基于紧凑型脉冲激光二极管的光声断层成像（PLD-PAT）系统用于高速成像 体内 在小型动物中进行脑成像的演示。
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摘要
摘要
体内小动物成像在临床前研究中具有重要作用。光声断层成像（PAT）是一种新兴的混合成像模式，在临床前和临床应用中均展现出巨大潜力。传统的基于光学参量振荡器的PAT（OPO-PAT）系统体积庞大、成本高昂，且无法实现高速成像。近年来，脉冲激光二极管（PLD）已被成功验证为PAT的一种替代激发光源。脉冲激光二极管光声断层成像（PLD-PAT）已在光声仿体和生物组织的高速成像中得到成功应用。本研究提供了一套利用PLD-PAT进行体内脑部成像的可视化实验方案。该方案包括紧凑型PLD-PAT系统的配置及其说明、用于脑成像的动物准备，以及大鼠脑部二维横截面成像的典型实验流程。PLD-PAT系统结构紧凑、成本低廉，能够实现高速、高质量的成像。文中展示了在不同扫描速度下采集的体内脑部图像。
引言
光声断层成像（PAT）是一种混合成像技术，在临床和临床前研究中具有广泛应用1,2,3,4,5。在PAT中，纳秒激光脉冲照射生物组织。组织中的生色团吸收入射光后引起局部温度升高，进而产生以声波形式发射的压力波。超声探测器在样品周围不同位置采集光声信号。利用多种算法（如延时叠加算法）6对光声（PA）信号进行重建，以生成光声图像。
这种混合成像模式可实现高分辨率、深组织成像，并具有高光学吸收对比度7,8最近，约12厘米的成像深度9 借助更长的波长（约1 064 nm）和一种名为磷酞菁（phosphorus phthalocyanine）的外源性对比剂，实现了对鸡胸组织的成像。该方法的成像深度灵敏度远高于其他光学方法，如共聚焦荧光显微镜、双光子荧光显微镜的深度灵敏度。10 光学相干断层扫描,
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方案
所有动物实验均按照新加坡南洋理工大学机构动物护理和使用委员会批准的指南和规定进行（动物实验方案编号 ARF-SBS/NIE-A0263）。
1. 系统描述
- 将PLD安装在圆形扫描仪内部，如图所示 图1a将PLD连接至激光驱动单元（LDU）。
注意：脉冲激光沉积系统（PLD）在波长约为803 nm处提供约136纳秒的脉冲，最大脉冲能量约为1.42 mJ，重复频率最高可达7 kHz。激光驱动单元（LDU）包括：温度控制器、可调电源、电源（12 V）和函数发生器；参见材料表。可调电源用于控制激光功率，函数发生器用于调节PLD的重复频率。 - 打开PLD激光器。使用LDU中的函数发生器将PLD重复频率设置为“7,000” Hz。通过将可调电源电压设置为“3.1” V，将脉冲能量提高至1.42 mJ。
- 将光学扩散器（OD）安装在PLD出射窗口前方，以使输出光束均匀，如图所示 图1a.
注意：使用细砂磨砂器（即， 1,500目抛光 - 将聚焦的UST安装到UST支架上，使其朝向扫描区域的中心，如图所示 图1a.
注意：超声换能器（UST）的中心频率为2.25 MHz，焦距为1.9 in。<....
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结果
的 体内 本节展示了证明所描述的PLD-PAT系统性能的脑成像结果。为展示PLD-PAT系统的高速成像能力， 体内 对两只不同健康大鼠进行了脑成像。 图2 显示一只雌性大鼠（93 g）在不同扫描速度下的脑部图像。 图 2a 图a和图b显示了大鼠脑部在去除脑区头皮前后的照片。PAT成像以非侵入性方式完成（即， 在保持皮肤和颅骨完整的情况下，通过将超声换能器（UST）环形旋转，分别采集脑部横截面持续 5 秒、10 秒、20 秒和 30 秒的光声（PA）信号。 图 2c-f 显示了在 5 秒、10 秒、20 秒和 30 秒扫描时间内获取的大鼠脑部 PAT 重建横截面图像。在所有这些脑图像中，横窦（TS）、上矢状窦（SS）以及包括分支在内的脑静脉（CV）均清晰可见。这些结构特征已在图中所示图像上标出 图2f<.......
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讨论
本研究提供了一种用于执行的实验方案 体内 使用PLD-PAT系统对大鼠进行脑部成像。该方案详细描述了成像系统的构成及其校准方法，并展示了大鼠脑部成像的实验过程。现有的基于OPO的光声断层成像（PAT）系统成本高、体积庞大，且每5–10分钟才能获得一幅横截面图像。而PLD-PAT系统结构紧凑、便于携带、成本低廉，可在3秒内获得高质量图像。该系统的性能此前已在仿体模型中进行评估，并与传统PAT系统进行了比较。25. 此处展示了相同的PLD-PAT，用于快速 体内 脑成像。结果表明，该系统能够提供高质量 体内 图像，即使在5秒内。
尽管PLD-PAT系统具有若干优势，但也存在一些缺点。本研究中使用的PLD仅能提供单一波长的脉冲，因此无法实现需要多波长照明的功能成像。要实现功能成像，需要具备多波长照明能力的PLD。低能量的PLD脉冲限制了成像深度。然而，通过使用外源性对比剂，有可能增强PLD-PAT系统的成像深度。
通常，PLD 激光.......
