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Bioengineering

स्पंदित लेजर डायोड-आधारित डेस्कटॉप फोटोध्वनिक टोमोग्राफी वॉश-इन और वॉश-आउट की निगरानी के लिए रैट कॉर्टिकल वेस्क्युलेचर

Published: May 30, 2019 doi: 10.3791/59764
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1School of Chemical and Biomedical Engineering, Nanyang Technological University

Summary

एक कॉंपैक्ट स्पंदित लेजर डायोड आधारित डेस्कटॉप photoacoustic टोमोग्राफी (pld-पैट) प्रणाली को उच्च गति गतिशील के लिए छोटे जानवर वल्कुट वैस्क्युलेचर के vivo इमेजिंग में प्रदर्शन किया है ।

Abstract

Photoacoustic (फिलीस्तीनी अथॉरिटी) टोमोग्राफी (पैट) इमेजिंग एक उभरते जैव चिकित्सा इमेजिंग मोडलिटी विभिंन पूर्व नैदानिक और नैदानिक अनुप्रयोगों में उपयोगी है । कस्टम निर्मित परिपत्र अंगूठी सरणी-ट्रांसड्यूसर और पारंपरिक भारी एन डी: YAG/ओपो पराबैंगनीकिरण क्लीनिकों के लिए पैट प्रणाली के अनुवाद रोकना । अल्ट्रा कॉंपैक्ट स्पंदित लेजर डायोड (plds) वर्तमान में पास के एक वैकल्पिक स्रोत के रूप में इस्तेमाल किया जा रहा है फिलीस्तीनी अथॉरिटी इमेजिंग के लिए अवरक्त उत्तेजना । Vivo इमेजिंग में उच्च गति गतिशील एक कॉंपैक्ट PLD-आधारित डेस्कटॉप पैट प्रणाली (PLD-पैट) का उपयोग कर प्रदर्शन किया गया है । एक कल्पना प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल का उपयोग कर डेस्कटॉप pld-पैट प्रणाली वीवो ब्रेन इमेजिंग में गतिशील के लिए इस काम में प्रदान की जाती है । प्रोटोकॉल का वर्णन डेस्कटॉप pld-पैट प्रणाली विंयास, मस्तिष्क संवहनी इमेजिंग के लिए पशु की तैयारी, और indocyanine ग्रीन (आईसीजी) डाई तेज और के गतिशील दृश्य के लिए प्रक्रिया चूहा वल्कुट वाहिकाविन्यास में ।

Introduction

फोटोध्वनिक कम्प्यूटेड टोमोग्राफी (पैक्ट/पैट) एक होनहार गैर-इनवेसिव बायोमेडिकल इमेजिंग मोडलिटी उच्च ultrasond संकल्प के साथअमीर ऑप्टिकल कंट्रास्ट संयोजन1,2,3,4, 5. जब एक नैनोसेकेंड स्पंदित लेजर किसी भी जैविक ऊतक के अंदर मौजूद प्रकाश अवशोषित chromophores पर ऊर्जा, स्थानीय तापमान बढ़ाता है तापप्रत्यास्थ विस्तार और ऊतक के संकुचन के लिए अग्रणी, उत्पादन में जिसके परिणामस्वरूप दबाव तरंगों । इन दबाव तरंगों अल्ट्रासाउंड तरंगों या photoacoustic (फिलीस्तीनी अथॉरिटी) तरंगों के रूप में जाना जाता है, जो नमूने के आसपास अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर द्वारा पता लगाया जा सकता है । पता लगाए गए पीए सिग्नलों को विभिन्न पुनर्निर्माण एल्गोरिदम6,7,8,9 के प्रयोग द्वारा पुन खंगाला जाता है ताकि प्रतिभागीय पीए इमेज उत्पन्न की जा सके । PA इमेजिंग शरीर के अंदर मौजूद अंतर्जात क्रोमोफोस की तरंगदैर्घ्य निर्भरता के कारण स्थूल अंगों से सूक्ष्म अंगकों तक संरचनात्मक और कार्यात्मक जानकारी प्रदान करता है। पैट इमेजिंग सफलतापूर्वक स्तन कैंसर का पता लगाने के लिए इस्तेमाल किया गया है1, प्रहरी लिम्फ नोड इमेजिंग11, oxyhemoglobin की मैपिंग (एचबीओ2), deoxyhemoglobin (hbo), कुल हीमोग्लोबिन एकाग्रता (HBO), ऑक्सीजन संतृप्ति (SO 2) 12 , 13, ट्यूमर angiogenesis14, छोटे जानवर पूरे शरीर इमेजिंग15, और अंय अनुप्रयोगों ।

