小型動物での高速インビボ脳イメージングのためのコンパクトパルスレーザダイオード光音響トモグラフィ（PLD-PAT）システムが実証されています。
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この記事について
サマリー
要約
インビボ小動物イメージングは、前臨床研究において重要な役割を果たす。光音響トモグラフィー（PAT）は、前臨床および臨床の両方の用途に大きな可能性を示す新興ハイブリッドイメージングモダリティです。従来の光パラメトリック発振器ベースのPAT（OPO-PAT）システムは、かさばって高価であり、高速イメージングを提供することができない。近年、PATの代替励起源として、パルスレーザダイオード（PLD）が成功裏に実証されている。パルスレーザダイオードPAT（PLD-PAT）は、光音響ファントムや生体組織の高速イメージングにも成功しています。この研究は、PLD-PATを用いたインビボ脳イメージングのための視覚化された実験プロトコルを提供する。このプロトコルには、コンパクトなPLD-PATシステム構成とその説明、脳イメージングのための動物の準備、および2D断面ラット脳画像の典型的な実験手順が含まれる。 PLD-PATシステムはコンパクトでコスト効率が良い高速で高品質な画像を提供することができます。 インビボで様々なスキャン速度で収集された脳画像が提示される。
概要
光音響トモグラフィ（PAT）は、臨床および前臨床試験1,2,3,4,5の両方において多くの用途を有するハイブリッド撮像モダリティである。 PATでは、ナノ秒のレーザーパルスが生体組織を照射します。組織発色団による入射光の吸収は、局部的な温度上昇をもたらし、次に音波が音波の形態で放出される。超音波検出器は、試料周辺の様々な位置で光音響信号を収集する。光音響（PA）信号は、光音響画像を生成するために様々なアルゴリズム（遅延 - 和アルゴリズムなど） 6を使用して再構成される。
このハイブリッドイメージングモダリティは、高解像度、深部組織イメージングおよび高い光吸収コントラスト7を提供し 、class = "xref"> 8。最近では、より長い波長（約1,064nm）およびリン系フタロシアニンと呼ばれる外因性造影剤の助けを借りて、鶏の乳房組織において約12cmの画像深度9が達成された。この深度感度は、共焦点蛍光顕微鏡法、2光子蛍光顕微鏡法、 10光干渉断層法、 11 等の他の光学法の深度感度よりもはるかに高い.PATは、2つ以上の波長を使用して、器官における構造的および機能的変化。多くの人間の病....
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プロトコル
すべての動物実験は、シンガポール南陽技術大学の動物実験および使用委員会（Animal Protocol Number ARF-SBS / NIE-A0263）によって承認されたガイドラインおよび規制に従って行われた。
1.システムの説明
- 図1aに示すように、PLDを円形スキャナの内部に取り付けます。 PLDをレーザードライバユニット（LDU）に接続します。
注記：PLDは〜803 nmの波長で〜136 nsのパルスを提供し、最大パルスエネルギーは約1.42 mJ、繰返し速度は最大7 kHzです。レーザ駆動部（LDU）は、温度コントローラと、可変電源と、電源（12V）と、ファンクションジェネレータとを備え、材料の表を参照してください。可変電源はレーザパワーを制御するために使用され、ファンクションジェネレータはPLDの繰り返しレートを変更するために使用されます。 - PLDレーザーのスイッチを入れます。 PLDの繰り返しレートを "7,000"に設定するHzをLDU内の関数ジェネレータを使用して実行します。可変電源の電圧を「3.1」Vに設定することにより、パルスエネルギーを1.42mJに増加させる。
- 図1aに示すように、PLD出射窓の前に光学ディフューザー（OD）を取り付けて、出力ビームを均一....
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結果
記載されたPLD-PATシステムの能力を実証するインビボ脳イメージング結果がこのセクションに示されている。 PLD-PATシステムの高速イメージング能力を実証するために、2つの異なる健康なラットのインビボ脳イメージングを行った。 図2は、様々なスキャン速度での雌ラット（93g）の脳画像を示す。 図2aおよびbは、脳領域上の頭皮を除去する前後のラット脳の写真を示す。 PATイメージングは、非侵襲的に（ すなわち、皮膚および頭蓋骨を無傷で）行った。脳の断面からのPA信号を、USTを5秒、10秒、20秒、および30秒間循環回転させることによって収集した。 図2c〜fは、5秒、10秒、20秒、および30秒のスキャン時間で得られたラット脳のPAT再構成断面像を示す。これらの脳の画像すべてにおいて、横洞（TS）、上矢状洞（SS）、および脳.......
