Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Bioengineering

Een hoogwaardig Compact Photo Acoustic Tomography System voor doi: 10.3791/55811 Published: June 21, 2017

Summary

Een compact pulsed-laser diode gebaseerde foto-akoestische tomografie (PLD-PAT) systeem voor high-speed in vivo hersenbeelden in kleine dieren wordt aangetoond.

Abstract

In vivo speelt kleine dierenbeelden een belangrijke rol in preklinische studies. Photoacoustic tomography (PAT) is een opkomende hybrid imaging modaliteit die groot potentieel voor zowel preklinische als klinische toepassingen aantoont. Conventionele optische parametrische oscillator-gebaseerde PAT (OPO-PAT) systemen zijn omvangrijk en duur en kunnen geen snelle beeldvorming bieden. Onlangs zijn pulsed-laser diodes (PLD's) succesvol aangetoond als een alternatieve excitatiebron voor PAT. Pulsed-laser diode PAT (PLD-PAT) is succesvol aangetoond voor high-speed beeldvorming op photoacoustic phantoms en biologische weefsels. Dit werk biedt een visualized experimenteel protocol voor in vivo hersenbeeldvorming met behulp van PLD-PAT. Het protocol bevat de compacte PLD-PAT-systeemconfiguratie en de beschrijving ervan, dierbereiding voor hersenbeeldvorming en een typische experimentele procedure voor 2D doorsnede-beeldvorming van de rattenhuid. Het PLD-PAT-systeem is compact en kost-efFectief en kan high-speed beeldvorming van hoge kwaliteit leveren. Brainbeelden die in vivo bij verschillende scansnelheden worden verzameld, worden gepresenteerd.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Photoacoustic Tomography (PAT) is een hybrid imaging modaliteit die veel toepassingen heeft in zowel klinische als preklinische studies 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . In PAT bestralen nanoseconde laserpulsen biologisch weefsel. De absorptie van incidentielicht door de weefselchromoforen leidt tot een lokale temperatuurstijging, die dan drukgolven uitzendt in de vorm van geluidsgolven. Een ultrasone detector verzamelt de foto-akoestische signalen op verschillende posities rond het monster. De foto-akoestische (PA) signalen worden gereconstrueerd met behulp van verschillende algoritmes (zoals een vertragings- en som-algoritme) 6 om het foto-akoestische beeld te genereren.

Deze hybrid imaging modaliteit biedt hoge resolutie, diepgeweven beeldvorming en hoge optische absorptie contrast 7 ,Class = "xref"> 8. Onlangs is een beeldvormende diepte van 12 cm bereikt in kippenborstweefsel met behulp van een langere golflengte (~ 1.064 nm) en een exogeen contrastmiddel, die fosforfthalocyanine bevat. Deze diepte gevoeligheid is veel hoger dan de diepte gevoeligheid van andere optische methoden, zoals confocal fluorescentiemicroscopie, twee-foton fluorescentiemicroscopie, 10 optische coherentietomografie, 11 enz. Met meer dan één golflengte kan PAT structurele en functionele veranderingen in organen aantonen . Voor veel mensenziekten zijn kleine dierenmodellen goed gevestigd 12 , 13 , 14 , 15 . Voor het afbeelden van kleine dieren zijn diverse modaliteiten aangetoond. Uit al die benaderingen heeft PA imaging eerder aandacht gekregen vanwege de bovengenoemde voordelen. VADERT heeft zijn potentieel voor het beelden van bloedvaten in de weefsels en organen ( dwz hart, longen, lever, ogen, milt, hersenen, huid, ruggengraat, nier, enz. ) Van kleine dieren 4 , 16 , 17 , 18 weergegeven . PAT is een gevestigde modaliteit voor beeldvorming van kleine dieren. PA-golven worden geproduceerd door de lichtabsorptie door de chromophoren, zodat meerdere golflengten PAT de mapping van de totale hemoglobine concentratie (HbT) en zuurstofverzadiging (SO2) 19 , 20 , 21 , 22 mogelijk maken . Brein-neurovasculaire beeldvorming werd bereikt met behulp van exogene contrastmiddelen 12 , 23 , 24 . PA modaliteit kan bijdragen tot een beter begrip van de gezondheid van de hersenen doorInformatie verstrekken op de moleculaire en genetische niveaus.

