המחקר נתמך על ידי מענק רובד 2 ממומן על ידי משרד החינוך בסינגפור (ARC2 / 15: M4020238) ואת המועצה הלאומית למחקר רפואי של משרד הבריאות של סינגפור (NMRC / OFIRG / 0005/2016: M4062012). המחברים מבקשים להודות למר צ&#39;או וואי הונג בובי על העזרה בחנות המכונה.

כל הניסויים בבעלי חיים בוצעו על פי ההנחיות והתקנות שאושרו על ידי טיפול בבעלי חיים מוסדיים ועדת שימוש של אוניברסיטת נניאנג טכנולוגית, סינגפור (פרוטוקול בעלי חיים מספר ARF-SBS / NIE-A0263). 1. תיאור המערכת <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הרכיב את PLD בתוך הסורק העגול, כפי שמוצג באיור 1 א . חבר את PLD ליחידת מנהל הלייזר (LDU). הערה: PLD מספק ~ 136 ns פולסים באורך גל של ~ 803 ננומטר, עם מקסימום דופק אנרגיה של ~ 1.42 mJ ואת קצב חזרות עד 7 קילוהרץ. יחידת הלייזר (LDU) כוללת: בקר טמפרטורה, ספק כוח משתנה, ספק כוח (12 וולט) וגנרטור של פונקציות; ראה טבלה של חומרים. ספק כוח משתנה משמש לשלוט על כוח לייזר, ואת מחולל הפונקציה משמש כדי לשנות את שיעור החזרה של PLD. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את לייזר PLD. הגדר את קצב החזרה של PLD ל- &quot;7,000&quot; HZ באמצעות מחולל הפונקציה ב- LDU. הגדל את אנרגיית הדופק ל 1.42 mJ על ידי הגדרת המתח של ספק הכוח המשתנה ל- &quot;3.1&quot; V. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הר מפזר אופטי (OD) מול חלון היציאה PLD לעשות את הפלט קרן הומוגנית, כפי שמוצג בתרשים 1 א . הערה: השתמש במפזר עם חריץ בסדר ( כלומר, פולנית 1,500-grit). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הרכיב את UST ממוקד על המחזיק UST, כך שהוא פונה למרכז אזור הסריקה, כפי שמוצג בתרשים 1 א . הערה: התדר המרכזי של UST הוא 2.25 MHz ואורך המוקד הוא 1.9 אינץ &#39;. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את גלאי אולטרסאונד בתוך הטנק אקריליק, כפי שמוצג בתרשים 1 א . מלאו את המיכל במים כך ש- UST שקוע לחלוטין. הערה: מדיום מים משמש לזוג האות photacoustic מן המוח (מדגם) ל UST. מיכל מים אקרילי (WT, ראה את לוח החומרים) היה מותאם אישית- מעוצבת עבור הדמיה חיה קטנה. סכמטי של מיכל מים עיצוב מוצג באיור 1b . </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בדוק את האות PA מהמדגם באמצעות יחידת פולסר / מקלט (PRU, ראה טבלה של חומרים ). הערה: אותות אלה היו דיגיטציה על ידי כרטיס DQ 12-bit (ראה טבלה של חומרים ) בקצב של 100 MS / s הדגימה נשמרו במחשב. </li></ol> 2. הכנת בעלי חיים הדמיה מוח עכברוש הערה: מערכת PLD-PAT שתוארה לעיל הודגם הדמיה מוח קטן בעלי חיים. עבור ניסויים אלה, חולדות נקבה בריא (ראה טבלה של חומרים ) שימשו. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להרדים את החיה על ידי הזרקת intraperitoneally קוקטייל של 2 מ&quot;ל של קטמין, 1 מ&quot;ל של xylazine, ו 1 מ&quot;ל של תמיסת מלח (מינון של 0.2 מ&quot;ל / 100 גרם). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את הפרווה על הקרקפת של החיה באמצעות קליפר השיער. בעדינות להחיל מסיר להסרת שיער מגולחאזור עבור דלדול נוסף של הפרווה. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את קרם להחיל לאחר 4-5 דקות באמצעות צמר גפן. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> החל משחה דמעה מלאכותית לעיני החיה כדי למנוע את היובש עקב הרדמה ותאורה לייזר. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הר בעל בעל חיים בהתאמה אישית (ראה טבלה של חומרים ) מצויד מסכה נשימה (ראה טבלה של חומרים ) על מעבדה ג &#39;ק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את החיה במצב נוטה על המחזיק. אבטח אותו למחזיק באמצעות סרט כירורגי כדי למנוע תנועה של החיה במהלך ההדמיה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ודא כי מסכת הנשימה מכסה את האף והפה של החולדה כדי לספק הרדמה inhaled. </li></ol> 3. ב ויוו עכברוש המוח הדמיה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר את מסכת הנשימה למכונת ההרדמה. הפעל את מכונת הרדמה ולהגדיר אותו לספק 1.0 L / min של חמצן עם 0.75% isoflurane. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מהדק את הדופק oximeter אליוזנב כדי לפקח על המצב הפיזיולוגי של החיה. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> החל שכבת ג&#39;ל אולטרסאונד חסרת צבע על הקרקפת של החולדה. כוונן את מיקום המעבדה למרכזה של הסורק. מסכת הנשימה מותאמת אישית כדי להתאים את חלון ההדמיה. 10% של קונוס האף זמין מסחרית הוא לחתוך מכן מחובר חתיכת כפפה. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כוונן את גובה שקע המעבדה באופן ידני כך שמישור ההדמיה נמצא במוקד UST. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את הפרמטרים בתוכנה רכישת נתונים (ראה טבלה של חומרים) כנדרש. הפעל את הנתונים רכישת תוכנה כדי להתחיל לרכוש ( כלומר, הדמיה). הערה: התוכנית משמשת לסובב את UST ולאסוף אותות PA-A. A-A שנאספו שורות יישמרו במחשב. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לבחון את החיה במהלך כל תקופת ההדמיה ולהמשיך שחזור PAT לאחר ההדמיה תושלם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר רכישת הנתונים הסתיימה,לשחזר את התמונה חתך רוחב חתך מן A- קווים באמצעות תוכנה לשחזור תוכנה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לכבות את מערכת ההרדמה, להסיר את החיה מהבמה, להחזיר אותו לכלוב שלה, לפקח עליו עד שהוא חוזר להכרה. הערה: לדוגמה, אם ה- UST מסובב במשך 5 שניות, ה- PLD מספק 35,000 (= 5 x 7,000) פולסים ו- UST אוסף 35,000 קווי A. 35,000 A- שורות מופחתים ל 500 על ידי ממוצע של מעל 70 אותות (לאחר ממוצעים A- שורות = 35,000 / 70 = 500). איור 1 ג ממחיש את התאורה של פעימות לייזר ואוסף קו. יש להשתמש בתוכנית שחזור המבוססת על אלגוריתם ההשלכה של העיכוב והסך בחזרה. </li></ol><img alt="איור 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55811/55811fig1.jpg" /> איור 1: שרטוטים של מערכת PLD-PAT. ( א ) סכמטי של PLD-PAT. PLD: דיודת פולסים לייזר, CSP: circuצלחת סריקה, AM: מכונת הרדמה, M: מנוע, MPU: יחידת גלגלת המנוע, LDU: יחידת נהיגה לייזר, PRU: יחידת פולסר / מקלט, UST: מתמר אולטרסאונד, WT: מיכל מים, PF: סרט פולימרי, ו- DAQ: כרטיס רכישת נתונים. ( ב ) סכמטי של מיכל המים, מבט עליון (1) ו חתך להציג (2) ב vivo קטן הדמיה מוחית הדמיה. A: מטרי בורג, B: לוחית אקרילית חדה, C: סיליקון &quot;O&quot; טבעת, D: 100 מיקרומטר עבה, כיסוי פוליאתיל שקוף. הטנק היה חור בקוטר 9 ס&quot;מ בתחתית שלו היה אטום עם קרום אולטרסוני ואופטי שקוף, 100 מיקרומטר עבה פוליאתילן קרום. ( ג ) סכמטי של תאורה של פעימות לייזר מן PLD ו- A- שורות, אוסף של 5 שניות זמן סריקה רציפה. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55811/55811fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.</a>

