Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Bioengineering

Et højtydende kompakt fotokoustisk tomografisystem til doi: 10.3791/55811 Published: June 21, 2017

Summary

Et kompakt pulserende laser diode-baseret fotoakustisk tomografi (PLD-PAT) system til højhastighedskopiering af in vivo hjernedannelse i små dyr er påvist.

Abstract

In vivo har små dyr billeddannelse en vigtig rolle at spille i prækliniske undersøgelser. Photoacoustic tomography (PAT) er en fremkommende hybrid billeddannelsesmodalitet, der viser stort potentiale for både prækliniske og kliniske anvendelser. Konventionelle optiske parametriske oscillatorbaserede PAT-systemer (OPO-PAT) er voluminøse og dyre og kan ikke give billeddannelse med høj hastighed. For nylig er pulsed-laser dioder (PLD'er) blevet demonstreret som en alternativ excitationskilde til PAT. Pulserende-laserdiode PAT (PLD-PAT) er med succes blevet demonstreret til billeddannelse med høj hastighed på fotoakustiske fantomer og biologiske væv. Dette arbejde giver en visualiseret forsøgsprotokol til in vivo hjernedannelse ved anvendelse af PLD-PAT. Protokollen indeholder den kompakte PLD-PAT-systemkonfiguration og dens beskrivelse, dyreforberedelse til hjernedannelse og en typisk eksperimentel procedure for 2D tværsnitsrottehjernedannelse. PLD-PAT-systemet er kompakt og cost-efFektive og kan levere højhastighedstog billedbehandling af høj kvalitet. Hjernebilleder indsamlet in vivo ved forskellige scanhastigheder præsenteres.

Introduction

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

Photoacoustic tomography (PAT) er en hybrid billeddannelsesmodalitet, der har mange anvendelser i både kliniske og prækliniske studier 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . I PAT bestråler nanosekunders laserpulser biologisk væv. Absorptionen af ​​indfaldende lys af vævschromophorerne fører til en lokal temperaturstigning, som derefter giver trykbølger udgivet i form af lydbølger. En ultralyddetektor samler de fotoakustiske signaler i forskellige positioner omkring prøven. De fotoakustiske (PA) signaler rekonstrueres ved hjælp af forskellige algoritmer (såsom en forsinkelses- og sum-algoritme) 6 for at generere det fotoakustiske billede.

Denne hybrid billedmodalitet tilbyder høj opløsning, dybdevæv billeddannelse og høj optisk absorptionskontrast 7 ,Class = "xref"> 8. For nylig blev en ~ 12 cm billeddybde 9 opnået i kyllingebrystvæv ved hjælp af en længere bølgelængde (~ 1.064 nm) og et eksogent kontrastmiddel cphosphorphthalocyanin. Denne dybdefølsomhed er meget højere end dyb følsomheden af ​​andre optiske metoder, såsom konfokal fluorescensmikroskopi, to-foton fluorescensmikroskopi, 10 optisk kohærensomografi, 11 osv. Ved anvendelse af mere end en bølgelængde kan PAT demonstrere strukturelle og funktionelle ændringer i organer . For mange menneskelige sygdomme har små-dyremodeller været veletablerede 12 , 13 , 14 , 15 . Til billeddannelse af små dyr er der vist flere modaliteter. Ud af alle disse tilgange har PA billeddannelse fået opmærksomhed ret hurtigt på grund af ovenstående fordele. PAT har vist sit potentiale til billeddannelse af blodkar i væv og organer ( dvs. hjerte, lunger, lever, øjne, milt, hjerne, hud, rygmarv, nyre osv. ) Af små dyr 4 , 16 , 17 , 18 . PAT er en veletableret modalitet til små-dyr hjernedannelse. PA-bølger produceres på grund af lysabsorptionen af ​​chromophorerne, så flere bølgelængder PAT muliggør kortlægning af total hæmoglobinkoncentration (HbT) og iltmætning (SO2) 19 , 20 , 21 , 22 . Hjerne-neurovaskulær billeddannelse blev opnået ved hjælp af eksogene kontrastmidler 12 , 23 , 24 . PA modalitet kan bidrage til at give en bedre forståelse af hjernens sundhed vedTilvejebringelse af information på molekylære og genetiske niveauer.