Nd: YAG/OPO लेजर पहली पीढ़ी के पैट सिस्टम के लिए पारंपरिक उत्तेजना स्रोत है कि व्यापक रूप से छोटे जानवर इमेजिंग और गहरी ऊतक इमेजिंग के लिए photoacoustic समुदाय में इस्तेमाल कर रहे है16। इन लेज़रों ~ 10-100 हर्ट्ज की कम पुनरावृत्ति दरों पर ~ १०० mJ ऊर्जा दालों प्रदान करते हैं । पैट इमेजिंग सिस्टम इन महंगे और भारी लेजर का उपयोग कर एकल तत्व अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर (SUTs) के साथ उच्च गति इमेजिंग के लिए उपयुक्त नहीं हैं, सीमित पल्स पुनरावृत्ति दर के कारण । यह पशु के अंदर उच्च गति पर होने वाले शारीरिक परिवर्तन की वास्तविक समय की निगरानी को रोकता है । सरणी-आधारित ट्रांसड्यूसर का उपयोग करना जैसे रेखीय, अर्द्ध-वृत्ताकार, वृत्ताकार, और आयतनमितीय सरणी के साथ: YAG लेजर उत्तेजन, उच्च गति इमेजिंग संभव है । हालांकि, इन सरणी ट्रांसड्यूसर महंगे है और suts की तुलना में कम संवेदनशीलता प्रदान; फिर भी, इमेजिंग गति लेजर की कम पुनरावृत्ति दर से सीमित है । राज्य के-the-कला एकल आवेग समझौता प्रणालियों के साथ अनुकूलित पूर्ण अंगूठी सरणी ट्रांसड्यूसर ५० हर्ट्ज फ़्रेम दरों पर पीए डेटा प्राप्त करें17. इन सरणी ट्रांसड्यूसर जटिल वापस अंत प्राप्त इलेक्ट्रॉनिक्स और सिग्नल एंपलीफायरों की जरूरत है, समग्र प्रणाली और अधिक महंगी और कठिन नैदानिक उपयोग के लिए बना ।

उनके कॉंपैक्ट आकार, कम लागत आवश्यकताओं, और उच्च पल्स पुनरावृत्ति दर (KHz के आदेश) स्पंदित लेजर डायोड (PLDs) और वास्तविक समय इमेजिंग के लिए आशाजनक बना । इन लाभों के कारण, PLDs सक्रिय रूप से दूसरी पीढ़ी पैट सिस्टम में एक वैकल्पिक उत्तेजना स्रोत के रूप में इस्तेमाल कर रहे हैं । Pld आधारित पैट सिस्टम को उच्च फ्रेम दर इमेजिंग का उपयोग कर के लिए सफलतापूर्वक प्रदर्शन किया गया है सरणी ट्रांसड्यूसर18, गहरे ऊतक और ब्रेन इमेजिंग19,20,21, हृदय रोग निदान22 , और संधिशास्त्र निदान23। के रूप में SUTs बहुत संवेदनशील है और कम सरणी transducers की तुलना में महंगा है, वे अभी भी बड़े पैमाने पर पैट इमेजिंग के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं । फैंटम इमेजिंग24के लिए फाइबर आधारित पीएलडी सिस्टम का प्रदर्शन किया गया है । एक पोर्टेबल PLD-पैट प्रणाली पहले पैट स्कैनर25के अंदर pld बढ़ते द्वारा प्रदर्शन किया गया है । एक SUT परिपत्र स्कैनर के साथ, प्रेत इमेजिंग स्कैन समय के 3 एस के दौरान किया गया था, और vivo में चूहे ब्रेन इमेजिंग इस PLD-पैट प्रणाली19का उपयोग कर एक 5 एस अवधि के दौरान किया गया था ।

इसके अलावा, इस pld-पैट प्रणाली के लिए सुधार किया गया है इसे और अधिक कॉंपैक्ट बनाने और आठ ध्वनिक परावर्तक आधारित एकल तत्व अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर (sutrs)26,27का उपयोग कर एक डेस्कटॉप मॉडल बनाने के लिए । यहां, SUTs एक ९०° ध्वनिक परावर्तक28की सहायता के साथ क्षैतिज दिशा के बजाय एक ऊर्ध्वाधर में रखा गया था । इस प्रणाली के लिए ०.५ एस और ~ 3 सेमी ऊतक इमेजिंग में गहरी और vivo में छोटे पशु ब्रेन इमेजिंग में स्कैन के समय के लिए नियोजित किया जा सकता है । इस काम में, इस डेस्कटॉप PLD-पैट प्रणाली को छोटे पशुओं में vivo में ब्रेन इमेजिंग के लिए प्रयोगों के दृश्य प्रदर्शन प्रदान करने के लिए और तेज और खाद्य एवं औषधि प्रशासन (एफडीए) द्वारा अनुमोदित indocyanine की प्रक्रिया के गतिशील दृश्य के लिए प्रयोग किया जाता है चूहा दिमाग में हरा (आईसीजी) डाई ।

