쥐 대뇌 피 질의 혈관 구조에서 염료의 세척 및 세척을 모니터링 하기 위한 펄스 레이저 다이오드 기반 데스크탑 광 음향 단층 촬영

요약

소형 펄스 레이저 다이오드 기반 데스크탑 광 음향 단층 촬영 (PLD-PAT) 시스템은 작은 동물 대뇌 피 질의 맥 관 구조의 고속 동적 생체 내 이미징에 대해 입증 되었습니다.

초록

광 청각적 (PA) 단층 촬영 (PAT) 화상 진 찰은 다양 한 전 임상 및 임상 응용에서 유용한 신흥 생물 의학 영상 형식입니다. 맞춤형 원형 링 어레이 기반 트랜스듀서 및 일반 부피가 큰 Nd: YAG/OPO 레이저는 PAT 시스템을 클리닉으로 변환 하는 것을 억제 합니다. 초소형 펄스 레이저 다이오드 (PLDs)는 현재 PA 이미징에 대 한 근 적외선 여기의 대체 소스로 사용 되 고 있습니다. 소형 PLD 기반 데스크탑 PAT 시스템 (PLD-PAT)을 사용 하 여 고속 동적 생체 내 이미징이 입증 되었습니다. 데스크탑 PLD-PAT 시스템을 사용 하는 시각화 된 실험적 프로토콜은이 작업에서 동적 생체 내 뇌 이미징을 위해 제공 됩니다. 이 프로토콜은 바탕 화면 PLD-PAT 시스템 구성, 뇌 혈관 영상에 대 한 동물의 준비, 쥐 대뇌 피 질의 혈관 구조에서 indocyanine green (ICG) 염료 흡수 및 클리어런스 과정의 동적 시각화를 위한 절차를 설명 합니다.

서론

광 음향 계산 단층 촬영 (계약/PAT)은 높은 초음파 해상도^1,2,³ 과 풍부한 광학 콘트라스트를 결합 하는 유망한 비 침 습 적 생물 의학 이미징 양상입니다. ⁵. 나노초 펄스 레이저는 생체 조직 내부에 존재 하는 빛을 흡수 하는 발 색 광에 에너지를 침전 하는 경우, 국부 적으로 온도 증가 조직의 열 탄성 팽창 및 수축으로 이어지는, 생성의 결과 압력 파도. 이 압력 파는 샘플 주위의 초음파 트랜스듀서에 의해 검출 될 수 있는 초음파 파 또는 광 음향 (PA) 파도로 알려져 있습니다. 검출 된 pa 신호는 다양 한 재구성 알고리즘 (⁶,⁷,^8,9 )을 사용 하 여 재구성 되어 단면 PA 이미지를 생성 한다. PA 이미징은 신체 내부에 존재 하는 내 인 성 발 색 단에 대 ....

프로토콜

모든 동물 실험은 싱가포르 난 양 기술 대학의 기관 동물 관리 및 사용 위원회가 승인한 가이드라인 및 규정에 따라 수행 하였다 (동물 프로토콜 번호 ARF-SBS/A0331).

1. 시스템 설명

1. PLD 레이저를 원형 스캐너에 장착 하 고 PLD 출구 창 앞에 광 디퓨저 (OD)를 장착 하 여 그림 1a에 표시 된 것 처럼 출력 빔을 균질 하 게 만듭니다. PLD를 레이저 드라이버 장치 (LDU)에 연결 합니다.
   참고: PLD는 ~ 816 nm 파장 펄스, 지속 시간에서 ~ 107 ns 펄스 및 최대 2khz 반복 속도와 ~ 3.4 mJ의 최대 펄스 에너지를 생성 합니다. LDU는 냉각기, 12v 전원 공급 장치, 다양 한 고전압 전원 장치로 구성 되어 레이저 전력을 제어 하 고 함수 발생기는 펄스 반복 속도를 변경 합니다.
2. 그림 1b와 같이 각 sutrs 홀더에 8 개의 sutrs를 모두 하나씩 장착 하 여 각 어쿠스틱 리플렉터 표면이 스캔 영역의 중앙을 향하도록 합니다. 케이블 연결을 통해 각 SUTR 케이블을 저 잡음 신호 증폭기에 연결 하십시오.
   참고: 초음파 트랜스듀서의 중앙 주파수는....

결과

동적 생체 내 뇌 이미징에 대 한 설명 된 데스크탑 PLD-PAT 시스템의 잠재력은 해당 결과와 함께이 프로토콜에서 전시 되었다. 데스크톱 PLD-PAT 시스템의 고속 이미징 기능은 건강 한 암컷 쥐의 생체 내 뇌 영상을 수행 함으로써 입증 되었다. PA 신호는 4 초 및 0.5 s의 스캔 속도에서 쥐 뇌 주위에 360 ° 및 45 °로 회전 하는 8 개의 SUTRs를 사용 하 여 수집 되었습니다. 도 2a, B 는 각각 4 s 및 0.5의 스캔 속도로 암컷 랫 트 (98 g)의 뇌 이미지를 보여준다. 시상 부 비 동 (SS)과 횡 부 비 동 (TS)은 두 이미지 모두에서 명확 하 게 보입니다. 도 2c , D 는 뇌 영역을 통해 각각 두 피를 제거 하기 전과 후 쥐의 뇌의 사진을 표시 합니다. PAT 화상 진 찰은 온전한 피부와 두개골로 비 침 습 적 이루.......

