Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

לייזר דיודה פעמו מבוססי שולחן עבודה פוטואקוסטית טומוגרפיה עבור ניטור לשטוף ולשטוף-Out של צבען ב הקורקולטורה של חולדה

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

קומפקטי פעמו לייזר דיודה מבוססי שולחן העבודה המבוסס פוטואקוסטית טומוגרפיה (PLD-PAT) מערכת מוכיחה עבור דינמי במהירות גבוהה ב-vivo הדמיה של בעלי חיים קטנים קליפת הגוף.

Abstract

פוטואקוסטית (PA) טומוגרפיה (PAT) הדמיה היא הדמיה ביורפואית המתעוררים שימושי ביישומים שונים פרה וקליניים. מותאם אישית מערך עגול טבעת מבוססת מערכות מבוססות ומגושם קונבנציונאלי: YAG/פופו לייזרים לעכב את התרגום של מערכת PAT למרפאות. אולטרה קומפקטי דיודות לייזר פעמו (PLDs) נמצאים כעת בשימוש כמקור חלופי של עירור הקרוב אינפרא אדום עבור הדמיה של הרשות הפלסטינית. דינמי במהירות גבוהה ב vivo הדמיה הפגינו באמצעות מערכת קומפקטית PLD מבוססי שולחן העבודה PAT (PLD-פט). הפרוטוקול הנסיוני דמיינו באמצעות מערכת PLD-PAT שולחן העבודה מסופק בעבודה זו עבור דינמי הדמיה vivo המוח. הפרוטוקול מתאר את התצורה של שולחן העבודה PLD-PAT, הכנת בעל חיים עבור דימות כלי דם במוח, והליך הדמיה דינמית של indocyanine ירוק (ICG) ספיגת צבען תהליך הסיווג בקליפת המוח של חולדה.

Introduction

טומוגרפיה ממוחשבת של פוטואקוסטית (ברית/פט) היא מודאליות מבטיחה לא פולשנית הדמיה ביו-רפואית המשלבת ניגודיות אופטית עשירה עם רזולוציה גבוהה ultrasond1,2,3,4, 5. כאשר ננו השנייה פעמו לייזר מרבצי אנרגיה על האור סופג כרומטוes נוכח בתוך כל רקמה ביולוגית, הטמפרטורה המקומית מגביר הרחבה התרמואלסטית והתכווצות של הרקמה, וכתוצאה מכך הדור של גלי לחץ. גלי הלחץ הללו מוכרים כגלי אולטרסאונד או כגלים פוטואקוסטיים (PA), אשר ניתן לאתרם על-ידי התמרה אולטרסאונד סביב המדגם. אותות pa שאותרו משוחזרים באמצעות אלגוריתמים שחזור שונים6,7,8,9 כדי ליצור תמונות מוצלבות החוצה. הדמיה של הרשות הפלסטינית מספקת מידע מבני ופונקציונלי מאיברים מאקרוסקופיים ועד לאורגלים מיקרוסקופיים עקב התלות באורך הגל של כרומטוגניים כרומניים המצויים בתוך הגוף10. פט הדמיה כבר בשימוש בהצלחה עבור זיהוי סרטן השד1, לימפה סנטינל צומת הדמיה11, מיפוי של אוקסיהמוגלובין (HbO2), המוגלובין (hbr), ריכוז המוגלובין הכולל (HBR), רווית חמצן (SO 2היכל ה. מיכל בן 12 , 13, הגידול אנגיוגנזה14, גוף קטן חיה הדמיה כולה15, ויישומים אחרים.

