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Bioengineering

एक उच्च प्रदर्शन कॉम्पैक्ट Photoacoustic Tomography सिस्टम के लिए Published: June 21, 2017 doi: 10.3791/55811
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1School of Chemical and Biomedical Engineering, Nanyang Technological University

Summary

छोटे जानवरों में विवो मस्तिष्क इमेजिंग में उच्च गति के लिए कॉम्पैक्ट स्पंदित-लेजर डायोड-आधारित फोटोटेकॉस्टिक टोमोग्राफी (पीएलडी-पीएटी) प्रणाली का प्रदर्शन होता है।

Abstract

पूर्व-प्राथमिक अध्ययनों में विवो छोटे-पशु इमेजिंग में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभानी है। फोटोकॉस्टिक टोमोग्राफी (पीएटी) एक उभरती हुई संकर इमेजिंग पद्धति है जो पूर्व-क्लिनिकल और नैदानिक ​​दोनों अनुप्रयोगों के लिए महान क्षमता दिखाती है। पारंपरिक ऑप्टिकल पैरामीट्रिक थरथरानवाला आधारित पेट (ओपीओ-पीएटी) सिस्टम भारी और महंगे हैं और उच्च गति इमेजिंग प्रदान नहीं कर सकते। हाल में, स्पंदित-लेजर डायोड (पीएलडी) पैट के लिए वैकल्पिक उत्तेजना स्रोत के रूप में सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया गया है। स्पंदित-लेजर डायोड पीएटी (पीएलडी-पीएटी) सफलतापूर्वक फोटोएकॉस्टिक फाटकों और जैविक ऊतकों पर उच्च गति इमेजिंग के लिए प्रदर्शन किया गया है। यह काम PLD-PAT का उपयोग करते हुए विवो मस्तिष्क इमेजिंग में दृश्यमान प्रायोगिक प्रोटोकॉल प्रदान करता है। प्रोटोकॉल में कॉम्पैक्ट PLD-PAT सिस्टम कॉन्फ़िगरेशन और इसके विवरण, मस्तिष्क इमेजिंग के लिए पशु की तैयारी और 2 डी क्रॉस-अनुभागीय चूहे मस्तिष्क इमेजिंग के लिए एक सामान्य प्रायोगिक प्रक्रिया शामिल है। पीएलडी-पीएटी प्रणाली कॉम्पैक्ट और कॉस्ट एफ़ हैFective और उच्च गति, उच्च गुणवत्ता इमेजिंग प्रदान कर सकते हैं। विभिन्न स्कैन गति पर विवो में एकत्र मस्तिष्क छवियाँ प्रस्तुत की जाती हैं।

Introduction

फोटोकॉस्टिक टोमोग्राफी (पीएटी) एक हाइब्रिड इमेजिंग मोड्युल है जिसमें क्लिनिकल और प्रीक्लिनिनिक दोनों अध्ययनों में 1 , 2 , 3 , 4 , 5 के कई अनुप्रयोग हैं। पैट में, नैनोसेकंड लेजर दाल जैविक ऊतक को विचलित करते हैं। टिशू क्रोमोफोर्स द्वारा घटना की रोशनी का अवशोषण स्थानीय तापमान वृद्धि की ओर जाता है, जो तब ध्वनि तरंगों के रूप में उत्सर्जित दबाव तरंगों की पैदावार करता है। एक अल्ट्रासाउंड डिटेक्टर नमूना के चारों ओर विभिन्न स्थितियों पर फोटोसोकॉस्टिक सिग्नल एकत्र करता है। फोटोकाउस्टिक (पीए) सिग्नल को फोटोकॉस्टिक छवि बनाने के लिए विभिन्न एल्गोरिदम (जैसे कि देरी-और-एल्गोरिदम) के रूप में 6 का इस्तेमाल किया जाता है।