<ol>
	<li>Upputuri, P. K., Pramanik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+advances+toward+preclinical+and+clinical+translation+of+photoacoustic+tomography:+a+review.">Recent advances toward preclinical and clinical translation of photoacoustic tomography: a review.</a> J Biomed Opt. 22 (4), 041006 (2017).</li><li>Strohm, E. M., Moore, M. J., Kolios, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single+Cell+Photoacoustic+Microscopy:+A+Review.">Single Cell Photoacoustic Microscopy: A Review.</a> IEEE Sel Top Quantum Electron. 22 (3), 6801215 (2016).</li><li>Valluru, K. S., Willmann, J. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Clinical+photoacoustic+imaging+of+cancer.">Clinical photoacoustic imaging of cancer.</a> Ultrasonography. 35 (4), 267 (2016).</li><li>Zhou, Y., Yao, J., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tutorial+on+photoacoustic+tomography.">Tutorial on photoacoustic tomography.</a> J Biomed Opt. 21 (6), 061007 (2016).</li><li>Yao, J., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoacoustic+Brain+Imaging:+from+Microscopic+to+Macroscopic+Scales.">Photoacoustic Brain Imaging: from Microscopic to Macroscopic Scales.</a> Neurophotonics. 1 (1), 011003 (2014).</li><li>Kalva, S. K., Pramanik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+validation+of+tangential+resolution+improvement+in+photoacoustic+tomography+using+a+modified+delay-and-sum+reconstruction+algorithm.">Experimental validation of tangential resolution improvement in photoacoustic tomography using a modified delay-and-sum reconstruction algorithm.</a> J Biomed Opt. 21 (8), 086011 (2016).</li><li>Strohm, E. M., Moore, M. J., Kolios, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+resolution+ultrasound+and+photoacoustic+imaging+of+single+cells.">High resolution ultrasound and photoacoustic imaging of single cells.</a> Photoacoustics. 4 (1), 36-42 (2016).</li><li>Upputuri, P. K., Wen, Z. -. B., Wu, Z., Pramanik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Super-resolution+photoacoustic+microscopy+using+photonic+nanojets:+a+simulation+study.">Super-resolution photoacoustic microscopy using photonic nanojets: a simulation study.</a> J Biomed Opt. 19 (11), 116003 (2014).</li><li>Zhou, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Phosphorus+Phthalocyanine+Formulation+with+Intense+Absorbance+at+1000+nm+for+Deep+Optical+Imaging.">A Phosphorus Phthalocyanine Formulation with Intense Absorbance at 1000 nm for Deep Optical Imaging.</a> Theranostics. 6 (5), 688-697 (2016).</li><li>Upputuri, P. K., Wu, Z., Gong, L., Ong, C. K., Wang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Super-resolution+coherent+anti-Stokes+Raman+scattering+microscopy+with+photonic+nanojets.">Super-resolution coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy with photonic nanojets.</a> Opt Express. 22 (11), 12890-12899 (2014).</li><li>Raghunathan, R., Singh, M., Dickinson, M. E., Larin, K. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+coherence+tomography+for+embryonic+imaging:+a+review.">Optical coherence tomography for embryonic imaging: a review.</a> J Biomed Opt. 21 (5), 050902 (2016).</li><li>Burton, N. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multispectral+opto-acoustic+tomography+(MSOT)+of+the+brain+and+glioblastoma+characterization.">Multispectral opto-acoustic tomography (MSOT) of the brain and glioblastoma characterization.</a> Neuroimage. 65 (2), 522-528 (2013).</li><li>Su, R., Ermilov, S. A., Liopo, A. V., Oraevsky, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+optoacoustic+imaging+as+a+new+noninvasive+technique+to+study+long-term+biodistribution+of+optical+contrast+agents+in+small+animal+models.">Three-dimensional optoacoustic imaging as a new noninvasive technique to study long-term biodistribution of optical contrast agents in small animal models.</a> J Biomed Opt. 17 (10), 101506 (2012).</li><li>Hu, S., Maslov, K., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+functional+chronic+imaging+of+a+small+animal+model+using+optical-resolution+photoacoustic+microscopy.">In vivo functional chronic imaging of a small animal model using optical-resolution photoacoustic microscopy.</a> Med Phys. 36 (6), 2320-2323 (2009).</li><li>Zhang, E. Z., Laufer, J., Pedley, R. B., Beard, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+photoacoustic+imaging+system+for+in+vivo+studies+of+small+animal+models.">3D photoacoustic imaging system for in vivo studies of small animal models.</a> Proc SPIE. 6856, 68560 (2008).</li><li>Deng, Z., Li, W., Li, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Slip-ring-based+multi-transducer+photoacoustic+tomography+system.">Slip-ring-based multi-transducer photoacoustic tomography system.</a> Opt Lett. 41 (12), 2859-2862 (2016).</li><li>Tang, J., Coleman, J. E., Dai, X., Jiang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wearable+3-D+Photoacoustic+Tomography+for+Functional+Brain+Imaging+in+Behaving+Rats.">Wearable 3-D Photoacoustic Tomography for Functional Brain Imaging in Behaving Rats.</a> Sci Rep. 6, 25470 (2016).</li><li>Pramanik, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+carbon+nanotube-enhanced+non-invasive+photoacoustic+mapping+of+the+sentinel+lymph+node.">In vivo carbon nanotube-enhanced non-invasive photoacoustic mapping of the sentinel lymph node.</a> Phys Med Biol. 54 (11), 3291-3301 (2009).</li><li>Yao, J., Xia, J., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiscale+Functional+and+Molecular+Photoacoustic+Tomography.">Multiscale Functional and Molecular Photoacoustic Tomography.</a> Ultrason Imaging. 38 (1), 44-62 (2016).</li><li>Huang, S., Upputuri, P. K., Liu, H., Pramanik, M., Wang, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+dual-functional+benzobisthiadiazole+derivative+as+an+effective+theranostic+agent+for+near-infrared+photoacoustic+imaging+and+photothermal+therapy.">A dual-functional benzobisthiadiazole derivative as an effective theranostic agent for near-infrared photoacoustic imaging and photothermal therapy.</a> J Mat Chem B. 4 (9), 1696-1703 (2016).</li><li>Olefir, I., Mercep, E., Burton, N. C., Ovsepian, S. V., Ntziachristos, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hybrid+multispectral+optoacoustic+and+ultrasound+tomography+for+morphological+and+physiological+brain+imaging.">Hybrid multispectral optoacoustic and ultrasound tomography for morphological and physiological brain imaging.</a> J Biomed Opt. 21 (8), 086005 (2016).</li><li>Hu, S., Maslov, K., Tsytsarev, V., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+transcranial+brain+imaging+by+optical-resolution+photoacoustic+microscopy.">Functional transcranial brain imaging by optical-resolution photoacoustic microscopy.</a> J Biomed Opt. 14 (4), 040503 (2009).</li><li>Yao, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Noninvasive+photoacoustic+computed+tomography+of+mouse+brain+metabolism+in+vivo.">Noninvasive photoacoustic computed tomography of mouse brain metabolism in vivo.</a> Neuroimage. 64 (1), 257-266 (2013).</li><li>Hu, S., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neurovascular+photoacoustic+tomography.">Neurovascular photoacoustic tomography.</a> Front Neuroenergetics. 2, 10 (2010).</li><li>Upputuri, P. K., Pramanik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+characterization+of+low-cost,+high-speed,+portable+pulsed+laser+diode+photoacoustic+tomography+(PLD-PAT)+system.">Performance characterization of low-cost, high-speed, portable pulsed laser diode photoacoustic tomography (PLD-PAT) system.</a> Biomed Opt Express. 6 (10), 4118-4129 (2015).</li><li>Yang, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoacoustic+tomography+of+small+animal+brain+with+a+curved+array+transducer.">Photoacoustic tomography of small animal brain with a curved array transducer.</a> J Biomed Opt. 14 (5), 054007 (2009).</li><li>Sivasubramanian, K., Pramanik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+frame+rate+photoacoustic+imaging+at+7000+frames+per+second+using+clinical+ultrasound+system.">High frame rate photoacoustic imaging at 7000 frames per second using clinical ultrasound system.</a> Biomed Opt Express. 7 (2), 312-323 (2016).</li><li>Allen, J. S., Beard, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pulsed+near-infrared+laser+diode+excitation+system+for+biomedical+photoacoustic+imaging.">Pulsed near-infrared laser diode excitation system for biomedical photoacoustic imaging.</a> Opt Lett. 31 (23), 3462-3464 (2006).</li><li>Kolkman, R. G. M., Steenbergen, W., van Leeuwen, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+photoacoustic+imaging+of+blood+vessels+with+a+pulsed+laser+diode.">In vivo photoacoustic imaging of blood vessels with a pulsed laser diode.</a> Lasers Med Sci. 21 (3), 134-139 (2006).</li><li>Daoudi, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Handheld+probe+integrating+laser+diode+and+ultrasound+transducer+array+for+ultrasound/photoacoustic+dual+modality+imaging.">Handheld probe integrating laser diode and ultrasound transducer array for ultrasound/photoacoustic dual modality imaging.</a> Opt Express. 22 (21), 26365-26374 (2014).</li><li>Upputuri, P. K., Pramanik, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pulsed+laser+diode+based+optoacoustic+imaging+of+biological+tissues.">Pulsed laser diode based optoacoustic imaging of biological tissues.</a> Biomed Phys Eng Express. 1 (4), 045010-045017 (2015).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> American National Standard for Safe Use of Lasers ANSI Z136.1-2000. , (2000).</li></ol>