Nd: לייזרים YAG/פופו הם מקורות עירור קונבנציונאלי עבור מערכות PAT הדור הראשון, כי הם בשימוש נרחב בקהילה פוטואקוסטית עבור הדמיה בעלי חיים קטנים הדמיה רקמות עמוק16. לייזרים אלה לספק ~ 100 mJ פולסים אנרגיה בשיעורי חזרה נמוכה של ~ 10-100 Hz. פט הדמיה מערכות באמצעות אלה לייזרים יקרים ומגושם אינם מתאימים הדמיה במהירות גבוהה עם מתתמרים חד רכיבי אולטרסאונד (SUTs), בשל קצב החזרה מוגבלת הדופק. זה מעכב ניטור בזמן אמת של שינויים פיזיולוגיים המתרחשים במהירויות גבוהות בתוך החיה. באמצעות מערך מבוסס-מדידה כמו ליניארי, חצי עגול, עגול, מערכים נפחי עם Nd: לייזר YAG עירור, מהירות גבוהה הדמיה אפשרית. עם זאת, מפרידי המערך האלה יקרים ומספקים רגישויות נמוכות יותר בהשוואה ל-SUTs; עם זאת, מהירות ההדמיה מוגבלת על-ידי קצב החזרה הנמוך של הלייזר. מערכות הסכם חד-הורית משוכלל ביותר עם מערך מותאם אישית של טבעת מלאה להשיג את נתוני הרשות הפלסטינית ב-50 Hz שיעורי מסגרת17. אלה מערכות מגבירי הצורך מורכבים back-end מקבל אלקטרוניקה מגברי האות, מה שהופך את המערכת הכוללת יקר יותר וקשה לשימוש קליני.

גודל קומפקטי שלהם, דרישות עלות נמוכה יותר, קצב החזרה דופק גבוה (סדר KHz) לעשות דיודות לייזר פעמו (PLDs) מבטיח יותר עבור הדמיה בזמן אמת. בשל יתרונות אלה, PLDs משמשים באופן פעיל כמקור עירור חלופי במערכות הדור השני פט. Pld מבוססי מערכות PAT הוכחו בהצלחה עבור הדמיה שיעור גבוהה מסגרת באמצעות מערך המתמרים18, רקמות עמוק הדמיה המוח19,20,21, אבחון מחלות לב וכלי דם22 ו ראומטולוגיה אבחון23. כמו SUTs הם רגישים מאוד וזול פחות לעומת מערך הצירים, הם עדיין משמשים בהרחבה עבור הדמיה PAT. סיבים מבוססי מערכת PLD הוכחו עבור הדמיה פנטום24. המערכת הניידת PLD-PAT הוכח בעבר על ידי טעינת PLD בתוך הסורק PAT25. עם סורק מעגלי SUT אחד, הדמיה פנטום בוצעה במהלך 3 s זמן הסריקה, ו ב vivo rat הדמיה המוח בוצעה במהלך תקופה של 5 באמצעות זה PLD-PAT מערכת19.

יתר על כן, שיפורים נעשו זה pld-PAT מערכת כדי להפוך אותו לקומפקטי יותר ליצור מודל שולחן העבודה באמצעות שמונה מחזיר אקוסטי מבוסס רכיב יחיד מערכות אולטרסאונד (sutrs)26,27. כאן, SUTs הוצבו אנכית במקום כיוון אופקי בעזרת מחזיר אור אקוסטית 90° 28. מערכת זו יכולה להיות מועסק עבור זמני סריקה של עד 0.5 s ו-~ 3 ס מ עמוק הדמיה רקמות ובvivo קטן בעלי חיים במוח הדמיה. בעבודה זו, שולחן העבודה PLD-PAT מערכת משמש כדי לספק את ההדגמה החזותית של ניסויים עבור הדמיה המוח vivo בבעלי חיים קטנים עבור ויזואליזציה דינמית של ספיגת ותהליך הסיווג של מינהל המזון והתרופות (FDA)-אושרה indocyanine ירוק (ICG) לצבוע במוח חולדה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כל הניסויים בבעלי חיים בוצעו על פי ההנחיות והתקנות שאושרו על ידי טיפול בעלי חיים מוסדיים והשתמש בוועדה של Nanyang באוניברסיטה הטכנולוגית, סינגפור (פרוטוקול בעלי חיים מספר ARF-SBS/NIE-A0331).