Til billeddannelse med små dyr anvendes Nd: YAG / OPO lasere i vid udstrækning som PAT excitationskilder. Disse lasere leverer ~ 5 ns nær-infrarøde impulser med energi (~ 100 mJ ved OPO udgangsvinduet) ved en gentagelseshastighed på 10 Hz. PA-systemet udstyret med sådanne lasere er dyrt og omfangsret og giver mulighed for billedbehandling med lav hastighed med enkeltelementets ultralydtransducere (UST) på grund af den lave gentagelsesrate for laserkilden. En typisk A-line-akkumuleringstid i sådanne PA-systemer er ~ 5 min pr. Tværsnit 25 . Et billeddannelsessystem med en sådan lang målingstid er ikke ideel til billeddannelse af små dyr, fordi det er vanskeligt at styre de fysiologiske parametre til fuldtekstbilleddannelse, tidsopløst funktionel billeddannelse osv. Ved at vedtage flere enkeltelement-UST'er, array Baserede UST'er eller en laser med høj repetitionshastighed, er det muligt at øge billedhastigheden af ​​PAsystemer. Ved at bruge kun et enkeltelement UST til at samle alle PA-signaler rundt om prøven, begrænses systemets billedhastighed. Flere single-element UST'er arrangeret i cirkulær eller halvcirkelformet geometri demonstreres for højhastighedstog, meget følsomme billeddannelsesteknikker. Array-baserede UST'er 26 , såsom lineære, halvcirkulære, cirkulære og volumetriske arrays, er blevet anvendt med succes til billedbehandling i realtid 1 . Disse array-baserede UST'er vil øge billedhastigheden og reducere målfølsomheden, men de er dyre. Imidlertid er billedhastigheden af ​​PA-systemer, som bruger array-baserede UST'er, stadig begrænset af laserens gentagelseshastighed.

Pulserende laserteknologi avanceret til at fremstille pulserende laserdioder (PLD'er) med høj repetitionsrate. 7.000 rammer / s B-scan fotoakustisk billeddannelse blev demonstreret med PLD'er ved hjælp af en klinisk ultralydsplatform 27 . Sådanne PLD'er kan forbedre billedhastigheden af ​​thE PAT-system, selv med single-element UST cirkulær scanning geometri. Single-element UST'er er billigere og meget følsomme, i modsætning til array-baserede UST'er. I løbet af det sidste årti blev der rapporteret lidt forskning om brugen af ​​PLD'er med høj repetitionshastighed som excitationskilde for PA-billeddannelse. En fiberbaseret nær-infrarød PLD blev demonstreret for PA-billeddannelse af fantomer 28 . In vivo billeddannelsen af ​​blodkar ved en ~ 1 mm dybde under den menneskelige hud blev påvist under anvendelse af lav-energi PLD'er 29 . Der blev rapporteret et PLD-baseret optisk opløsningsfotoakustisk mikroskop (ORPAM). Ved anvendelse af PLD'er blev ~ 1,5 cm dyb billeddannelse ved en billedfrekvens på 0,43 Hz demonstreret 30 . Meget nylig blev der rapporteret et PLD-PAT system, der gav billeder på så kort som ~ 3 s og ved en ~ 2 cm billeddybde i biologisk væv 25 , 31 . Denne undersøgelse viste, at et sådant lavkost, kompakt system kan give høj-quaLige billeder, selv ved høje hastigheder. PLD-PAT-systemet kan bruges til billedoptagelse (7000 fps) fotoakustisk billeddannelse, billeddannelse af blodlegemer, fingerafbildning, 2 cm dybdevævsbilde, billeddiagnostik med små dyr, etc. Den enkeltbølgelængde og Lavpuls-energipulser fra PLD begrænser dets anvendelse til multispektral og dybdevæv billeddannelse. Der er udført eksperimenter på små dyr, der bruger det samme PLD-PAT-system, der anvendes til prækliniske applikationer. Formålet med dette arbejde er at tilvejebringe den visualiserede eksperimentelle demonstration af PLD-PAT-systemet til in vivo 2D tværsnitshjernebilleder af små dyr.

