Için değiştirilebilir Akustik ve Optik Çözünürlük Fotoakustik Mikroskopi<emIn vivo</em> Küçük Hayvan Kan Vaskülatür Görüntüleme
Summary
Burada sığ derinlikte hem yüksek çözünürlüklü hem de in vivo aynı numunede düşük çözünürlüklü derin doku görüntülemeye muktedir anahtarlanabilir akustik çözünürlük (AR) ve optik çözünürlük (OR) fotoakustik mikroskopi (AR-OR-PAM) sistemi gösterilmiştir.
Abstract
Fotoakustik mikroskopi (PAM), yüksek çözünürlüklü optik ortalama serbest yolun (cildinde ~ 1 mm) ötesine penetrasyon sağlayan hem optik hem de ultrasonu bir araya getiren hızla büyüyen bir invivo görüntüleme yöntemidir. Optik absorpsiyon kontrastını, tek bir yöntemle ultrasonun yüksek uzaysal özünürlüğüyle birleştirerek, bu teknik derin dokulara nüfuz edebilir. Fotoakutik mikroskopi sistemleri, düşük akustik çözünürlüğe sahip olabilir ve derinlikli olarak problanabilir veya yüksek bir optik çözünürlüğü ve probu sığ derim. Tek bir sistemle yüksek mekansal çözünürlük ve geniş derinlik penetrasyonu elde etmek zor. Bu çalışma sığ derinliklerde hem yüksek çözünürlüklü hem de in vivo aynı numunenin düşük çözünürlüklü derin doku görüntüleme kapasitesine sahip bir AR-OR-PAM sistemi sunmaktadır. Optik odaklamayı kullanan 1,4 mm görüntü derinliğinde 4 μm'lik yanal çözünürlük ve akustik odaklamayı kullanarak 7.8 mm'lik görüntü derinliği ile 45 μm'lik bir yanal çözünürlük başarılıydıKombine sistemini kullanarak göstermiştir. Burada, biyolojik görüntüleme kabiliyetini göstermek için in vivo küçük hayvan kan damar sistemi görüntüleme yapılır.
Introduction
Optik koherens tomografi, konfokal mikroskopi ve çok ışıklı mikroskopi gibi yüksek çözünürlüklü optik görüntüleme yöntemleri çok sayıda avantaja sahiptir. Ancak görüntü derinliği arttıkça mekansal çözünürlük önemli ölçüde azalır. Yumuşak dokularda 1 , 2 hafif nakil dağınık doğası nedeniyle. Optik uyarılma ve ultrason algılama entegrasyonu, derin dokulardaki yüksek çözünürlüklü optik görüntülemenin üstesinden gelmek için bir çözüm sağlar. Fotoakustik mikroskopi (PAM), diğer optik görüntüleme yöntemlerinden daha derin görüntüleme sağlayabilen böyle bir yöntemdir. İn vivo yapısal, fonksiyonel, moleküler ve hücre görüntülemeye başarıyla uygulanmıştır. 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 </sup> , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 çalışmaları, güçlü optik absorpsiyon kontrastını ultrasonografiden elde edilen yüksek uzaysal çözünürlük ile birleştirerek gerçekleştirmektedir.
PAM'de kısa bir lazer darbe doku / numuneyi ışınlar. Işıkların kromoforlarla ( örn., Melanin, hemoglobin, su vb. ) Emilmesi sıcaklık artışıyla sonuçlanır ve bu da akustik dalgalar (fotoakustik dalgalar) şeklinde basınç dalgalarının üretilmesine neden olur. Oluşturulan fotoakustik dalgalar, doku sınırının dışındaki bir geniş bant ultrasonik dönüştürücü ile tespit edilebilir. Zayıf optik ve dar akustik odaklanmayı kullanarak, derin doku görüntüleme, akustik çözünürlüklü fotoakustik mikroskopi (AR-PAM) 14 , 15 , 16'da başarılabilir. AR'de-PAM, 45 μm yanal çözünürlük ve 3 mm'ye kadar bir görüntüleme derinliği gösterilmiştir 15 . Akustik olarak tekli kılcal damarları (~ 5 μm) çözmek için,> 400 MHz merkezi frekanslarda çalışan ultrasonik transdüserler gereklidir. Bu yüksek frekanslarda penetrasyon derinliği 100 μm'den düşüktür. Sıkı akustik odaklanmanın yol açtığı sorun dar optik odaklama kullanılarak çözülebilir. Optik çözünürlüklü fotoakustik mikroskopi (OR-PAM), tekli kılcal damarları veya hatta tek bir hücreyi 17 çözebilmektedir ve 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 nolu yanal çözünürlük 0.5 μm'dir. Fotonik nanojet kullanımı, kırınımla sınırlı resolutio ötesinde bir çözünürlük elde etmeye yardımcı olabilirN 25 , 26 . OR-PAM'da, nüfuz derinliği ışık odaklama nedeniyle sınırlıdır ve biyolojik dokunun 23'ünde ~ 1.2 mm'ye kadar görüntü görüntüleyebilir. Bu nedenle, AR-PAM görüntü derinleştirebilir, ancak daha düşük özünürlükte ve OR-PAM çok yüksek çözünürlükte, ancak görüntüleme derinliği sınırlı görüntüleyebilir. AR ve OR-PAM sisteminin görüntüleme hızı çoğunlukla lazer kaynağının 27 atım tekrarlama oranına bağlıdır.