1. תאור המערכת

  1. הר את לייזר PLD לתוך הסורק המעגלי ולטעון את מפזר האופטי (OD) מול חלון היציאה PLD כדי להפוך את קרן פלט הומוגנית, כפי שמוצג באיור 1A. חבר את ה-PLD ליחידת מנהל ההתקן לייזר (LDU).
    הערה: ה-PLD יוצר את הפולסים באורך גל 816, פולסים של ~ 107 ns במשך, ועד לקצב חזרה של 2 קילו-הרץ עם אנרגיית דופק מקסימלית של ~ 3.4 mJ. LDU מורכב צ'ילאר, 12 הכוח העליון, אספקת חשמל משתנה מתח גבוה כדי לשלוט בכוח הלייזר, ומחולל פונקציה כדי לשנות את קצב החזרה הדופק.
  2. הר את כל שמונת SUTRs על כל מחזיק SUTRS אחד כזה, כי פני השטח של כל מראה אקוסטי פונה לכיוון מרכז אזור הסריקה, כפי שמוצג באיור 1B. חבר כל כבל SUTR אל מגבר האות עם הרעש הנמוך בעזרת כבלי חיבור.
    הערה: התדר המרכזי של מתמר אולטרה-סאונד הוא 5 MHz וכולל שטח פעיל בקוטר 13 מ"מ. שני מגברים כל אחד 24 לצבור dB מחוברים בסדרה עבור כל ערוץ.
  3. הפעל את אספקת החשמל של הצ, ולאחר מכן סובב את מתג הצ כדי לקבוע את הטמפרטורה בין 20 ° c ל-25 ° c.
  4. הפעל את אספקת אספקת המתח הנמוכה והפוך לאט את הפקד הנוכחי לקבוע את המגבלה הנוכחית ב-0.3 A.. הגדר את המתח ל -12 וולט ודא שהזרם אינו עולה על 0.1 A.
  5. הפעל את אספקת ספק המתח הגבוה. לחץ על לחצן "קבע מראש" והגדר את הזרם ל-1 A והמתח ל-0 V. הפוך את הלחצן "פלט" לזמין: 0 V/0 A.
  6. הפעל את אספקת החשמל של מחולל הפונקציות. לחץ על "זכור" כפתור ובחר 2 הגדרת KHz כדי ליצור את פולסים לייזר בקצב חזרה זה.
  7. מקום הטנק אקריליק בתוך הסורק כפי שמוצג באיור 1A ולמלא את הטנק עם מים כגון משטח מזהה של sutrs שקועים לחלוטין בתוך המים.
  8. ודא שכל משטחי ה-SUTRs מזהים את המשטחים בתוך מדיום המים. הפעל את אספקת החשמל של מגבר האות ברעש נמוך.

2. הכנת בעלי חיים לדימות מוח חולדה

הערה: חולדות נקבה בריאים (ראה טבלת חומרים) שימשו כדי להדגים את שולחן העבודה המתואר לעיל pld-PAT מערכת הדמיה של בעלי חיים בקליפת הגוף הקטנה.

  1. החזיקו את החיה על גבו על-ידי עצירת הראש ותנועת הגוף. מורדם החיה על ידי הזרקה תוך הצפק של תערובת של 2 מ ל של קטמין (100 mg/mL), 2 מ ל של xylazine (20 מ"ג/mL), ו 1 מ ל של תמיסת מלח (המינון של 0.2 mL/100 g).
    הערה: לאחר ההזרקה, הבוהן של בעל החיים מסומנת כדי לבדוק כל רפלקסים חיוביים כגון תנועות רגל או גוף, ניקוד או עליות מסומנות בנשימות. העדר פעולות רפלקס שכאלה מאשרות את ההרדמה המוצלחת של בעל החיים.
  2. כדי למנוע יובש עקב הרדמה ותאורה לייזר, בזהירות להחיל משחה דמעה מלאכותית לעיני החולדה. מניחים את החיה בתנוחה נוטה על ספסל העבודה ולהסיר את הפרווה על הקרקפת של החיה באמצעות קוצץ שיער בעדינות להחיל קרם הסרת שיער לאזור מגולח ולהסיר את הפרווה לחלוטין.
    1. לאחר 4 – 5 דקות, להסיר את הקרם שהוחל באמצעות ספוגית כותנה.
  3. הר המחזיק בעלי חיים מותאם אישית (ראה טבלת חומרים) מצויד מסכת נשימה (ראה טבלת חומרים) על מעבדה-ג'ק.
  4. מניחים את החיה בתנוחה נוטה על המחזיק כך הראש נח על הפלטפורמה האופקית של המחזיק. השתמש בסרט כירורגי כדי לאבטח את בעל החיים למחזיק.
  5. ודא כי מסכת הנשימה מכסה את האף והפה של החולדה כדי לספק תערובת הרדמה. מסכת הנשימה מותאמת אישית כדי להתאים לחלון ההדמיה. 10% חרוט האף זמין מסחרית נחתך ולאחר מכן מחובר לחתיכת כפפה.
  6. חברו את מסיכת הנשימה למכונת ההרדמה לפני המעבר.
  7. הפעל את מכונת ההרדמה ולהגדיר אותו כדי לספק תערובת הרדמה המכילה 1.0 L/מינימום של חמצן עם 0.75% isofלפני החיים מסכת נשימה.
    1. הדק את הדופק אוקסימטר לאחת הרגליים האחוריות של בעל החיים כדי לפקח על מצבו הפיזיולוגי.
  8. החלת שכבה של ג'ל אולטרסאונד חסר צבע על הקרקפת של החולדה באמצעות המוליך משופעת כותנה. התאימו את עמדת המעבדה-ג'ק למרכז הסורק והתאימו את גובה המעבדה באופן ידני, כך שמטוס ההדמיה יהיה במרכז האור המחזיר האקוסטי.