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披露
作者在本论文中无相关财务利益，也无其他潜在利益冲突需要披露。
致谢
本研究由新加坡教育部资助的第二级基金（ARC2/15：M4020238）以及新加坡卫生部国家医学研究理事会（NMRC/OFIRG/0005/2016：M4062012）资助。作者谨此感谢周伟雄（Bobby Chow Wai Hoong）先生在机械加工车间提供的帮助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 脉冲激光二极管 | Quantel，法国 | QD-Q1910-SA-TEC | 作为激发光源，参数为：803 nm，每脉冲1.4 mJ，脉冲宽度136 ns，最高重复频率7 kHz，尺寸：11.0 × 6.0 × 3.6 cm，重量：约150 g |
| 带齿轮箱的步进电机 | LIN Engineering（Servo Dynamics） | 电机：CO-5718-01P，齿轮箱：DPL64/1，减速比 I = 10（适用于NEMA 23）；电源：PW100-48 | 用于在圆形几何路径上移动探测器支架。扭矩：2.08 N·m，转子惯量：2.6 kg·cm² |
| 超声脉冲发射/接收器 | Olympus | 5072PR | 用于接收、滤波并放大来自超声换能器的光声信号。带宽为35 MHz，增益为±59 dB。 |
| 超声换能器 | Olympus | V306-SU-NK-CF1.9IN/Q4200069 | 用于光声检测的超声传感器。中心频率2.25 MHz，直径0.5英寸，柱面聚焦距离1.9英寸 |
| PCIe数据采集卡（DAQ） | GaGe | CSE4227/ A6000610/B0E00610 | 12位，100 Ms/s，2通道，板载内存1 Gs，PCIe x16接口 |
| 大鼠 | In Vivos Pte Ltd，新加坡 | NTac:SD，Sprague Dawley / SD | 雌性，体重100 ±10 g |
| 亚克力水箱 | NTU车间 | 定制 | 用于盛装水，作为脑组织与探测器之间的声学耦合介质 |
| 圆形扫描仪 | NTU车间 | 定制 | 扫描仪由铝材制成 |
| 麻醉机 | medical plus pte ltd | 带氧气浓缩器的非重复呼吸麻醉机 | 为动物提供氧气和异氟烷 |
| 便携式脉搏血氧仪 | Medtronic | PM10N 配备兽用传感器 | 用于监测动物的脉搏血氧饱和度 |
| 超声耦合凝胶 | Progress/parker acquasonic gel | PA-GEL-CLEA-5000 | 透明超声凝胶 |
| 数据采集软件 | 美国国家仪器公司（National Instruments Corporation, Austin, TX, USA） | NI LabVIEW 2015 SP1 | 本实验室开发的基于LabVIEW的程序，用于控制步进电机并从探测器采集光声信号 |
| 数据处理软件 | Matlab（Mathworks, Natick, MA, USA） | Matlab R2012b | 本实验室开发的用于重建光声图像的Matlab代码 |
| 温度控制器 | LaridTech, MO, USA | MTTC1410 | 用于持续控制脉冲激光二极管（PLD）的温度 |
| 12 V电源 | Voltcraft | PPS-11810 | 为脉冲激光二极管（PLD）提供工作电压 |
| 可调电源 | BASETech | BT-153 | 用于调节激光输出功率 |
| 函数发生器 | Funktionsgenerator | FG250D | 用于调节脉冲激光二极管（PLD）的重复频率。可提供TTL信号，以实现数据采集系统与激光激发的同步 |
| 实验动物供应商 | In Vivos Pte Ltd，新加坡 | 为科研用途提供小型实验动物的供应商 | |
| 动物固定装置 | NTU车间 | 定制 | 用于将动物腹部朝上固定 |
| 呼吸面罩 | NTU车间 | 定制 | 与动物固定装置配合使用，向动物输送麻醉混合气体 |
| 戊巴比妥钠 | Valabarb | 实验结束后用于安乐死动物 | |
| 光学扩散器 | Thorlabs | DG10-1500 | 用于使激光光束均匀化 |
参考文献
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Recent advances toward preclinical and clinical translation of photoacoustic tomography: a review. J Biomed Opt. 22 (4), 041006(2017).
- Strohm, E. M., Moore, M. J., Kolios, M. C. Single Cell Photoacoustic Microscopy: A Review. IEEE Sel Top Quantum Electron. 22 (3), 6801215(2016).
- Valluru, K. S., ....
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