارتفاع امتصاص البصري امتصاص 7 ،كلاس = "كريف"> 8. في الآونة الأخيرة، تم تحقيق عمق التصوير ~ 12 سم 9 في الأنسجة الثدي الدجاج مع المعونة من الطول الموجي أطول (~ 1،064 نانومتر) وعامل التباين الخارجي يسمى الفوسفالوسيانين الفسفور. هذا حساسية العمق هو أعلى بكثير من حساسية عمق الطرق البصرية الأخرى، مثل المجهر متحد البؤر مضان، اثنين الفوتون المجهر مضان، 10 التصوير المقطعي التماسك البصري، 11 وما إلى ذلك باستخدام أكثر من طول موجي واحد، يمكن بات أثبت التغيرات الهيكلية والوظيفية في الأعضاء . بالنسبة للعديد من الأمراض البشرية، تم تأسيس نماذج الحيوانات الصغيرة 12 و 13 و 14 و 15 . لتصوير الحيوانات الصغيرة، وقد برهن على عدة طرائق. من كل هذه النهج، وقد اكتسب التصوير السلطة الفلسطينية الاهتمام بسرعة بدلا من ذلك بسبب المزايا المذكورة أعلاه. PAوقد أظهرت T إمكاناتها لتصوير الأوعية الدموية في الأنسجة والأعضاء ( أي القلب والرئتين والكبد والعينين والطحال والدماغ والجلد والحبل الشوكي والكلى، وما إلى ذلك ) من الحيوانات الصغيرة 4 ، 16 ، 17 ، 18 . بات هو طريقة راسخة لتصوير الدماغ الحيوانات الصغيرة. يتم إنتاج موجات السلطة الفلسطينية بسبب امتصاص الضوء من قبل كروموفوريس، لذلك متعددة الطول الموجي بات يسمح لرسم الخرائط من تركيز الهيموغلوبين الكلي (هبت) وتشبع الأكسجين (SO2) 19 ، 20 ، 21 ، 22 . تم تحقيق التصوير العصبي الوعائي الدماغ بمساعدة عوامل التباين الخارجية 12 ، 23 ، 24 . طريقة السلطة الفلسطينية يمكن أن تساعد على إعطاء فهم أفضل لصحة الدماغ من قبلوتوفير المعلومات على المستويات الجزيئية والجينية.

لتصوير الحيوانات الصغيرة، ند: ياغ / أوبو الليزر وتستخدم على نطاق واسع ومصادر الإثارة بات. هذه الليزر تسليم ~ نب 5 نبضات الأشعة تحت الحمراء القريبة مع الطاقة (~ 100 مللي جول في نافذة الإخراج أوبو) في معدل تكرار 10 ~ هرتز 25 . نظام السلطة الفلسطينية مجهزة مثل هذه الليزر هي مكلفة وضخمة، ويسمح للتصوير منخفضة السرعة مع محول أحادي الموجات فوق الصوتية (أوست) بسبب انخفاض معدل التكرار من مصدر الليزر. A نموذجي اكتساب خط A في هذه الأنظمة السلطة الفلسطينية هو ~ 5 دقائق لكل المقطع العرضي 25 . نظام التصوير مع مثل هذا الوقت قياس طويلة ليست مثالية لتصوير الحيوانات الصغيرة، لأنه من الصعب السيطرة على المعلمات الفسيولوجية للتصوير كامل الجسم، حل الوقت التصوير الوظيفي، وما إلى ذلك من خلال اعتماد متعددة أوستس عنصر واحد، مجموعة أوستس، أو ارتفاع معدل تكرار الليزر، فمن الممكن لزيادة سرعة التصوير من السلطة الفلسطينيةالأنظمة. باستخدام واحد فقط عنصر واحد أوست لجمع جميع إشارات السلطة الفلسطينية حول العينة سوف تحد من سرعة التصوير للنظام. يتم عرض متعددة أوستس عنصر واحد مرتبة في الهندسة الدائرية أو شبه دائرية لتقنيات التصوير عالية السرعة، حساسة للغاية. وقد استخدمت أوستس القائم على مجموعة 26 ، مثل الخطية، وشبه دائرية، دائرية، والمصفوفات الحجمي بنجاح للتصوير في الوقت الحقيقي 1 . هذه أوستس المستندة إلى مجموعة سوف تزيد من سرعة التصوير وتقليل حساسية القياس، ولكنها مكلفة. ومع ذلك، فإن سرعة التصوير من أنظمة السلطة الفلسطينية التي تستخدم أوستس القائم على مجموعة لا يزال محدودا من معدل تكرار الليزر.