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 dyreforsøg blev udført i overensstemmelse med de retningslinjer og forskrifter, der blev godkendt af Institut for Dyrepleje og Brug af Nanyang Technological University, Singapore (Animal Protocol Number ARF-SBS / NIE-A0263).

1. Systembeskrivelse

  1. Monter PLD inde i den cirkulære scanner, som vist i figur 1a . Tilslut PLD til laserdriverenheden (LDU).
    BEMÆRK: PLD'en leverer ~ 136 ns pulser med en bølgelængde på ~ 803 nm, med en maksimal puls energi på ~ 1,42 mJ og en gentagelseshastighed på op til 7 kHz. Laser-drivenheden (LDU) omfatter: en temperaturregulator, en variabel strømforsyning, en strømforsyning (12 V) og en funktionsgenerator; Se materialebordet. Den variable strømforsyning bruges til at styre laserkraften, og funktionsgeneratoren bruges til at ændre gentagelseshastigheden for PLD.
  2. Tænd for PLD-laseren. Indstil PLD-gentagelseshastigheden til "7.000" HZ ved at bruge funktionsgeneratoren i LDU'et. Forøg pulsenergien til 1,42 mJ ved at indstille spændingen af ​​den variable strømforsyning til "3.1" V.
  3. Monter den optiske diffusor (OD) foran PLD-udgangsvinduet for at gøre udgangsstrålen homogen, som vist i figur 1a .
    BEMÆRK: Brug en diffuser med et fint grit ( dvs. 1,500 grit poleret).
  4. Monter den fokuserede UST på UST-holderen, således at den vender mod midten af ​​scanningsområdet, som vist i figur 1a .
    BEMÆRK: UST's centrale frekvens er 2,25 MHz, og brændvidden er 1,9 in.
  5. Placer ultralyddetektoren inde i akrylbeholderen, som vist i figur 1a . Fyld tanken med vand, så UST er helt nedsænket.
    BEMÆRK: Et vandmedium bruges til at forbinde det fotoakustiske signal fra hjernen (prøve) til UST. En akrylvandstank (WT; se Materialebordet) var tilpasset-designet til billeddannelse med små dyr. Skematikken for vandtankens design er vist i figur 1b .
  6. Kontrollér PA signalet fra prøven ved hjælp af en puls / modtager enhed (PRU; se Materialebordet ).
    BEMÆRK: Disse signaler blev digitaliseret af et 12-bit DAQ-kort (se Materialetabellen ) ved en samplinghastighed på 100 MS / s og blev gemt på en computer.

2. Dyreforberedelse til rottehjernebilleddannelse

BEMÆRK: PLD-PAT-systemet beskrevet ovenfor blev demonstreret til billeddannelse af små dyrhjerne. Til disse forsøg blev sunde hunrotter (se Materialetabellen ) anvendt.

