血管可視化のための二重ラスター走査光音響小動物イメージャー
Summary
広視野イメージングとリアルタイムイメージングを統合したデュアルラスタースキャン光音響イメージャーが設計されました。
Abstract
小動物の血管ネットワークのイメージングは、生物医学の基礎研究において重要な役割を果たしてきました。光音響イメージング技術は、小動物の画像学に応用する大きな可能性を秘めています。小動物の広視野光音響イメージングは、高い時空間分解能、深い浸透、および複数のコントラストを持つ画像を提供することができます。また、リアルタイム光音響イメージングシステムは、小動物の血管系の血行力学的活性を観察することが望ましく、小動物の生理学的特徴の動的モニタリングを研究するために使用することができる。ここでは、デュアルラスタースキャン光音響イメージャーが提示され、切り替え可能なダブルモードイメージング機能を搭載しています。広視野のイメージ投射は2次元の電動翻訳段階によって駆動され、リアルタイムのイメージ投射はガルバノメーターによって実現される。異なるパラメータおよび撮像モードを設定することにより、小動物血管ネットワークの生体内可視化が行える。リアルタイムイメージングを用いて、薬物誘発の脈拍変化や血流変化などを観察することができる。広視野イメージングは、腫瘍血管系の成長変化を追跡するために使用することができる。これらは、基礎生物医学研究の様々な分野で容易に採用されます。
Introduction
基本的な生物医学分野では、小動物はヒトの生理機能をシミュレートすることができる。したがって、小動物イメージングは、ヒト相同病の研究を導き、有効な治療1を求める上で重要な役割を果たす。光音響イメージング(PAI)は、光学画像化と超音波画像2の利点を組み合わせた非侵襲的なイメージング技術である。光音響顕微鏡(PAM)は、小型動物3の基礎研究に有用なイメージング法である。PAMは、光学励起および超音波検出4に基づいて、高解像度、深浸透、高特異性および高コントラスト画像を容易に得ることができる。
特定の波長のパルスレーザーは、組織の内因性クロモフォアによって吸収されます。その後、組織の温度が上昇し、光誘導超音波の生成をもたらす。超音波は超音波トランスデューサで検出できます。信号取得と画像再構成後、吸収体の空間分布が5に得られる。一方で、全臓器血管ネットワークの可視化には広い視野が必要である。広視野スキャンのプロセスは、通常、高解像度6、7、8を確保するために長い時間がかかります。一方、小動物の血行力学的活動を観察するには、高速リアルタイムイメージングが必要です。リアルタイムイメージングは、リアルタイム9、10、11で小動物のバイタルサインを研究するのに有益です。リアルタイムイメージングの視野は、通常、高い更新率を確保するのに十分に小さいです。したがって、広い視野を達成することとリアルタイムイメージングを達成することとの間にはトレードオフが存在することが多い。以前は、2つの異なるシステムが、広視野イメージングまたはリアルタイムイメージングに別々に使用されていました。
この研究は、2次元電動変換ステージに基づく広視野イメージングと2軸ガルバノスキャナに基づくリアルタイムイメージングを統合した、二重ラスタスキャン光音響イメージャー(DRS-PAI)を報告しています。広視野イメージングモード(WIM)は、血管形態を示すために行われる。リアルタイムイメージングモード(RIM)では、現在2つの機能があります。まず、RIMはリアルタイムのB-スキャン画像を提供することができます。深さ方向に沿った脈管系の変位を測定することで、呼吸や脈拍の特性を明らかにすることができる。次に、RIM は、WIM イメージ内の特定の領域を定量的に測定できます。ローカル WIM リージョンの同等の画像を提供することで、ローカルの変更の詳細を正確に明らかにすることができます。このシステムは、血管可視化の広視野イメージングと局所的なダイナミックのリアルタイムイメージングとの間の柔軟な移行を設計します。このシステムは、小動物イメージングが必要な基礎生物医学研究において望ましい。
Protocol
Representative Results
Discussion
ここでは、血管構造の構造と関連する血液の動的変化を捉えるために設計および開発された非侵襲的な血管視覚化のための二重ラスタースキャン光音響小動物イメージャーを発表した。DRS-PAIの利点は、WIMとRIMを1つのシステムに統合し、小動物の血管の動的および血管ネットワーク構造を研究しやすくすることです。システムは高解像広視野の脈管視覚化およびリアルタイムの血球の動態を?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、中国国立自然科学財団(61822505;11774101;61627827;81630046)、中国広東省科学技術計画プロジェクト(2015B0233016)、広州科学技術プログラム(200010年)からの財政支援を認めたい。
Materials
| 12 bit multi-purpose digitizer | Spectrum | M3i.3221 | Data acquisition card |
| A-line collected program | National Instrument | LabVIEW | User-defined program |
| Amplifier | RF Bay | LNA-650 | Amplifier |
| Depilatory Cream | Veet | 33-II | Animal depilatory |
| Fiberport Coupler | Thorlab | PAF-X-7-A | Fiber Coupler |
| Field Programmable Gate Array | Altera | Cyclone IV | Trigger Control |
| Fixed Focus Collomation Packages | Thorlabs | F240FC-532 | Fiber Collimator |
| Foused ultrasonic transducer | Self-made | ||
| Graphics Processing Unit | NVIDIA | GeForce GTX 1060 | Processing data |
| Holder | Self-made | Animal fixation | |
| Laser control program | National Instrument | LabVIEW | User-defined program |
| Mice | Guangdong Medical Laboratory Animal Center | BALB/c | Animal Model |
| Microscope camera | Mshot | MS60 | CCD camera |
| Microscope Objective | Daheng Optics | GCO-2111 | Objective Lens |
| Mirror | Daheng Optics | GCC-1011 | Moveable/Fixed Mirror |
| Moving Magnet Capacitive Detector Galvanometer Scanner | Century Sunny | S8107 | real-time scanner |
| Mshot image analysis system | Mshot | Display software | |