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Protocol

सभी पशु प्रयोगों संस्थागत पशु देखभाल और उपयोग Nanyang प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय, सिंगापुर (पशु प्रोटोकॉल संख्या ARF-SBS/NIE-A0331) की समिति द्वारा अनुमोदित दिशा निर्देशों और विनियमों के अनुसार प्रदर्शन किया गया ।

1. सिस्टम विवरण

  1. परिपत्र स्कैनर में PLD लेजर माउंट और PLD निकास खिड़की के सामने ऑप्टिकल विसारक (आयुध डिपो) माउंट करने के लिए उत्पादन बीम सजातीय, जैसा चित्र 1aमें दिखाया गया है । पीएलडी को लेजर ड्राइवर यूनिट (एलडीयू) से कनेक्ट करें ।
    नोट: PLD उत्पंन ~ ८१६ एनएम तरंग दैर्ध्य दालों, दालों की अवधि में ~ १०७ एन एस, और ऊपर एक 2 KHz पुनरावृत्ति दर ~ ३.४ mJ की एक अधिकतम पल्स ऊर्जा के साथ । LDU के होते हैं chiller, 12 वी बिजली की आपूर्ति, चर उच्च वोल्टेज बिजली की आपूर्ति करने के लिए लेजर शक्ति को नियंत्रित करने के लिए, और समारोह जनरेटर पल्स पुनरावृत्ति दर को बदलने के लिए.
  2. प्रत्येक SUTRS धारक पर सभी आठ SUTRs माउंट एक-एक करके ऐसा है कि प्रत्येक ध्वनिक परावर्तक की सतह स्कैनिंग क्षेत्र के केंद्र की ओर चेहरे, के रूप में चित्र 1bमें दिखाया गया है । प्रत्येक SUTR केबल कनेक्ट केबल की मदद से कम शोर संकेत एम्पलीफायर करने के लिए जोड़ें.
    नोट: अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर की केंद्रीय आवृत्ति 5 मेगाहर्ट्ज है और एक 13 मिमी व्यास सक्रिय क्षेत्र है । प्रत्येक 24 dB लाभ के दो एम्पलीफायरों प्रत्येक चैनल के लिए श्रृंखला में जुड़े हुए हैं.
  3. छिल्लर की बिजली की आपूर्ति पर स्विच, तो 20 डिग्री सेल्सियस और 25 डिग्री सेल्सियस के बीच तापमान सेट करने के लिए छिल्लर के स्विच पर बारी ।
  4. कम वोल्टेज बिजली की आपूर्ति की आपूर्ति पर स्विच और धीरे वर्तमान नियंत्रण बारी करने के लिए वर्तमान सीमा सेट पर ०.३ A. वोल्टेज सेट करने के लिए 12 V. सत्यापित करें कि वर्तमान ०.१ से अधिक नहीं है ।
  5. उच्च वोल्टेज बिजली की आपूर्ति की आपूर्ति पर स्विच । "पूर्व निर्धारित" बटन दबाएँ और 1 A और वोल्टेज 0 V. सक्षम करने के लिए वर्तमान सेट करें "आउटपुट" बटन: 0 V/
  6. समारोह जनरेटर की बिजली की आपूर्ति पर स्विच । "याद" बटन दबाएँ और इस पुनरावृत्ति दर पर लेजर दालों उत्पन्न करने के लिए एक 2 KHz विन्यास चुनें.
  7. स्कैनर के अंदर एक्रिलिक टैंक प्लेस के रूप में चित्र 1a में दिखाया गया है और पानी के साथ टैंक को भरने के इस तरह कि sutrs का पता लगाने की सतह पानी के अंदर पूरी तरह से डूबे हैं ।
  8. सुनिश्चित करें कि सभी सूटर्स का पता लगाने सतहों पानी के माध्यम के अंदर हैं । कम शोर संकेत एम्पलीफायर की बिजली की आपूर्ति पर स्विच.

