Name: pulsed laser diode-based desktop photoacoustic tomography for monitoring wash-in and wash-out of dye in rat cortical vasculature
Uploaded: 2019-05-30T15:00:00
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Die Forschung wird vom Nationalen Medizinischen Forschungsrat des Singapore Ministry of Health unterstützt (NMRC/OFIRG/0005/2016: M4062012). Die Autoren danken Herrn Chow Wai Hoong Bobby für die Unterstützung der Maschinenwerkstatt.

Alle Tierversuche wurden nach den Richtlinien und Vorschriften durchgeführt, die vom Institutional Animal Care and Use Committee der Nanyang Technological University, Singapur, genehmigt wurden (Tierprotokoll-Nummer ARF-SBS/NIE-A0331).
1. Systembeschreibung
<ol><li>Montieren Sie den PLD-Laser in den kreisförmigen Scanner und montieren Sie den optischen Diffusor (OD) vor dem PLD-Ausstiegsfenster, um den Ausgangsstrahl homogen zu machen, wie in Abbildung 1Agezei...

<ol>
	<li>Lin, L., 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=Single-breath-hold+photoacoustic+computed+tomography+of+the+breast.">Single-breath-hold photoacoustic computed tomography of the breast.</a> Nature Communications. 9 (1), 2352 (2018).</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=Fast+photoacoustic+imaging+systems+using+pulsed+laser+diodes:+a+review.">Fast photoacoustic imaging systems using pulsed laser diodes: a review.</a> Biomedical Engineering Letters. 8 (2), 167-181 (2018).</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=Recent+progress+in+photoacoustic+molecular+imaging.">Recent progress in photoacoustic molecular imaging.</a> Current Opinion in Chemical Biology. 45, 104-112 (2018).</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=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> Journal of Biomedical Optics. 22 (4), 041006 (2017).</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+microscopy.">Photoacoustic microscopy.</a> Laser &amp; Photonics Reviews. 7 (5), 758-778 (2013).</li><li>Awasthi, N., Kalva, S. K., Pramanik, M., Yalavarthy, P. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Image+Guided+Filtering+for+Improving+Photoacoustic+Tomographic+Image+Reconstruction.">Image Guided Filtering for Improving Photoacoustic Tomographic Image Reconstruction.</a> Journal of Biomedical Optics. 23 (9), 091413 (2018).</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> Journal of Biomedical Optics. 21 (8), 086011 (2016).</li><li>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=Improving+tangential+resolution+with+a+modified+delay-and-sum+reconstruction+algorithm+in+photoacoustic+and+thermoacoustic+tomography.">Improving tangential resolution with a modified delay-and-sum reconstruction algorithm in photoacoustic and thermoacoustic tomography.</a> The Journal of the Optical Society of America. 31 (3), 621-627 (2014).</li><li>Xu, M., 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=Universal+back-projection+algorithm+for+photoacoustic+computed+tomography.">Universal back-projection algorithm for photoacoustic computed tomography.</a> Physical Review E. 71 (1), 016706 (2005).</li><li>Wang, L. V., Hu, S. <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:+In+Vivo+Imaging+from+Organelles+to+Organs.">Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs.</a> Science. 335 (6075), 1458-1462 (2012).</li><li>Sivasubramanian, K., Periyasamy, V., 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=Non-invasive+sentinel+lymph+node+mapping+and+needle+guidance+using+clinical+handheld+photoacoustic+imaging+system+in+small+animal.">Non-invasive sentinel lymph node mapping and needle guidance using clinical handheld photoacoustic imaging system in small animal.</a> Journal of Biophotonics. 11 (1), e201700061 (2018).</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=Second-generation+optical-resolution+photoacoustic+microscopy+with+improved+sensitivity+and+speed.">Second-generation optical-resolution photoacoustic microscopy with improved sensitivity and speed.</a> Optics Letters. 36 (7), 1134-1136 (2011).</li><li>Stein, E. W., 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=Noninvasive,+in+vivo+imaging+of+blood-oxygenation+dynamics+within+the+mouse+brain+using+photoacoustic+microscopy.">Noninvasive, in vivo imaging of blood-oxygenation dynamics within the mouse brain using photoacoustic microscopy.