تقنية الليزر النبضي المتقدمة لجعل الثنائيات النبضية ذات معدل التكرار العالي (بلدز) عالية التكرار. 7000 إطارات / ثانية وقد ثبت B- مسح التصوير الضوئي مع بلدس باستخدام منصة الموجات فوق الصوتية السريرية 27 . هذه بلدز يمكن تحسين سرعة التصوير من ثه نظام بات، حتى مع عنصر واحد أوست هندسة المسح دائري. عنصر واحد أوستس أقل تكلفة وحساسة للغاية، على عكس مجموعة أوستس القائم. على مدى العقد الماضي، تم الإبلاغ عن القليل من البحوث على استخدام عالية معدل تكرار بلدس كمصدر الإثارة للتصوير السلطة الفلسطينية. وقد أثبتت الألياف القائمة على الألياف القريبة من الأشعة تحت الحمراء لتصوير السلطة الفلسطينية من الوهمية 28 . وقد أظهرت التصوير في الجسم الحي من الأوعية الدموية في عمق ~ 1 ملم تحت الجلد البشري باستخدام بلدس منخفضة الطاقة 29 . وقد تم الإبلاغ عن قرار بصري القرار الضوئي المجهر الضوئي (أوربام). باستخدام بلدس، ~ 1.5 سم التصوير العميق في معدل الإطار من 0.43 هرتز وقد ثبت 30 . في الآونة الأخيرة، تم الإبلاغ عن نظام بلد-بات التي قدمت الصور في قصيرة كما ~ 3 ثانية وعلى عمق التصوير ~ 2 سم في الأنسجة البيولوجية 25 ، 31 . أثبتت هذه الدراسة أن مثل هذا النظام المنخفض التكلفة، يمكن أن توفر عالية كواليتي الصور، حتى بسرعات عالية. يمكن استخدام نظام بلد-بات لمعدل التصوير المرتفع (7000 إطارا في الثانية) التصوير الضوئي، التصوير السطحي للأوعية الدموية، التصوير المشترك للأصابع، تصوير الأنسجة بعمق 2 سم، تصوير دماغ الحيوانات الصغيرة، إلخ. نبضات منخفضة نبض الطاقة من بلد تحد من تطبيقه على التصوير متعدد الأطياف والأنسجة العميقة. وقد أجريت تجارب على الحيوانات الصغيرة باستخدام نفس النظام بلد-بات المستخدمة لتطبيقات ما قبل السريرية. والغرض من هذا العمل هو توفير تصور مظاهرة التجريبية للنظام بلد-بات لفي الجسم الحي 2D تصوير الدماغ مستعرضة من الحيوانات الصغيرة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

أجريت جميع التجارب على الحيوانات وفقا للمبادئ التوجيهية واللوائح التي وافقت عليها اللجنة المؤسسية رعاية الحيوان واستخدام جامعة نانيانغ التكنولوجية، سنغافورة (الحيوان رقم البروتوكول أرف-سبس / نيا-A0263).