2. चूहा ब्रेन इमेजिंग के लिए पशु तैयारी

नोट: स्वस्थ मादा चूहों ( सामग्री की मेजदेखें) को प्रदर्शित करने के लिए इस्तेमाल किया गया ऊपर वर्णित डेस्कटॉप pld-इमेजिंग छोटे जानवर वल्कुट वाहिकान्यास के लिए पैट प्रणाली ।

  1. सिर व शरीर की गति को गिरफ्तार कर पशु को अपनी पीठ पर रखें । 2 मिलीलीटर केटामाइन (१०० मिलीग्राम/एमएल), 2 मिलीलीटर जाइलैज़िन (20 मिलीग्राम/एमएल), और 1 मिलीलीटर खारा (०.२ मिलीलीटर/100 ग्राम) के मिश्रण का intraperitoneal इंजेक्शन द्वारा पशु anesthetize ।
    नोट: इंजेक्शन के बाद, जानवर के पैर की अंगुली जैसे पैर या शरीर आंदोलनों, vocalization, या respirations में चिह्नित वृद्धि के रूप में किसी भी सकारात्मक सजगता के लिए परीक्षण करने के लिए pinched है । ऐसी प्रतिवर्ती क्रियाओं के न होने से पशु के निश्चेतीकरण की पुष्टि होती है ।
  2. संज्ञाहरण और लेजर रोशनी के कारण सूखापन को रोकने के लिए, बहुत ध्यान से चूहे की आंखों के लिए कृत्रिम आंसू मरहम लागू होते हैं । काम बेंच पर प्रवण स्थिति में पशु प्लेस और एक बाल ट्रिमर का उपयोग कर जानवर की खोपड़ी पर फर हटाने और धीरे मुंडा क्षेत्र के लिए बाल हटाने क्रीम लागू करते हैं और फर पूरी तरह से हटा दें ।
    1. बाद 4 – 5 मिनट, एक कपास झाड़ू का उपयोग कर एप्लाइड क्रीम हटा दें ।
  3. माउंट कस्टम निर्मित पशु धारक ( सामग्री की मेजदेखें) एक श्वास मास्क के साथ सुसज्जित ( सामग्री की तालिकादेखें) एक प्रयोगशाला जैक पर ।
  4. धारक की संभावित स्थिति में पशु को रखें ताकि सिर धारक के क्षैतिज मंच पर टिकी रहे । पशु धारक को सुरक्षित करने के लिए सर्जिकल टेप का प्रयोग करें ।
  5. सुनिश्चित करें कि श्वास मास्क संज्ञाहरण मिश्रण देने के लिए नाक और चूहे के मुंह को शामिल किया गया । श्वास मास्क इमेजिंग विंडो के अनुरूप करने के लिए अनुकूलित है । 10% व्यावसायिक रूप से उपलब्ध नाक शंकु कट जाता है और फिर दस्ताने के एक टुकड़े करने के लिए कनेक्ट किया गया है ।
  6. इसे बदलने से पहले एनेस्थिसिया मशीन से श्वास मास्क को कनेक्ट करें ।
  7. संज्ञाहरण मशीन पर स्विच करें और यह पशु श्वास मुखौटा करने के लिए ०.७५% isoflurane के साथ १.० L/
    1. अपनी शारीरिक स्थिति पर नजर रखने के लिए एक जानवर के पिछले पैरों के लिए पल्स oximeter दबाना.
  8. एक कपास इत्तला दे दी applicator का उपयोग चूहे की खोपड़ी के लिए बेरंग अल्ट्रासाउंड जेल की एक परत लागू करें । स्कैनर के केंद्र के लिए प्रयोगशाला जैक स्थिति को समायोजित करने और इमेजिंग विमान ध्वनिक परावर्तक के केंद्र में है, ताकि मैन्युअल रूप से प्रयोगशाला-जैक की ऊंचाई को समायोजित ।

3. चूहा मस्तिष्क में तेज और icg के क्लीयरेंस प्रक्रिया के vivo इमेजिंग में गतिशील