3. דינמי הדמיה vivo של תהליך ספיגת והסיווג של ICG במוח חולדה

  1. הגדר את הפרמטרים בתוכנת רכישת הנתונים (ראה טבלת חומרים) עבור סריקת רכישה של 360 °.
  2. הפעל את פליטת לייזר PLD על ידי הפעלת הפלט של גנרטור הפונקציה (פליטת לייזר יתחיל). לאחר מכן, באיטיות להגדיל את המתח של המשתנה כוח מתח גבוה חשמל 120 V עבור מקסימום לכל אנרגיית הדופק.
  3. הפעל את תוכנת רכישת הנתונים (לראות את רשימת חומרים) התוכנית לסובב את כל שמונה sutrs ב 360 ° במשך 4 s לסרוק זמן.
    הערה: לדוגמה, אם ה-SUTRs מסובבים עבור 4s, ה-PLD מספק 8,000 (= 4 x 2,000) פולסים וכל SUTRS אוסף 8000 A-lines. אלה 8,000 A-קווים מופחתים ל 400 על ידי בממוצע מעל 20 אותות (אחרי בממוצע A-lines = 8000/20 = 400). תוכנית שחזור המבוססת על האלגוריתם עיכוב ו-sum ההקרנה בחזרה משמש כדי לגלות את רדיוס הסריקה של כל SUTR.
  4. בטל את הפלט של גנרטור הפונקציה כדי לכבות את פליטת הלייזר.
  5. באמצעות אלגוריתם השחזור בתוכנה לעיבוד נתונים (ראה טבלת חומרים) לגלות את רדיוס הסריקה של כל שמונה sutrs על ידי ניסוי ושגיאה, באמצעות אלגוריתם ההקרנה האחורית.
  6. הגדר את הפרמטרים בתוכנה לרכישת נתונים (ראה טבלת חומרים) עבור רכישת 45 ° מעל זמן הסריקה של 0.5 s.
    הערה: לדוגמה, אם ה-SUTRs מסובבים עבור 0.5 s, ה-PLD מספק 1,000 (= 0.5 x 2,000) פולסים וכל SUTRS אוסף 1000 A-lines. אלה 1,000 A-קווים מופחתים ל 400 על ידי בממוצע מעל 20 אותות (לאחר בממוצע A-lines = 1000/20 = 50).
  7. הפעל את הפלט של גנרטור הפונקציה כדי להפעיל את פליטת הלייזר.
  8. הפעל את תוכנת רכישת הנתונים (ראה טבלת חומרים) התוכנית לסובב את כל שמונה sutrs ב 45 ° כדי לקבל נתונים בקרה ראשונית לפני מתן icg.
  9. בטל את הפלט של גנרטור הפונקציה כדי לכבות את פליטת הלייזר.
  10. זיהוי וריד הזנב של בעל החיים ולהזריק 0.3 mL של ICG (ראה טבלת חומרים) (323 μm) לתוך הווריד הזנב של החולדה.