यह हाइब्रिड इमेजिंग साधन उच्च संकल्प, गहरे ऊतक इमेजिंग और उच्च ऑप्टिकल अवशोषण कंट्रास्ट 7 ,वर्ग = "xref"> 8 हाल ही में, चिकन स्तन ऊतक में एक ~ 12 सेमी इमेजिंग गहराई 9 को लंबे समय तक तरंगदैर्ध्य (~ 1064 एनएम) की सहायता से प्राप्त किया गया था और एक बहिर्जात विपरीत एजेंट फास्फोरस फिथलोकाइनिन यह गहराई संवेदनशीलता अन्य ऑप्टिकल विधियों की गहराई संवेदनशीलता से कहीं अधिक है, जैसे कि confocal प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोपी, दो फोटॉन प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोपी, 10 ऑप्टिकल जुटना टोमोग्राफी, 11 आदि। एक से अधिक तरंग दैर्ध्य का प्रयोग, पैट अंगों में संरचनात्मक और कार्यात्मक परिवर्तन का प्रदर्शन कर सकता है । कई मानव रोगों के लिए, लघु-पशु मॉडल 12 , 13 , 14 , 15 की अच्छी तरह से स्थापित किए गए हैं। छोटे जानवरों की इमेजिंग के लिए, कई रूपरेखाएं प्रदर्शित की गई हैं। उन सभी दृष्टिकोणों में, उपरोक्त उल्लिखित लाभों के कारण पीए इमेजिंग ने ध्यान नहीं लिया है। पीएटी ने छोटे पशुओं 4 , 16 , 17 , 18 के ऊतकों और अंगों ( यानी, हृदय, फेफड़े, यकृत, आंख, प्लीहा, मस्तिष्क, त्वचा, रीढ़ की हड्डी, गुर्दे आदि ) में रक्त वाहिकाओं इमेजिंग के लिए अपनी क्षमता दिखायी है। पैट छोटे जानवरों के मस्तिष्क इमेजिंग के लिए एक अच्छी तरह से स्थापित साधन है। क्रोमोफोर्स द्वारा प्रकाश अवशोषण के कारण पीए तरंगों का उत्पादन होता है, इसलिए बहु-तरंग दैर्ध्य पीएटी कुल हीमोग्लोबिन एकाग्रता (एचबीटी) और ऑक्सीजन संतृप्ति (एसओ 2 ) 1 9 , 20 , 21 , 22 के मानचित्रण के लिए अनुमति देता है। मस्तिष्क न्यूरोवस्कुलर इमेजिंग एक्सोजेनस कंट्रास्ट एजेंट 12 , 23 , 24 की सहायता से प्राप्त किया गया था। पीए के माध्यम से मस्तिष्क स्वास्थ्य की बेहतर समझ देने में मदद कर सकते हैंआणविक और आनुवंशिक स्तरों पर जानकारी प्रदान करना।

छोटे पशु इमेजिंग के लिए, एनडी: वाईएजी / ओपीओ पराबैंगनीकिरण को पीएटी उत्तेजना स्रोतों के रूप में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। ये पराबैंगनीकिरण ~ ~ 5 एनएस के निकट-इन्फ्रारेड दालों को ऊर्जा के साथ (~ ओपीओ आउटपुट विंडो में 100 एमजे) ~ 10-एचजे पुनरावृत्ति दर 25 पर वितरित करते हैं। ऐसे पराबैंगनीकिरण से लैस पीए प्रणाली महंगा और भारी है और लेजर स्रोत की कम पुनरावृत्ति दर के कारण एकल-तत्व अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर (यूएसटी) के साथ कम गति इमेजिंग की अनुमति देता है ऐसे पीए सिस्टम में एक विशिष्ट ए-लाइन अधिग्रहण का समय है- 5 मिनट प्रति क्रॉस-सेक्शन 25 इस तरह के एक लंबा माप समय के साथ एक इमेजिंग सिस्टम छोटे जानवर इमेजिंग के लिए आदर्श नहीं है, क्योंकि पूर्ण शरीर इमेजिंग, समय-समाधानित कार्यात्मक इमेजिंग आदि के लिए शारीरिक मापदंडों को नियंत्रित करना मुश्किल है । एकाधिक एक-तत्व यूएसटी, ऐरे यूएसटी आधारित, या उच्च पुनरावृत्ति दर लेजर, संभव है कि पीए की इमेजिंग गति को बढ़ाया जा सकेसिस्टम। नमूना के आसपास सभी पीए संकेतों को एकत्रित करने के लिए केवल एक एकल तत्व यूएसटी का उपयोग करना सिस्टम की इमेजिंग गति को सीमित करेगा। परिपत्र या अर्ध-परिपत्र ज्यामिति में व्यवस्थित एकाधिक एकल-तत्व यूएसटी उच्च गति, उच्च संवेदनशील इमेजिंग तकनीकों के लिए दिखाए जाते हैं। अर्रे आधारित USTs 26 , जैसे कि रैखिक, अर्द्ध-परिपत्र, परिपत्र और वॉल्यूमेट्रिक एरेज़, का उपयोग वास्तविक समय इमेजिंग 1 के लिए सफलतापूर्वक किया गया है। ये सरणी-आधारित यूएसटी इमेजिंग गति में वृद्धि करेंगे और माप संवेदनशीलता को कम कर देंगे, लेकिन वे महंगे हैं। हालांकि, एआरए-आधारित यूएसटी का उपयोग करने वाले पीए सिस्टम की इमेजिंग गति अभी भी लेजर के पुनरावृत्ति दर से सीमित है।