  1. एक ३६० ° अधिग्रहण स्कैन के लिए डेटा अधिग्रहण सॉफ्टवेयर ( सामग्री तालिकादेखें) में पैरामीटर सेट करें ।
  2. समारोह जनरेटर (लेजर उत्सर्जन शुरू हो जाएगा) के उत्पादन को सक्षम करने से PLD लेजर उत्सर्जन को चालू करें । फिर, धीरे से १२० V करने के लिए पल्स ऊर्जा प्रति अधिकतम के लिए चर उच्च वोल्टेज बिजली की आपूर्ति की वोल्टेज वृद्धि हुई है ।
  3. भागो डेटा अधिग्रहण सॉफ्टवेयर ( सामग्री की तालिकादेखें) के लिए एक 4 एस समय स्कैन से अधिक ३६० ° में सभी आठ sutrs घुमाएगी कार्यक्रम ।
    नोट: उदाहरण के लिए, यदि SUTRs 4s के लिए घुमाया गया है, PLD उद्धार ८,००० (= 4 x २,०००) दालों और प्रत्येक SUTRS ८००० एक लाइनों एकत्र करता है । इन ८,००० A-लाइनों को 20 से अधिक संकेतों के औसत से ४०० करने के लिए कम कर रहे है (औसत एक-लाइनों = 8000 ४००/ प्रत्येक SUTR की स्कैनिंग त्रिज्या का पता लगाने के लिए देरी और राशि वापस प्रक्षेपण एल्गोरिथ्म पर आधारित एक पुनर्निर्माण कार्यक्रम का उपयोग किया जाता है ।
  4. लेजर उत्सर्जन को बंद करने के लिए समारोह जनरेटर के उत्पादन को निष्क्रिय कर देते हैं ।
  5. डेटा प्रोसेसिंग सॉफ्टवेयर में पुनर्निर्माण एल्गोरिथ्म का उपयोग करना ( सामग्री तालिकादेखें) परीक्षण और त्रुटि द्वारा सभी आठ sutrs के स्कैनिंग त्रिज्या बाहर का पता लगाएं, वापस प्रक्षेपण एल्गोरिथ्म का उपयोग ।
  6. डेटा अधिग्रहण सॉफ्टवेयर में पैरामीटर सेट करें ( सामग्री की तालिकादेखें) ४५ ° अधिग्रहण के लिए एक ०.५ एस स्कैन समय पर ।
    नोट: उदाहरण के लिए, यदि SUTRs 0.5 s के लिए घुमाया जाता है, PLD उद्धार १,००० (= ०.५ x २,०००) दालों और प्रत्येक SUTRS १००० एक लाइनें एकत्र करता है । इन १,००० A-लाइनें ४०० करने के लिए 20 से अधिक संकेतों के औसत से कम कर रहे है (औसत के बाद एक-लाइनें = 1000 ५०/
  7. लेजर उत्सर्जन को चालू करने के लिए समारोह जनरेटर के उत्पादन को सक्षम करें ।
  8. भागो डेटा अधिग्रहण सॉफ्टवेयर ( सामग्री की तालिकादेखें) के लिए ४५ ° में सभी आठ sutrs घुमाएं करने के लिए icg प्रशासन से पहले प्रारंभिक नियंत्रण डेटा प्राप्त करने के लिए कार्यक्रम ।
  9. लेजर उत्सर्जन को बंद करने के लिए समारोह जनरेटर के उत्पादन को निष्क्रिय कर देते हैं ।
  10. जानवर की पूंछ नस की पहचान और आईसीजी के ०.३ मिलीलीटर ( सामग्री की तालिकादेखें) (३२३ μm) चूहे की पूंछ नस में सुई ।

4.

नोट: १.२५ मिलीग्राम ICG पाउडर के एक माइक्रो वजन मशीन का उपयोग कर तौला गया था और आसुत पानी के 5 मिलीलीटर के साथ मिश्रित आईसीजी समाधान के लिए ३२३ μM की एकाग्रता प्राप्त करने के लिए ।

  1. लेजर उत्सर्जन को चालू करने के लिए समारोह जनरेटर के उत्पादन को सक्षम करें ।
  2. चलाएं डेटा अधिग्रहण सॉफ्टवेयर ( सामग्री की तालिकादेखें) के लिए एक ०.५ s पर एक लाइनों के अधिग्रहण प्रोग्राम ४५ ° रोटेशन में समय स्कैन ।

5.

नोट: एक ०.५ s स्कैन समय के दौरान अधिग्रहीत की गई रेखाओं का उपयोग एक क्रॉस-अनुभागीय छवि जनरेट करने के लिए किया जाता है । प्रत्येक स्कैन के बीच में ~ 0.4 – 0.6 s का समय अंतराल है ।

  1. डेटा अधिग्रहण खत्म हो गया है के बाद, डेटा प्रोसेसिंग सॉफ्टवेयर में वापस प्रक्षेपण एल्गोरिथ्म का उपयोग ( सामग्री की तालिकादेखें), बचाया एक लाइनों से पार-अनुभागीय मस्तिष्क छवि पुनर्निर्माण.
  2. लेजर बंद करें और फिर एनेस्थिसिया मशीन को बंद कर दें, लैब-जैक को कम करें और जानवर को स्टेज से हटा दें । पिंजरे में जानवर लौटने और निगरानी जब तक यह चेतना आएगा ।

Figure 1
चित्रा 1: डेस्कटॉप PLD-पैट प्रणाली के योजनाबद्ध । (A) योजनाबद्ध डेस्कटॉप pld-पैट की स्थापना की । PLD: स्पंदित लेजर डायोड, आयुध डिपो: ऑप्टिकल विसारक, SUTR: ध्वनिक परावर्तक आधारित एकल तत्व अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर, AM: संज्ञाहरण मशीन, CSP: परिपत्र स्कैनिंग प्लेट, एसएम: stepper मोटर, LDU: लेजर ड्राइविंग यूनिट, AMP: एम्पलीफायर, दाक: डेटा अधिग्रहण कार्ड. (ख) क्रमवीक्षण केंद्र के चारों ओर आठ सूटर्स की वृत्तीय व्यवस्था । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