למחברים אין אינטרסים כלכליים רלוונטיים בכתב היד ואין שום ניגודי אינטרסים פוטנציאליים אחרים שיש לגלותם.

עבודה זו מציגה פרוטוקול לביצוע הדמיה מוח vivo על חולדות באמצעות מערכת PLD-PAT. הפרוטוקול כולל תיאור מפורט של מערכת הדמיה ויישור שלה, כמו גם איור של הדמיה מוחית על חולדות. מערכות ה- PAT הקיימות מבוססות OPO הן יקרות וגדולות ויכולות לספק תמונה אחת חתךית בטווח של 5-10 דקות. מערכת PLD-PAT היא קומפקטית, ניידת ועלות נמוכה ויכולה לספק תמונות באיכות טובה ב -3 שניות. הביצועים של המערכת נלמדו בעבר ברוחות רפאים ובהשוואה למערכת PAT קונבנציונלית 25 . כאן, אותו PLD-PAT הודגם מהר הדמיה מוח vivo . התוצאה מוכיחה כי המערכת יכולה לספק באיכות גבוהה תמונות vivo , אפילו 5 s. אמנם יש מספר יתרונות, מערכת PLD-PAT יש כמה חסרונות. PLD המשמש במחקר זה מספק פולסים באורך גל אחד, ולכן זה לא יכול לספק funcהדמיה, הדורשת תאורה גל רב. עבור הדמיה תפקודית, PLD עם יכולות גל תאורה רב נדרש. אנרגיה נמוכה פולסים PLD להגביל את עומק הדמיה. עם זאת, באמצעות סוכן ניגוד אקסוגני, ניתן לשפר את עומק הדמיה של מערכת PLD-PAT. בדרך כלל, קרן לייזר PLD אינו אחיד, כך מפזר אופטי מתאים ניתן להשתמש מול החלון לייזר כדי לשפר את איכות התמונה. ודא כי מרכז קרן הלייזר ואת מרכז אזור ההדמיה חופפים. בעת סריקת UST סביב המוח, להבטיח כי UST תמיד פונה למרכז סריקה. בעת יישום הפרוטוקול, יש להקפיד על טיפול נוסף: (א) כמות קוקטייל ההרדמה צריכה להינתן על פי משקלו של בעל החיים; (ב) הזרקת ההרדמה חייבת להיות מדויקת כך שהאברים ( למשל, שלפוחית ​​השתן, המעי והכליות) אינם מושפעים; (ג) במהלך cl שיערIpping, להבטיח כי הקרקפת של החיה לא שרוט; (ד) לחץ מיכל המים על החיה חייב להיות מינימלי ככל האפשר; ו (ה) בעת מיקום החיה מתחת לסורק, ודא כי המטוס הדמיה חתך רוחב של המוח הוא במרכז של UST. יישומים עתידיים של המערכת כוללים הדמיה גידול במוח, הדמיה איברים שונים בעלי חיים קטנים, הדמיה במהירות גבוהה פחות מ 5 s, חקירת biomaterials עבור סוכני ניגוד, ויישומים טיפול. ייתכן שיהיה צורך בפתרון בעיות אם איכות התמונה נמוכה. בטיחות לייזר עבור בעלי חיים קטנים הדמיה vivo מגבלת החשיפה המקסימלית המותרת (MPE) לעור תלויה במספר פרמטרים, כגון אורך גל עירור, רוחב הדופק, זמן החשיפה, תאורת שטח וכו &#39; . גבולות MPE עבור הדמיה vivo נשלטים על ידי תקן לאומי אמריקאי(ANSI) 32 . בטווח גל של 700 עד 1,050 ננומטר, צפיפות האנרגיה על העור הנשלחת על ידי דופק יחיד צריכה להיות נמוכה מ -20 x 10 2 (λ-700) / 1,000 mJ / cm 2 (λ: אורך גל עירור בננומטר). עבור 803 ננומטר PLD אורך גל, את הגבול הוא ~ 31 mJ / cm 2 . אם הלייזר משמש ברציפות במשך תקופה של t = 5 s, אזי MPE הופך ל 1.1 x 10 2 (λ-700) / 1000 × t 0.25 J / cm 2 (= 2.6 J / cm 2 ). בניסוי זה, PLD הופעל ב 7,000 הרץ. במהלך 5 שניות של סריקת זמן, סך של 35,000 (5 × 7,000) פולסים נמסרו למדגם, כך לפי הדופק, MPE היה 0.07 mJ / cm 2 . במערכת הדמיה המתוארת, PLD מספק פולסים עם אנרגיה ב ~ 1.05 mJ לכל הדופק, ואת קרן הלייזר הורחב על שטח 12.6 ס&quot;מ ~. לפיכך, צפיפות האנרגיה בלייזר היה ~ 0.08 mJ / cm 2 באזור המוח. מגבלת בטיחות לייזר ANSI של מערכת PAT יכול להיות chעל ידי הפחתת קרן הלייזר, או על ידי הפחתת קצב החזרה של הדופק.

