Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Bioengineering

Et høyytelses kompakt fotoakustisk tomografisystem for doi: 10.3791/55811 Published: June 21, 2017

Summary

Et kompakt pulserende laser diode-basert fotoakustisk tomografi (PLD-PAT) system for høyhastighets in vivo hjernedimensjon i små dyr er påvist.

Abstract

In vivo har små dyr bildebehandling en viktig rolle å spille i prekliniske studier. Fotoakustisk tomografi (PAT) er en fremvoksende hybridbildingsmodalitet som viser stort potensial for både prekliniske og kliniske anvendelser. Konvensjonelle optiske parametriske oscillatorbaserte PAT (OPO-PAT) systemer er store og dyre og kan ikke gi høyhastighets bildebehandling. Nylig har pulsed-laser dioder (PLDs) blitt demonstrert som en alternativ eksitasjonskilde for PAT. Pulserende laserdiode PAT (PLD-PAT) har blitt demonstrert for høyhastighets bildebehandling på fotoakustiske fantomer og biologiske vev. Dette arbeidet gir en visualisert eksperimentell protokoll for in vivo hjernedimensjonering ved bruk av PLD-PAT. Protokollen inkluderer den kompakte PLD-PAT-systemkonfigurasjonen og dens beskrivelse, dyreforberedelse for hjernedimensjonering, og en typisk eksperimentell prosedyre for 2D tverrsnitt rottehjernebilder. PLD-PAT-systemet er kompakt og kostnadseffektivtFektive og kan gi høyhastighets bildebehandling av høy kvalitet. Brainbilder samlet inn vivo ved forskjellige skannehastigheter presenteres.

Introduction

Fotoakustisk tomografi (PAT) er en hybridbildingsmodalitet som har mange anvendelser i både kliniske og prekliniske studier 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . I PAT bestråler nanosekund laserpulser biologisk vev. Opptaket av innfallslampe av vevskromophorene fører til en lokal temperaturstigning, som deretter gir trykkbølger utstrålet i form av lydbølger. En ultralydsdetektor samler de fotoakustiske signaler på forskjellige stillinger rundt prøven. De bildeakustiske signalene (PA) blir rekonstruert ved hjelp av ulike algoritmer (for eksempel en forsinkelses- og sum-algoritme) 6 for å generere bildeakustisk bilde.

Denne hybridbildingsmodaliteten gir høyoppløselig, dypvevsbilding og høy optisk absorpsjonskontrast 7 ,Class = "xref"> 8. Nylig ble det oppnådd en ~ 12 cm billeddybde 9 i kyllingbrystvev ved hjelp av en lengre bølgelengde (~ 1.064 nm) og et eksogent kontrastmiddel kisfosfftalocyanin. Denne dybdefølsomheten er mye høyere enn dybdekänsligheten til andre optiske metoder, for eksempel konfokal fluorescensmikroskopi, tofoton fluorescensmikroskopi, 10 optisk koherensomografi, 11 etc. Ved bruk av mer enn en bølgelengde kan PAT demonstrere strukturelle og funksjonelle forandringer i organer . For mange menneskelige sykdommer har små dyrmodeller vært veletablert 12 , 13 , 14 , 15 . For avbildning av små dyr er det vist flere modaliteter. Av alle disse tilnærmingene har PA bildebehandling fått oppmerksomhet ganske raskt på grunn av fordelene nevnt ovenfor. PAT har vist sitt potensial for å avdekke blodkar i vev og organer ( dvs. hjerte, lunger, lever, øyne, milt, hjerne, hud, ryggmargen, nyre, etc. ) av små dyr 4 , 16 , 17 , 18 . PAT er en veletablert modalitet for små-dyr hjernedimensjonering. PA-bølger er produsert på grunn av lysabsorbsjonen av kromoforene, slik at flerbølgelengde PAT tillater kartlegging av total hemoglobinkonsentrasjon (HbT) og oksygenmetning (SO 2 ) 19 , 20 , 21 , 22 . Hjerne-neurovaskulær avbildning ble oppnådd ved hjelp av eksogene kontrastmidler 12 , 23 , 24 . PA-modalitet kan bidra til å gi en bedre forståelse av hjernens helse vedGi informasjon på molekylære og genetiske nivåer.