</a> Journal of Biomedical Optics. 14 (2), 020502 (2009).</li><li>Ku, G., Wang, X. D., Xie, X. Y., Stoica, G., 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=Imaging+of+tumor+angiogenesis+in+rat+brains+in+vivo+by+photoacoustic+tomography.">Imaging of tumor angiogenesis in rat brains in vivo by photoacoustic tomography.</a> Applied Optics. 44 (5), 770-775 (2005).</li><li>Ma, R., Taruttis, A., Ntziachristos, V., Razansky, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multispectral+optoacoustic+tomography+(MSOT)+scanner+for+whole-body+small+animal+imaging.">Multispectral optoacoustic tomography (MSOT) scanner for whole-body small animal imaging.</a> Optics Express. 17 (24), 21414-21426 (2009).</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>Li, L., 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=Single-impulse+panoramic+photoacoustic+computed+tomography+of+small-animal+whole-body+dynamics+at+high+spatiotemporal+resolution.">Single-impulse panoramic photoacoustic computed tomography of small-animal whole-body dynamics at high spatiotemporal resolution.</a> Nature Biomedical Engineering. 1 (1), 0071 (2017).</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> Biomedical Optics Express. 7 (2), 312-323 (2016).</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=Dynamic+in+vivo+imaging+of+small+animal+brain+using+pulsed+laser+diode-based+photoacoustic+tomography+system.">Dynamic in vivo imaging of small animal brain using pulsed laser diode-based photoacoustic tomography system.</a> Journal of Biomedical Optics. 22 (9), 090501 (2017).</li><li>Upputuri, P. K., Periyasamy, V., 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=A+High-performance+compact+photoacoustic+tomography+system+for+in+vivo+small-animal+brain+imaging.">A High-performance compact photoacoustic tomography system for in vivo small-animal brain imaging.</a> Journal of Visualized Experiments. (124), e55811 (2017).</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> Biomedical Physics &amp; Engineering Express. 1 (4), 045010-045017 (2015).</li><li>Arabul, M. U., 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=Toward+the+detection+of+intraplaque+hemorrhage+in+carotid+artery+lesions+using+photoacoustic+imaging.">Toward the detection of intraplaque hemorrhage in carotid artery lesions using photoacoustic imaging.</a> Journal of Biomedical Optics. 22 (4), (2016).</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> Optics Express. 22 (21), 26365-26374 (2014).</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> Optics Letters. 31 (23), 3462-3464 (2006).</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>Kalva, S. K., 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=High-speed,+low-cost,+pulsed-laser-diode-based+second-generation+desktop+photoacoustic+tomography+system.">High-speed, low-cost, pulsed-laser-diode-based second-generation desktop photoacoustic tomography system.</a> Optics Lett. 44 (1), 81-84 (2019).</li><li>Kalva, S. K., Hui, Z. 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=Calibrating+reconstruction+radius+in+a+multi+single-element+ultrasound-transducer-based+photoacoustic+computed+tomography+system.">Calibrating reconstruction radius in a multi single-element ultrasound-transducer-based photoacoustic computed tomography system.</a> J Opt Soc Am A. 35 (5), 764-771 (2018).</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=Use+of+acoustic+reflector+to+make+compact+photoacoustic+tomography+system.">Use of acoustic reflector to make compact photoacoustic tomography system.</a> Journal of Biomedical Optics. 22 (2), 026009 (2017).</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=American+National+Standard+for+Safe+Use+of+Lasers.">American National Standard for Safe Use of Lasers.</a> ANSI Standard Z136.1-2007. , (2007).</li></ol>

Diese Arbeit stellt ein Protokoll vor, um ein Desktop-SPD-PAT-System für die Durchführung von Experimenten an Kleintieren wie Ratten für in vivo Gehirn-Bildgebung und dynamischen Schnellaufnahme und Räumungsprozess von Kontrastmitteln wie ICG zu verwenden. Sperrige, teure OPO-PAT-Systeme brauchen mehrere Minuten (2-5 min), um einen einzigen Querschnitt in vivo Bild zu erhalten. Ein kompaktes, kostengünstiges, tragbares PLD-PAT-System der ersten Generation bietet eine Einzelquerschnittsgelähmte in vivo-Bildern in 5 ...