<html> Photocoustic טומוגרפיה (PAT) הוא מודול הדמיה היברידית כי יש יישומים רבים בשני מחקרים קליניים ופרה קליניים 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . ב PAT, פולסים לייזר nanosecond להקרין רקמה ביולוגית. הקליטה של ​​אור האירוע על ידי chromophores רקמות מוביל לעלייה הטמפרטורה המקומית, אשר לאחר מכן מניב גלי הלחץ הנפלטת בצורה של גלי קול. גלאי אולטרסאונד אוספת את האותות הפוטאקוסטיים במיקומים שונים סביב המדגם. האותות הפוטאקוסטיים (PA) משוחזרים באמצעות אלגוריתמים שונים (כגון אלגוריתם עיכוב וסכום) כדי ליצור את התמונה הפוטאקוסטית. זה מודול הדמיה היברידית מציעה ברזולוציה גבוהה, הדמיה עמוקה של רקמות וקליטה אופטי גבוהה 7 ,Class = &quot;xref&quot;&gt; 8. לאחרונה, עומק הדמיה של ~ 12 ס&quot;מ הושג ברקמת חזה עוף בעזרת אורך גל ארוך יותר (~ 1,064 ננומטר) וסוכן ניגוד אקסוגני שנקרא phosphorus phthalocyanine. זה רגישות עומק הוא הרבה יותר גבוה מאשר רגישות עומק של שיטות אופטיות אחרות, כגון מיקרוסקופ פלואורסצנטי confocal, מיקרוסקופ פלואורסצנטי שני פוטון, 10 טומוגרפיה קוהרנטיות אופטית, 11 וכו &#39; באמצעות גל אחד או יותר, PAT יכול להדגים שינויים מבניים ותפקודיים באיברים . עבור מחלות רבות של בני אדם, מודלים בעלי חיים קטנים היו מבוססים היטב 12 , 13 , 14 , 15 . עבור הדמיה של בעלי חיים קטנים, כמה מודלים הוכיחו. מתוך כל אלה גישות, הדמיה הרשות הפלשתינית זכה תשומת לב די מהר בשל היתרונות שהוזכרו לעיל. הרשות הפלסטיניתT הראו את הפוטנציאל שלה הדמיה כלי הדם ברקמות ואיברים ( כלומר, הלב, הריאות, הכבד, העיניים, הטחול, המוח, העור, חוט השדרה, הכליות, וכו &#39; ) של בעלי חיים קטנים 4 , 16 , 17 , 18 . PAT היא שיטה מבוססת היטב עבור הדמיה מוחית קטנה במוח. גלי PA מיוצרים בשל ספיגת האור על ידי chromophores, כך מרובה אורך גל PAT מאפשר מיפוי של ריכוז המוגלובין הכולל (HbT) ורוויון החמצן (SO 2 ) 19 , 20 , 21 , 22 . המוח הדמיה neurovascular הושג בעזרת סוכני בניגוד אקסוגני 12 , 23 , 24 . שיטת PA יכולה לעזור לתת הבנה טובה יותר של בריאות המוח על ידימתן מידע ברמה המולקולרית והגנטית. עבור הדמיה חיה קטנה, ND: YAG / לייזרים OPO נמצאים בשימוש נרחב מקורות PAT עירור. לייזרים אלה מספקים ~ 5 ns ליד פולסים אינפרא אדום עם אנרגיה (~ 100 mJ בחלון פלט OPO) ב ~ 10-Hz שיעור חזרות 25 . מערכת ה- PA המצוידת בלייזרים מסוג זה היא יקרה וגדולה ומאפשרת הדמיה במהירות נמוכה עם מתחי אולטראסאונד חד-רכיביים (UST) בשל שיעור החזרה הנמוך של מקור הלייזר. A טיפוסית רכישת קו זמן במערכות PA כזה הוא ~ 5 דקות לכל חתך 25 . מערכת הדמיה עם זמן מדידה ארוך כזה אינה אידיאלית להדמיה של בעלי חיים קטנים, מכיוון שקשה לשלוט על הפרמטרים הפיזיולוגיים עבור הדמיה של הגוף כולו, הדמיה פונקציונלית של זמן, וכו &#39;. על ידי אימוץ מספר רב של אלמנטים בודדים מסוג UST, מערך מבוססי USTs, או לייזר חזרות שיעור גבוה, ניתן להגדיל את מהירות הדמיה של הרשותמערכות. שימוש רק אחד UST אלמנט אחד לאסוף את כל האותות PA סביב המדגם יגביל את מהירות הדמיה של המערכת. מספר רב של אלמנטים בודדים מסודרים בגיאומטריה מעגלית או חצי עגולה מודגמים בטכניקות הדמיה מהירות, רגישות. USTs 26 , כגון מערכים ליניאריים, חצי עגולים, מעגליים, ונפחיים, שימשו בהצלחה עבור הדמיה בזמן אמת 1 . אלה מבוססי מערך USTs יגדיל את מהירות הדמיה ולהפחית את רגישות המדידה, אבל הם יקרים. עם זאת, מהירות הדמיה של מערכות PA המשתמשות במערך מבוסס USTs עדיין מוגבל על ידי שיעור החזרה של הלייזר. טכנולוגיית Pulsed-Laser התקדמה כדי ליצור דיודות לייזר חוזרות בעלות חוזק גבוה (PLD). 7,000 מסגרות / s B- סריקה photacoustic הדמיה הודגם עם PLDs באמצעות אולטרסאונד קליני פלטפורמה 27 . אלה PLDs יכול לשפר את מהירות הדמיה של הE מערכת PAT, אפילו עם אלמנט בודד UST עגול סריקה הגיאומטריה. USTs חד-רכיביים הם פחות יקרים ורגישים מאוד, בניגוד ל- USTs מבוססי מערך. במהלך העשור האחרון, מחקר קטן דווח על שימוש של PLDs שיעור החזרה גבוה כמקור עירור הדמיה הרשות. סיבים מבוססי אינפרא אדום PLD הוכח עבור הדמיה PA של רפאים 28 . ב vivo הדמיה של כלי דם בעומק ~ 1 מ&quot;מ מתחת לעור האדם הוכח באמצעות אנרגיה נמוכה PLDs 29 . PLD מבוסס אופטי רזולוציה מיקרוסקופ photacoustic (ORPAM) דווח. באמצעות PLDs, ~ 1.5 ס&quot;מ הדמיה עמוקה בקצב מסגרת של 0.43 הרץ הודגם 30 . לאחרונה, מערכת PLD-PAT דווח כי סיפקה תמונות קצר כמו ~ 3 s ו ~ ~ 2 ס&quot;מ עומק הדמיה ברקמות ביולוגיות 25 , 31 . מחקר זה הוכיח כי עלות נמוכה, מערכת קומפקטית יכולה לספק גבוהה quaתמונות, אפילו במהירויות גבוהות. ניתן להשתמש במערכת PLD-PAT עבור הדמיה פוטו-אקוסטית גבוהה, הדמיה של כלי דם מופרעים, הדמיה משותפת של אצבע, הדמיה של רקמה בעובי 2 ס&quot;מ, הדמיה מוחית קטנה, וכו &#39; . אורך הגל היחיד דופק פולסים אנרגיה נמוכה מ PLD להגביל את היישום שלה רב הדמיה ספקטרלית עמוק הדמיה. ניסויים בוצעו על בעלי חיים קטנים באמצעות אותה PLD-PAT המערכת המשמשת יישומים פרה קליניים. מטרת עבודה זו היא לספק את ההדגמה ניסיוני visualized של מערכת PLD-PAT עבור in vivo 2D חתך המוח הדמיה של בעלי חיים קטנים.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1212">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:243px;">Pulsed laser diode</td>
			<td style="width:195px;">Quantel, France</td>
			<td style="width:327px;">QD-Q1910-SA-TEC</td>
			<td style="width:449px;">It is the excitation laser source with specifications 803 nm, 1.4mJ per pulse, 136 ns pulse, 7kHz maximum, dimentions : 11.0 x 6.0 x 3.6 cm, weight: ~150 gm</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;">Stepper motor with gearbox</td>
			<td style="width:195px;">LIN Engineering (Servo Dynamics)</td>
			<td style="width:327px;">Motor: CO-5718-01P, Gearbox: DPL64/1, I = 10 for NEMA 23; power supply PW100-48</td>
			<td style="width:449px;">To move the detector holder in a circular geometry. Torque: 2.08 N-m, Rotor inertia: 2.6 kg-cm2</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;">Ultrasonic pulser/receiver</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>5072PR</td>
			<td style="width:449px;">To receive, filter and ampligy the PA signal from UST. Its bandwidth is 35MHz, and gain is &#177;59 dB.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;">Ultrasound Transducer</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>V306-SU-NK-CF1.9IN/Q4200069</td>
			<td style="width:449px;">Ultrasonic sensors used for photoacoustic detection. Central freqency 2.25 MHz, 0.5 in, Cylindrical focus 1.9 inch</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;">PCIe DAQ (Data acquisition) Card</td>
			<td>GaGe</td>
			<td>CSE4227/ A6000610/B0E00610</td>
			<td style="width:449px;">12 bit, 100 Ms/s, 2 channels, 1 Gs on board memory, PCIe x16 interface</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:243px;">Rats</td>
			<td>In Vivos Pte Ltd, Singapore</td>
			<td style="width:327px;">NTac:SD, Sprague Dawley / SD</td>
			<td>Female, weight 100&#177;10g</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:243px;">Acrylic water tank </td>
			<td style="width:195px;">NTU workshop</td>
			<td style="width:327px;">Custom-made</td>
			<td style="width:449px;">It contains the water that acts as an acoustic coupling medium between brain and detector</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:243px;">Circular Scanner </td>
			<td style="width:195px;">NTU workshop</td>
			<td style="width:327px;">Custom-made</td>
			<td>Scanner is made out of Alluminum </td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:243px;">Anesthetic Machine</td>
			<td>medical plus pte ltd</td>
			<td style="width:327px;">Non-Rebreathing Anaesthesia machine with oxygen concentrator.</td>
			<td>Supplies oxygen and isoflurane to animal</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:243px;">Pulse Oxymeter portable</td>
			<td>Medtronic</td>
			<td style="width:327px;">PM10N with veterinary sensor</td>
			<td>Monitors the pulse oxymetry of the animal</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;">Ultrasound gel</td>
			<td style="width:195px;">Progress/parker acquasonic gel</td>
			<td>PA-GEL-CLEA-5000</td>
			<td>Clear ultrasound gel</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:243px;">Data acqusison software</td>
			<td style="width:195px;">National Instruments Corporation,Austin,TX,USA)</td>
			<td style="width:327px;">NI LabVIEW 2015 SP1</td>
			<td style="width:449px;">LabVIEW based program was developed in our laboratory for controlling the stepper motor and acquring the PA singnals from the detector</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:243px;">Data processing software</td>
			<td style="width:195px;">Matlab (Mathworks, Natick, MA, USA)</td>
			<td style="width:327px;">Matlab R2012b</td>
			<td style="width:449px;">Matlab code for reconstruction of PA images was developed in our lab</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Temperature controller </td>
			<td>LaridTech, MO,USA</td>
			<td>MTTC1410</td>
			<td>It will constantly control temperature of the PLD </td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">12 V power supply </td>
			<td>Voltcraft </td>
			<td style="width:327px;">PPS-11810</td>
			<td>To supply operating voltage for PLD</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Variable power supply </td>
			<td>BASETech</td>
			<td>BT-153</td>
			<td>To change the laser output power</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:243px;">Funtion generator </td>
			<td style="width:195px;">Funktionsgenerator</td>
			<td>FG250D</td>
			<td style="width:449px;">To change the repetetion rate of the PLD. It will provide TTL signal to synchronize the DAQ with the laser excitation.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:243px;">Animal distributor</td>
			<td style="width:195px;">In Vivos Pte Ltd, Singapore</td>
			<td style="width:327px;"></td>
			<td>Animal distributor that supplies small animals for research purpose.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:243px;">Animal holder</td>
			<td style="width:195px;">NTU workshop</td>
			<td style="width:327px;">Custom-made</td>
			<td>Used for holding the animal on its abdomen</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:243px;">Breathing mask</td>
			<td style="width:195px;">NTU workshop</td>
			<td style="width:327px;">Custom-made</td>
			<td>Used along with animal holder to supply anesthesia mixture to the animal</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:243px;">Pentobarbital sodium</td>
			<td style="width:195px;">Valabarb</td>
			<td style="width:327px;"></td>
			<td>Used for euthanizing the animal after the expeirment.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:243px;">Optical diffuser</td>
			<td style="width:195px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:327px;">DG10-1500</td>
			<td>Used to to make the laser beam homogeneous</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a high-performance compact photoacoustic tomography system for in vivo small-animal brain imaging