  1. Bedøves dyret ved intraperitonealt injektion af en cocktail af 2 ml ketamin, 1 ml xylazin og 1 ml saltvand (dosering på 0,2 ml / 100 g).
  2. Fjern pelsen på hovedbunden af ​​dyret ved hjælp af en hårklipper. Anvend forsigtigt hårfjerningskrem til den barberedeOmråde for yderligere udtømning af pelsen.
    1. Fjern den påførte creme efter 4-5 min ved hjælp af en vatpind.
    2. Påfør kunstig tyresalve til øjnene af dyret for at forhindre tørheden på grund af anæstesi og laserbelysning.
  3. Monter den specialfremstillede dyreholder (se Materialetabellen ) udstyret med en åndemaske (se Materialebordet ) på en lab-jack.
  4. Placer dyret i tilbøjelig position på holderen. Fastgør den til holderen ved hjælp af kirurgisk tape for at undgå bevægelse af dyret under billeddannelsen.
  5. Sørg for, at vejrtrækningen dækker råtens næse og mund for at give indåndet bedøvelse.

3. In Vivo Rat Brain Imaging

  1. Tilslut vejrtrækmasken til anæstesiemaskinen. Tænd for anæstesiemaskinen og indstil den til at levere 1,0 l / min ilt med 0,75% isofluran.
    1. Klem pulsoximetret til detS hale for at overvåge dyrets fysiologiske tilstand.
  2. Påfør et lag farveløs ultralyd gel til ryggens hovedbund. Juster lab-jack-positionen til midten af ​​scanneren. Åndedrætsmasken tilpasses billedvinduet. 10% af den kommercielt tilgængelige næse kegle er skåret derefter forbundet til et stykke handske.
    1. Juster højden af ​​lab-jack manuelt, så billedplanet er i fokus for UST.
  3. Indstil parametrene i dataindsamlingssoftwaren (se Materialetabellen) efter behov. Kør dataovervågningsprogrammet til at starte opkøbet ( dvs. billedbehandling).
    BEMÆRK: Programmet bruges til at rotere UST og indsamle A-line PA signaler. De samlede A-linjer gemmes på computeren.
  4. Overhold dyret i hele billedperioden og fortsæt til PAT-rekonstruktion, efter at billeddannelsen er afsluttet.
  5. Efter datafangst er overstået,Rekonstruere tværsnitshjernebilledet fra A-linjerne ved hjælp af rekonstruktionsprogrammet.
  6. Sluk anæstesi systemet, fjern dyret fra scenen, returner det til buret og overvåge det, indtil det genvinder bevidstheden.
    BEMÆRK: Hvis UST'en roteres i 5 s, leverer PLD 35.000 (= 5 x 7.000) pulser, og UST samler 35.000 A-linjer. De 35.000 A-linjer reduceres til 500 ved gennemsnitlig over 70 signaler (efter gennemsnit A-linjer = 35.000 / 70 = 500). Figur 1c illustrerer belysningen af ​​laserpulserne og A-linjens indsamling. Et genopbygningsprogram baseret på forsinkelses-og-sum-back-projektionsalgoritme bør anvendes.

figur 1
Figur 1: Skemaer af PLD-PAT-systemet. ( A ) Skematisk af PLD-PAT. PLD: pulserende laserdiode, CSP: circuLarve skanning plade, AM: anæstesi maskine, M: motor, MPU: motor remskive enhed, LDU: laser driver enhed, PRU: puls / modtager enhed, UST: ultralyd transducer, WT: vandtank, PF: polymer film og DAQ: Datakøbskort. ( B ) Skematisk af vandtanken, set ovenfra (1) og tværsnit (2) til in-vivo små-dyr hjernedannelse. A: metrisk skrue, B: akryl ringformet plade, C: silikone "O" ring, D: 100 μm tykt, gennemsigtigt polyethylen cover. Tanken havde et hul på 9 cm ved bunden og blev forseglet med en ultralyd og optisk gennemsigtig 100 μm tyk polyethylenmembran. ( C ) Skematisk af belysningen af ​​laserimpulser fra PLD og A-linjerne, samling i en 5 s kontinuerlig scanningstid. Klik her for at se en større version af denne figur.