토론

이 작품은 생체 내 뇌 이미징 쥐 같은 작은 동물에 대 한 실험을 수행 하기 위한 데스크톱 PLD-PAT 시스템을 사용 하 여 프로토콜을 제시 하 고 ICG 같은 조 영제의 동적 빠른 통풍 관 및 통관 과정. 부피가 큰, 고가의 OPO-PAT 시스템은 생체 내 단일 단면 이미지를 획득 하기 위해 몇 분 (2-5 분)을 소요 한다. 콤팩트 한 저비용 1 세대 휴대용 PLD-PAT 시스템은 5 초 내에 단일 단면 생체 이미지를 제공 합니다. 이와 대조적으로, 고속, 콤팩트, 저비용 데스크탑 PLD-PAT 시스템은 단지 0.5 s²⁶에서 고품질의 2d 단면 생체 이미지를 렌더링 합니다. 여기서, 동일한 데스크탑 PLD-PAT 시스템은 빠른 생체 내 동적 뇌 이미징에 대해 입증 되었다. 이 시스템을 사용 하 여, 급속 하 게 변화 하는 생리 현상의 지속적인 감시는 ICG 통풍 관 및 정리 프로세스 때문에 PA 신호의 빠른 상승 그리고 하락을 위해 작은 동물 안에 수행 됩니다. 그러나 PLDs는.......

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
12V 전원 공급 장치	Voltcraft	PPS-11810	PLD
음향 반사판	Olympus	F102	45도 반사경
아크릴 물 탱크	NTU 작업장	맞춤 제작	동물의 뇌와 검출기 사이의 음향 결합 매체 역할을하는 물을 보유하는 데 사용됩니다
마취 기계	산소 집중 장치를 가진 의학 플러스 pte 주식 회사	Non-Rebreathing 마취 기계.	동물에게 산소와 이소플루란을 공급합니다.
동물 유통	In Vivos Pte Ltd, 싱가포르		연구 목적으로 작은 동물을 공급하는 동물 유통 업체
동물 홀더	NTU 작업장	맞춤 제작	동물을 복부에 안는 데 사용
호흡 마스크	NTU 작업장	맞춤 제작	동물 홀더와 함께 동물
원형 스캐너	NTU 작업장	에 마취 혼합물을 공급하는 데 사용됩니다.맞춤형	스캐너는 알루미늄으로 만들어집니다
DAQ (데이터 수집) 카드	스펙트럼	M2i.4932-exp	16 비트, 30 Ms/s, 8 채널, 1 Gs, PCIe
데이터 수집 소프트웨어	National Instruments Corporation, Austin, TX, USA)NI	LabVIEW 2015 SP1 (32 비트)	스테퍼 모터를 제어하고 검출기에서 PA 신호를 수집하기 위해 실험실에서 개발 한 LabVIEW 기반 프로그램
데이터 처리 소프트웨어	Matlab (Mathworks, Natick, MA, USA)	Matlab R2015b	단면 PA 이미지를 재구성하기 위해 실험실에서 개발 한 Matlab 코드
함수 생성기	RIGOL	DG1022	PLD의 반복률을 변경합니다. DAQ를 레이저 여기와 동기화하기 위해 TTL 신호를 제공합니다.
저잡음 신호 증폭기		Genetron 미니 회로를 사용하여 맞춤 제작, ZFL-500LN-BNC	SUTR에서 PA 신호를 수신 및 증폭합니다. 이득은 24dB입니다.
광학 확산기	Thorlabs	DG-120	레이저 빔을 균일하게 만드는 데 사용되는
펄스 레이저 다이오드	Quantel, France	QD-Q1924-ILO-WATER	816nm 파장, 펄스 에너지당 3.4mJ, 107ns 펄스 폭, 2KHz 최대 펄스 반복 속도, 치수: 13.0 x 7.6 x 5.0cm
Rats	In Vivos Pte Ltd, 싱가포르	NTac : SD, Sprague Dawley / SD	여성, 체중 100 ± 10g, 쥐의 균주 : Sprague Dawley, 연령 : 4-5 주
기어 박스가있는 스테퍼 모터	LIN Engineering (서보 동역학)	모터 : CO-5718L-01P-RO, 기어 박스 : DPL64 / 1; 전원 공급 장치 PW-100-24	감지기 홀더를 원형 형상으로 이동합니다. 토크: 2.08Nm, 로터 관성: 2.6kg-cm2
초음파 젤	Progress/parker 아쿠아소닉 젤	PA-GEL-CLEA-5000	투명 초음파
젤 초음파 변환기	Olympus	V309-SU/ U8423013	광음향 감지에 사용되는 초음파 센서. 중앙 주파수 5MHz, 0.5인치
가변 고전압 전원 공급 장치	Elektro-Automatik	EA-PS 8160-04 T	레이저 출력 전력을 변경하려면

의 작동 전압을 공급하려면 초음파 변환기에 증강 업체