ב vivo הדמיה חיה קטנה יש תפקיד חשוב לשחק מחקרים פרה קליניים. Photacoustic טומוגרפיה (PAT) הוא המתעוררים הדגמה היברידית מודליזציה אשר מראה פוטנציאל גדול עבור יישומים פרה קליניים והן קליניים. קונבנציונאלי אופטיים פרמטרית מתנד מבוססי PAT (OPO-PAT) מערכות הם מגושם ויקר ולא יכול לספק הדמיה במהירות גבוהה. לאחרונה, דיודות לייזר פועמות (PLD) הוכחו בהצלחה כמקור עירור חלופי ל- PAT. פולס לייזר דיודה PAT (PLD-PAT) הוכח בהצלחה עבור הדמיה במהירות גבוהה על רוחות רפאים photacoustic ורקמות ביולוגיות. עבודה זו מספקת פרוטוקול ניסיוני visualized עבור הדמיה מוח vivo באמצעות PLD-PAT. הפרוטוקול כולל את תצורת מערכת PLD-PAT קומפקטית ואת התיאור שלה, הכנה לבעלי חיים הדמיה מוחית, הליך ניסיוני טיפוסי עבור הדמיה דו קוטבית חתך דו מימדי המוח. מערכת PLD-PAT היא קומפקטית עלות efFective והוא יכול לספק במהירות גבוהה, באיכות גבוהה הדמיה. תמונות המוח שנאספו in vivo במהירויות סריקה שונות מוצגים.

את in vivo המוח הדמיה תוצאות המדגימות את היכולות של המתואר PLD-PAT המערכת הם showcased בסעיף זה. כדי להדגים את יכולות הדמיה במהירות גבוהה של מערכת PLD-PAT, הדמיה מוחית של vivo של שני חולדות בריאים שונים בוצעה. איור 2 מציג את תמונות המוח של חולדה נקבה (93 גרם) במהירויות סריקה שונות. איור 2a ו- b להראות את התמונות של המוח חולדה לפני ואחרי הסרת הקרקפת על אזור המוח. PAT הדמיה נעשה לא פולשני ( כלומר, עם העור ואת הגולגולת שלם). אותות PA של חתך המוח נאספו על ידי סיבוב מעגלי של UST במשך 5 s, 10 s, 20 s ו- 30 s. איור 2 ג - הצג את התמונות חתך משוחזר PAT של המוח חולדה, שהושגו 5 s, 10 s, 20 s, ו 30 שניות סריקה פעמים. בכל התמונות האלה במוח,<html> סינוס רוחבי (TS), סינוס sagittal מעולה (SS), ורידים מוחיים (CV), כולל סניפים, נראים בבירור. תכונות אלה מסומנות על התמונה המוצגת באיור 2f . תוצאות אלה מבטיחות כי המערכת יכולה לספק באיכות גבוהה תמונות vivo , אפילו במהירויות סריקה גבוהה. <img alt="איור 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55811/55811fig2.jpg" /> איור 2: לא פולשני ב Vivo PLD-PAT תמונות. פולשניות PLD-PAT תמונות של כלי הדם במוח 93 גרם חולדה נקבה. צילום של המוח חולדה לפני ( א ) ואחרי ( ב ) הסרת הקרקפת. בתמונות במוח vivo בזמני סריקה שונים: ( c ) 5 s, ( d ) 10 s, ( e ) 20 s, ו- ( f ) 30 s. SS: סינוס sagittal, TS: סינוס רוחבי, ו- CV: ורידים מוחיים.<html> / Ftp_upload / 55811 / 55811fig2large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו. ניסוי הדמיה דומה בוצע על חולדה נקבה אחרת (95 גרם), ותמונות המוח המקביל שהושג 5 s, 10 s, 20 s, ו -30 s מוצגים בתרשים 3 . <img alt="איור 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55811/55811fig3.jpg" /> איור 3 : לא פולשני ב Vivo PLD-PAT תמונות. פולשניות PLD-PAT תמונות של כלי הדם במוח חולדה 95 גרם נקבה. צילום של המוח חולדה לפני ( א ) ואחרי ( ב ) הסרת הקרקפת. בתמונות במוח vivo בזמני סריקה שונים: ( c ) 5 s, ( d ) 10 s, ( e ) 20 s, ו- ( f ) 30 s.Rce.jove.com/files/ftp_upload/55811/55811fig3large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