1. وصف النظام

  1. جبل بلد داخل الماسح الضوئي الدائري، كما هو مبين في الشكل 1A . توصيل بلد إلى وحدة سائق الليزر (لدو).
    ملاحظة: يوفر بلد نبضات ~ 136-نس في الطول الموجي ~ 803 نانومتر، مع أقصى طاقة النبض من ~ 1.42 ميجاهرتز ومعدل تكرار تصل إلى 7 كيلو هرتز. وحدة قيادة الليزر (لدو) تشمل: وحدة تحكم في درجة الحرارة، وإمدادات الطاقة متغير، وإمدادات الطاقة (12 V)، ومولد وظيفة. انظر جدول المواد. يتم استخدام إمدادات الطاقة المتغيرة للسيطرة على قوة الليزر، ويستخدم مولد وظيفة لتغيير معدل التكرار من بلد.
  2. التبديل على الليزر بلد. تعيين معدل تكرار بلد إلى "7،000" Hz باستخدام مولد وظيفة في لدو. زيادة الطاقة نبض إلى 1.42 ميجا جول عن طريق تحديد الجهد من إمدادات الطاقة المتغيرة إلى "3.1" V.
  3. جبل الناشر البصري (أود) أمام نافذة الخروج بلد لجعل شعاع الإخراج متجانسة، كما هو مبين في الشكل 1A .
    ملاحظة: استخدام الناشر مع حصى غرامة ( أي 1500 حصى البولندية).
  4. جبل أوست تركز على حامل أوست، بحيث يواجه مركز منطقة المسح، كما هو مبين في الشكل 1A .
    ملاحظة: التردد المركزي لل أوست هو 2،25 ميغاهيرتز، والبعد البؤري هو 1.9 في.
  5. وضع كاشف الموجات فوق الصوتية داخل خزان الاكريليك، كما هو مبين في الشكل 1A . ملء خزان بالماء بحيث أوست مغمورة تماما.
    ملاحظة: يتم استخدام وسط المياه لربط إشارة ضوئية من الدماغ (عينة) إلى أوست. وكان خزان المياه الاكريليك (وت؛ انظر جدول المواد) العرفمصممة للتصوير الحيوانات الصغيرة. يظهر التخطيطي لتصميم خزان المياه في الشكل 1B .
  6. تحقق من إشارة السلطة الفلسطينية من العينة باستخدام وحدة بولسير / مستقبل (برو؛ انظر جدول المواد ).
    ملاحظة: تمت ترقيم هذه الإشارات بواسطة بطاقة داق ذات 12 بت (انظر جدول المواد ) بمعدل أخذ العينات 100 مس / s وتم حفظها على جهاز كمبيوتر.

2. إعداد الحيوان للتصوير الدماغ الجرذ

ملاحظة: تم عرض نظام بلد-بات المذكورة أعلاه لتصوير أدمغة الحيوانات الصغيرة. لهذه التجارب، تم استخدام فئران صحية (انظر جدول المواد ).

  1. تخدير الحيوان عن طريق الحقن داخل الصفاق كوكتيل من 2 مل من الكيتامين، 1 مل من زيلازين، و 1 مل من المياه المالحة (جرعة من 0.2 مل / 100 غرام).
  2. إزالة الفراء على فروة الرأس من الحيوان باستخدام مجز الشعر. تطبيق بلطف كريم إزالة الشعر إلى حلقمنطقة لمزيد من نضوب الفراء.
    1. إزالة كريم تطبيقها بعد 4-5 دقيقة باستخدام مسحة القطن.
    2. تطبيق مرهم المسيل للدموع الاصطناعي لعيون الحيوان لمنع جفاف بسبب التخدير والإضاءة الليزر.
  3. جبل حامل الحيوان حسب الطلب (انظر جدول المواد ) مجهزة قناع التنفس (انظر جدول المواد ) على مختبر جاك.
  4. وضع الحيوان في موقف عرضة على حامل. تأمينه لحامل باستخدام الشريط الجراحي لتجنب حركة الحيوان أثناء التصوير.
  5. تأكد من أن قناع التنفس يغطي الأنف والفم من الفئران لتقديم مخدر استنشاق.