| Normal Saline | CR DOUBLE-CRANE | H34023609 | Normal Saline |
| Ophthalmic Scissors | SUJIE | Scalp Remove | |
| Planar ultrasonic transducer | Self-made | ||
| Plastic Wrap | HJSJLSL | Polyethylene Membrane | |
| Program Control Software | National Instrument | LabVIEW | User-defined Program |
| Pulsed Q-swithched Laser | Laser-export | DTL-314QT | 532-nm pulse Laser |
| Real-time imaging program | National Instrument | LabVIEW | User-defined program |
| Ring-shaped white LED | Self-made | ||
| Shaver | Codos | CP-9200 | Animal Shaver |
| Single-Mode Fibers | Nufern | 460-HP | Single-mode fiber |
| Surgical Blade | SUJIE | 11 | Blade |
| Surgical Scalpel | SUJIE | 7 | Scalp Remove |
| Translation Stage | Jiancheng Optics | LS2-25T | wide-field scanning stage |
| Ultrasonic Transducer | Self-made | ||
| Ultrasound gel | GUANGGONG PAI | ZC4252418 | Acoustic Coupling |
| Urethane | Tokyo Chemical Industry | C0028 | Animal Anestheized |
| Water tank | Self-made | ||
| Wide-field imaging program | National Instrument | LabVIEW | User-defined program |
| XY Translator Mount | Self-made |
Referencias
- Li, L., et al. Single-impulse panoramic photoacoustic computed tomography of small-animal whole-body dynamics at high spatiotemporal resolution. Nature Biomedical Engineering. 1 (5), 0071 (2017).
- Jeon, S., Kim, J., Lee, D., Baik, J. W., Kim, C. Review on practical photoacoustic microscopy. Photoacoustics. 15, 100141 (2019).
- Baik, J. W., et al. Super wide-field photoacoustic microscopy of animal and humans in vivo. IEEE Transactions on Medical Imaging. 39 (4), 975-984 (2019).
- Omar, M., Aguirre, J., Ntziachristos, V. Optoacoustic mesoscopy for biomedicine. Nature Biomedical Engineering. 3 (5), 354-370 (2019).
- Lin, L., et al. Single-breath-hold photoacoustic computed tomography of the breast. Nature Communications. 9 (1), 2352 (2018).
- Yang, F., et al. Wide-field monitoring and real-time local recoding microvascular networks on small animals with a dual-raster-scanned photoacoustic microscope. Journal of Biophotonics. 13 (6), 202000022 (2020).
- Sun, J., Zhou, Q., Yang, S. Label-free photoacoustic imaging guided sclerotherapy for vascular malformations: a feasibility study. Optics Express. 26 (4), 4967-4978 (2018).
- Xu, D., Yang, S., Wang, Y., Gu, Y., Xing, D. Noninvasive and high-resolving photoacoustic dermoscopy of human skin. Biomedical Optics Express. 7 (6), 2095-2102 (2016).
- Zhang, W., et al. Miniaturized photoacoustic probe for in vivo imaging of subcutaneous microvessels within human skin. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 9 (5), 807-814 (2019).
- Chen, Q., et al. Ultracompact high-resolution photoacoustic microscopy. Optics Letters. 43 (7), 1615-1618 (2018).
- Lan, B., et al. High-speed widefield photoacoustic microscopy of small-animal hemodynamics. Biomedical Optics Express. 9, 4689-4700 (2018).
- Ma, H., Yang, S., Cheng, Z., Xing, D. Photoacoustic confocal dermoscope with a waterless coupling and impedance matching opto-sono probe. Optics Letters. 42 (12), 2342-2345 (2017).
- Kang, H., Lee, S. W., Lee, E. S., Kim, S. H., Lee, T. G. Real-time GPU-accelerated processing and volumetric display for wide-field laser-scanning optical-resolution photoacoustic microscopy. Biomedical Optics Express. 6 (12), 4650-4660 (2015).