Die photoakustische Computertomographie (PACT/PAT) ist eine vielversprechende, nicht-invasive biomedizinische Bildgebung, die einen reichen optischen Kontrast mit hoher Ultraschallauflösung1,2,3, 4 kombiniert. 5. Wenn ein nanosekundengepulster Laser Energie auf lichtabsorbierende Chromophore ablagert, die in jedem biologischen Gewebe vorhanden sind, steigt die lokale Temperatur an, was zu einer thermoelastischen Ausdehnung und Kontraktion des Gewebes führt, was zur Erzeugung von Druckwellen. Diese Druckwellen werden als Ultraschallwellen oder photoakustische (PA) Wellen bezeichnet, die durch Ultraschallwandler rund um die Probe erkannt werden können. Die erkannten PA-Signale werden mit verschiedenen Rekonstruktionsalgorithmen 6,7, 8,9rekonstruiert,um Querschnittsbilder der PA zu erzeugen. Die Beschallung liefert strukturelle und funktionelle Informationen von makroskopischen Organen bis hin zu mikroskopischen Organellen aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit endogener Chromophores,die im Körper 10 vorkommen. Die PAT-Bildgebungwurdeerfolgreich zur Brustkrebsdetektion 1, Sentinel-Lymphknotenbildgebung11, Abbildung von Oxyhemoglobin (HbO2), Deoxy-Hämoglobin (HbR), Total-Hämoglobin-Konzentration (HbT), Sauerstoffsättigung (SO) eingesetzt. 2) 12 , 13, Tumorangiogenese14, Kleintier-Körper, die15, und andere Anwendungen.
Nd: YAG/OPO Laser sind konventionelle Anregungsquellen für PAT-Systeme der ersten Generation, die in der photoakustischen Gemeinschaft für die Kleintierbildgebung und Tiefengewebe-Bildgebung16 weit verbreitetsind. Diese Laser liefern ~ 100 mJ-Energiepulse bei niedrigen Wiederholungsraten von ~ 10-100 Hz. Die PAT-Bildgebungssysteme, die diese teuren und sperrigen Laser verwenden, sind aufgrund der begrenzten Pulswiederholrate nicht für die Hochgeschwindigkeits-Bildgebung mit Einelement-Ultraschallwandlern (SUTs) geeignet. Dies verhindert die Echtzeitüberwachung physiologischer Veränderungen, die bei hohen Geschwindigkeiten im Tier auftreten. Mit array-basierten Wandlern wie linearen, halbkreisförmigen, kreisförmigen und volumetrischen Arrays mit Nd: YAG-Laseranregung ist eine Hochgeschwindigkeits-Bildgebung möglich. Allerdings sind diese Array-Wandler teuer und bieten geringere Empfindlichkeiten im Vergleich zu SUTs; Dennoch wird die Bildgeschwindigkeit durch die geringe Wiederholungsrate des Lasers begrenzt. Modernste Ein-Impuls-PACT-Systeme mit maßgeschneidertem Vollring-Array-Wandler erhalten die PA-Daten mit 50 Hz-Bildraten17. Diese Array-Wandler benötigen komplexe Backend-Empfangselektronik und Signalverstärker, was das Gesamtsystem teurer und für den klinischen Einsatz schwieriger macht.
Ihre kompakte Größe, der geringere Kostenaufwand und die höhere Pulswiederholrate (KHz) machen gepulste Laserdioden (PLDs) für die Echtzeit-Bildgebung vielversprechender. Aufgrund dieser Vorteile werden PLDs in PAT-Systemen der zweiten Generation aktiv als alternative Anregungsquelle eingesetzt. PLD-basierte PAT-Systeme wurden erfolgreich für die Bildgebungmithoher Bildfrequenz mit Array-Wandlern18,Tiefengewebe und Gehirnbildgebung 19, 20,21, Herz-Kreislauf-Erkrankungen diagnostiziert 22 , und Rheumatologie Diagnose23. Da SUTs im Vergleich zu Array-Wandlern hochempfindlich und kostengünstiger sind, werden sie immer noch ausgiebig für die PAT-Bildgebung verwendet. Das auf Fiber-basiertem PLD-System wurde für die Phantombildgebung24demonstriert. Ein tragbares PLD-PAT-System wurde zuvor durch die Montage der SPD im PAT-Scanner 25 demonstriert. Mit einem SUT-Kreisscanner wurde die Phantombildgebung während der 3 s der Scanzeit durchgeführt, und in vivo rat wurde die Gehirnbildgebungwährendeiner 5-sm-Periode mit diesem PLD-PAT-System 19 durchgeführt.
Darüber hinaus wurden Verbesserungen an diesem PLD-PAT-System vorgenommen, um es kompakter zu machen und ein Desktop-Modell mit acht akustischen Reflektor-basierten Einelement-Ultraschalltransformatoren (SUTRs) 26,27zuerstellen. Hier wurden SUTs mit Hilfe eines 90 °-akustischen Reflektors 28in vertikaler statt horizontalerRichtung platziert. Dieses System kann für Scanzeiten von bis zu 0,5 s und ~ 3 cm Tiefe in der Gewebebildgebung und in vivo Kleintierhirn-Bildgebung eingesetzt werden. In dieser Arbeit wird dieses Desktop-SPD-PAT-System verwendet, um die visuelle Demonstration von Experimenten für in vivo Gehirnbildgebung bei Kleintieren und für die dynamische Visualisierung der Aufnahme und Abfertigung von Food and Drug Administration (FDA)-zugelassenen Indocyanin-zugelassen Grüner (ICG) Farbstoff im Rattenhirn.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>12 V power supply</td>