3. في فيفو الجرذ التصوير الدماغ

  1. قم بتوصيل قناع التنفس إلى جهاز التخدير. التبديل على الجهاز التخدير وتعيينه لتقديم 1.0 لتر / دقيقة من الأكسجين مع 0.75٪ الأيزوفلورين.
    1. المشبك نبض مقياس التأكسج لذلكق ذيل لمراقبة حالة الفسيولوجية للحيوان.
  2. تطبيق طبقة من هلام الموجات فوق الصوتية عديم اللون لفروة الرأس من الفئران. اضبط موضع المقبس المعمل إلى وسط الماسحة الضوئية. يتم تخصيص قناع التنفس لتناسب نافذة التصوير. يتم قطع 10٪ من مخروط الأنف المتاحة تجاريا ثم متصلا قطعة من القفازات.
    1. ضبط ارتفاع المعمل جاك يدويا بحيث الطائرة التصوير هو في محور أوست.
  3. تعيين المعلمات في برنامج الحصول على البيانات (انظر جدول المواد) على النحو المطلوب. تشغيل برنامج الحصول على البيانات البرنامج لبدء اكتساب ( أي التصوير).
    ملاحظة: يتم استخدام البرنامج لتدوير أوست وجمع إشارات A- خط السلطة الفلسطينية. سيتم حفظ A- خطوط التي تم جمعها على جهاز الكمبيوتر.
  4. مراقبة الحيوان خلال فترة التصوير بأكمله والمضي قدما في إعادة الإعمار بات بعد اكتمال التصوير.
  5. بعد اكتساب البيانات قد انتهت،إعادة بناء صورة الدماغ مستعرضة من A- خطوط باستخدام برنامج إعادة الإعمار البرنامج.
  6. إيقاف نظام التخدير، وإزالة الحيوان من المرحلة، إعادته إلى قفصه، ورصد ذلك حتى يستعيد وعيه.
    ملاحظة: على سبيل المثال، إذا تم تدوير أوست لمدة 5 ثوان، فإن بلد يسلم 35،000 (= 5 × 7،000) نبضات و أوست يجمع 35،000 A- خطوط. وتخفض خطوط A-35،000 إلى 500 عن طريق حساب متوسط ​​أكثر من 70 إشارة (بعد حساب متوسط ​​A-لينس = 35،000 / 70 = 500). يوضح الشكل 1C إضاءة نبضات الليزر وجمع A- خط. وينبغي استخدام برنامج لإعادة الإعمار يستند إلى خوارزمية الإسقاط الخلفي للتأخير والمبلغ.

شكل 1
الشكل 1: مخططات نظام بلد-بات. ( أ ) تخطيطي لبلد-بات. بلد: نابض ليزر ديود، سب: سيركووحدة التحكم بالليزر، وحدة المعالجة المركزية، وحدة التحكم بالليزر، وحدة المعالجة المركزية: وحدة التحكم بالليزر، وحدة المعالجة المركزية: وحدة التحكم بالليزر، وحدة المعالجة المركزية، وحدة التحكم بالموجات فوق الصوتية، بطاقة الحصول على البيانات. ( ب ) تخطيطي لخزان المياه، وجهة نظر أعلى (1) وعرض مستعرضة (2) لفي الجسم الحي التصوير حيوان صغير الحيوانات. a: متري المسمار، b: الاكريليك الحلقي لوحة، c: سيليكون "o" الدائري، d: 100 ميكرون سميكة، شفافة البوليثين الغلاف. كان للدبابات ثقب قطره 9 سم في قاعه وكان مختوما مع شفاف و بصريا، 100 ميكرون سميكة غشاء البولي ايثيلين. ( ج ) تخطيطي لإضاءة نبضات الليزر من بلد و A- خطوط، وجمع في 5 ثوان وقت المسح المستمر. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

يتم عرض نتائج التصوير الدماغ في الجسم الحي التي تثبت قدرات نظام بلد-بات وصفها في هذا القسم. لإثبات قدرات التصوير عالية السرعة للنظام بلد-بات، تم إجراء التصوير في الدماغ المجراة من اثنين من الفئران صحية مختلفة. ويبين الشكل 2 الصور الدماغ من الفئران الإناث (93 ز) في مختلف سرعات المسح الضوئي. الشكل 2A و ب تظهر الصور من الدماغ الفئران قبل وبعد إزالة فروة الرأس على منطقة الدماغ. وقد تم التصوير بات غير الغازية ( أي، مع الجلد والجمجمة سليمة). تم جمع إشارات السلطة الفلسطينية من المقطع العرضي من الدماغ عن طريق تدوير دائري أوست لمدة 5 ثوان و 10 ثانية و 20 ثانية و 30 ثانية. الشكل 2C -f تظهر الصور المستعرضة بات-ريستروستيد من الدماغ الفئران، التي تم الحصول عليها في 5 ثوانى، 10 ثانية، 20 ثانية، و 30 ثانية مرات المسح الضوئي. في كل هذه الصور الدماغ، و الجيب المستعرض (تيسي)، الجيب السهمي العلوي (سس)، والأوردة الدماغية (كف)، بما في ذلك الفروع، واضحة للعيان. يشار إلى هذه الميزات على الصورة هو مبين في الشكل 2F . هذه النتائج وعد بأن النظام يمكن أن توفر ذات جودة عالية في الصور الجسم الحي ، حتى في سرعات المسح الضوئي عالية.