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

Resultaterne af in vivo- hjerneafbildningsresultater, som demonstrerer evnerne i det beskrevne PLD-PAT-system, fremvises i dette afsnit. For at demonstrere PLD-PAT-systemets højhastighedseffektive billeddannelsesevne blev in vivo hjernedannelsen af ​​to forskellige sunde rotter udført. Figur 2 viser hjernens billeder af en hunrot (93 g) ved forskellige scanningshastigheder. Figur 2a og b viser fotografierne af rottehjerne før og efter fjernelse af hovedbunden over hjernen. PAT-billeddannelse blev gjort ikke-invasivt ( dvs. med hud og kranium intakt). PA signaler fra tværsnittet af hjernen blev opsamlet ved cirkulær rotation af UST i 5 s, 10 s, 20 s og 30 s. Figur 2c -f viser de PAT-rekonstruerede tværsnitsbilleder af rottehjerne opnået i 5 s, 10 s, 20 s og 30 s scanningstider. I alle disse hjernebilleder, Transversal sinus (TS), overlegen sagittal sinus (SS) og cerebrale vener (CV), herunder grene, er tydeligt synlige. Disse funktioner er angivet på billedet vist i figur 2f . Disse resultater lover at systemet kan levere in vivo billeder af høj kvalitet, selv ved høje scanningshastigheder.

Figur 2
Figur 2: Ikke-invasive in vivo PLD-PAT-billeder. Ikke-invasive PLD-PAT billeder af vaskulaturen i en 93 g hunrottshjerne. Foto af rottehjerne før ( a ) og efter ( b ) fjernelse af hovedbunden. In vivo hjernebilleder ved forskellige scanningstider: ( c ) 5 s, ( d ) 10 s, ( e ) 20 s og ( f ) 30 s. SS: sagittal sinus, TS: tværgående sinus og CV: cerebrale årer. Les / ftp_upload / 55811 / 55811fig2large.jpg "target =" _ blank "> Venligst klik her for at se en større version af denne figur.

Et lignende billeddannelseseksperiment blev udført på en anden hunrot (95 g), og tilsvarende hjernebilleder opnået i 5 s, 10 s, 20 s og 30 s er vist i figur 3 .

Figur 3
Figur 3 : Ikke-invasive in vivo PLD-PAT-billeder. Ikke-invasive PLD-PAT billeder af vaskulaturen i en 95 g hunrot rottehjerne. Foto af rottehjerne før ( a ) og efter ( b ) fjernelse af hovedbunden. In vivo hjernebilleder ved forskellige scanningstider: ( c ) 5 s, ( d ) 10 s, ( e ) 20 s og ( f ) 30 s.Rce.jove.com/files/ftp_upload/55811/55811fig3large.jpg "target =" _ blank "> Venligst klik her for at se en større version af denne figur.

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

Dette arbejde præsenterer en protokol til at udføre in vivo hjernedannelse på rotter ved anvendelse af et PLD-PAT-system. Protokollen indeholder en detaljeret beskrivelse af billeddannelsessystemet og dets justering samt en illustration af hjernedannelse på rotter. De eksisterende OPO-baserede PAT-systemer er dyre og omfangsrige og kan give et tværsnitsbillede i 5-10 minutter. PLD-PAT-systemet er kompakt, bærbart og billigt og kan levere billeder af god kvalitet i 3 s. Systemets ydeevne blev tidligere undersøgt i fantomer og sammenlignet med konventionelle PAT-systemer 25 . Her blev den samme PLD-PAT demonstreret for hurtig in vivo hjernedannelse. Resultatet viser, at systemet kan levere in vivo billeder af høj kvalitet, selv om 5 s.

Mens der er flere fordele, har PLD-PAT-systemet flere ulemper. Den PLD, der anvendes i dette studie, giver pulser ved en enkelt bølgelængde, så det kan ikke give funcElektronisk billeddannelse, som kræver belysning med flere bølgelængder. Til funktionel billeddannelse kræves en PLD med bølgelængdebelysningsfunktioner. De lave energi PLD pulser begrænser billeddybden. Ved anvendelse af et eksogent kontrastmiddel er det imidlertid muligt at forbedre billeddybden af ​​PLD-PAT-systemet.