For små-dyr avbildning, er Nd: YAG / OPO lasere mye brukt som PAT excitasjonskilder. Disse lasere leverer ~ 5 ns nær-infrarøde pulser med energi (~ 100 mJ ved OPO-utgangsvinduet) ved en 10 Hz-repetisjonshastighet 25 . PA-systemet utstyrt med slike lasere er kostbart og omfangsrikt og gir mulighet for lavhastighets bildebehandling med enkeltelement-ultralydtransdusere (UST) på grunn av den lave repetisjonshastigheten til laserkilden. En typisk A-line-oppkjøpstid i slike PA-systemer er ~ 5 min per tverrsnitt 25 . Et bildebehandlingssystem med en så lang målingstid er ikke ideell for bildebehandling av små dyr, fordi det er vanskelig å kontrollere de fysiologiske parametrene for fullkroppsbilding, tidsoppløst funksjonell bildebehandling, etc. Ved å vedta flere enkeltelement-UST-er, array Baserte UST-er, eller en laser med høy repetisjonshastighet, er det mulig å øke bildehastigheten til PAsystemer. Ved å bruke bare ett enkeltelement UST til å samle alle PA-signaler rundt prøven, begrenser bildehastigheten til systemet. Flere single-element USTs arrangert i sirkulær eller halvcirkelformet geometri er demonstrert for høyhastighets, svært følsomme bildebehandlingsteknikker. Array-baserte USTs 26 , som for eksempel lineære, halv-sirkulære, sirkulære og volumetriske arrays, har blitt brukt for real-time avbildning 1 . Disse array-baserte UST-ene vil øke bildehastigheten og redusere målfølsomheten, men de er dyre. Imaginghastigheten til PA-systemer som bruker array-baserte UST-er er imidlertid fortsatt begrenset av laserens repetisjonshastighet.

Pulserende laserteknologi avansert for å lage pulserende laserdioder (PLD) med høy repetisjon. 7.000 rammer / s B-skanning fotoakustisk avbildning ble demonstrert med PLDer ved hjelp av en klinisk ultralydplattform 27 . Slike PLDer kan forbedre bildehastigheten til thE PAT-system, til og med med single-element UST sirkulær skanning geometri. Single-element UST er billigere og svært sensitive, i motsetning til array-baserte USTs. I løpet av de siste tiårene ble det rapportert lite forskning om bruk av høyrepeterings-rate PLD som excitasjonskilde for PA-bildebehandling. En fiberbasert nær-infrarød PLD ble demonstrert for PA-bildebehandling av fantomer 28 . In vivo avbildning av blodkar på en ~ 1 mm dybde under den menneskelige huden ble demonstrert ved bruk av lav-energi PLD 29 . Et PLD-basert optisk oppløsningsfotoakustisk mikroskop (ORPAM) ble rapportert. Ved bruk av PLD-er ble det vist på ~ 1,5 cm dyp bildebehandling ved en rammeplass på 0,43 Hz 30 . Svært nylig ble det rapportert et PLD-PAT-system som ga bilder på så kort som ~ 3 s og ved en ~ 2 cm billeddybde i biologisk vev 25 , 31 . Denne studien viste at et slikt lavkost, kompakt system kan gi høy-quaLikhetsbilder, selv ved høye hastigheter. PLD-PAT-systemet kan brukes til fotoakustisk avbildning med høy rammebasert hastighet (7000 fps), bildebehandling av blodkar, fingeravbildning, 2 cm dyp vevsbilde, liten dyrs hjernedannelse etc. Enkeltbølgelengden og Lavpuls-energipulser fra PLD begrenser applikasjonen til flerspektral og dypvevsbilding. Forsøk har blitt utført på små dyr ved bruk av det samme PLD-PAT-systemet som brukes til prekliniske applikasjoner. Hensikten med dette arbeidet er å gi den visualiserte eksperimentelle demonstrasjonen av PLD-PAT-systemet for in vivo 2D tverrsnittshjernedimensjonering av små dyr.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle dyreforsøk ble utført i henhold til retningslinjer og forskrifter godkjent av Institutt for dyrepleie og bruk av Nanyang Technological University, Singapore (Animal Protocol Number ARF-SBS / NIE-A0263).