			<td>Voltcraft</td>
			<td>PPS-11810</td>
			<td>To supply operating voltage for PLD</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acoustic reflector</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>F102</td>
			<td>45 degree reflector augmented to the ultrasound transducer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acrylic water tank</td>
			<td>NTU workshop</td>
			<td>Custom-made</td>
			<td>It is used to hold water that acts as an acoustic coupling medium between animal brain and detector</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anesthetic Machine</td>
			<td>Medical plus pte ltd</td>
			<td>Non-Rebreathing Anaesthesia machine with oxygen concentrator.</td>
			<td>Supplies oxygen and isoflurane to animal</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Animal distributor</td>
			<td>In Vivos Pte Ltd, Singapore</td>
			<td></td>
			<td>Animal distributor that supplies small animals for research purpose</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Animal holder</td>
			<td>NTU workshop</td>
			<td>Custom-made</td>
			<td>Used for holding animal on its abdomen</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Breathing mask</td>
			<td>NTU workshop</td>
			<td>Custom-made</td>
			<td>Used along with animal holder to supply anesthesia mixture to the animal</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Circular Scanner</td>
			<td>NTU workshop</td>
			<td>Custom-made</td>
			<td>Scanner is made out of aluminum</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DAQ (Data acquisition) Card</td>
			<td>Spectrum</td>
			<td>M2i.4932-exp</td>
			<td>16 bit, 30 Ms/s, 8 channels, 1 Gs, PCIe</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data acqusition software</td>
			<td>National Instruments Corporation,Austin,TX,USA)</td>
			<td>NI LabVIEW 2015 SP1 (32 bit)</td>
			<td>LabVIEW based program developed in our laboratory for controlling the stepper motor and acquring the PA singnals from the detector</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data processing software</td>
			<td>Matlab (Mathworks, Natick, MA, USA)</td>
			<td>Matlab R2015b</td>
			<td>Matlab code developed in our laboratory for reconstructing cross-sectional PA images</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Function generator</td>
			<td>RIGOL</td>
			<td>DG1022</td>
			<td>To change the repetition rate of the PLD. It will provide TTL signal to synchronize the DAQ with the laser excitation.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Low noise signal amplifier</td>
			<td>Genetron</td>
			<td>Custom-made using Mini-circuits, ZFL-500LN-BNC</td>
			<td>To receive, and amplify the PA signal from SUTR. Its gain is 24 dB.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical diffuser</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>DG-120</td>
			<td>Used to to make the laser beam homogeneous</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pulsed laser diode</td>
			<td>Quantel, France</td>
			<td>QD-Q1924-ILO-WATER</td>
			<td>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</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rats</td>
			<td>In Vivos Pte Ltd, Singapore</td>
			<td>NTac:SD, Sprague Dawley / SD</td>
			<td>Female, weight 100&#177;10g, strain of rats: Sprague Dawley, age: 4-5 weeks</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stepper motor with gearbox</td>
			<td>LIN Engineering (Servo Dynamics)</td>
			<td>Motor: CO-5718L-01P-RO, Gearbox: DPL64/1; Power supply PW-100-24</td>
			<td>To move the detector holder in a circular geometry. Torque: 2.08 N-m, Rotor inertia: 2.6 kg-cm2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasound gel</td>
			<td>Progress/parker acquasonic gel</td>
			<td>PA-GEL-CLEA-5000</td>
			<td>Clear ultrasound gel</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasound Transducer</td>
			<td>Olympus</td>
			<td>V309-SU/ U8423013</td>
			<td>Ultrasonic sensors used for photoacoustic detection. Central freqency 5 MHz, 0.5 in</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Variable high voltage power supply</td>
			<td>Elektro-Automatik</td>
			<td>EA-PS 8160-04 T</td>
			<td>To change the laser output power</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