स्पंदित लेजर प्रौद्योगिकी उच्च पुनरावृत्ति दर स्पंदित-लेजर डायोड (पीएलडी) बनाने के लिए उन्नत। 7,000 फ्रेम / एस बी-स्कैन फोटोक्वास्टिक इमेजिंग को एक नैदानिक ​​अल्ट्रासाउंड मंच 27 का उपयोग करके पीएलडी के साथ प्रदर्शित किया गया था। ऐसे पीएलडीएस वें इमेजिंग स्पीड में सुधार कर सकते हैंई-पैट प्रणाली, यहां तक ​​कि एकल-तत्व यूएसटी परिपत्र स्कैनिंग ज्यामिति के साथ भी। एकल-तत्व यूएसटी कम सरलीकृत यूएसटी के विपरीत, कम खर्चीला और अत्यधिक संवेदनशील है पिछले दशक में, पीए इमेजिंग के लिए उत्तेजना स्रोत के रूप में उच्च पुनरावृत्ति दर पीएलडी के प्रयोग पर थोड़ा शोध किया गया। फाइबर आधारित निकट-अवरक्त पीएलडी को फास्टनम्स 28 के पीए इमेजिंग के लिए दिखाया गया था। मानव की त्वचा के नीचे ~ 1 मिमी की गहराई में रक्त वाहिकाओं के विवो इमेजिंग में कम-ऊर्जा पीएलडीएस 29 का उपयोग किया गया था। एक पीएलडी आधारित ऑप्टिकल संकल्प photoacoustic माइक्रोस्कोप (ORPAM) की सूचना दी गई थी। PLDs का उपयोग, 0.43 हर्ट्ज के फ्रेम दर पर ~ 1.5 सेमी गहरी इमेजिंग का प्रदर्शन 30 हाल ही में, एक पीएलडी-पीएटी प्रणाली की सूचना दी गई थी कि छवियों को कम से कम ~ 3 एस और जैविक ऊतक 25 , 31 में ~ 2 सेमी इमेजिंग गहराई में प्रदान किया गया था। इस अध्ययन ने यह साबित कर दिया कि इस तरह की कम लागत वाली कॉम्पैक्ट प्रणाली उच्चतम गुणवत्ता प्रदान कर सकती हैLity छवियों, यहां तक ​​कि उच्च गति पर पीएलडी-पीएटी प्रणाली उच्च-फ्रेम-दर (7,000 एफपीएस) फोटोएकॉस्टिक इमेजिंग, सतही रक्त वाहिका इमेजिंग, उंगली के संयुक्त इमेजिंग, 2 सेमी-गहरी ऊतक इमेजिंग, छोटे जानवर मस्तिष्क इमेजिंग आदि के लिए इस्तेमाल की जा सकती है । एकल-तरंग दैर्ध्य और पीएलडी से कम-नाड़ी-ऊर्जा दालों ने अपने आवेदन को बहु-वर्णक्रमीय और गहरी ऊतक इमेजिंग तक सीमित कर दिया है। प्री-नैदानिक ​​अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किए गए समान पीएलडी-पीएटी सिस्टम का उपयोग करते हुए छोटे जानवरों पर प्रयोग किए गए हैं। इस काम का उद्देश्य छोटे जानवरों के विवो 2 डी पार-अनुभागीय मस्तिष्क इमेजिंग में पीएलडी-पीएटी प्रणाली के दृश्य प्रयोगात्मक प्रदर्शन प्रदान करना है।

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Protocol

सिंगापुर (नेशनल टेक्निकल यूनिवर्सिटी, नेशनल टेक्नोलॉजीकल यूनिवर्सिटी, इंस्टीट्यूशनल एनीमेयर केयर और उपयोग समिति द्वारा अनुमोदित दिशानिर्देशों और विनियमों के अनुसार सभी पशु प्रयोगों का प्रदर्शन किया गया (एआरएफ-एसबीएस / एनआईई- A0263)।

