Schakelbare akoestische en optische resolutie Photoacoustic Microscopy voor<em> In Vivo</em> Kleine dieren Bloedvasculaire Imaging
Summary
Hierbij is een AR-OR-PAM-systeem (AR) of schakelbare akoestische resolutie (AR) en optische resolutie (OR), die zowel in hoge resolutie als in hoge resolutie kan worden ingezet, met een lage resolutie van diepe weefsels op een zelfde monster in vivo .
Abstract
Photoacoustic microscopy (PAM) is een snelgroeiende invivo imaging modaliteit die zowel optica als ultrasound combineert, waardoor penetratie boven het optische gemiddelde vrije pad (~ 1 mm in de huid) met hoge resolutie wordt bereikt. Door optisch absorptiecontrast te combineren met de hoge ruimtelijke resolutie van echografie in een enkele modaliteit, kan deze techniek diep diepe weefsels penetreren. Photoacoustic microscopiesystemen kunnen een lage akoestische resolutie hebben en een diep of een hoge optische resolutie en sonde ondiep maken. Het is uitdagend om een hoge ruimtelijke resolutie en grote dieptepenetratie met een enkel systeem te bereiken. Dit werk presenteert een AR-OR-PAM systeem dat zowel op hoge vlakken beeldvorming op vlakke diepten mogelijk maakt en diepte-weefselbeelden met een lage resolutie van hetzelfde monster in vivo mogelijk maken . Een laterale resolutie van 4 μm met een beelddiepte van 1,4 mm met optische focus en een zijdelingse resolutie van 45 μm met een beelddiepte van 7,8 mm met behulp van akoestische focus was succesvolHet is aangetoond dat het gecombineerde systeem gebruikt wordt. Hier wordt in vivo kleine dieren bloedvasculaire beeldvorming uitgevoerd om zijn biologische beeldvormingsvermogen te demonstreren.
Introduction
Optische beeldvormingsmodaliteiten met hoge resolutie, zoals optische coherentie-tomografie, confocal microscopie en multiphoton microscopie, hebben veel voordelen. De ruimtelijke resolutie neemt echter aanzienlijk af, aangezien de beelddiepte toeneemt. Dit komt door de diffuse aard van lichtvervoer in zachte weefsels 1 , 2 . De integratie van optische excitatie- en ultrageluiddetectie biedt een oplossing om de uitdaging van optische beeldoplossing met hoge resolutie te overwinnen in diepe weefsels. Photoacoustic microscopy (PAM) is een dergelijke modaliteit die diepere beeldvorming kan bieden dan andere optische beeldvormende modaliteiten. Het is succesvol toegepast op in vivo structurele, functionele, moleculaire en celbeelden 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 </sup> , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 studies door het sterke optische absorptiecontrast te combineren met de hoge ruimtelijke resolutie van echografie.
In PAM bestralt een korte laserpuls het weefsel / monster. De absorptie van licht door chromophoren ( bijv. Melanine, hemoglobine, water, enz. ) Resulteert in een temperatuurverhoging, wat op zijn beurt resulteert in de productie van drukgolven in de vorm van akoestische golven (foto-akoestische golven). De gegenereerde foto-akoestische golven kunnen gedetecteerd worden door een breedband-ultrasone transducer buiten de weefselgrens. Met behulp van een zwakke optische en strakke akoestische focus, kan beeldweergave worden verkregen in fotocoustische microscopie met een akoestische resolutie (AR-PAM) 14 , 15 , 16 . In AR-PAM, een zijdelingse resolutie van 45 μm en een beelddiepte tot 3 mm is aangetoond 15 . Om eenvormige capillairen (~ 5 μm) akoestisch op te lossen, zijn ultrasone transducers die werken bij> 400 MHz centrale frequenties nodig. Bij dergelijke hoge frequenties is de penetratiediepte minder dan 100 μm. Het probleem veroorzaakt door strakke akoestische focus kan worden opgelost met behulp van strakke optische focus. Optische resolutie fotoacoustic microscopie (OR-PAM) kan single capillaries oplossen, of zelfs een enkele cel 17 , en een laterale resolutie van 0,5 μm is bereikt 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 . Het gebruik van een fotonische nanojet kan helpen om een resolutie te bereiken buiten de diffractie beperkte resolutioN 25 , 26 . In OR-PAM is de penetratiediepte beperkt door lichtfocus en het kan tot 1,2 mm in het biologische weefsel 23 afbeelden. Daarom kan AR-PAM beeld dieper, maar met een lagere resolutie, en OR-PAM een beeld met een zeer hoge resolutie, maar met een beperkte beelddiepte hebben. De beeldsnelheid van het AR- en OR-PAM-systeem hangt voornamelijk af van de pulsherhalingssnelheid van de laserbron 27 .