4.

הערה: 1.25 מ ג של אבקת ICG היה שוקל באמצעות מכונת מיקרו שקילה מעורבב עם 5 מ ל של מים מזוקקים כדי להשיג ריכוז של 323 μM עבור פתרון ICG.

  1. הפעל את הפלט של גנרטור הפונקציה כדי להפעיל את פליטת הלייזר.
  2. הפעל את תוכנת רכישת הנתונים (ראה טבלת חומרים) התוכנית לרכוש A-שורות על 0.5 s זמן סריקה בסיבוב 45 °.

5. המשך

הערה: A-lines שנרכש במהלך זמן סריקה של 0.5 s משמשים להפקת תמונה חוצת-חתך אחת. יש פער זמן של ~ 0.4 – 0.6 s בין כל סריקה.

  1. לאחר שרכישת הנתונים הסתיימה, באמצעות אלגוריתם ההקרנה האחורית בתוכנת עיבוד נתונים (ראה טבלת חומרים), לשחזר את תמונת המוח החוצה החתך מן הקווים השמורים.
  2. כבה את הלייזר ולאחר מכן לכבות את מכונת ההרדמה, להוריד את המעבדה-שקע ולהסיר את החיה מן הבמה. החזר את בעל החיים אל הכלוב והצג עד שישוב להכרתו.

Figure 1
איור 1: סכמטית של מערכת PLD-PAT של שולחן העבודה. (A) סכמטי של שולחן העבודה pld-פט להגדיר. PLD: דיודות לייזר פעמו, OD: מפזר אופטי, SUTR: מכשיר מחזיר אקוסטי מבוסס חד אלמנט אולטרסאונד מתמר, AM: מכונת הרדמה, CSP: צלחת סריקה מעגלית, SM: מנוע stepper, LDU: יחידת נהיגה בלייזר, AMP: מגבר, DAQ: כרטיס רכישת נתונים. (ב) הסדר מעגלי של שמונה שרתים מסביב למרכז הסריקה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

הפוטנציאל של שולחן העבודה המתואר PLD-PAT מערכת דינמית בדימות המוח vivo כבר לראווה בפרוטוקול זה עם התוצאות המתאימות. יכולת הדמיה במהירות גבוהה של שולחן העבודה PLD-PAT מערכת הפגינו על ידי ביצוע הדמיה vivo המוח של חולדות נקבה בריאים. אותות הרשות נאספו באמצעות שמונה SUTRs מסתובבת 360 ° ו 45 ° סביב המוח עכברוש במהירויות סריקה של 4 s ו 0.5 s, בהתאמה. איור 2A, B להראות תמונות המוח של עכברוש נקבה (98 g) במהירויות סריקה של 4 s ו 0.5 s, בהתאמה. משונן סינוס (SS) וסינוס רוחבי (TS) גלויים בבירור בשתי התמונות. איור 2C , D להראות תמונות של המוח עכברוש לפני ואחרי הסרת הקרקפת מעל המוח באזור, בהתאמה. פט הדמיה נעשה באופן לא פולשני עם העור והגולגולת ללא פגע.

Figure 2
איור 2: לא פולשני ב vivo שולחן העבודה PLD-PAT תמונות. בתמונות vivo של ואסילטורה של קליפת הבית בזמני סריקה של (A) 4 s ו (ב) 0.5 s. SS: משונן סינוס, TS: סינוס רוחבי. (ג) ו-(ד) הם תצלומים של המוח חולדה לפני ואחרי הסרת הקרקפת, בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

לפני הזרקת ICG לתוך הווריד האחורי של אותו עכברוש, הנתונים בקרה הושג. לאחר הזרקת ICG, הנתונים הרשות נרכשה ברציפות עבור 5 דקות הראשון עם 0.5 זמן סריקה. לאחר מכן, נתוני הרשות הפלסטינית נרכשה במרווחי זמן של ~ 2-3 דקות עם 0.5 s לסרוק את כל אחד עבור 15-20 הבאים min. איור 3 מראה את העלילה המייצג את העלייה באות הרשות הפלסטינית בסינוס משונן (SS) בשל עליות קליטה אופטית על ידי icg ב 816 nm אורכי גל, ולאחר מכן, פוחתת לאורך זמן.