Watch this Scientific Journal Video about A High-performance Compact Photoacoustic Tomography System for In Vivo Small-animal Brain Imaging at JoVE.com

A High-performance Compact Photoacoustic Tomography System for In Vivo Small-animal Brain Imaging

מערכת קומפקטית המבוססת על דיודות פולוקוסטיות (PLD-PAT) המבוססת על דיודות פולס-קומפקטיות עבור הדמיה מהירה במוח בחיות קטנות מופגנת.

קומפקטית קומפקטית טומוגרפיה מערכת עבור<em&gt; בויבו</em&gt; הדמיה מוחית קטנה של המוח

In vivo small-animal imaging has an important role to play in preclinical studies. Photoacoustic tomography (PAT) is an emerging hybrid imaging modality ...

a-high-performance-compact-photoacoustic-tomography-system-for-vivo

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

A High-performance Compact Photoacoustic Tomography System for In Vivo Small-animal Brain Imaging

10.4K Views.  Nanyang Technological University.  מערכת קומפקטית המבוססת על דיודות פולוקוסטיות (PLD-PAT) המבוססת על דיודות פולס-קומפקטיות עבור הדמיה מהירה במוח בחיות קטנות מופגנת. 

Video: A High-performance Compact Photoacoustic Tomography System for In Vivo Small-animal Brain Imaging

Three-dimensional Optical-resolution Photoacoustic Microscopy

Optical microscopy, providing valuable insights at the cellular and organelle levels, has been widely recognized as an enabling biomedical technology. As the mainstays of in vivo three-dimensional (3-D) optical microscopy, single-/multi-photon fluorescence microscopy and optical coherence tomography (OCT) have demonstrated their extraordinary sensitivities to fluorescence and optical scattering contrasts, respectively. However, the optical absorption contrast of biological tissues, which encodes essential physiological/pathological information, has not yet been assessable. 
The emergence of biomedical photoacoustics has led to a new branch of optical microscopy optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM)1, where the optical irradiation is focused to the diffraction limit to achieve cellular1 or even subcellular2 level lateral resolution. As a valuable complement to existing optical microscopy technologies, OR-PAM brings in at least two novelties. First and most importantly, OR-PAM detects optical absorption contrasts with extraordinary sensitivity (i.e., 100%). Combining OR-PAM with fluorescence microscopy3 or with optical-scattering-based OCT4 (or with both) provides comprehensive optical properties of biological tissues. Second, OR-PAM encodes optical absorption into acoustic waves, in contrast to the pure optical processes in fluorescence microscopy and OCT, and provides background-free detection. The acoustic detection in OR-PAM mitigates the impacts of optical scattering on signal degradation and naturally eliminates possible interferences (i.e., crosstalks) between excitation and detection, which is a common problem in fluorescence microscopy due to the overlap between the excitation and fluorescence spectra. 
Unique for optical absorption imaging, OR-PAM has demonstrated broad biomedical applications since its invention, including, but not limited to, neurology5, 6, ophthalmology7, 8, vascular biology9, and dermatology10. In this video, we teach the system configuration and alignment of OR-PAM as well as the experimental procedures for in vivo functional microvascular imaging.

Optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM) is an emerging technology capable of imaging optical absorption contrasts in vivo with cellular resolution and sensitivity. Here, we provide a visualized instruction on the experimental protocols of OR-PAM, including system configuration, system alignment, typical in vivo experimental procedures, and functional imaging schemes.

תלת ממדית ברזולוציה אופטית photoacoustic מיקרוסקופית

Optical microscopy, providing valuable insights at the cellular and organelle levels, has been widely recognized as an enabling biomedical technology. As ...

Viral Nanoparticles for In vivo Tumor Imaging

The use of nanomaterials has the potential to revolutionize materials science and medicine. Currently, a number of different nanoparticles are being investigated for applications in imaging and therapy. Viral nanoparticles (VNPs) derived from plants can be regarded as self-assembled bionanomaterials with defined sizes and shapes. Plant viruses under investigation in the Steinmetz lab include icosahedral particles formed by Cowpea mosaic virus (CPMV) and Brome mosaic virus (BMV), both of which are 30 nm in diameter. We are also developing rod-shaped and filamentous structures derived from the following plant viruses: Tobacco mosaic virus (TMV), which forms rigid rods with dimensions of 300 nm by 18 nm, and Potato virus X (PVX), which form filamentous particles 515 nm in length and 13 nm in width (the reader is referred to refs. 1 and 2 for further information on VNPs).
From a materials scientist's point of view, VNPs are attractive building blocks for several reasons: the particles are monodisperse, can be produced with ease on large scale in planta, are exceptionally stable, and biocompatible. Also, VNPs are "programmable" units, which can be specifically engineered using genetic modification or chemical bioconjugation methods 3. The structure of VNPs is known to atomic resolution, and modifications can be carried out with spatial precision at the atomic level4, a level of control that cannot be achieved using synthetic nanomaterials with current state-of-the-art technologies.
In this paper, we describe the propagation of CPMV, PVX, TMV, and BMV in Vigna ungiuculata and Nicotiana benthamiana plants. Extraction and purification protocols for each VNP are given. Methods for characterization of purified and chemically-labeled VNPs are described. In this study, we focus on chemical labeling of VNPs with fluorophores (e.g. Alexa Fluor 647) and polyethylene glycol (PEG). The dyes facilitate tracking and detection of the VNPs 5-10, and PEG reduces immunogenicity of the proteinaceous nanoparticles while enhancing their pharmacokinetics 8,11. We demonstrate tumor homing of PEGylated VNPs using a mouse xenograft tumor model. A combination of fluorescence imaging of tissues ex vivo using Maestro Imaging System, fluorescence quantification in homogenized tissues, and confocal microscopy is used to study biodistribution. VNPs are cleared via the reticuloendothelial system (RES); tumor homing is achieved passively via the enhanced permeability and retention (EPR) effect12. The VNP nanotechnology is a powerful plug-and-play technology to image and treat sites of disease in vivo. We are further developing VNPs to carry drug cargos and clinically-relevant imaging moieties, as well as tissue-specific ligands to target molecular receptors overexpressed in cancer and cardiovascular disease.

Viral Nanoparticles for In vivo Tumor Imaging

Plant viral nanoparticles (VNPs) are promising platforms for applications in biomedicine. Here, we describe the procedures for plant VNP propagation, purification, characterization, and bioconjugation. Finally, we show the application of VNPs for tumor homing and imaging using a mouse xenograft model and fluorescence imaging.

חלקיקים נגיפיים עבור<em&gt; בחי</em&gt; הדמית גידול

The use of nanomaterials has the potential to revolutionize materials science and medicine. Currently, a number of different nanoparticles are being ...