pulsed laser diode-based desktop photoacoustic tomography for monitoring wash-in and wash-out of dye in rat cortical vasculature

Die photoakustische (PA) Bildgebung (PAT) ist eine sich abzeichnende biomedizinische Bildgebung, die in verschiedenen präklinischen und klinischen Anwendungen nützlich ist. Maßgeschneiderte Rundringarögel-basierte Wandler und herkömmliche sperrige Nd: YAG/OPO-Laser hemmen die Übersetzung des PAT-Systems in Kliniken. Ultrakompakt gepulste Laserdioden (PLDs) werden derzeit als alternative Quelle für Infrarot-Anregung in der Nähe von PA-Ableitungen eingesetzt. Die Hochgeschwindigkeitsdynamik in der vivo-Bildgebung wurde mit einem kompakten SPS-basierten Desktop-PAT-System (PLD-PAT) demonstriert. Ein visualisiertes Versuchsprotokoll mit dem Desktop-SPD-PAT-System wird in dieser Arbeit für die dynamische In-vivo-Hirn-Bildgebung bereitgestellt. Das Protokoll beschreibt die Desktop-SPD-PAT-Systemkonfiguration, die Vorbereitung von Tieren für die Gehirn-Gefäß-Bildgebung und das Verfahren zur dynamischen Visualisierung von indocyanine grün (ICG) Farbstoffaufnahme und Räumprozess in Ratte kortikalen Vaskulatur.

Die Potenzialität des beschriebenen Desktop-SPD-PAT-Systems für die Dynamik in der vivo-Hirn-Bildgebung wurde in diesem Protokoll mit entsprechenden Ergebnissen dargestellt. Die Hochgeschwindigkeits-Bildgebung des Desktop-SPD-PAT-Systems wurde durch die Durchführung von in vivo-HGehirnbildgebung von gesunden weiblichen Ratten demonstriert. Die Beschallungssignale wurden mit acht SUTRs gesammelt, die sich in 360 ° und 45 ° um das Rattenhirn mit Scangeschwindigkeiten von 4 s bzw. 0,5 s...

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Pulsed Laser Diode-Based Desktop Photoacoustic Tomography for Monitoring Wash-In and Wash-Out of Dye in Rat Cortical Vasculature

Gepulste Laser-Diode-Based Desktop photoakustische Tomographie für die Überwachung von Wash-In und Wash-Out of Dye in Rat Cortical Vasculature

Für die Hochgeschwindigkeits-Dynamik in der vivo-Bildgebung der kleinen tierischen Kortikalvaskulatur wird ein kompaktes, pulsiertes, auf Diode-basiertem Desktop-Sotakus-Tomografiesystem (PLD-PAT) demonstriert.

Photoacoustic (PA) tomography (PAT) imaging is an emerging biomedical imaging modality useful in various preclinical and clinical applications. ...