الشكل 2
الشكل 2: غير الغازية في فيفو بلد-بات الصور. غير الغازية صور بلد-بات من الأوعية الدموية في 93 غرام الفئران الإناث الدماغ. الفوتوغراف - ال التعريف، تجسس، دماغ، سابقا، ( a )، أيضا، خلفي، ( b )، الإزالة، ال التعريف، سكالب. في صور المجراة الدماغ في أوقات المسح المختلفة: ( ج ) 5 ق، ( د ) 10 ق، ( ه ) 20 ق، و ( و ) 30 ق. سس: الجيوب الأنفية السهمي، تيسي: الجيوب الأنفية المستعرضة، والسيرة الذاتية: الأوردة الدماغية. ليس / ftp_upload / 55811 / 55811fig2large.jpg "تارجيت =" _ بلانك "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

وأجريت تجربة تصوير مماثلة على فئران أخرى (95 غرام)، وترد صور الدماغ المقابلة التي تم الحصول عليها في 5 ق، 10 ثانية، 20 ثانية، و 30 ثانية في الشكل 3 .

الشكل 3
الشكل 3 : غير الغازية في فيفو بلد-بات الصور. غير الغازية بلد-بات الصور من الأوعية الدموية في 95 غرام الفئران الإناث الدماغ. الفوتوغراف - ال التعريف، تجسس، دماغ، سابقا، ( a )، أيضا، خلفي، ( b )، الإزالة، ال التعريف، سكالب. في صور المجراة الدماغ في أوقات المسح المختلفة: ( ج ) 5 ق، ( د ) 10 ق، ( ه ) 20 ق، و ( و ) 30 ق.rce.jove.com/files/ftp_upload/55811/55811fig3large.jpg "تارجيت =" _ بلانك "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

يقدم هذا العمل بروتوكول لأداء في الجسم الحي التصوير الدماغ على الفئران باستخدام نظام بلد-بات. ويتضمن البروتوكول وصفا تفصيليا لنظام التصوير ومحاذاة لها، وكذلك توضيحا لتصوير الدماغ على الفئران. أنظمة بات القائمة على أوبو هي مكلفة وضخمة ويمكن أن توفر صورة مستعرضة واحدة في 5-10 دقيقة. نظام بلد-بات هو المدمجة، المحمولة، ومنخفضة التكلفة ويمكن أن توفر صور ذات نوعية جيدة في 3 ثوان. تم دراسة أداء النظام سابقا في الوهمية ومقارنتها مع نظام بات التقليدي 25 . هنا، وقد أثبتت نفس بلد-بات لسرعة في الجسم الحي التصوير الدماغ. وتظهر النتيجة أن النظام يمكن أن توفر ذات جودة عالية في الصور الجسم الحي ، حتى في 5 ثوان.

في حين أن هناك العديد من المزايا، ونظام بلد-بات لديها العديد من السلبيات. يوفر بلد المستخدمة في هذه الدراسة البقول في طول موجة واحدة، لذلك لا يمكن أن توفر فونكالتصوير التقليدي، الذي يتطلب إضاءة متعددة الموجات. للتصوير الوظيفي، مطلوب بلد مع قدرات الإضاءة متعددة الطول الموجي. نبضات بلد منخفضة الطاقة تحد من عمق التصوير. ومع ذلك، باستخدام عامل التباين الخارجية، فمن الممكن لتعزيز عمق التصوير للنظام بلد-بات.