Integrated Photoacoustic Ophthalmoscopy and Spectral-domain Optical Coherence Tomography

Both the clinical diagnosis and fundamental investigation of major ocular diseases greatly benefit from various non-invasive ophthalmic imaging technologies. Existing retinal imaging modalities, such as fundus photography1, confocal scanning laser ophthalmoscopy (cSLO)2, and optical coherence tomography (OCT)3, have significant contributions in monitoring disease onsets and progressions, and developing new therapeutic strategies. However, they predominantly rely on the back-reflected photons from the retina. As a consequence, the optical absorption properties of the retina, which are usually strongly associated with retinal pathophysiology status, are inaccessible by the traditional imaging technologies.
Photoacoustic ophthalmoscopy (PAOM) is an emerging retinal imaging modality that permits the detection of the optical absorption contrasts in the eye with a high sensitivity4-7 . In PAOM nanosecond laser pulses are delivered through the pupil and scanned across the posterior eye to induce photoacoustic (PA) signals, which are detected by an unfocused ultrasonic transducer attached to the eyelid. Because of the strong optical absorption of hemoglobin and melanin, PAOM is capable of non-invasively imaging the retinal and choroidal vasculatures, and the retinal pigment epithelium (RPE) melanin at high contrasts 6,7. More importantly, based on the well-developed spectroscopic photoacoustic imaging5,8 , PAOM has the potential to map the hemoglobin oxygen saturation in retinal vessels, which can be critical in studying the physiology and pathology of several blinding diseases 9 such as diabetic retinopathy and neovascular age-related macular degeneration.
Moreover, being the only existing optical-absorption-based ophthalmic imaging modality, PAOM can be integrated with well-established clinical ophthalmic imaging techniques to achieve more comprehensive anatomic and functional evaluations of the eye based on multiple optical contrasts6,10 . In this work, we integrate PAOM and spectral-domain OCT (SD-OCT) for simultaneously in vivo retinal imaging of rat, where both optical absorption and scattering properties of the retina are revealed. The system configuration, system alignment and imaging acquisition are presented.

Photoacoustic ophthalmology (PAOM), an optical-absorption-based imaging modality, provides the complementary evaluation of the retina to the currently available ophthalmic imaging technologies. We report the using of PAOM integrated with spectral-domain optical coherence tomography (SD-OCT) for simultaneous multimodal retinal imaging in rats.

Ophthalmoscopy photoacoustic משולב וטומוגרפיה אופטית קוהרנטיות Spectral-תחום

Both the clinical diagnosis and fundamental investigation of major ocular diseases greatly benefit from various non-invasive ophthalmic imaging ...

Anatomical Reconstructions of the Human Cardiac Venous System using Contrast-computed Tomography of Perfusion-fixed Specimens

A detailed understanding of the complexity and relative variability within the human cardiac venous system is crucial for the development of cardiac devices that require access to these vessels. For example, cardiac venous anatomy is known to be one of the key limitations for the proper delivery of cardiac resynchronization therapy (CRT)1 Therefore, the development of a database of anatomical parameters for human cardiac venous systems can aid in the design of CRT delivery devices to overcome such a limitation. In this research project, the anatomical parameters were obtained from 3D reconstructions of the venous system using contrast-computed tomography (CT) imaging and modeling software (Materialise, Leuven, Belgium). The following parameters were assessed for each vein: arc length, tortuousity, branching angle, distance to the coronary sinus ostium, and vessel diameter.
	CRT is a potential treatment for patients with electromechanical dyssynchrony. Approximately 10-20% of heart failure patients may benefit from CRT2. Electromechanical dyssynchrony implies that parts of the myocardium activate and contract earlier or later than the normal conduction pathway of the heart. In CRT, dyssynchronous areas of the myocardium are treated with electrical stimulation. CRT pacing typically involves pacing leads that stimulate the right atrium (RA), right ventricle (RV), and left ventricle (LV) to produce more resynchronized rhythms. The LV lead is typically implanted within a cardiac vein, with the aim to overlay it within the site of latest myocardial activation. 
	We believe that the models obtained and the analyses thereof will promote the anatomical education for patients, students, clinicians, and medical device designers. The methodologies employed here can also be utilized to study other anatomical features of our human heart specimens, such as the coronary arteries. To further encourage the educational value of this research, we have shared the venous models on our free access website: <a href="http://www.vhlab.umn.edu/atlas" target="_blank">www.vhlab.umn.edu/atlas</a>.

The objective of this research is to recreate and then access the anatomy of the human cardiac venous system using 3D reconstructions generated from contrast-computed tomography scans.

שחזורים אנטומיים של מערכת ורידי לב האנושית באמצעות ניגודיות, טומוגרפיה ממוחשבת של דגימות זלוף-קבועות

A detailed  understanding of the complexity and relative variability within the human  cardiac venous system is crucial for the development of cardiac ...

The Arteriovenous (AV) Loop in a Small Animal Model to Study Angiogenesis and Vascularized Tissue Engineering

A functional blood vessel network is a prerequisite for the survival and growth of almost all tissues and organs in the human body. Moreover, in pathological situations such as cancer, vascularization plays a leading role in disease progression. Consequently, there is a strong need for a standardized and well-characterized in vivo model in order to elucidate the mechanisms of neovascularization and develop different vascularization approaches for tissue engineering and regenerative medicine.
We describe a microsurgical approach for a small animal model for induction of a vascular axis consisting of a vein and artery that are anastomosed to an arteriovenous (AV) loop. The AV loop is transferred to an enclosed implantation chamber to create an isolated microenvironment in vivo, which is connected to the living organism only by means of the vascular axis. Using 3D imaging (MRI, micro-CT) and immunohistology, the growing vasculature can be visualized over time. By implanting different cells, growth factors and matrices, their function in blood vessel network formation can be analyzed without any disturbing influences from the surroundings in a well controllable environment. 
In addition to angiogenesis and antiangiogenesis studies, the AV loop model is also perfectly suited for engineering vascularized tissues. After a certain prevascularization time, the generated tissues can be transplanted into the defect site and microsurgically connected to the local vessels, thereby ensuring immediate blood supply and integration of the engineered tissue. By varying the matrices, cells, growth factors and chamber architecture, it is possible to generate various tissues, which can then be tailored to the individual patient's needs.

The Arteriovenous AV Loop in a Small Animal Model to Study Angiogenesis and Vascularized Tissue Engineering

We describe a microsurgical approach for the generation of an arteriovenous (AV) loop as a model for analyzing vascularization in vivo in an isolated and well-characterized environment. This model is not only useful for the investigation of angiogenesis, but is also optimally suited for engineering axially vascularized and transplantable tissues.

Arteriovenous (AV) Loop במודל בעלי חיים קטנים לחקר אנגיוגנזה והנדסת רקמות כלי דם

A functional blood vessel network is a prerequisite for the survival and growth of almost all tissues and organs in the human body. Moreover, in ...

Switchable Acoustic and Optical Resolution Photoacoustic Microscopy for In Vivo Small-animal Blood Vasculature Imaging

Photoacoustic microscopy (PAM) is a fast-growing invivo imaging modality that combines both optics and ultrasound, providing penetration beyond the optical mean free path (~1 mm in skin) with high resolution. By combining optical absorption contrast with the high spatial resolution of ultrasound in a single modality, this technique can penetrate deep tissues. Photoacoustic microscopy systems can have either a low acoustic resolution and probe deeply or a high optical resolution and probe shallowly. It is challenging to achieve high spatial resolution and large depth penetration with a single system. This work presents an AR-OR-PAM system capable of both high-resolution imaging at shallow depths and low-resolution deep-tissue imaging of the same sample in vivo. A lateral resolution of 4 &#181;m with 1.4 mm imaging depth using optical focusing and a lateral resolution of 45 &#181;m with 7.8 mm imaging depth using acoustic focusing were successfully demonstrated using the combined system. Here,&#160;in vivo&#160;small-animal blood vasculature imaging is performed to demonstrate its biological imaging capability.