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Representative Results

विवो ब्रेन इमेजिंग में गतिशील के लिए वर्णित डेस्कटॉप PLD-पैट प्रणाली की क्षमता इस प्रोटोकॉल में इसी परिणाम के साथ प्रदर्शित किया गया है । डेस्कटॉप PLD-पैट प्रणाली के उच्च गति इमेजिंग क्षमता को स्वस्थ मादा चूहों के vivo मस्तिष्क इमेजिंग में प्रदर्शन के द्वारा प्रदर्शन किया गया था । फिलीस्तीनी अथॉरिटी सिग्नल ३६० ° और ४५ ° में चूहा मस्तिष्क के आसपास 4 एस और ०.५ एस, क्रमशः की स्कैन गति पर आठ SUTRs घूर्णन का उपयोग कर एकत्र किए गए । चित्र 2a, B क्रमशः 4 एस और ०.५ एस की स्कैन गति पर एक मादा चूहे (९८ ग्राम) के मस्तिष्क की छवियों को दर्शाता है । सैक्टल साइनस (SS) और अनुप्रस्थ साइनस (टीएस) दोनों छवियों में स्पष्ट रूप से दिखाई दे रहे हैं । चित्र 2c , डी चूहे मस्तिष्क के पहले और मस्तिष्क क्षेत्र, क्रमशः पर खोपड़ी हटाने के बाद की तस्वीरें दिखाओ । पैट इमेजिंग अक्षुण्ण त्वचा और खोपड़ी के साथ गैर invasively किया गया था ।

Figure 2
चित्रा 2: गैर वीवो डेस्कटॉप PLD-पैट छवियों में इनवेसिव । (क) 4 एस और (ख) ०.५ एस एस एसएस: सैक्टल साइनस, टीएस: अनुप्रस्थ साइनस की स्कैन बार में कॉर्टिकल वैस्क्युलेशन के vivo छवियों में । (ग) और (घ) स्कैल्प को हटाने से पहले और बाद में क्रमशः चूहे के मस्तिष्क की तस्वीरें हैं । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

एक ही चूहे की पूंछ नस में ICG इंजेक्शन से पहले, नियंत्रण डेटा का अधिग्रहण किया गया था । आईसीजी इंजेक्शन के बाद, PA डेटा एक ०.५ स्कैन समय के साथ पहले 5 मिनट के लिए लगातार अधिग्रहण किया गया था । फिर, PA डेटा ०.५ s स्कैन बार प्रत्येक अगले 15-20 मिनट के लिए के साथ ~ 2-3 मिनट के अंतराल पर अधिग्रहीत किया गया था । चित्रा 3 में औसत PA संकेत में बढ़ जाती है का प्रतिनिधित्व भूखंड से पता चलता है सममिताधारी साइनस (एसएस) ऑप्टिकल अवशोषण में icg द्वारा वृद्धि के कारण पर ८१६ एनएम तरंग दैर्ध्य, और बाद में, समय के साथ कम हो जाती है ।

Figure 3
चित्रा 3: आईसीजी के फार्माकोकाइनेटिक्स । ICG के फार्माकोकाइनेटिक्स में तेज और निकासी प्रक्रिया को दर्शाया गया है । लाल तीर का निशान आईसीजी के इंजेक्शन के समय को पूंछ की नस में दिखाता है । इस आंकड़े का बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

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Discussion

यह काम एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करता है एक डेस्कटॉप PLD-के लिए चूहों जैसे छोटे जानवरों पर प्रयोगों के संचालन के लिए पैट प्रणाली vivo में मस्तिष्क इमेजिंग और गतिशील तेजी से तेज और ICG जैसे कंट्रास्ट एजेंटों की मंजूरी की प्रक्रिया । भारी, महंगा OPO-पैट सिस्टम कई मिनट (2-5 मिनट) लेने के लिए vivo छवि में एक भी पार अनुभागीय प्राप्त । एक कॉम्पैक्ट, कम लागत, पहली पीढ़ी पोर्टेबल PLD-पैट प्रणाली 5 एस में विवो छवियों में एकल पार-अनुभागीय प्रदान करता है । इसके विपरीत, एक उच्च गति, कॉंपैक्ट, कम लागत डेस्कटॉप PLD-पैट प्रणाली सिर्फ ०.५ एस26में vivo छवि में एक उच्च गुणवत्ता 2 डी पार-अनुभागीय renders । यहां, एक ही डेस्कटॉप PLD-पैट प्रणाली vivo गतिशील ब्रेन इमेजिंग में तेजी के लिए प्रदर्शन किया गया था । इस प्रणाली का उपयोग, तेजी से बदलती शारीरिक घटना की सतत निगरानी छोटे जानवरों के अंदर एक तेजी से वृद्धि और पीए संकेतों के पतन के लिए किया जाता है icg तेज और मंजूरी प्रक्रियाओं के कारण । हालांकि, PLDs एक तरंग दैर्ध्य पीढ़ी है, जो कार्यात्मक इमेजिंग मनाही के रूप में कुछ सीमाएं हैं । इसके अतिरिक्त, कार्यात्मक जानकारी प्राप्त करने के लिए एक से अधिक तरंगदैर्ध्य रोशनी की जरूरत है । इसके अलावा, इमेजिंग गहराई pld, जो इमेजिंग गहराई बढ़ाने के लिए बहिर्जात photoacoustic विपरीत एजेंटों का उपयोग कर दरकिनार किया जा सकता है की एक कम प्रति पल्स ऊर्जा के कारण सीमित है ।