Figure 3
איור 3: פרמקוקינטיקה של ICG. פרמקוקינטיקה של ICG מראה את תהליך ספיגת והסיווג. סימן החץ האדום מראה את זמן ההזרקה של ICG לתוך הווריד הזנב. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

עבודה זו מציגה פרוטוקול להשתמש PLD שולחן העבודה מערכת לניהול ניסויים על בעלי חיים קטנים כמו חולדות עבור vivo המוח הדמיה דינמי מהיר ספיגת ותהליך הסיווג של סוכני ניגוד כמו ICG. מגושם, יקר מערכות פופו-PAT להימשך מספר דקות (2-5 דקות) כדי לרכוש החתך אחד בתמונה vivo. קומפקטי, בעלות נמוכה, הדור הראשון ניידים PLD-PAT מערכת מספק בודד החתך בתמונות vivo ב 5 s. לעומת זאת, מהירות גבוהה, קומפקטי, בעלות נמוכה מערכת PLD-PAT-פאט מעבד באיכות גבוהה 2D החתך בתמונה vivo בדיוק 0.5 s26. כאן, אותו שולחן העבודה PLD-PAT מערכת הוכיחה במהירות הדמיה vivo המוח דינמי. באמצעות מערכת זו, ניטור רציף של התופעות הפיסיולוגיים במהירות מבוצעת בתוך בעלי חיים קטנים לעלייה מהירה וירידה של אותות הרשות הפלסטינית בשל תהליכי ספיגת ICG והסיווג. עם זאת, PLDs יש מספר מגבלות כגון דור אורך הגל היחיד, אשר אוסר הדמיה תפקודית. בנוסף, יש צורך בתאורה מרובת אורכי גל להשגת המידע הפונקציונלי. כמו כן, עומק הדמיה מוגבל עקב אנרגיה נמוכה לדופק של PLD, אשר ניתן להקיף באמצעות הסוכנים הניגוד פוטודוגני בעלי הניגודיות לשיפור עומק ההדמיה.

בעת ניהול ניסויים באמצעות מערכת PLD-PAT שולחן העבודה, אמצעי זהירות מסוימים צריך להילקח: (א) בשל פרופיל הקרן הלא אחיד של לייזר PLD, מפזר אופטי צריך לשמש בחלון פלט לייזר, (ב) זה צריך להיות מובטחת כי קרן לייזר PLD הוא במרכז הסריקה וכי כל SUTRs פונים לעבר מרכז הסורק PAT, (ג) טיפול צריך להילקח במהלך הזרקת הרדמה כך האיברים המקיפים כמו שלפוחית השתן, כליות, ומעיים אינם מושפעים, (ד) כמות נאותה של תערובת ההרדמה יש להזריק על פי משקל של בעל החיים, (e) במהלך ההליך של שיער זמירה על ראש החיה, שריטות על הקרקפת יש להימנע, ו (ו) יש להבטיח כי מישור ההדמיה של המוח העכברוש נמצא במרכז ה ג המחזיר האור של SUTRs. ייתכן שיהיה צורך בפתרון בעיות אם איכות התמונה נמוכה. היישומים העיקריים של מערכת זו כוללים הדמיה בקצב גבוה של מסגרת (1 מסגרת ב 0.5 s), בעלי חיים קטנים הגידול במוח הדמיה, הדמיה הגידול התת עורי, וחקירת ביוצילים עבור סוכני הניגודיות של הרשות הפלשתינית ויישומים טיפוליים.