Die photoakustische Tomographie (PAT) ist eine mikrogekolastete biomedizinische Bildgebungsmodalität, die sowohl optische als auch Ultraschall-Bildgebung kombiniert, um dynamische Veränderungen in kleinen Tierhirnen zu überwachen. Dies ist ein kostengünstiges, tragbares High-Speed-Bildgebungssystem, das eine Bildgeschwindigkeit von nur einer halben Sekunde verwendet. Demonstriert wird das Verfahren mit Sandeep, ein Doktorand, Dr.Paul, ein Forschungsstipendiat, und Rhonnie, eine wissenschaftliche Assistentin.Beginnen Sie mit der Montage aller Einzelelement-Ultraschallwandler auf jedem Messumformerhalter nacheinander, so dass die Oberfläche jedes akustischen Reflektors in Richtung der Mitte des Scanbereichs zeigt. Verwenden Sie Verbindungskabel, um jedes Geberkabel an den Geräuschpegelsignalverstärker anzuschließen. Schalten Sie die Stromversorgung des Kühlers ein und schalten Sie den Kühlerschalter ein, um die Temperatur zwischen 20 und 25 Grad Celsius einzustellen.Schalten Sie das Niederspannungsnetzteil ein und drehen Sie die Stromsteuerung langsam auf 0,3 Ampere. Stellen Sie die Spannung auf 12 Volt ein und stellen Sie sicher, dass der Strom 0,1 Ampere nicht überschreitet. Schalten Sie das Hochspannungsnetzteil ein und drücken Sie die Voreinstellungstaste, um den Strom auf einen Verstärker und die Spannung auf Null Volt einzustellen.Aktivieren Sie die Ausgangstaste und schalten Sie die Stromversorgung des Funktionsgenerators ein. Drücken Sie die Rückruftaste und wählen Sie eine Konfiguration mit zwei Kilohertz aus, um die Laserpulse bei dieser Wiederholungsrate zu erzeugen. Legen Sie den Acryltank in den Scanner und füllen Sie den Tank mit Wasser, bis die Erfassungsflächen der Messumformer vollständig eingetaucht sind.Schalten Sie dann die Stromversorgung des Geräuschpegel-Signalverstärkers ein. Platzieren Sie die anästhesierte Ratte in der anfälligen Position auf der Werkbank. Nach der Bestätigung eines Mangels an Reaktion auf Zehenkneifung, verwenden Sie einen Haarschneider, um das Fell auf der Kopfhaut zu entfernen.Tragen Sie die Enthaarungscreme vorsichtig auf, um das Fell vollständig von der exponierten Haut zu entfernen, indem Sie einen Wattestäbchen verwenden, um die Creme nach vier bis fünf Minuten zu entfernen. Tragen Sie Salbe auf die Augen des Tieres auf und montieren Sie einen maßgeschneiderten Tierhalter, der mit einer Atemmaske auf einem Laborwagen ausgestattet ist. Platzieren Sie die Ratte in der anfälligen Position auf dem Halter mit dem Kopf, der auf der horizontalen Plattform des Halters ruht.Verwenden Sie chirurgisches Klebeband, um das Tier am Halter zu befestizieren. Klemmen Sie das Pulsoximeter an eine Hintergliedmaße, um seinen physiologischen Zustand zu überwachen. Verwenden Sie einen Baumwoll-Applikator, um eine Schicht farbloses Ultraschallgel auf die Kopfhaut aufzutragen.Passen Sie dann die Position der Laborbuchse in der Mitte des Scanners an. Passen Sie die Höhe der Buchse manuell an, sodass sich die Bildebene in der Mitte des akustischen Reflektors befindet. Nachdem Sie die Parameter in der Datenerfassungssoftware für einen 360-Grad-Erfassungsscan einstellt haben, ermöglichen Sie es dem Funktionsgenerator, die gepulste Laserdiodenlaseremission einzuschalten.Erhöhen Sie langsam die Spannung der variablen Hochspannungsversorgung auf 120 Volt für maximale Pro-Puls-Energie. Führen Sie das Datenerfassungssoftwareprogramm aus, um alle acht Messumformer über eine Scanzeit von vier Sekunden um 360 Grad zu drehen. Deaktivieren Sie den Ausgang des Funktionsgenerators, um die Laseremission auszuschalten.Mit dem Rekonstruktionsalgorithmus in der Datenverarbeitungssoftware ermitteln Sie den Scanradius aller acht Messumformer versuchsweise und fehlerfrei mit dem Rückprojektionsalgorithmus. Stellen Sie die Parameter in der Datenerfassungssoftware für eine 45-Grad-Erfassung über eine Scanzeit von 0,5 Sekunden fest. Aktivieren Sie die Ausgabe des Funktionsgenerators, um die Laseremission einzuschalten.Führen Sie das Datenerfassungssoftwareprogramm aus, um alle acht Messumformer um 45 Grad zu drehen, um die anfänglichen Steuerdaten zu erhalten. Deaktivieren Sie den Ausgang des Funktionsgenerators, um die Laseremission auszuschalten. Als nächstes injizieren Sie 0,3 Milliliter Indocyaningrün in die Schwanzvene der Ratte.Aktivieren Sie die Ausgabe des Funktionsgenerators, um die Laseremission einzuschalten. Führen Sie dann die Datenerfassungssoftware aus, um A-Leitungen über eine Scanzeit von 0,5 Sekunden in einer 45-Grad-Drehung zu erfassen. Verwenden Sie am Ende der Erfassung den Rückprojektionsalgorithmus, um das Querschnittsbild des Gehirns aus den gespeicherten A-Linien zu rekonstruieren.Hier werden Hirnbilder einer 98 Gramm schweren weiblichen Ratte gezeigt, die mit vier- und 0,5-Sekunden-Scangeschwindigkeiten gesammelt wurden. Der sagittale Sinus und der Transfersinus sind in beiden Bildern deutlich sichtbar. Die Fotos zeigen die gleiche Region des Rattenhirns vor und nach dem Entfernen der Kopfhaut.Die photoakustische Tomographie kann die gleiche Visualisierung nicht invasiv mit intakter Haut und Schädel erreichen. In diesem Diagramm können Erhöhungen des durchschnittlichen photoakustischen Signals im sagittalen Sinus aufgrund von Zunahmen und anschließenden Abnahme der optischen Absorption durch Indocyaningrün bei 860 Nanometer Wellenlängen im Laufe der Zeit beobachtet werden. Achten Sie beim Einspritzen des ICG-Farbstoffs in die Schwanzvene des Tieres immer besonders.Dieses kostengünstige Desktop-Photoakustik-Tomographiesystem kann für die dynamische Abbildung von Kleintierhirnvaskulaturen mit hoher spezieller Auflösung bei 0,5 Sekunden Scangeschwindigkeit verwendet werden. Weitere Anwendungen dieses Bildgebungssystems sind hirntumorbildgebung, die Bildgebung verschiedener Organe bei Kleintieren und andere therapeutische Anwendungen.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Three-dimensional Optical-resolution Photoacoustic Microscopy