Normalt er PLD laserstrålen ikke ensartet, så en egnet optisk diffusor kan bruges foran laservinduet for at forbedre billedkvaliteten. Sørg for at midten af ​​laserstrålen og midten af ​​billedområdet er sammenfaldende. Under scanningen af ​​UST omkring hjernen skal du sikre dig, at UST altid vender mod scanningscentret. Ved gennemførelsen af ​​protokollen skal der tages yderligere forsigtighed: (a) mængden af ​​anæstesiekocktail skal administreres i overensstemmelse med dyrets vægt (B) anæstesiindsprøjtningen skal være præcis, således at organerne ( f.eks. Urinblæren, tarmen og nyrerne) ikke påvirkes (C) under håret clIpping sikre, at hovedbunden af ​​dyret ikke er ridset; D) vandtankens tryk på dyret skal være så minimalt som muligt Og (e) mens du placerer dyret under scanneren, skal du sørge for at hjernens billeddannelses tværsnitsplan er i centrum af UST. Fremtidige anvendelser af systemet omfatter hjerne tumor imaging, billeddannelse forskellige organer i små dyr, billeddannelse i høj hastighed på mindre end 5 s, undersøgelse af biomaterialer til kontrastmidler og terapi applikationer. Fejlfinding kan være påkrævet, hvis billedkvaliteten er lav.

Lasersikkerhed for små dyrs in vivo billeddannelse

Maksimal tilladelig eksponering (MPE) grænsen for hud afhænger af flere parametre, såsom excitationsbølgelængde, pulsbredde, eksponeringstid, belysningsområde osv . MPE-grænserne for in vivo billeddannelse er underlagt den amerikanske nationale standardS Institute (ANSI) 32 . I bølgelængdeområdet på 700 til 1,050 nm bør energitætheden på huden leveret af en enkelt puls være mindre end 20 x 10 2 (A-700) / 1000 mJ / cm2 (A: excitationsbølgelængde i nm). For 803 nm PLD bølgelængden er grænsen ~ 31 mJ / cm 2 . Hvis laseren anvendes kontinuerligt over en periode på t = 5 s, bliver MPE 1,1 x 10 2 (λ-700) / 1000 × t 0,25 J / cm 2 (= 2,6 J / cm 2 ). I dette forsøg blev PLD betjent ved 7.000 Hz. I en 5-s scanningstid blev i alt 35.000 (5 × 7.000) pulser leveret til prøven, så pr. Puls var MPE 0,07 mJ / cm2. I det beskrevne billeddannelsessystem leverer PLD pulser med energi ved ~ 1,05 mJ pr. Puls, og laserstrålen blev ekspanderet over et område på ~ 12,6 cm 2 . Derfor var laserenergidensiteten ~ 0,08 mJ / cm 2 på hjerneområdet. ANSI-lasersikkerhedsgrænsen for PAT-systemet kan være chVred ved at reducere laserstyrken ved at udvide laserstrålen eller ved at reducere pulsrepetitionshastigheden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen relevante økonomiske interesser i manuskriptet og ingen andre potentielle interessekonflikter at afsløre.

Acknowledgments

Forskningen understøttes af Tier 2-tilskuddet, der finansieres af Undervisningsministeriet i Singapore (ARC2 / 15: M4020238) og Sundhedsministeriets ministerium for medicinsk forskning (NMRC / OFIRG / 0005/2016: M4062012). Forfatterne vil gerne takke Mr. Chow Wai Hoong Bobby for hjælp til maskinbutikken.

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).
Et højtydende kompakt fotokoustisk tomografisystem til<em&gt; In vivo</em&gt; Small-animal Brain Imaging
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