Het combineren van AR-PAM en OR-PAM is van groot voordeel voor toepassingen die zowel een hoge resolutie als dieper beeldvorming vereisen. Er is weinig moeite gedaan om deze systemen samen te combineren. Gewoonlijk worden twee verschillende afbeeldingsscanners gebruikt voor beeldvorming, wat vereist dat het monster tussen beide systemen wordt verplaatst, waardoor het moeilijk is in vivo beeldvorming te maken. Hybride beeldvorming met zowel AR als OR PAM maakt imaging met schaalbare resoluties a mogelijkDiepte. In één benadering wordt een optische vezelbundel gebruikt om licht te leveren voor zowel de AR- als OR-PAM. In deze aanpak worden twee afzonderlijke lasers (een hoge-energie laser bij 570 nm voor de AR en een laser met lage energie, hoge repetitiesnelheid bij 532 nm voor de OR) gebruikt, waardoor het systeem ongemakkelijk en duur is 28 . De OR-PAM laser golflengte is vast en veel studies, zoals op zuurstofverzadiging, zijn niet mogelijk met dit gecombineerde systeem. Vergelijkende studies tussen AR en OR PAM zijn ook niet mogelijk vanwege het verschil in laser golflengten tussen de AR en OR. Bovendien gebruikt AR-PAM helderveldverlichting; Daarom beperken sterke beeld-akoestische signalen van het huidoppervlak de beeldkwaliteit. Om deze reden kan het systeem niet worden gebruikt voor veel bioimaging toepassingen. In een andere aanpak om AR en OR PAM uit te voeren, wordt de optische en ultrasone focus verplaatst, waardoor de focus op de lichtfocus en de ultrasone focus ongewijzigd wordt. Zo is de beeldkwaliteit niet optimaal <suP class = "xref"> 29. Met behulp van deze techniek kunnen de AR-PAM en OR-PAM alleen respectievelijk 139 μm en 21 μm resoluties bereiken, waardoor het een slechtresolutie systeem is. Een andere aanpak, die de optische vezel- en collimatieoptica omvat, werd veranderd tussen AR en OR PAM, waardoor het uitlijningsproces moeilijk was 30 . In al deze gevallen heeft AR-PAM geen gebruik gemaakt van donkere veldverlichting. Het gebruik van donkere veldverlichting kan de generatie van sterke foto-akoestische signalen van het huidoppervlak verminderen. Derhalve kan diepvliesafbeelding worden uitgevoerd met behulp van ringvormige verlichting, aangezien de detectiegevoeligheid van diepe foto-akoestische signalen hoger zal zijn dan die van verlichte veldverlichting.
Dit werk rapporteert een omschakelbaar AR en OR PAM-beeldscherm (AR-OR-PAM), dat zowel beeldscherm met hoge resolutie mogelijk maakt en met een lage resolutie beeldweergave van hetzelfde beeld, met dezelfde laser en scanner voor beide systems. De prestatie van het AR-OR-PAM-systeem werd gekenmerkt door het bepalen van de ruimtelijke resolutie en beelddiepte door middel van fantoom experimenten. In vivo bloedvasculatuur beeldvorming werd uitgevoerd op een muis oor om zijn biologische beeldvorming vermogen te demonstreren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ten slotte is een switchable AR- en OR PAM-systeem ontwikkeld die zowel beeldvorming met hoge resolutie mogelijk maakt bij lagere beelddieptes en beeldvorming met een lagere resolutie bij hogere beelddiepten. De laterale resolutie en beelddiepte van het schakelbare systeem werd bepaald. De voordelen van dit omschakelbare PAM-systeem zijn onder meer: (1) de hoge resolutie beeldvorming met strakke optische focus; (2) het imago van het weefsel door middel van akoestische focusing; 3) de donkere veldverlichting voor A…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen graag de financiële steun erkennen van een Tier 2 subsidie, gefinancierd door het Ministerie van Onderwijs in Singapore (ARC2 / 15: M4020238). De auteurs willen ook de heer Chow Wai Hoong Bobby bedanken voor de hulp van de machinewinkel.