1. Systembeskrivelse

  1. Monter PLD inne i den sirkulære skanneren, som vist på figur 1a . Koble PLD til laserdriverenheten (LDU).
    MERK: PLD gir ~ 136 ns pulser med en bølgelengde på ~ 803 nm, med en maksimal puls energi på ~ 1,42 mJ og en repetisjon rate på opptil 7 kHz. Laser drivenheten (LDU) inkluderer: en temperaturregulator, en variabel strømforsyning, en strømforsyning (12 V) og en funksjonsgenerator; Se materialetabellen. Den variable strømforsyningen brukes til å styre laserkraften, og funksjonsgeneratoren brukes til å endre repetisjonen på PLD.
  2. Slå på PLD-laseren. Sett PLD-repetisjonen til "7.000" HZ ved å bruke funksjonsgeneratoren i LDU. Øk pulsenergien til 1,42 mJ ved å sette spenningen til den variable strømforsyningen til "3.1" V.
  3. Monter den optiske diffusoren (OD) foran PLD-utgangsfeltet for å gjøre utgangsstrålen homogen, som vist på figur 1a .
    MERK: Bruk en diffuser med et fint grit ( dvs. 1,500 grit polert).
  4. Monter fokusert UST på UST-holderen slik at den vender mot sentrum av skanneområdet, som vist på figur 1a .
    MERK: Den sentrale frekvensen til UST er 2,25 MHz, og brennvidden er 1,9 in.
  5. Plasser ultralyddetektoren inne i akrylbeholderen, som vist på figur 1a . Fyll tanken med vann slik at UST er helt nedsenket.
    MERK: Et vannmedium brukes til å koble det fotoakustiske signalet fra hjernen (prøven) til UST. En akrylvanntank (WT, se Materialetabellen) var tilpasset-designet for bilde av små dyr. Skjematisk av vannbeholderen er vist i figur 1b .
  6. Kontroller PA-signalet fra prøven ved hjelp av en puls / mottaker enhet (PRU, se Materialetabellen ).
    MERK: Disse signalene ble digitalisert av et 12-biters DAQ-kort (se Materialetabellen ) ved en samplinghastighet på 100 MS / s og lagret på en datamaskin.

2. Dyrepreparering for rottehjerneimaging

MERK: PLD-PAT-systemet beskrevet ovenfor ble demonstrert for avbildning av små dyrhjerner. For disse forsøkene ble sunne hunrotter (se tabell over materialer ) brukt.

  1. Bedøv dyret ved intraperitonealt injisering av en cocktail av 2 ml ketamin, 1 ml xylazin og 1 ml saltvann (dosering på 0,2 ml / 100 g).
  2. Fjern pelsen på hodebunnen av dyret ved hjelp av en hårklipper. Påfør forsiktig hårfjerningskrem til barbertOmråde for ytterligere utarming av pelsen.
    1. Fjern den påførte krem ​​etter 4-5 minutter ved hjelp av en bomullspinne.
    2. Bruk kunstig tåre salve til øynene til dyret for å forhindre tørrhet på grunn av anestesi og laserbelysning.
  3. Monter spesialtilpasset dyreholder (se Materialetabellen ) utstyrt med en pustemaske (se Materialetabellen ) på en lab-jack.
  4. Legg dyret i utsatt stilling på holderen. Sikre det til holderen ved hjelp av kirurgisk tape for å unngå bevegelse av dyret under avbildning.
  5. Sørg for at pustemasken dekker nesen og munnen til rotten for å levere innåndet bedøvelse.

3. In Vivo Rat Brain Imaging

  1. Koble pustemasken til anestesimaskinen. Slå på anestesimaskinen og sett den til å levere 1,0 l / min oksygen med 0,75% isofluran.
    1. Klem pulsoksymeteret til detS hale for å overvåke dyrets fysiologiske tilstand.
  2. Påfør et lag av fargeløs ultralyd gel til hodebunnen av rotter. Juster lab-jack-posisjonen til midten av skanneren. Pustemasken er tilpasset for å passe imaging vinduet. 10% av den kommersielt tilgjengelige nesekeglen er kuttet og deretter koblet til et stykke hanske.
    1. Juster høyden på labkontakten manuelt slik at bildeplanet er i fokus for UST.
  3. Angi parametrene i datainnsamlingsprogramvaren (se Materialetabellen) etter behov. Kjør datainnsamlingsprogrammet for å starte oppkjøpet ( dvs. bildebehandling).
    MERK: Programmet brukes til å rotere UST og samle A-line PA-signaler. De samlede A-linjene vil bli lagret på datamaskinen.
  4. Vær oppmerksom på dyret under hele bildeperioden og fortsett til PAT-rekonstruksjon etter at bildet er fullført.
  5. Etter at datainnsamlingen er over,Rekonstruer tverrsnittshjernenes bilde fra A-linjene ved hjelp av rekonstruksjonsprogrammet.
  6. Slå av anestesi systemet, fjern dyret fra scenen, returner det til buret og overvåke det til det gjenvinner bevisstheten.
    MERK: For eksempel, hvis UST roteres i 5 s, leverer PLD 35.000 (= 5 x 7.000) pulser, og UST samler 35.000 A-linjer. De 35.000 A-linjene reduseres til 500 ved å gjennomsnittlig over 70 signaler (etter gjennomsnitt A-linjer = 35.000 / 70 = 500). Figur 1c illustrerer belysningen av laserpulser og A-linjeinnsamling. Et rekonstruksjonsprogram basert på forsinkelses-og-sum-tilbakeprosjonsalgoritme bør brukes.