Voor beeldvorming met kleine dieren worden Nd: YAG / OPO lasers veel gebruikt als PAT excitatie bronnen. Deze lasers leveren ~ 5 ns bijna-infraroodpulsen met energie (~ 100 mJ bij het OPO-uitvoervenster) bij een herhalingssnelheid van 10 Hz. Het PA-systeem uitgerust met dergelijke lasers is kostbaar en omvangrijk en maakt het mogelijk om met lage-snelheid beeldvorming met een-element-ultrageluid transducers (UST) te maken vanwege de lage herhalingssnelheid van de laserbron. Een typische A-lijn aanwinstijd in dergelijke PA-systemen is ~ 5 min per doorsnede 25 . Een beeldvorming systeem met zo'n lange metingstijd is niet ideaal voor beeldvorming met kleine dieren, omdat het moeilijk is om de fysiologische parameters te controleren voor beeldvorming in het hele lichaam, tijdoplossend functioneel beeldvorming, enz. Door meerdere single-element USTs te selecteren, Gebaseerde UST's, of een laser met hoge repetitiesnelheid, is het mogelijk om de beeldsnelheid van PA te verhogensystemen. Door slechts één single-element UST te gebruiken om alle PA signalen te verzamelen rond het monster, wordt de beeldsnelheid van het systeem beperkt. Meerdere single-element UST's die in cirkelvormige of halfcirkelvormige geometrie worden geregeld, worden aangetoond voor high-speed, zeer gevoelige beeldvormingstechnieken. Array-gebaseerde USTs 26 , zoals lineaire, halve cirkelvormige, cirkelvormige en volumetrische arrays, zijn succesvol gebruikt voor real-time beeldvorming 1 . Deze array-gebaseerde UST's zullen de beeldsnelheidsnelheid verhogen en de meetgevoeligheid verminderen, maar ze zijn duur. Echter, de beeldsnelheid van PA systemen die gebruik maken van array-gebaseerde UST's is nog steeds beperkt door de herhalingssnelheid van de laser.

Pulsed-laser technologie is geavanceerd om hoge-repetitie-rate pulserende-laser diodes (PLD's) te maken. 7000 frames / s B-scan foto-akoestische beeldvorming werd aangetoond met PLD's met behulp van een klinisch ultrasound platform 27 . Dergelijke PLD's kunnen de afbeeldingssnelheid van th verbeterenE PAT-systeem, zelfs bij single-element UST circulaire scan geometrie. Single-element UST's zijn minder duur en zeer gevoelig, in tegenstelling tot array-gebaseerde UST's. In het afgelopen decennium werd weinig onderzoek gerapporteerd over het gebruik van PLD's met hoge herhalingsgraad als de excitatiebron voor PA-beeldvorming. Een vezelgebaseerde bijna-infrarood PLD werd aangetoond voor PA-beeldvorming van fantoom 28 . De in vivo beeldvorming van bloedvaten bij een ~ 1 mm diepte onder de menselijke huid werd aangetoond met behulp van energiezuinige PLD's 29 . Een PLD-gebaseerde optische resolutie foto-akoestische microscoop (ORPAM) werd gemeld. Met behulp van PLD's werd ~ 1,5 cm diepbeeldvorming bij een beeldsnelheid van 0,43 Hz aangetoond 30 . Zeer recent werd een PLD-PAT-systeem gemeld dat beelden op zo kort als ~ 3 s en op een ~ 2 cm beelddiepte in biologisch weefsel 25 , 31 leverden. Deze studie bleek dat zo'n goedkoop, compact systeem hoge qua kan leverenLity beelden, zelfs bij hoge snelheden. Het PLD-PAT-systeem kan worden gebruikt voor fotocoustic imaging met hoge beeldsnelheid (7000 fps), beeldschermbeelden op het bloed, vingergewichtbeelden, 2 cm diepe weefselbeelden, beeldvorming met kleine dieren, enz. De enkelvoudige golflengte en Low pulse-energy pulsen van PLD beperken de toepassing ervan tot multispectrale en diepe weefselbeelden. Er zijn experimenten uitgevoerd op kleine dieren met hetzelfde PLD-PAT systeem dat wordt gebruikt voor preklinische toepassingen. Het doel van dit werk is het visualiseren van de experimentele demonstratie van het PLD-PAT-systeem voor in-vivo 2D doorsnedebeelden van kleine dieren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Alle dierproeven werden uitgevoerd volgens de richtlijnen en voorschriften die zijn goedgekeurd door het Institutionele Diervoeder- en Gebruikskomitee van Nanyang Technologische Universiteit, Singapore (Animal Protocol Number ARF-SBS / NIE-A0263).