1. सिस्टम विवरण

  1. परिपत्र स्कैनर के अंदर पीएलडी को माउंट करें, जैसा कि चित्रा 1 ए में दिखाया गया है। पीएलडी को लेजर ड्राइवर इकाई (एलडीयू) से कनेक्ट करें
    नोट: पीएलडी ~ 136 एनएस दालों को ~ 803 एनएम तरंगदैर्ध्य ~ 1.42 एमजे की अधिकतम पल्स ऊर्जा और 7 किलोहर्ट्ज़ तक पुनरावृत्ति दर के साथ प्रदान करता है। लेजर ड्राइविंग यूनिट (एलडीयू) में शामिल हैं: एक तापमान नियंत्रक, एक चर बिजली आपूर्ति, एक बिजली की आपूर्ति (12 वी), और एक फ़ंक्शन जनरेटर; सामग्री की तालिका देखें चर बिजली आपूर्ति का उपयोग लेजर शक्ति को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है, और फ़ंक्शन जनरेटर का उपयोग पीएलडी की पुनरावृत्ति दर को बदलने के लिए किया जाता है।
  2. पीएलडी लेजर पर स्विच करें पीएलडी पुनरावृत्ति दर को "7,000" एच सेट करेंएलडीयू में फ़ंक्शन जनरेटर का उपयोग करके z। पल्स ऊर्जा को 1.42 एमजे तक बढ़ाने के लिए चर बिजली की आपूर्ति के वोल्टेज को "3.1" में बढ़ाएं।
  3. चित्रा 1 ए में दिखाए गए अनुसार आउटपुट बीम समरूप बनाने के लिए पीएलडी निकास खिड़की के सामने ऑप्टिकल डिफ्यूज़र (ओडी) माउंट करें।
    नोट: एक भेदक का उपयोग ठीक धैर्य ( यानी, 1,500-चक्की पॉलिश) के साथ करें।
  4. यूएसटी धारक पर केंद्रित यूएसटी माउंट करें, जैसे कि स्कैनिंग क्षेत्र के केंद्र का सामना करना पड़ता है, जैसा चित्रा 1 ए में दिखाया गया है।
    नोट: यूएसटी की केंद्रीय आवृत्ति 2.25 मेगाहर्टज है, और फोकल लम्बाई 1.9 इंच है
  5. ऐक्रेलिक टैंक के अंदर अल्ट्रासाउंड डिटेक्टर रखें, जैसा कि चित्रा 1 ए में दिखाया गया है। पानी के साथ टैंक भरें जैसे कि यू.एस.टी. पूरी तरह से विसर्जित हो गया है।
    नोट: मस्तिष्क (नमूना) से यूएसओटी तक फोटोकाउस्टिक सिग्नल जोड़े के लिए एक पानी का उपयोग किया जाता है। ऐक्रेलिक पानी की टंकी (डब्ल्यूटी; सामग्री की तालिका देखें) कस्टम थीछोटे पशु इमेजिंग के लिए डिज़ाइन किया गया पानी की टैंक डिजाइन की योजनाबद्ध चित्र 1b में दिखाया गया है
  6. एक पल्सर / रिसीवर इकाई (पीईयू, सामग्री की तालिका देखें) का उपयोग कर नमूना से पीए सिग्नल की जांच करें।
    नोट: ये संकेत एक 100 एमएस / एस नमूना दर पर 12-बिट डीएक्यू कार्ड ( सामग्री की तालिका देखें) द्वारा डिजीटल किया गया था और कंप्यूटर पर सहेजा गया था।

2. चूहा ब्रेन इमेजिंग के लिए पशु तैयारी

नोट: ऊपर वर्णित पीएलडी-पीएटी सिस्टम को छोटे पशु दिमाग इमेजिंग के लिए प्रदर्शित किया गया था। इन प्रयोगों के लिए, स्वस्थ महिला चूहों ( सामग्री की सारणी देखें) का इस्तेमाल किया गया था।