Dreidimensionale Optische Auflösung photoakustische Mikroskopie

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

Forschung

Biotechnik

Detection and Isolation of Circulating Melanoma Cells using Photoacoustic Flowmetry

Erkennung und Isolierung von zirkulierenden Melanomzellen mit Photoakustische Flowmetrie

Circulating tumor cells (CTCs) are those cells that have separated from a macroscopic tumor and spread through the blood and lymph systems to seed ...

Integrated Photoacoustic Ophthalmoscopy and Spectral-domain Optical Coherence Tomography

Integrierte Photoakustische Ophthalmoskopie und Spectral-Domain Optical Coherence Tomography

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

Mass Cytometry: Protocol for Daily Tuning and Running Cell Samples on a CyTOF Mass Cytometer

Messe Cytometry: Protokoll für die tägliche Tuning und Ausführen von Zellproben auf einem CyTOF Messe Cytometer

In recent years, the rapid analysis of single cells has commonly been performed using flow cytometry and fluorescently-labeled antibodies. However, the ...

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

Anatomische Rekonstruktionen des menschlichen Cardiac Venensystem mit Kontrast-Computertomographie Perfusion-fixierten Proben

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

Photoacoustic Cystography

Photoakustische Zystographie

Conventional pediatric cystography, which is based on diagnostic X-ray using a radio-opaque dye, suffers from the use of harmful ionizing radiation. The ...

Production of Metal Nanoparticles by Pulsed Laser-ablation in Liquids: A Tool for Studying the Antibacterial Properties of Nanoparticles

Herstellung von Metallnanopartikeln durch gepulste Laserablation in Flüssigkeiten: Ein Werkzeug zum Studium der antibakteriellen Eigenschaften von Nanopartikeln

The emergence of multidrug-resistant bacteria is a global clinical concern leading some to speculate about our return to a "pre-antibiotics" era of ...

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

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

Umschaltbare akustische und optische Auflösung Photoakustische Mikroskopie für<em&gt; In vivo</em&gt; Kleintier-Blut-Vaskulatur-Bildgebung

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

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

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

Ein leistungsstarkes kompaktes Fotoakustik-Tomographie-System für<em&gt; In vivo</em&gt; Kleintier Gehirn Bildgebung

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

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

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

Die richtige Positionierung und Zurückhaltung einer Ratte Hind Extremität für fokussierte hochauflösende Bildgebung von Knochen-Mikroarchitektur mit In Vivo Mikro-Computertomographie

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 ...