החשיפה המקסימלית המותרת (MPE) של מגבלת בטיחות עבור הדמיה vivo נשלטת על ידי תקן בטיחות התקנים האמריקאי (ANSI) תקני לייזר29. מגבלות בטיחות אלה תלויות ברוחב הדופק לייזר, באזור התאורה, בזמן החשיפה ובאורך הגל, וכן במספר גורמים אחרים. גבוה יותר מ-700-1050 ננומטר לטווח אורך גל ומקסימום לכל צפיפות אנרגיית הדופק על משטח העור לא יעלה על 20 x 102 (λ-700)/1000 mJ/cm2, כאשר λ (ב ננומטר) הוא אורך הגל התאורה. כך, מגבלת בטיחות MPE ב-816 ננומטר אורך הגל של לייזר PLD בשימוש הוא ~ 34.12 mJ/cm2. עבור תאורה רציפה של לייזר לאורך תקופה של t = 0.5 s, מגבלת בטיחות MPE הופך 1.1 x 102 (λ-700)/1000 × t0.25 J/cm2 (= 1.58 J/ס מ2). קצב חזרה הדופק של PLD נשמר ב 2,000 Hz בכל הניסויים. במהלך הזמן סריקה של 0.5 s, סך של 1,000 (0.5 x 2,000) פולסים הועברו למדגם. זה מרמז כי לכל דופק, MPE היה 1.58 mJ/cm2. מערכת PLD-PAT של שולחן העבודה מספק אנרגיה לכל הדופק של ~ 3.4 mJ. צפיפות אנרגיית הלייזר נשמרה ב-~ 0.17 mJ/cm2 באזור המוח כאשר קרן הלייזר הורחבה מעל לשטח של ~ 20 ס מ2 . צפיפות זו של אנרגיית לייזר היתה מתחת למגבלת הבטיחות של ANSI במשך תקופה של 0.5 s. על ידי הפחתת קצב החזרה הדופק, הפחתת כוח הלייזר, או הרחבת קרן הלייזר, מגבלת בטיחות ANSI לייזר עבור מערכת PLD-PAT של שולחן העבודה ניתן לשנות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין אינטרסים פיננסיים רלוונטיים או קונפליקטים פוטנציאליים של עניין לגלות.

Acknowledgments

המחקר נתמך על ידי המועצה הלאומית לחקר הרפואה של משרד הבריאות של סינגפור (NMRC/OFIRG/0005/2016: M4062012). המחברים רוצים להודות למר צ'או וואי הואנג. לתמיכה בחנות המכונות