1. Systeem Beschrijving

  1. Monteer de PLD in de circulaire scanner, zoals getoond in figuur 1a . Sluit de PLD aan op de laser driver unit (LDU).
    OPMERKING: De PLD levert ~ 136 ns pulsen bij een golflengte van ~ 803 nm, met een maximale pulsenergie van ~ 1,42 mJ en een herhalingssnelheid tot 7 kHz. De laserrijdeenheid (LDU) omvat: een temperatuurregelaar, een wisselstroomvoeding, een voedingsspanning (12 V) en een functiegenerator; Zie de tabel van materialen. De variabele stroomvoorziening wordt gebruikt om de laservermogen te regelen en de functiegenerator wordt gebruikt om de herhalingssnelheid van de PLD te wijzigen.
  2. Zet de PLD-laser aan. Stel de PLD herhalingskoers in op "7.000" HZ door gebruik te maken van de functiegenerator in de LDU. Verhoog de pulsenergie tot 1,42 mJ door de spanning van de variabele voeding op "3.1" V te zetten.
  3. Monteer de optische diffuser (OD) voor het PLD-uitgangsscherm om de uitgangsbalk homogeen te maken, zoals getoond in Figuur 1a .
    OPMERKING: Gebruik een diffuser met een fijne grit ( dwz 1,500 grit poetsmiddel).
  4. Monteer de geconcentreerde UST op de UST houder, zodat het in het midden van het scangebied staat, zoals getoond in Figuur 1a .
    OPMERKING: De centrale frequentie van de UST is 2,25 MHz en de brandpuntsafstand is 1,9 inch.
  5. Plaats de ultrageluiddetector in de acryltank, zoals getoond in figuur 1a . Vul de tank met water zodat de UST helemaal ondergedompeld is.
    OPMERKING: Een watermedium wordt gebruikt om het foto-akoestische signaal van de hersenen (monster) aan de UST te koppelen. Een acrylwatertank (WT, zie de Tafel van Materialen) was aangepastOntworpen voor kleine dierenbeelden. Het schema van het watertankontwerp is weergegeven in figuur 1b .
  6. Controleer het PA signaal van het monster met behulp van een puls / ontvanger (PRU; zie de Tabel van Materialen ).
    OPMERKING: Deze signalen werden gedigitaliseerd met een 12-bits DAQ-kaart (zie de tabel van materialen ) bij een samplingfrequentie van 100 MS / s en op een computer opgeslagen.

2. Voorbereiding van dieren voor de hersenbeelden van de hersenen

OPMERKING: Het hierboven beschreven PLD-PAT-systeem werd aangetoond voor het imago van kleine dierenhersen. Voor deze experimenten werden gezonde vrouwelijke ratten (zie de tabel van materialen ) gebruikt.