Materials
| Q-switched Nd:YAG laser | Edgewave | BX80-2-L | Pump laser |
| Credo-High Repetition Rate Dye Laser | Spectra physics | CREDO-DYE-N | Dye laser |
| Precision Linear Stage | Physik Instrumente | PLS 85 | XY raster scanning stage |
| Translation stage | Physik Instrumente | VT 80 | Confocal determine |
| Mounted Silicon photodiode | Thorlabs | SM05PD1A | Triggering/Pulse variation |
| Motorized continuous Rotational stage | Thorlabs | CR1/M-Z7 | Diverting laser beam |
| Mounted Continuously Variable ND Filter | Thorlabs | NDC-50C-4M | Intensity variable |
| Fiber Patch Cable | Thorlabs | M29L01 | Multimode fiber |
| Microscope objective | Newport | M-10X | Objective |
| XY translating mount | Thorlabs | CXY1 | Translating mount |
| Plano convex lens | Thorlabs | LA1951 | Collimating lens |
| Conical lens | Altechna | APX-2-B254 | Ring shape beam |
| Translation stage | Thorlabs | CT1 | Translating stage |
| Optical condenser | Home made | ||
| Ultrasonic transducer | Olympus-NDT | V214-BB-RM | 50MHz transducer |
| Plano concave lens | Thorlabs | LC4573 | Acoustic lens |
| Pulser/Receiver | Olympus-NDT | 5073PR | Pulse echo amplifier |
| Mounted standard iris | Thorlabs | ID12/M | Beam shaping |
| Plano convex lens | Thorlabs | LA4327 | Condenser lens |
| Mounted precision pinhole | Thorlabs | P50S | Spatial filtering |
| Single mode fiber patch cable | Thorlabs | P1-460B-FC-1 | Single mode fiber |
| Fiber coupler | Newport | F-91-C1 | Single mode coupling |
| Achromatic doublet lens | Edmund Optics | 32-317 | Achromatic doublet |
| Protected silver elliptical mirror | Thorlabs | PFE10-P01 | Mirror |
| Right angle kinematic mirror mount | Thorlabs | KCB1 | Mirror mount |
| Z-Axis Translation Mount | Thorlabs | SM1Z | z translator |
| Lens tube | Thorlabs | SM05L10 | |
| UV Fused Silica Right-Angle Prism | Thorlabs | PS615 | Right angle prism |
| Rhomboid prism | Edmund Optics | 47-214 | Shear wave |
| Dimethylpolysiloxane | Sigma Aldrich | DMPS1M | Silicon oil |
| Amplifier | Mini Circuits | ZFL-500LN | Amplifier |
| 16 bit high speed digitizer | Spectrum | M4i.4420 | Data acquisition card |
| Oscilloscope | Agilent Technologies | DS06014A | |
| Mice | InVivos Pte.Ltd | ICR | Animal model |
| Ultrasound gel | Progress/parker acquasonic gel | PA-GEL-CLEA-5000 | Acoustic coupling |
| Water tank | Home made | ||
| Translation stage | Homemade | Switching AR-OR | |
| Gold nanoparticles | Sigma Aldrich | 742031 | Lateral resolution |
| Sterile ocular ointment | Alcon | Duratears | Animal imaging |
| 1951 USAF resolution test target | Edmund Optics | 38257 | Confocal alignment |
| Data acquisition software | National Instrument | Labview | Home made software using Labview |
| Image Processing software | Mathworks | Matlab | Home made program using Matlab |
Referenzen
- Hu, S., Wang, L. V. Photoacoustic imaging and characterization of the microvasculature. J Biomed Opt. 15, 011101-01-011101-15 (2010).
- Ntziachristos, V. Going deeper than microscopy: the optical imaging frontier in biology. Nat Methods. 7 (8), 603-614 (2010).
- Wang, L. V., Yao, J. A practical guide to photoacoustic tomography in the life sciences. Nat Methods. 13, 627-638 (2016).
- Zhou, Y., Yao, J., Wang, L. V. Tutorial on photoacoustic tomography. J Biomed Opt. 21 (6), 061007 (2016).
- Upputuri, P. K., Sivasubramanian, K., Mark, C. S. K., Pramanik, M. Recent Developments in Vascular Imaging Techniques in Tissue Engineering and Regenerative Medicine. BioMed Res Intl. 2015, (2015).
- Yao, J., Wang, L. V. Photoacoustic Brain Imaging: from Microscopic to Macroscopic Scales. Neurophotonics. 1 (1), 011003-1-011003-13 (2014).
- Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs. Science. 335 (6075), 1458-1462 (2012).
- Beard, P. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus. 1 (4), 602-631 (2011).
- Pan, D. Molecular photoacoustic imaging of angiogenesis with integrin-targeted gold nanobeacons. FASEB J. 25 (3), 875-882 (2011).
- Cai, X., Kim, C., Pramanik, M., Wang, L. V. Photoacoustic tomography of foreign bodies in soft biological tissue. J Biomed Opt. 16 (4), 046017 (2011).