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ディスカッション
この研究は、PLD-PATシステムを用いてラットのインビボ脳イメージングを行うためのプロトコールを提示する。このプロトコルには、イメージングシステムとそのアラインメントの詳細な説明と、ラットの脳イメージングのイラストが含まれています。既存のOPOベースのPATシステムは高価で大型であり、5〜10分で1つの断面画像を提供することができる。 PLD-PATシステムは、コンパクトで携帯性があり、低コストであり、3秒で良好な画像を提供することができる。システムの性能は、以前にファントムで研究され、従来のPATシステム25と比較された。ここでは、同じPLD-PATが、速いインビボ脳画像化について実証された。結果は、システムが5秒以内でさえ高品質のインビボ画像を提供できることを実証する。
いくつかの利点があるが、PLD-PATシステムにはいくつかの欠点がある。この研究で使用されたPLDは、単一の波長でパルスを提供するので、機能を提供することはできません多波長照明を必要とする多焦点撮像が可能にな.......
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開示事項
著者は、原稿に関連する金銭的関心はなく、開示する可能性のある他の利益相反はない。
謝辞
この研究は、シンガポール教育省（ARC2 / 15：M4020238）とシンガポール保健省国立医学研究評議会（NMRC / OFIRG / 0005/2016：M4062012）が資金を提供するTier 2助成金によって支えられています。作者は機械ショップの助けを借りてChow Wai Hoong Bobbyに感謝したいと思います。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| パルスレーザーダイオード | Quantel、フランス | QD-Q1910-SA-TEC | それは仕様803 nm、パルスあたり1.4 mJ、136 nsパルス、最大7 kHz、寸法:11.0 x 6.0 x 3.6 cm、重量:~150 gm |
| ギアボックス付きステッピングモーター | LINエンジニアリング(サーボダイナミクス) | モーター:CO-5718-01P、ギアボックス:DPL64/1、I = 10 NEMA 23用、電源PW100-48 | 検出器ホルダーを円形のジオメトリで移動します。トルク:2.08N-m、ローター慣性:2.6kg-cm2 |
| 超音波パルサー/レシーバー | オリンパス | 5072PR | USTからのPA信号を受信し、フィルタリングし、増幅します。帯域幅は 35MHz で、ゲインは ± です。59デシベル。 |
| 超音波トランスデューサ | オリンパス | V306-SU-NK-CF1.9IN/Q4200069 | 光音響検出に使用される超音波センサー。セントラル周波数 2.25 MHz、0.5 インチ、円筒形フォーカス 1.9 インチ |
| PCIe DAQ (データ収集) カード | GaGe | CSE4227/ A6000610/B0E00610 | 12 ビット、100 Ms/秒、2 チャネル、1 Gs オンボードメモリ、PCIe x16 インターフェース |
| Rats | In Vivos Pte Ltd、シンガポール | NTac:SD、Sprague Dawley / SD | メス、重量 100 ± |
| アクリル水タンク 10g | NTUワークショップ | カスタムメイド | 脳と検出器の間の音響結合媒体として機能する水が含まれています |
| サーキュラースキャナー | NTUワークショップ | カスタムメイド | スキャナーはアルミ製です |
| 麻酔器 | 医療プラスpte ltd | 酸素濃縮器付き非再呼吸麻酔器 | 動物に酸素とイソフルランを供給します |
| パルスオキシメータポータブル | Medtronic | PM10N(獣医用センサー付き | ) 動物のパルスオキシメトリーを監視 |
| 超音波ゲル | プログレス/パーカーアクアソニックゲル | PA-GEL-CLEA-5000 | クリア超音波ゲル |
| データ取得ソフトウェア | National Instruments Corporation,Austin,TX,USA) | NI LabVIEW 2015 SP1 | LabVIEWベースのプログラムは、ステッピングモーターを制御し、検出器からPAシングルを取得するために私たちの研究室で開発されました |
| データ処理ソフトウェア | Matlab(Mathworks、Natick、MA、USA) | Matlab R2012b | PA画像の再構築のためのMatlabコードは、私たちの研究室で |
| 開発されました 温度コントローラー | LaridTech、MO、USA | MTTC1410 | PLDの温度を常に制御します |
| 12V電源 | ボルトクラフト | PPS-11810 | PLD可変電源用動作電圧の供給 |
| へ | BASETech | BT-153 | レーザー出力電力を変更する |
| Funtion発電機 | Funktionsgenerator | FG250D | PLDの繰り返し率を変更します。DAQをレーザー励起と同期するためのTTL信号を提供します。 |
| 動物販売業者 | In Vivos Pte Ltd, シンガポール | 研究目的で小動物を供給する動物販売業者。 | |
| アニマルホルダー | NTUワークショップ | カスタムメイド | 腹部に動物を保持するために使用されます |
| 呼吸マスク | NTUワークショップ | カスタムメイド | 動物ホルダーと一緒に使用して、動物に麻酔混合物を供給します |
| ペントバルビタールナトリウム | バラバーブ | 実験後の動物を安楽死させるために使用されます。 | |
| 光学ディフュー | ザーThorlabs | DG10-1500 | ビームを均質にするために使用されます |
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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