  1. Verdoof het dier door het intraperitoneel injecteren van een cocktail van 2 ml ketamine, 1 ml xylazine en 1 ml zoutoplossing (dosering van 0,2 ml / 100 g).
  2. Verwijder de vacht op de hoofdhuid van het dier met behulp van een haarknipper. Breng het haarverwijderingsroom voorzichtig aan de geschorenGebied voor verdere uitputting van de vacht.
    1. Verwijder de aangepaste room na 4-5 minuten met een katoenen pootje.
    2. Breng kunstmatige tranenalf aan de ogen van het dier om de droogheid te voorkomen door anesthesie en laserverlichting.
  3. Monteer de op maat gemaakte dierenhouder (zie de Tafel van Materialen ) uitgerust met een ademhalingsmasker (zie de Tabel van Materialen ) op een lab-jack.
  4. Plaats het dier in de slechte positie op de houder. Bevestig het aan de houder met behulp van een chirurgische tape om tijdens het imago de beweging van het dier te vermijden.
  5. Zorg ervoor dat het ademhalingsmasker de neus en mond van de rat omvat om ingeademde verdoving te leveren.

3. In Vivo Rat Brain Imaging

  1. Sluit het ademhalingsmasker aan op de anesthesie machine. Schakel de anesthesiemachine in en stel hem aan om 1,0 L / min zuurstof te leveren met 0,75% isofluraan.
    1. Klem de pulsoximeter erinS staart om de fysiologische conditie van het dier te controleren.
  2. Breng een laag kleurloze ultrasone gel aan op de hoofdhuid van de rat. Stel de lab-jack positie in het midden van de scanner. Het ademhalingsmasker is aangepast aan het beeldscherm. 10% van de in de handel verkrijgbare neuskegel is gesneden, dan verbonden met een handschoen.
    1. Stel de hoogte van de lab-jack handmatig in, zodat het beeldvlak op de focus van de UST staat.
  3. Stel de parameters in de gegevensverzamelingssoftware (zie de Tabel van Materialen) zoals vereist. Voer het programma voor het ophalen van gegevens over om de acquisitie te starten ( dwz beeldvorming).
    OPMERKING: Het programma wordt gebruikt om de UST te roteren en A-line PA signalen te verzamelen. De verzamelde A-lijnen worden op de computer opgeslagen.
  4. Volg het dier gedurende de gehele beeldperiode en ga verder met PAT reconstructie nadat de beeldvorming is voltooid.
  5. Nadat de gegevensverzameling over is,Reconstructeer het doorsnede hersenbeeld van de A-lijnen met behulp van het reconstructie software programma.
  6. Schakel het anesthesiesysteem uit, verwijder het dier uit het podium, stuur het terug naar zijn kooi en controleer het totdat het bewustzijn weer oplevert.
    OPMERKING: Als de UST bijvoorbeeld 5 seconden draait, levert de PLD 35.000 (= 5 x 7.000) pulsen en de UST verzamelt 35.000 A-lijnen. De 35.000 A-lijnen worden verminderd tot 500 door middel van gemiddeld meer dan 70 signalen (na gemiddelde A-lijnen = 35.000 / 70 = 500). Figuur 1c illustreert de verlichting van de laserpulsen en A-line collectie. Een reconstructieprogramma gebaseerd op vertragings- en som-terug-projectie-algoritme moet worden gebruikt.

Figuur 1
Figuur 1: Schema's van het PLD-PAT-systeem. (A) Schematisch van de PLD-PAT. PLD: pulsed-laser diode, CSP: circuLarve-scanplaat, AM: anesthesie machine, M: motor, MPU: motor katrol eenheid, LDU: laser driver unit, PRU: pulser / ontvanger eenheid, UST: ultrasound transducer, WT: watertank, PF: polymeer film en DAQ: Data acquisition card. ( B ) Schema van de watertank, bovenaanzicht (1) en dwarsdoorsnede (2) voor in-vivo beeldvorming van kleine dieren. A: metrische schroef, B: acryl ringplaat, C: siliconen "O" ring, D: 100 μm dik, transparant polyethyleen bedekking. De tank had een gat van 9 cm op zijn bodem en werd afgesloten met een ultrasone en optisch transparante 100 μm dikke polyethyleenmembraan. ( C ) Schematisch van de verlichting van laserpulsen van de PLD en A-lijnen, verzameling in een 5-s continue scantijd. Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