عادة، شعاع الليزر بلد ليست موحدة، لذلك الناشر البصرية مناسبة يمكن استخدامها أمام نافذة الليزر لتحسين جودة الصورة. تأكد من أن مركز شعاع الليزر ومركز منطقة التصوير تتزامن. أثناء مسح أوست حول الدماغ، تأكد من أن أوست يواجه دائما مركز المسح الضوئي. عند تنفيذ البروتوكول، تحتاج إلى رعاية إضافية ينبغي اتخاذها: (أ) ينبغي أن تدار كمية كوكتيل التخدير وفقا لوزن الحيوان. (ب) يجب أن يكون الحقن التخدير الدقيق بحيث لا تتأثر الأجهزة (على سبيل المثال، المثانة البولية والأمعاء والكلى). (ج) خلال الشعر كلإيبينغ، وضمان أن فروة الرأس من الحيوان ليست خدش. (د) يجب أن يكون ضغط خزان المياه على الحيوان أدنى ما يمكن؛ و (ه) في حين وضع الحيوان تحت الماسح الضوئي، تأكد من أن الطائرة مستعرضة التصوير من الدماغ هو في مركز أوست. وتشمل التطبيقات المستقبلية للنظام التصوير ورم الدماغ والتصوير أجهزة مختلفة في الحيوانات الصغيرة والتصوير عالية السرعة في أقل من 5 ق، والتحقيق في المواد الحيوية لعوامل التباين، وتطبيقات العلاج. قد تكون هناك حاجة إلى استكشاف الأخطاء وإصلاحها إذا كانت جودة الصورة منخفضة.

الليزر السلامة للحيوانات الصغيرة في الجسم الحي التصوير

الحد الأقصى المسموح به للتعرض (مب) للجلد يعتمد على العديد من المعلمات، مثل الطول الموجي الإثارة، وعرض النبض، ووقت التعرض، ومنطقة إلقاء الضوء، وما إلى ذلك حدود مب للتصوير في الجسم الحي تخضع للمعيار الوطني الأمريكي(انسي) 32 . في نطاق الطول الموجي 700 إلى 1050 نانومتر، يجب أن تكون كثافة الطاقة على الجلد تسليمها نبضة واحدة أقل من 20 × 10 2 (λ-700) / 1000 ميج / سم 2 (λ: الإثارة الطول الموجي في نانومتر). ل 803 نانومتر الطول الموجي بلد، والحد هو ~ 31 ميج / سم 2 . إذا كان الليزر يستخدم بشكل مستمر على مدى فترة من 5 ثوان = 5 ثانية، يصبح مب 1.1 × 10 2 (λ-700) / 1000 × t 0.25 J / سم 2 (= 2.6 J / سم 2 ). في هذه التجربة، تم تشغيل بلد في 7000 هرتز. في وقت المسح 5-s، تم تسليم ما مجموعه 35000 (5 × 7000) البقول إلى العينة، وذلك في نبض، كانت مب 0.07 ميج / سم 2 . في نظام التصوير وصفها، وبلد تسليم نبضات مع الطاقة في ~ 1.05 مللي جول لكل نبضة، وتم توسيع شعاع الليزر على مساحة ~ 12.6 سم 2 . وبالتالي، كانت كثافة طاقة الليزر ~ 0.08 ميج / سم 2 في منطقة الدماغ. يمكن أن يكون حد السلامة الليزر أنسي من نظام بات تشمزدحمة عن طريق الحد من قوة الليزر، من خلال توسيع شعاع الليزر، أو عن طريق الحد من معدل تكرار النبض.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين أية مصالح مالية ذات صلة بالمخطوطة ولا يوجد أي تضارب محتمل في المصالح.

Acknowledgments

ويدعم البحث منحة المستوى 2 التي تمولها وزارة التعليم في سنغافورة) ARC2 / 15: M4020238 (والمجلس الوطني للبحوث الطبية التابع لوزارة الصحة في سنغافورة) نمرك / أوفيرغ / 0005/2016: M4062012 (. ويود المؤلفون أن أشكر السيد تشاو واي هوانغ بوبي للمساعدة متجر آلة.

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

الهندسة الحيوية، العدد 124، التصوير المقطعي الضوئي، والتصوير الحيوانات الصغيرة، والتصوير عالية السرعة، نابض ليزر ديود،
A عالية الأداء المدمجة نظام التصوير المقطعي الضوئي ل<em&gt; في فيفو</em&gt; الحيوانات الصغيرة التصوير الدماغ
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