Figur 1
Figur 1: Schema over PLD-PAT-systemet. ( A ) Skjematisk av PLD-PAT. PLD: pulserende laserdiode, CSP: circuLarve skanning plate, AM: anestesi maskin, M: motor, MPU: motor remskive enhet, LDU: laser driver enhet, PRU: puls / mottaker enhet, UST: ultralyd transduser, WT: vanntank, PF: polymer film, og DAQ: Datainnsamlingskort. ( B ) Skjematisk av vanntanken, toppriss (1) og tverrsnitt (2) for in-vivo små-dyr hjernedannelse. A: metrisk skrue, B: akryl ringformet plate, C: silikon "O" ring, D: 100 μm tykk, gjennomsiktig polyetylen deksel. Tanken hadde et hull på 9 cm i bunnen og ble forseglet med en ultralyd og optisk gjennomsiktig, 100 μm tykk polyetylenmembran. ( C ) Skjematisk av belysningen av laserpulser fra PLD og A-linjene, samling i en 5 s kontinuerlig skanningstid. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

In vivo hjernedannelsesresultater som viser evnen til det beskrevne PLD-PAT-systemet, vises i denne delen. For å demonstrere høyhastighets bildebehandlingskapasiteten til PLD-PAT-systemet ble in vivo hjernedimensjonering av to forskjellige sunne rotter utført. Figur 2 viser hjernenes bilder av en kvinnelig rotte (93 g) ved forskjellige skannehastigheter. Figur 2a og b viser fotografier av rottehjerne før og etter fjerning av hodebunnen over hjernen. PAT-bildebehandling ble gjort ikke-invasivt ( dvs. med hud og skallen intakt). PA-signaler fra tverrsnittet av hjernen ble samlet ved sirkulær rotering av UST i 5 s, 10 s, 20 s og 30 s. Figur 2c -f viser de PAT-rekonstruerte tverrsnittsbilder av rottehjernen, oppnådd i 5 s, 10 s, 20 s og 30 s skannetider. I alle disse hjernebildene, er Tverrgående sinus (TS), overlegen sagittal sinus (SS) og hjerneårer (CV), inkludert grener, er tydelig synlige. Disse funksjonene er angitt på bildet vist i figur 2f . Disse resultatene lover at systemet kan levere høyverdige in vivo- bilder, selv ved høye skannehastigheter.

Figur 2
Figur 2: Ikke-invasive in vivo PLD-PAT-bilder. Ikke-invasive PLD-PAT-bilder av vaskulaturen i en 93 g kvinnelig rottehjerne. Foto av rottehjerne før ( a ) og etter ( b ) fjerning av hodebunnen. In vivo hjernebilder ved forskjellige skanningstider: ( c ) 5 s, ( d ) 10 s, ( e ) 20 s og ( f ) 30 s. SS: sagittal sinus, TS: transversal sinus, og CV: cerebrale vener. Les / ftp_upload / 55811 / 55811fig2large.jpg "target =" _ blank "> Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Et lignende bildeeksperiment ble utført på en annen kvinnelig rotte (95 g), og tilsvarende hjernebilder oppnådd 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-bilder. Ikke-invasive PLD-PAT-bilder av vaskulaturen i en 95 g kvinnelig rottehjerne. Foto av rottehjerne før ( a ) og etter ( b ) fjerning av hodebunnen. In vivo hjernebilder ved forskjellige skanningstider: ( c ) 5 s, ( d ) 10 s, ( e ) 20 s og ( f ) 30 s.Rce.jove.com/files/ftp_upload/55811/55811fig3large.jpg "target =" _ blank "> Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dette arbeidet presenterer en protokoll for å utføre in vivo hjernedimensjon på rotter ved bruk av et PLD-PAT-system. Protokollen inneholder en detaljert beskrivelse av bildesystemet og dets justering, samt en illustrasjon av hjernedimensjon på rotter. De eksisterende OPO-baserte PAT-systemene er dyre og omfangsrike og kan gi et tverrsnittsbilde i 5-10 min. PLD-PAT-systemet er kompakt, bærbart og rimelig og kan gi bilder av god kvalitet på 3 s. Systemets ytelse ble tidligere studert i fantomer og sammenlignet med konvensjonelt PAT-system 25 . Her ble den samme PLD-PAT demonstrert for rask in vivo hjernedannelse. Utfallet viser at systemet kan levere høy kvalitet in vivo bilder, selv om 5 s.