  1. 2 एमएल केटैमिन, 1 एमएल ऑफ जियालेज़न और 1 एमएल लवण (0.2 एमएल / 100 ग्राम की खुराक) के कॉकटेल इंट्राप्टरिटोनियल इंजेक्शन द्वारा पशु को anesthetize करें।
  2. एक हेयर क्लिपर का उपयोग करके पशु की खोपड़ी पर फर निकालें धीरे से बालों को हटाने क्रीम मुंडा के लिए लागूफर के आगे कम करने के लिए क्षेत्र
    1. एक कपास झाड़ू का उपयोग करके 4-5 मिनट के बाद लागू क्रीम निकालें।
    2. एनेस्थेसिया और लेजर रोशनी के कारण सूखने को रोकने के लिए जानवर की आंखों पर कृत्रिम आंसू मरहम लगाएं।
  3. कस्टम-निर्मित पशु धारक को माउंट करें ( सामग्री की सारणी देखें) जो प्रयोगशाला-जैक पर श्वास का मुखौटा ( सामग्री की तालिका देखें) से लैस है।
  4. धारक पर प्रवण स्थिति में पशु रखें। इमेजिंग के दौरान जानवरों के आंदोलन से बचने के लिए शल्य टेप का उपयोग करके धारक को सुरक्षित करें।
  5. सुनिश्चित करें कि साँस लेने वाले मुखौटा में चूहे के चक्कर आना देने के लिए चूहे के नाक और मुंह को कवर किया गया है।

3. विवो रेट ब्रेन इमेजिंग में

  1. एनेस्थेसिया मशीन को साँस लेने का मुखौटा कनेक्ट करें। संज्ञाहरण मशीन पर स्विच करें और इसे 0.75% आईसोफ्लूरैन के साथ ऑक्सीजन का 1.0 एल / मिन देने के लिए सेट करें।
    1. इसे नाड़ी ऑक्सीमीटर को दबानाजानवर की शारीरिक स्थिति की निगरानी के लिए पूंछ
  2. चूहे की खोपड़ी के लिए बेरंग अल्ट्रासाउंड जेल की एक परत लागू करें। स्कैनर के केंद्र में लैब-जैक स्थिति समायोजित करें। साँस लेने का मुखौटा इमेजिंग खिड़की के अनुरूप करने के लिए अनुकूलित किया गया है। व्यावसायिक रूप से उपलब्ध नाक शंकु के 10% काट तो दस्ताना के एक टुकड़े से जुड़ा है।
    1. लैब-जैक की ऊंचाई को मैन्युअल रूप से समायोजित करें ताकि इमेजिंग प्लेन UST के फोकस पर हो।
  3. डेटा अधिग्रहण सॉफ़्टवेयर (सामग्री की सारणी देखें) में आवश्यक पैरामीटर सेट करें अधिग्रहण ( यानी इमेजिंग) शुरू करने के लिए डाटा अधिग्रहण सॉफ्टवेयर प्रोग्राम चलाएं।
    नोट: इस कार्यक्रम का इस्तेमाल यूएसटी को घुमाने और ए-लाइन पीए संकेतों को इकट्ठा करने के लिए किया जाता है। एकत्रित ए-लाइन कंप्यूटर पर सहेजी जाएंगी।
  4. संपूर्ण इमेजिंग अवधि के दौरान पशु को देखें और इमेजिंग पूरा होने के बाद पीएटी पुनर्निर्माण के लिए आगे बढ़ें।
  5. डेटा अधिग्रहण खत्म होने के बाद,पुनर्निर्माण सॉफ्टवेयर प्रोग्राम का उपयोग करके ए-लाइन से क्रॉस-अनुभागीय मस्तिष्क की छवि का पुनर्गठन करें।
  6. संज्ञाहरण प्रणाली को बंद करें, चरण से जानवर को हटा दें, उसे अपने पिंजरे में लौटा दें, और जब तक वह चेतना नहीं मिलती तब तक इसे मॉनिटर करें।
    नोट: उदाहरण के लिए, यदि यूएसटी 5 एस के लिए घुमाया गया है, तो PLD 35,000 (= 5 x 7,000) दालों को बचाता है और यूएसटी 35,000 ए-लाइनों को एकत्र करता है 35,000 ए-लाइनें 70 से अधिक औसतन औसत (ए-लाइन = 35,000 / 70 = 500 औसत के बाद) से घटाकर 500 हो गई हैं। चित्रा 1 सी लेजर दालों और ए-लाइन संग्रह की रोशनी को दर्शाता है। विलंब और राशि वापस प्रक्षेपण एल्गोरिथ्म के आधार पर एक पुनर्निर्माण कार्यक्रम का उपयोग किया जाना चाहिए।