- Pan, D. Near infrared photoacoustic detection of sentinel lymph nodes with gold nanobeacons. Biomaterials. 31 (14), 4088-4093 (2010).
- Wang, L. V. Multiscale photoacoustic microscopy and computed tomography. Nat. Photon. 3 (9), 503-509 (2009).
- Zhang, E. Z., Laufer, J. G., Pedley, R. B., Beard, P. C. In vivo high-resolution 3D photoacoustic imaging of superficial vascular anatomy. Phys. Med. Biol. 54 (4), 1035-1046 (2009).
- Park, S., Lee, C., Kim, J., Kim, C. Acoustic resolution photoacoustic microscopy. Biomed.l Eng. Lett. 4 (3), 213-222 (2014).
- Zhang, H. F., Maslov, K., Stoica, G., Wang, L. V. Functional photoacoustic microscopy for high-resolution and noninvasive in vivo imaging. Nat. Biotechnol. 24 (7), 848-851 (2006).
- Maslov, K., Stoica, G., Wang, L. V. In vivo dark-field reflection-mode photoacoustic microscopy. Opt Lett. 30 (6), 625-627 (2005).
- Strohm, E. M., Moore, M. J., Kolios, M. C. Single Cell Photoacoustic Microscopy: A Review. IEEE J Sel Top Quantum Electron. 22 (3), 6801215 (2016).
- Kim, J. Y., Lee, C., Park, K., Lim, G., Kim, C. Fast optical-resolution photoacoustic microscopy using a 2-axis water-proofing MEMS scanner. Sci Rep. 5, 07932 (2015).
- Matthews, T. P., Zhang, C., Yao, D. K., Maslov, K., Wang, L. V. Label-free photoacoustic microscopy of peripheral nerves. J Biomed Opt. 19 (1), 016004 (2014).
- Hai, P., Yao, J., Maslov, K. I., Zhou, Y., Wang, L. V. Near-infrared optical-resolution photoacoustic microscopy. Opt Lett. 39 (17), 5192-5195 (2014).
- Danielli, A. Label-free photoacoustic nanoscopy. J Biomed Opt. 19 (8), 086006 (2014).
- Zhang, C. Reflection-mode submicron-resolution in vivo photoacoustic microscopy. J Biomed Opt. 17 (2), 020501 (2012).
- Hu, S., Maslov, K., Wang, L. V. Second-generation optical-resolution photoacoustic microscopy with improved sensitivity and speed. Opt Lett. 36 (7), 1134-1136 (2011).
- Maslov, K., Zhang, H. F., Hu, S., Wang, L. V. Optical-resolution photoacoustic microscopy for in vivo imaging of single capillaries. Opt Lett. 33 (9), 929-931 (2008).
- Upputuri, P. K., Krishnan, M., Pramanik, M. Microsphere enabled sub-diffraction limited optical resolution photoacoustic microscopy: a simulation study. J Biomed Opt. 22, 045001 (2017).
- Upputuri, P. K., Wen, Z. B., Wu, Z., Pramanik, M. Super-resolution photoacoustic microscopy using photonic nanojets: a simulation study. J Biomed Opt. 19 (11), 116003 (2014).
- Allen, T. J. Novel fibre lasers as excitation sources for photoacoustic tomography and microscopy et al. Proc SPIE. , 97080W (2016).
- Xing, W., Wang, L., Maslov, K., Wang, L. V. Integrated optical-and acoustic-resolution photoacoustic microscopy based on an optical fiber bundle. Opt Lett. 38 (1), 52-54 (2013).
- Estrada, H., Turner, J., Kneipp, M., Razansky, D. Real-time optoacoustic brain microscopy with hybrid optical and acoustic resolution. Laser Phys Lett. 11 (4), 045601 (2014).
- Jeon, S., Kim, J., Kim, C. In vivo switchable optica- and acoustic – resolution photoacoustic microscopy. Proc SPIE. , 970845 (2016).
- Song, W. Fully integrated reflection-mode photoacoustic, two-photon, and second harmonic generation microscopy in vivo. Sci Rep. 6, 32240 (2016).
- Park, J., et al. Delay-multiply-and-sum-based synthetic aperture focusing in Photoacoustic microscopy. J Biomed Opt. 21 (3), 036010-10 (2016).
- . ANSI Standard Z136.1-2000. American National Standard for Safe Use of Lasers. , (2000).
- Moothanchery, M., Pramanik, M. Performance Characterization of a Switchable Acoustic Resolution and Optical Resolution Photoacoustic Microscopy System. Sensors. 17 (2), 357 (2017).