Mens det er flere fordeler, har PLD-PAT-systemet flere ulemper. PLD brukt i denne studien gir pulser ved en enkelt bølgelengde, slik at den ikke kan gi funcDigital bildebehandling, som krever multi-bølgelengde belysning. For funksjonell bildebehandling, er en PLD med multi-bølgelengde belysningsevne nødvendig. De lav-energiske PLD-pulser begrenser bildedybden. Ved bruk av et eksogent kontrastmiddel er det imidlertid mulig å forbedre bildedybden på PLD-PAT-systemet.

Vanligvis er PLD-laserstrålen ikke jevn, så en egnet optisk diffusor kan brukes foran laservinduet for å forbedre bildekvaliteten. Pass på at midtpunktet på laserstrålen og midten av bildeområdet faller sammen. Mens du skanner UST rundt hjernen, må du sørge for at UST alltid vender mot skannesenteret. Ved implementering av protokollen må det tas ytterligere forsiktighet: a) mengden anestesi-cocktail skal administreres i henhold til dyrets vekt; (B) anestesiinjeksjonen må være presis slik at organene ( f.eks. Urinblæren, tarmene og nyrene) ikke påvirkes; (C) under hårklokkenIpping, sørg for at hodebunnen av dyret ikke er ripet; (D) Vanntankens trykk på dyret må være så minimalt som mulig; Og (e) mens du posisjonerer dyret under skanneren, må du kontrollere at hjernens avbildningsplan er i sentrum av UST. Fremtidige bruksområder av systemet inkluderer hjerne tumor imaging, bildebehandling forskjellige organer i små dyr, høyhastighets bildebehandling på mindre enn 5 s, undersøkelse biomaterialer for kontrastmidler og terapi applikasjoner. Feilsøking kan være nødvendig hvis bildekvaliteten er lav.

Lasersikkerhet for små dyrs in vivo bildebehandling

Maksimal tillatt eksponering (MPE) grense for hud avhenger av flere parametere, for eksempel eksitasjonsbølgelengde, pulsbredde, eksponeringstid, belysningsområde etc. MPE-grensene for in vivo- bildebehandling er styrt av American National StandardS institutt (ANSI) 32 . I bølgelengdeområdet 700 til 1,050 nm bør energidensiteten på huden levert av en enkelt puls være mindre enn 20 x 10 2 (A-700) / 1000 mJ / cm2 (A: eksitasjonsbølgelengde i nm). For 803 nm PLD bølgelengden er grensen ~ 31 mJ / cm 2 . Hvis laseren brukes kontinuerlig over en periode på t = 5 s, blir MPE 1,1 x 10 2 (λ-700) / 1000 × t 0,25 J / cm 2 (= 2,6 J / cm 2 ). I dette eksperimentet ble PLD operert ved 7.000 Hz. I en 5-s skanningstid ble totalt 35 000 (5 × 7 000) pulser levert til prøven, så per puls var MPE 0,07 mJ / cm 2 . I det beskrevne bildesystemet leverer PLD pulser med energi på ~ 1,05 mJ per puls, og laserstrålen ble utvidet over et område på ~ 12,6 cm 2 . Derfor var laserenergidensiteten ~ 0,08 mJ / cm 2 på hjerneområdet. ANSI-lasersikkerhetsgrensen for PAT-systemet kan være chAngst ved å redusere laserkraften, ved å utvide laserstrålen, eller ved å redusere pulsrepetisjonen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen relevante økonomiske interesser i manuskriptet og ingen andre potensielle interessekonflikter å avsløre.

Acknowledgments

Forskningen støttes av Tier 2-bevilget finansiert av Utdanningsdepartementet i Singapore (ARC2 / 15: M4020238) og Helsedepartementet i Helsedepartementet Nasjonalt medisinsk forskningsråd (NMRC / OFIRG / 0005/2016: M4062012). Forfatterne vil gjerne takke Mr. Chow Wai Hoong Bobby for hjelpen 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 høyytelses kompakt fotoakustisk tomografisystem for<em&gt; In vivo</em&gt; Små dyrs hjernedannelse
Play Video
PDF DOI

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