De in vivo hersenbeeldresultaten die de mogelijkheden van het beschreven PLD-PAT-systeem tonen, worden in deze sectie getoond. Om de high-speed beeldvormingsmogelijkheden van het PLD-PAT-systeem te demonstreren, werd de in vivo hersenafbeelding van twee verschillende gezonde ratten uitgevoerd. Figuur 2 toont de hersenbeelden van een vrouwelijke rat (93 g) bij verschillende scansnelheden. Figuur 2a en b tonen de foto's van de ratbrein voor en na het verwijderen van de hoofdhuid over het hersengebied. PAT-beeldvorming werd niet-invasieve gedaan ( dwz met de huid en de schedel intact). PA signalen van de dwarsdoorsnede van de hersenen werden verzameld door circulair roteren van de UST gedurende 5 s, 10 s, 20 s en 30 s. Figuur 2c -f tonen de PAT-gereconstrueerde doorsnedeafbeeldingen van de ratbrein, verkregen in 5 s, 10 s, 20 s en 30 s scan tijden. In al deze hersenbeelden, de Transversale sinus (TS), superieure sagittale sinus (SS) en cerebrale aderen (CV), inclusief takken, zijn duidelijk zichtbaar. Deze functies worden aangegeven op de afbeelding die wordt weergegeven in figuur 2f . Deze resultaten beloven dat het systeem in vivo beelden van hoge kwaliteit kan leveren, ook bij hoge scannelheden.

Figuur 2
Figuur 2: Niet-invasieve In Vivo PLD-PAT-afbeeldingen. Niet-invasieve PLD-PAT beelden van de vaatwervel in een 93 g vrouwelijke rat hersenen. Foto van de ratbrein voor ( a ) en na ( b ) het verwijderen van de hoofdhuid. In vivo hersenbeelden bij verschillende scantijden: ( c ) 5 s, ( d ) 10 s, ( e ) 20 s, en ( f ) 30 s. SS: sagittale sinus, TS: dwars sinus, en CV: hersenvaten. Les / ftp_upload / 55811 / 55811fig2large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Een vergelijkbaar beeldvormend experiment werd uitgevoerd op een andere vrouwelijke rat (95 g), en bijbehorende hersenbeelden verkregen in 5 s, 10 s, 20 s en 30 s worden getoond in Figuur 3 .

Figuur 3
Figuur 3 : Niet-invasieve In Vivo PLD-PAT-afbeeldingen. Niet-invasieve PLD-PAT beelden van de vaatwervel in een 95 g vrouwelijke rat hersenen. Foto van de ratbrein voor ( a ) en na ( b ) het verwijderen van de hoofdhuid. In vivo hersenbeelden bij verschillende scantijden: ( c ) 5 s, ( d ) 10 s, ( e ) 20 s, en ( f ) 30 s.Rce.jove.com/files/ftp_upload/55811/55811fig3large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te zien.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Dit werk bevat een protocol voor het uitvoeren van in vivo hersenbeelden op ratten met behulp van een PLD-PAT-systeem. Het protocol bevat een gedetailleerde beschrijving van het beeldvormingssysteem en de uitlijning daarvan, evenals een illustratie van hersenbeelden op ratten. De bestaande OPO-gebaseerde PAT-systemen zijn duur en omvangrijk en kunnen in een 5-10 min een doorsnedebeeld geven. Het PLD-PAT-systeem is compact, draagbaar en goedkoop en kan in 3 s goede beelden leveren. De prestatie van het systeem werd eerder geanalyseerd in fantoom en vergeleken met conventioneel PAT-systeem 25 . Hier werd dezelfde PLD-PAT aangetoond voor snelle in vivo hersenbeelden. Uit het resultaat blijkt dat het systeem in vivo beelden van hoge kwaliteit kan leveren, zelfs in 5 s.

Hoewel er meerdere voordelen zijn, heeft het PLD-PAT-systeem meerdere nadelen. De PLD die in deze studie wordt gebruikt, biedt pulsen bij een enkele golflengte, zodat het geen func kan verschaffenDigitale beeldvorming, die verlichting met meerdere golflengten vereist. Voor functionele beeldvorming is een PLD met verlichtingsvermogen met meerdere golflengten vereist. De low-energy PLD-pulsen beperken de beelddiepte. Het gebruik van een exogeen contrastmiddel kan echter de beelddiepte van het PLD-PAT-systeem verbeteren.