आकृति 1
चित्रा 1: पीएलडी-पैट सिस्टम की स्कीमैटिक्स। ( ए ) पीएलडी-पैट के योजनाबद्ध पीएलडी: स्पंदित-लेजर डायोड, सीएसपी: सर्क्यूएलआरयू: लेजर चालक इकाई, पीआरयू: पल्सर / रिसीवर इकाई, यूएसटी: अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर, डब्लूटी: पानी की टंकी, पीएफ: बहुलक फिल्म, और डीएक्यू: एनआरएपी: एलआरआई: स्कैनिंग प्लेट, एएम: एनेस्थेसिया मशीन, एम: मोटर, एमपीयू: डाटा अधिग्रहण कार्ड ( बी ) पानी की टंकी की योजनाबद्ध, शीर्ष दृश्य (1) और क्रॉस-अनुभागीय दृश्य (2) विवो छोटे जानवर मस्तिष्क इमेजिंग में। ए: मीट्रिक पेंच, बी: ऐक्रेलिक वायलेट प्लेट, सी: सिलिकॉन "हे" अंगूठी, डी: 100 माइक्रोन-मोटी, पारदर्शी पॉलिथीन कवर। टैंक के नीचे 9 सेंटीमीटर का व्यास का छेद था और इसे 100 मीटर की मोटी पॉलीथीन झिल्ली के साथ एक अल्ट्रासोनिक और ऑप्टिकली पारदर्शी से बंद किया गया था। ( सी ) पीएलडी और ए-लाइन से लेजर दालों की रोशनी के योजनाबद्ध, 5 एस निरंतर स्कैन समय में संग्रह। इस आंकड़े के एक बड़े संस्करण को देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें

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Representative Results

विवो मस्तिष्क इमेजिंग परिणामों में जो वर्णित पीएलडी-पीएटी सिस्टम की क्षमताओं का प्रदर्शन करता है, इस खंड में दिखाया गया है। पीएलडी-पीएटी प्रणाली की हाई-स्पीड इमेजिंग क्षमताओं को प्रदर्शित करने के लिए, दो विभिन्न स्वस्थ चूहों के विवो ब्रेन इमेजिंग में प्रदर्शन किया गया था। चित्रा 2 चित्रा 2 विभिन्न स्कैन गति पर एक महिला चूहे (93 ग्राम) की मस्तिष्क छवियों को दर्शाता है। चित्रा 2 ए और बी मस्तिष्क क्षेत्र पर खोपड़ी को हटाने से पहले और बाद में चूहे के मस्तिष्क की तस्वीरें दिखाती है। पेट इमेजिंग गैर-इनवेसिव किया गया था ( यानी, त्वचा और खोपड़ी के साथ अक्षुण्ण)। 5 एस, 10 एस, 20 एस और 30 एस के लिए यूएसटी को घूमते हुए मस्तिष्क के क्रॉस-सेक्शन से पीए सिग्नल एकत्र किए गए थे। चित्रा 2 सी- एफ चतुर्थ मस्तिष्क की पीएटी-पुनर्निर्मित पार-अनुभागीय छवियों को दर्शाता है, जो 5 एस, 10 एस, 20 एस, और 30 एस स्कैन बार में प्राप्त होते हैं। इन सभी मस्तिष्क छवियों में, अनुप्रस्थ साइनस (टीएस), बेहतर बालों वाले साइनस (एसएस), और मस्तिष्क नसों (सीवी), शाखाओं सहित, स्पष्ट रूप से दिखाई दे रहे हैं इन सुविधाओं को चित्रा 2f में दिखाए गए चित्र पर दिखाया गया है ये परिणाम वादा करते हैं कि सिस्टम उच्च स्कैनिंग गति पर भी उच्च गुणवत्ता वाले वीडियो छवियों को प्रदान कर सकता है।

चित्र 2
चित्रा 2: विवो पीएलडी-पीएटी छवियों में गैर-इनवेसिव 93 जी महिला चूहे के मस्तिष्क में व्युत्पन्न के गैर-इनवेसिव पीएलडी-पीएटी छवियाँ। चूहे के मस्तिष्क की तस्वीर ( ए ) से पहले और ( बी ) खोपड़ी को हटाने विभिन्न स्कैन टाइम्स पर vivo मस्तिष्क की छवियों में: ( सी ) 5 एस, ( डी ) 10 एस, ( ई ) 20 एस, और ( एफ ) 30 एस एसएस: बाण के समान साइनस, टीएस: अनुप्रस्थ साइनस, और सीवी: सेरेब्रल नसों Les / ftp_upload / 55811 / 55811fig2large.jpg "target =" _ blank "> कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