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Lin, L., et al. Single-breath-hold photoacoustic computed tomography of the breast. Nature Communications. 9 (1), 2352 (2018).
  2. Upputuri, P. K., Pramanik, M. Fast photoacoustic imaging systems using pulsed laser diodes: a review. Biomedical Engineering Letters. 8 (2), 167-181 (2018).
  3. Yao, J., Wang, L. V. Recent progress in photoacoustic molecular imaging. Current Opinion in Chemical Biology. 45, 104-112 (2018).
  4. Upputuri, P. K., Pramanik, M. Recent advances toward preclinical and clinical translation of photoacoustic tomography: a review. Journal of Biomedical Optics. 22 (4), 041006 (2017).
  5. Yao, J., Wang, L. V. Photoacoustic microscopy. Laser & Photonics Reviews. 7 (5), 758-778 (2013).
  6. Awasthi, N., Kalva, S. K., Pramanik, M., Yalavarthy, P. K. Image Guided Filtering for Improving Photoacoustic Tomographic Image Reconstruction. Journal of Biomedical Optics. 23 (9), 091413 (2018).
  7. Kalva, S. K., Pramanik, M. Experimental validation of tangential resolution improvement in photoacoustic tomography using a modified delay-and-sum reconstruction algorithm. Journal of Biomedical Optics. 21 (8), 086011 (2016).
  8. Pramanik, M. Improving tangential resolution with a modified delay-and-sum reconstruction algorithm in photoacoustic and thermoacoustic tomography. The Journal of the Optical Society of America. 31 (3), 621-627 (2014).
  9. Xu, M., Wang, L. V. Universal back-projection algorithm for photoacoustic computed tomography. Physical Review E. 71 (1), 016706 (2005).
  10. Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs. Science. 335 (6075), 1458-1462 (2012).
  11. Sivasubramanian, K., Periyasamy, V., Pramanik, M. Non-invasive sentinel lymph node mapping and needle guidance using clinical handheld photoacoustic imaging system in small animal. Journal of Biophotonics. 11 (1), e201700061 (2018).
  12. Hu, S., Maslov, K., Wang, L. V. Second-generation optical-resolution photoacoustic microscopy with improved sensitivity and speed. Optics Letters. 36 (7), 1134-1136 (2011).
  13. Stein, E. W., Maslov, K., Wang, L. V. Noninvasive, in vivo imaging of blood-oxygenation dynamics within the mouse brain using photoacoustic microscopy. Journal of Biomedical Optics. 14 (2), 020502 (2009).
  14. Ku, G., Wang, X. D., Xie, X. Y., Stoica, G., Wang, L. V. Imaging of tumor angiogenesis in rat brains in vivo by photoacoustic tomography. Applied Optics. 44 (5), 770-775 (2005).
  15. Ma, R., Taruttis, A., Ntziachristos, V., Razansky, D. Multispectral optoacoustic tomography (MSOT) scanner for whole-body small animal imaging. Optics Express. 17 (24), 21414-21426 (2009).
  16. Zhou, Y., et al. A Phosphorus Phthalocyanine Formulation with Intense Absorbance at 1000 nm for Deep Optical Imaging. Theranostics. 6 (5), 688-697 (2016).
  17. Li, L., et al. Single-impulse panoramic photoacoustic computed tomography of small-animal whole-body dynamics at high spatiotemporal resolution. Nature Biomedical Engineering. 1 (1), 0071 (2017).
  18. Sivasubramanian, K., Pramanik, M. High frame rate photoacoustic imaging at 7000 frames per second using clinical ultrasound system. Biomedical Optics Express. 7 (2), 312-323 (2016).
  19. Upputuri, P. K., Pramanik, M. Dynamic in vivo imaging of small animal brain using pulsed laser diode-based photoacoustic tomography system. Journal of Biomedical Optics. 22 (9), 090501 (2017).
  20. Upputuri, P. K., Periyasamy, V., Kalva, S. K., Pramanik, M. A High-performance compact photoacoustic tomography system for in vivo small-animal brain imaging. Journal of Visualized Experiments. (124), e55811 (2017).
  21. Upputuri, P. K., Pramanik, M. Pulsed laser diode based optoacoustic imaging of biological tissues. Biomedical Physics & Engineering Express. 1 (4), 045010-045017 (2015).
  22. Arabul, M. U., et al. Toward the detection of intraplaque hemorrhage in carotid artery lesions using photoacoustic imaging. Journal of Biomedical Optics. 22 (4), (2016).
  23. Daoudi, K., et al. Handheld probe integrating laser diode and ultrasound transducer array for ultrasound/photoacoustic dual modality imaging. Optics Express. 22 (21), 26365-26374 (2014).
  24. Allen, J. S., Beard, P. Pulsed near-infrared laser diode excitation system for biomedical photoacoustic imaging. Optics Letters. 31 (23), 3462-3464 (2006).
  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. Kalva, S. K., Upputuri, P. K., Pramanik, M. High-speed, low-cost, pulsed-laser-diode-based second-generation desktop photoacoustic tomography system. Optics Lett. 44 (1), 81-84 (2019).
  27. Kalva, S. K., Hui, Z. Z., Pramanik, M. Calibrating reconstruction radius in a multi single-element ultrasound-transducer-based photoacoustic computed tomography system. J Opt Soc Am A. 35 (5), 764-771 (2018).
  28. Kalva, S. K., Pramanik, M. Use of acoustic reflector to make compact photoacoustic tomography system. Journal of Biomedical Optics. 22 (2), 026009 (2017).
  29. American National Standard for Safe Use of Lasers. ANSI Standard Z136.1-2007. , NY. (2007).

Tags

Bioengineering גיליון 147 מחזיר אור אקוסטי מתמר חד-רכיבי אולטרסאונד הדמיה פוטואקוסטית טומוגרפיה פוטואקוסטית דיודה לייזר פעמו מתמרים מרובים אולטרסאונד הדמיה בעלי חיים קטנים
לייזר דיודה פעמו מבוססי שולחן עבודה פוטואקוסטית טומוגרפיה עבור ניטור לשטוף ולשטוף-Out של צבען ב הקורקולטורה של חולדה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kalva, S. K., Upputuri, P. K.,… More

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).

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