Meestal is de PLD laserstraal niet uniform, dus een geschikte optische diffuser kan voor het laservenster worden gebruikt om de beeldkwaliteit te verbeteren. Zorg ervoor dat het midden van de laserstraal en het midden van het beeldgebied samenvallen. Terwijl u de UST om de hersenen scant, moet u ervoor zorgen dat de UST altijd naar het scancentrum gaat. Bij het implementeren van het protocol moet extra zorg worden genomen: a) de hoeveelheid anesthesiecocktail moet worden toegediend volgens het gewicht van het dier; B) de anesthesie injectie moet precies zijn zodat de organen ( bijvoorbeeld de urine blaas, darm en nier) niet worden beïnvloed; (C) tijdens de hair clIpping, zorg ervoor dat de hoofdhuid van het dier niet gekrast is; D) de druk van de watertank op het dier moet zo minimaal mogelijk zijn; En (e) terwijl het dier onder de scanner wordt geplaatst, zorg ervoor dat het beeldvormende dwarsdoorsnedevlak van de hersenen in het midden van de UST ligt. Toekomstige toepassingen van het systeem omvatten beeldvorming van hersentumoren, beeldvorming van verschillende organen in kleine dieren, snelle beeldvorming in minder dan 5 s, onderzoek van biomaterialen voor contrastmiddelen en therapie toepassingen. Problemen oplossen kan nodig zijn als de beeldkwaliteit laag is.

Laser veiligheid voor kleine dieren in vivo beeldvorming

De maximum toelaatbare blootstelling (MPE) limiet voor huid hangt af van verschillende parameters, zoals excitatie golflengte, pulsbreedte, tijd van blootstelling, verlichtingsgebied, enz. De MPE limieten voor in vivo beeldvorming worden geregeld door de Amerikaanse National StandardS Instituut (ANSI) 32 . In het golflengtebereik van 700 tot 1.050 nm moet de energiedichtheid op de huid die door een enkele puls wordt geleverd, minder zijn dan 20 x 10 2 (A-700) / 1000 mJ / cm 2 (A: excitatiegolflengte in nm). Voor de 803 nm PLD golflengte is de limiet ~ 31 mJ / cm 2 . Als de laser continu wordt gebruikt over een periode van t = 5 s, wordt de MPE 1,1 x 10 2 (λ-700) / 1000 × t 0,25 J / cm 2 (= 2,6 J / cm 2 ). In dit experiment werd de PLD gebruikt op 7000 Hz. In een scantijd van 5 s werden in totaal 35.000 (5 × 7.000) pulsen aan het monster afgeleverd, dus per puls was de MPE 0,07 mJ / cm2. In het beschreven beeldvormingssysteem levert de PLD pulsen met energie bij ~ 1,05 mJ per puls, en de laserstraal werd uitgebreid over een gebied van 12,6 cm2. Vandaar dat de laser energie dichtheid was ~ 0,08 mJ / cm 2 op de hersenen gebied. De ANSI-laser veiligheidsgrens van het PAT-systeem kan ch zijnAngst door de laservermogen te verminderen, door de laserstraal uit te breiden of door de pulseherhalingstarief te verminderen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben geen relevante financiële belangen in het manuscript en geen andere potentiële belangenconflicten om te onthullen.

Acknowledgments

Het onderzoek wordt ondersteund door de Tier 2-subsidie, gefinancierd door het Ministerie van Onderwijs in Singapore (ARC2 / 15: M4020238) en de National Medical Research Council van Singapore (NMRC / OFIRG / 0005/2016: M4062012). De auteurs willen de heer Chow Wai Hoong Bobby bedanken voor de hulp van de machinewinkel.

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).
Een hoogwaardig Compact Photo Acoustic Tomography System voor<em&gt; In Vivo</em&gt; Kleine-dierlijke hersenbeelden
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).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