डेस्कटॉप PLD-पैट प्रणाली का उपयोग करते हुए प्रयोगों का संचालन करते हुए, कुछ सावधानियों लिया जाना चाहिए: (क) पीएलडी लेजर के गैर-एकसमान बीम प्रोफाइल के कारण, लेजर आउटपुट विंडो पर एक ऑप्टिकल विसारक का उपयोग किया जाना चाहिए, (ख) यह सुनिश्चित किया जाना चाहिए कि पीएलडी लेजर बीम स्कैनिंग केंद्र पर है और यह कि सभी SUTRs पैट स्कैनर के केंद्र की ओर का सामना कर रहे हैं, (ग) देखभाल संज्ञाहरण इंजेक्शन के दौरान लिया जाना चाहिए ताकि मूत्राशय, गुर्दे, और आंतों की तरह आसपास के अंगों प्रभावित नहीं कर रहे हैं, (घ) की एक उचित राशि संज्ञाहरण मिश्रण पशु के वजन के अनुसार अंतःक्षिप्त किया जाना चाहिए, (ई) पशु सिर पर बाल trimming की प्रक्रिया के दौरान, खोपड़ी पर खरोंच से बचा जाना चाहिए, और (च) यह सुनिश्चित किया जाना चाहिए कि चूहा मस्तिष्क के इमेजिंग विमान है वंसस्ती के केंद्र में है सी सूटर्स का परावर्तक । यदि छवि गुणवत्ता कम है, तो समस्या निवारण की आवश्यकता हो सकती है । इस प्रणाली के प्रमुख अनुप्रयोगों के उच्च फ्रेम दर इमेजिंग (०.५ एस में 1 फ्रेम), छोटे जानवर ब्रेन ट्यूमर इमेजिंग, चमड़े के नीचे ट्यूमर इमेजिंग, और संभावित PA इसके विपरीत एजेंटों और चिकित्सीय अनुप्रयोगों के लिए जांच biomaterials शामिल हैं ।

वीवो इमेजिंग में अधिकतम अनुमत एक्सपोजर (एमपीई) सुरक्षा सीमा अमेरिकन नेशनल स्टैंडर्ड्स इंस्टीट्यूट (एएनएसआई) लेजर सुरक्षा मानक29द्वारा शासित होती है । इन सुरक्षा सीमाओं लेजर पल्स चौड़ाई पर निर्भर हैं, रोशनी क्षेत्र, जोखिम समय, और प्रकाश तरंग दैर्ध्य, साथ ही कई अंय कारकों । एक 700-1050 एनएम तरंगदैर्ध्य रेंज और अधिकतम प्रति पल्स ऊर्जा घनत्व से अधिक त्वचा की सतह पर 20 x 102 (λ-700)/1000 mJ/सेमी2, जहां λ (एनएम में) प्रकाश तरंग दैर्ध्य से अधिक नहीं होना चाहिए । तो, PLD लेजर के एक ८१६ एनएम तरंग दैर्ध्य पर MPE सुरक्षा सीमा ~ ३४.१२ mJ/ ज = ०.५ े की अवधि में लेजर की सतत प्रदीप्ति के लिए एमपीई सुरक्षा सीमा १.१ x 102 (λ-700)/1000 × ज्०.२५ श्र/सेमी2 (= १.५८ ञ/सेमी2) हो जाती है । सभी प्रयोगों में पीएलडी की स्पंद पुनरावर्तन दर २,००० हर्ट्ज रखी गई । एक ०.५ s स्कैन समय के दौरान, कुल १,००० (०.५ x २,०००) दालों के नमूने के लिए वितरित किए गए थे । इसका मतलब यह है कि पल्स प्रति, MPE १.५८ mJ/ डेस्कटॉप PLD-पैट प्रणाली के एक प्रति पल्स ऊर्जा उद्धार ~ ३.४ mJ । लेजर ऊर्जा घनत्व पर बनाए रखा गया ~ ०.१७ mJ/सेमी मस्तिष्क क्षेत्र पर2 के रूप में लेजर बीम एक ~ 20 सेमी2 क्षेत्र पर विस्तारित । इस लेजर ऊर्जा घनत्व ०.५ एस की अवधि में अच्छी तरह से ANSI सुरक्षा सीमा से नीचे था । पल्स पुनरावृत्ति दर को कम करने से, लेजर शक्ति को कम करने, या लेजर बीम का विस्तार, डेस्कटॉप PLD-पैट प्रणाली के लिए ANSI लेजर सुरक्षा सीमा को बदला जा सकता है ।