एक समान इमेजिंग प्रयोग एक अन्य महिला चूहे (95 ग्रा) पर किया गया था, और 5 एस, 10 एस, 20 एस और 30 एस में प्राप्त की गई मस्तिष्क छवियों को चित्रा 3 में दिखाया गया है।

चित्र तीन
चित्रा 3 : विवो पीएलडी-पीएटी छवियों में गैर-इनवेसिव गैर-इनवेसिव पीएलडी-पीएटी छवियों में एक 95 ग्रा महिला मातृ चूहा मस्तिष्क में vasculature। चूहे के मस्तिष्क की तस्वीर ( ए ) से पहले और ( बी ) खोपड़ी को हटाने विभिन्न स्कैन टाइम्स पर vivo मस्तिष्क की छवियों में: ( सी ) 5 एस, ( डी ) 10 एस, ( ई ) 20 एस, और ( एफ ) 30 एसRce.jove.com/files/ftp_upload/55811/55811fig3large.jpg "target =" _ blank "> कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

यह काम पीएलडी-पीएटी प्रणाली के उपयोग से चूहों पर विवो मस्तिष्क इमेजिंग में प्रदर्शन करने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करता है। प्रोटोकॉल में इमेजिंग सिस्टम और इसके संरेखण का विस्तृत विवरण, साथ ही चूहे पर मस्तिष्क इमेजिंग का उदाहरण भी शामिल है। मौजूदा ओपीओ-आधारित पीएटी सिस्टम महंगे और भारी हैं और 5-10 मिनट में एक क्रॉस-आंशिक छवि प्रदान कर सकते हैं। पीएलडी-पीएटी प्रणाली कॉम्पैक्ट, पोर्टेबल और कम लागत वाली है और 3 एस में अच्छी गुणवत्ता वाली छवियां प्रदान कर सकती है। प्रणाली का प्रदर्शन पहले से फैंटोम्स में अध्ययन किया गया था और पारंपरिक पीएटी सिस्टम 25 की तुलना में किया गया था। यहां, विवो मस्तिष्क इमेजिंग में तेजी के लिए एक ही पीएलडी-पाट का प्रदर्शन किया गया था। नतीजा यह दर्शाता है कि सिस्टम 5 छवियों में भी उच्च गुणवत्ता वाले विवो छवियां प्रदान कर सकता है।

हालांकि कई फायदे हैं, पीएलडी-पीएटी सिस्टम में कई कमियां हैं इस अध्ययन में इस्तेमाल किए गए पीएलडी एक तरंगदैर्ध्य पर दालों को प्रदान करता है, इसलिए यह फ़ंक्शन प्रदान नहीं कर सकताबहुआयामी इमेजिंग, जिसे बहु-तरंग दैर्ध्य रोशनी की आवश्यकता होती है। कार्यात्मक इमेजिंग के लिए, बहु-तरंग दैर्ध्य रोशनी क्षमताओं के साथ एक पीएलडी आवश्यक है। कम ऊर्जा पीएलडी दालों इमेजिंग गहराई की सीमाएं हैं हालांकि, एक एक्सोजेन्सिव कंट्रास्ट एजेंट का उपयोग करके, पीएलडी-पीएटी सिस्टम की इमेजिंग गहराई को बढ़ाया जा सकता है।

आमतौर पर, पीएलडी लेजर बीम समान नहीं है, इसलिए छवि गुणवत्ता को बेहतर बनाने के लिए लेजर विंडो के सामने एक उपयुक्त ऑप्टिकल डिफ्यूज़र का उपयोग किया जा सकता है। सुनिश्चित करें कि लेजर बीम का केंद्र और इमेजिंग क्षेत्र का केंद्र मेल खाता है। मस्तिष्क के चारों ओर यूएसटी स्कैन करते हुए, यह सुनिश्चित करें कि यूएसटी हमेशा स्कैन सेंटर का सामना करता है प्रोटोकॉल को लागू करते समय, अतिरिक्त देखभाल की जानी चाहिए: (ए) एनेस्थेसिया कॉकटेल की मात्रा पशु के वजन के अनुसार दी जानी चाहिए; (बी) संज्ञाहरण इंजेक्शन सटीक होना चाहिए ताकि अंग ( जैसे, मूत्र मूत्राशय, आंत और किडनी) प्रभावित नहीं होते; (सी) बाल सीएल के दौरानआईपिंग, यह सुनिश्चित करें कि जानवर की खोपड़ी खरोंच नहीं है; (डी) जानवरों पर पानी की टंकी का दबाव जितना संभव हो उतना कम होना चाहिए; और (ई) स्कैनर के तहत पशु की स्थिति में, सुनिश्चित करें कि मस्तिष्क के इमेजिंग क्रॉस-अनुभागीय विमान यूएसटी के केंद्र में है। प्रणाली के भविष्य के आवेदन में मस्तिष्क ट्यूमर इमेजिंग, छोटे जानवरों के विभिन्न अंगों को इमेजिंग, 5 सेकंड से कम समय में उच्च गति इमेजिंग, इसके विपरीत एजेंटों के लिए बायोमैटियल्स की जांच, और थेरेपी अनुप्रयोग शामिल हैं। छवि गुणवत्ता कम होने पर समस्या निवारण की आवश्यकता हो सकती है