Switchable Acoustic and Optical Resolution Photoacoustic Microscopy for In Vivo Small-animal Blood Vasculature Imaging

Here a switchable acoustic resolution (AR) and optical resolution (OR) photoacoustic microscopy (AR-OR-PAM) system capable of both high resolution imaging at shallow depth and low resolution deep tissue imaging on the same sample in vivo is demonstrated.

רזולוציה אקוסטית ואופטית למיקרוסקופיה פוטוקוסטית עבור<em&gt; בויבו</em&gt; בעלי חיים קטנים דם Vasculature הדמיה

Photoacoustic microscopy (PAM) is a fast-growing invivo imaging modality that combines both optics and ultrasound, providing penetration beyond the ...

Proper Positioning and Restraint of a Rat Hind Limb for Focused High Resolution Imaging of Bone Micro-architecture Using In Vivo Micro-computed Tomography

The use of in vivo micro-computed tomography (&#181;CT) is a powerful tool which involves the non-destructive imaging of internal structures at high resolutions in live animal models. This allows for repeated imaging of the same rodent over time. This feature not only reduces the total number of rodents required in an experimental design and thereby reduces the inter-subject variation that can arise, but also allows researchers to assess longitudinal or life-long responses to an intervention. To acquire high quality images that can be processed and analyzed to more accurately quantify outcomes of bone micro-architecture, users of in vivo &#181;CT scanners must properly anesthetize the rat, and position and restrain the hind limb. To do this, it is imperative that the rat be anesthetized to a level of complete relaxation, and that pedal reflexes are lost. These guidelines may be modified for each individual rat, as the rate of isoflurane metabolism can vary depending on strain and body size. Proper technique for in vivo &#181;CT image acquisition enables accurate and consistent measurement of bone micro-architecture within and across studies.

Proper Positioning and Restraint of a Rat Hind Limb for Focused High Resolution Imaging of Bone Micro-architecture Using In Vivo Micro-computed Tomography

This paper instructs users of in vivo micro-computed tomography (&#181;CT) scanners how to anesthetize, correctly position and restrain the hind limb of a rat for minimal movement during high-resolution imaging of the tibia. The result is high quality images that can be processed to accurately quantify bone micro-architecture.

מיקום מתאים ואיפוק של איבר הינד עכברוש עבור הדמיה ברזולוציה גבוהה ממוקד של עצם באמצעות מיקרו-ארכיטקטורה In Vivo שחושב מיקרו טומוגרפיה

The use of in vivo micro-computed tomography (&#181;CT) is a powerful tool which involves the non-destructive imaging of internal structures at high ...

Hand-held Clinical Photoacoustic Imaging System for Real-time Non-invasive Small Animal Imaging

Translation of photoacoustic imaging into the clinic is a major challenge. Handheld real-time clinical photoacoustic imaging systems are very rare. Here, we report a combined photoacoustic and clinical ultrasound imaging system by integrating an ultrasound probe with light delivery for small animal imaging. We demonstrate this by showing sentinel lymph node imaging in small animals along with minimally invasive real-time needle guidance. A clinical ultrasound platform with access to raw channel data allows the integration of photoacoustic imaging leading to a handheld real-time clinical photoacoustic imaging system. Methylene blue was used for sentinel lymph node imaging at 675 nm wavelength. Additionally, needle guidance with dual modal ultrasound and photoacoustic imaging was shown using the imaging system. Depth imaging of up to 1.5 cm was demonstrated with a 10 Hz laser at a photoacoustic imaging frame rate of 5 frames per second.

A clinical handheld photoacoustic imaging system will be demonstrated for real-time non-invasive small animal imaging.

כף יד Photoacoustic קליניים מערכת הדמיה עבור בזמן אמת לא פולשנית הדמיה בעלי חיים קטנים

Translation of photoacoustic imaging into the clinic is a major challenge. Handheld real-time clinical photoacoustic imaging systems are very rare. Here, ...

Rigid Embedding of Fixed and Stained, Whole, Millimeter-Scale Specimens for Section-free 3D Histology by Micro-Computed Tomography

For over a hundred years, the histological study of tissues has been the gold standard for medical diagnosis because histology allows all cell types in every tissue to be identified and characterized. Our laboratory is actively working to make technological advances in X-ray micro-computed tomography (micro-CT) that will bring the diagnostic power of histology to the study of full tissue volumes at cellular resolution (i.e., an X-ray Histo-tomography modality). Toward this end, we have made targeted improvements to the sample preparation pipeline. One key optimization, and the focus of the present work, is a straightforward method for rigid embedding of fixed and stained millimeter-scale samples. Many of the published methods for sample immobilization and correlative micro-CT imaging rely on placing the samples in paraffin wax, agarose, or liquids such as alcohol. Our approach extends this work with custom procedures and the design of a 3-dimensional printable apparatus to embed the samples in an acrylic resin directly into polyimide tubing, which is relatively transparent to X-rays. Herein, sample preparation procedures are described for the samples from 0.5 to 10 mm in diameter, which would be suitable for whole zebrafish larvae and juveniles, or other animals and tissue samples of similar dimensions. As proof of concept, we have embedded the specimens from Danio, Drosophila, Daphnia, and a mouse embryo; representative images from 3-dimensional scans for three of these samples are shown. Importantly, our methodology leads to multiple benefits including rigid immobilization, long-term preservation of laboriously-created resources, and the ability to re-interrogate samples.

We developed protocols and designed a custom apparatus to enable embedding of millimeter-scale specimens. We present sample preparation procedures with an emphasis on embedding in acrylic resin and polyimide tubing to achieve rigid immobilization and long-term storage of specimens for the interrogation of tissue architecture and cell morphology by micro-CT.

נוקשה ההטמעה של קבוע, צבעונית, ככלל, דגימות מילימטר-סולם עבור היסטולוגיה ללא סעיף תלת-ממד על-ידי מיקרו-שחושב טומוגרפיה

For over a hundred years, the histological study of tissues has been the gold standard for medical diagnosis because histology allows all cell types in ...

In Vivo Two-Color 2-Photon Imaging of Genetically-Tagged Reporter Cells in the Skin

Fibroblasts are mesenchymal cells that change their morphology upon activation, ultimately influencing the microenvironment of the tissue they are located in. Although traditional imaging techniques are useful in identifying protein interactions and morphology in fixed tissue, they are not able to give insight as to how quickly cells are able to bind and uptake proteins, and once activated how their morphology changes in vivo. In the present study, we ask 2 major questions: 1) what is the time-course of fibroblast activation via toll-like receptor-4 (TLR4) and lipopolysaccharide (LPS) interaction and 2) how do these cells behave once activated? Using 2-photon imaging, we have developed a novel technique to assess the ability of LPS-FITC to bind to its cognate receptor, TLR4, expressed on peripheral fibroblasts in the genetic reporter mouse line; FSP1cre; tdTomatolox-stop-lox&#160;in vivo. This unique approach allows researchers to create in-depth, time-lapse videos and/or pictures of proteins interacting with live cells that allows one to have an increased level of granularity in understanding how proteins can alter cellular behavior.

Morphological changes occur in immune responsive fibroblast cells following activation and promote alterations in cellular recruitment. Utilizing 2-photon imaging in conjunction with a genetically engineered Fibroblast-specific protein 1 (FSP1)-cre; tdTomato floxed-stop-floxed (TB/TB) mouse line and green fluorescently tagged lipopolysaccharide-FITC, we can illustrate highly specific uptake of lipopolysaccharide in dermal fibroblasts and morphological changes in vivo.

ב Vivo שני צבעים 2-פוטון הדמיה של תאי כתב שתייגת גנטית בעור

Fibroblasts are mesenchymal cells that change their morphology upon activation, ultimately influencing the microenvironment of the tissue they are located ...