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Disclosures

लेखक कोई प्रासंगिक वित्तीय हितों या ब्याज की संभावित संघर्ष को प्रकट किया है ।

Acknowledgments

इस शोध का समर्थन सिंगापुर के स्वास्थ्य मंत्रालय के राष्ट्रीय चिकित्सा अनुसंधान परिषद (NMRC/OFIRG/0005/2016: M4062012) । लेखकों को मशीन की दुकान का समर्थन के लिए श्री चाउ वाई Hoong बॉबी शुक्रिया अदा करना चाहूंगा ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
12 V power supply Voltcraft PPS-11810 To supply operating voltage for PLD
Acoustic reflector Olympus F102 45 degree reflector augmented to the ultrasound transducer
Acrylic water tank NTU workshop Custom-made It is used to hold water that acts as an acoustic coupling medium between animal brain and detector
Anesthetic Machine Medical plus pte ltd Non-Rebreathing Anaesthesia machine with oxygen concentrator. Supplies oxygen and isoflurane to animal
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 animal on its abdomen
Breathing mask NTU workshop Custom-made Used along with animal holder to supply anesthesia mixture to the animal
Circular Scanner NTU workshop Custom-made Scanner is made out of aluminum
DAQ (Data acquisition) Card Spectrum M2i.4932-exp 16 bit, 30 Ms/s, 8 channels, 1 Gs, PCIe
Data acqusition software National Instruments Corporation,Austin,TX,USA) NI LabVIEW 2015 SP1 (32 bit) LabVIEW based program 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 R2015b Matlab code developed in our laboratory for reconstructing cross-sectional PA images
Function generator RIGOL DG1022 To change the repetition rate of the PLD. It will provide TTL signal to synchronize the DAQ with the laser excitation.
Low noise signal amplifier Genetron Custom-made using Mini-circuits, ZFL-500LN-BNC To receive, and amplify the PA signal from SUTR. Its gain is 24 dB.
Optical diffuser Thorlabs DG-120 Used to to make the laser beam homogeneous
Pulsed laser diode Quantel, France QD-Q1924-ILO-WATER It is the excitation laser source with specifications of 816 nm wavelength, 3.4 mJ per pulse energy, 107 ns pulse width, 2 KHz maximum pulse repitition rate, dimensions : 13.0 x 7.6 x 5.0 cm
Rats In Vivos Pte Ltd, Singapore NTac:SD, Sprague Dawley / SD Female, weight 100±10g, strain of rats: Sprague Dawley, age: 4-5 weeks
Stepper motor with gearbox LIN Engineering (Servo Dynamics) Motor: CO-5718L-01P-RO, Gearbox: DPL64/1; Power supply PW-100-24 To move the detector holder in a circular geometry. Torque: 2.08 N-m, Rotor inertia: 2.6 kg-cm2
Ultrasound gel Progress/parker acquasonic gel PA-GEL-CLEA-5000 Clear ultrasound gel
Ultrasound Transducer Olympus V309-SU/ U8423013 Ultrasonic sensors used for photoacoustic detection. Central freqency 5 MHz, 0.5 in
Variable high voltage power supply Elektro-Automatik EA-PS 8160-04 T To change the laser output power

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References

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  29. American National Standard for Safe Use of Lasers. ANSI Standard Z136.1-2007. , NY. (2007).

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Bioengineering मुद्दा १४७ ध्वनिक परावर्तक एकल तत्व अल्ट्रासाउंड transducer photoacoustic इमेजिंग photoacoustic टोमोग्राफी स्पंदित लेजर डायोड एकाधिक अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर छोटे जानवर इमेजिंग
स्पंदित लेजर डायोड-आधारित डेस्कटॉप फोटोध्वनिक टोमोग्राफी वॉश-इन और वॉश-आउट की निगरानी के लिए रैट कॉर्टिकल वेस्क्युलेचर
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Kalva, S. K., Upputuri, P. K., Rajendran, P., Dienzo, R. A., Pramanik, M. Pulsed Laser Diode-Based Desktop Photoacoustic Tomography for Monitoring Wash-In and Wash-Out of Dye in Rat Cortical Vasculature. J. Vis. Exp. (147), e59764, doi:10.3791/59764 (2019).

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