विवो इमेजिंग में छोटे जानवरों के लिए लेजर सुरक्षा

त्वचा के लिए अधिकतम स्वीकार्य एक्सपोजर (एमपीई) सीमा कई मापदंडों पर निर्भर करती है, जैसे उत्तेजना तरंगलांब, पल्स चौड़ाई, एक्सपोजर का समय, रोशन क्षेत्र, आदि । विवो इमेजिंग में एमपीई की सीमा अमेरिकी राष्ट्रीय मानकएस संस्थान (एएनएसआई) 32 700 से 1,050 एनएम तरंग दैर्ध्य रेंज में, एक एकल नाड़ी द्वारा वितरित त्वचा पर ऊर्जा घनत्व 20 x 10 2 (λ-700) / 1,000 mJ / cm 2 (λ: एनएम में उत्तेजना तरंग दैर्ध्य) से कम होना चाहिए। 803 एनएम पीएलडी तरंग दैर्ध्य के लिए, सीमा ~ 31 एमजे / सेमी 2 है यदि लेजर का उपयोग टी = 5 एस की अवधि में लगातार किया जाता है, तो एमपीई 1.1 x 10 2 (λ-700) / 1000 × 0.25 जे / सेमी 2 (= 2.6 जम्मू / सेमी 2 ) हो जाता है। इस प्रयोग में, पीएलडी 7,000 हर्ट्ज पर संचालित किया गया था। 5-स्कैन समय में, नमूने को कुल 35,000 (5 × 7,000) दालों को दिया गया था, इसलिए प्रति पल्स, एमपीई 0.07 एम जे / सेमी 2 था । वर्णित इमेजिंग सिस्टम में, पीएलडी ऊर्जा के साथ दालों को ~ 1.05 एमजे प्रति पल्स में बचाता है, और लेजर बीम का विस्तार ~ 12.6 सेमी 2 क्षेत्र पर किया गया था। इसलिए, मस्तिष्क क्षेत्र पर लेजर ऊर्जा घनत्व 0.08 एमजे / सेमी 2 था। पीएटी सिस्टम की एएनएसआई लेजर सुरक्षा सीमा सीएच हो सकती हैलेजर बीम का विस्तार करके, या पल्स पुनरावृत्ति दर को कम करके, लेजर पावर को कम करके

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Disclosures

लेखकों को पांडुलिपि में किसी भी प्रासंगिक वित्तीय हितों की जानकारी नहीं है और ब्याज के अन्य संभावित संघर्षों का खुलासा नहीं किया जा सकता है।

Acknowledgments

अनुसंधान सिंगापुर में शिक्षा मंत्रालय (एआरसी 2/15: एम 4020238) और सिंगापुर स्वास्थ्य मंत्रालय की राष्ट्रीय चिकित्सा अनुसंधान परिषद (एनएमआरसी / ओईआईआरजी / 0005/2016: एम 4062012) द्वारा वित्त पोषित टियर 2 अनुदान द्वारा समर्थित है। लेखकों को मशीन शॉप सहायता के लिए श्री चौवाई होग बॉबी का शुक्रिया अदा करना चाहूंगा।

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

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References

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बायोइन्जिनिअरिंग इश्यू 124 फोटोकॉस्टिक टोमोग्राफी छोटे जानवर इमेजिंग हाई-स्पीड इमेजिंग स्पंदित लेजर डायोड, बायोमेडिकल इमेजिंग
एक उच्च प्रदर्शन कॉम्पैक्ट Photoacoustic Tomography सिस्टम के लिए<em&gt; विवो में</em&gt; छोटे जानवर मस्तिष्क इमेजिंग
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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).

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