AR-PAM ve OR-PAM'ı birleştirmek hem yüksek çözünürlüklü hem de daha derin görüntüleme gerektiren uygulamalar için büyük fayda sağlayacaktır. Bu sistemleri bir araya getirmek için az çaba gösterildi. Genellikle, iki farklı görüntüleme tarayıcı görüntüleme için kullanılır, bu da, numunenin her iki sistem arasında hareket ettirilmesini ve dolayısıyla canlı görüntülemenin gerçekleştirilmesini zorlaştırır. Bununla birlikte hem AR hem de OR PAM ile hibrid görüntüleme, ölçeklenebilir çözünürlüklerle görüntülemeyi mümkün kılar.Derinlikler. Tek bir yaklaşımda hem AR hem de OR PAM için ışık iletmek için bir optik fiber demeti kullanılır. Bu yaklaşımda, iki ayrı lazer (AR için 570 nm'de yüksek enerjili lazer ve OR için 532 nm'de düşük enerjili, yüksek tekrarlama oranı lazer) kullanılmakta ve sistem uygunsuz ve pahalı hale getirilmektedir 28 . OR-PAM lazer dalga boyu sabittir ve bu kombine sistem kullanılarak oksijen doygunluğu gibi birçok çalışma mümkün değildir. AR ve OR PAM arasındaki karşılaştırmalı çalışmalar da AR ve OR arasındaki lazer dalga boylarındaki fark nedeniyle mümkün değildir. Dahası, AR-PAM parlak alan aydınlatması kullanır; Bu nedenle cilt yüzeyinden gelen güçlü fotoakustik sinyaller görüntü kalitesini sınırlar. Bu nedenle, sistem birçok biyolojik görüntüleme uygulaması için kullanılamaz. AR ve OR PAM gerçekleştirmek için başka bir yaklaşımda, optik ve ultrason odak kaydırılır, bu da ışık odak ve ultrason odak hatasız hale getirir. Böylece, görüntü kalitesi optimal değildir <suP class = "xref"> 29. Bu tekniği kullanarak, AR-PAM ve OR-PAM sırasıyla yalnızca 139 um ve 21 um çözünürlük elde edebilir ve bu sayede kötü çözünürlüklü bir sistem haline gelir. Optik elyafın ve kolimatör optiklerinin değiştirilmesini içeren başka bir yaklaşımın, AR ve OR PAM arasında geçiş yapması, hizalama işlemini zorlaştırdığı bildirilmiştir ( 30) . Bütün bu vakalarda, AR-PAM karanlık alan aydınlatması kullanmadı. Koyu alan aydınlatmasının kullanılması cilt yüzeyinden güçlü fotoakustik sinyaller üretilmesini azaltabilir. Bu nedenle, derin fotoakustik sinyallerinin algılama hassasiyeti parlak alan aydınlatmasına kıyasla daha yüksek olacağından, halka şeklinde aydınlatma kullanılarak derin doku görüntüleme yapılabilir.
Bu çalışma, her iki siste de aynı lazer ve tarayıcıyı kullanarak aynı numuneyi hem yüksek çözünürlüklü hem de düşük çözünürlüklü derin doku görüntüleme özelliğine sahip değiştirilebilir bir AR ve OR PAM (AR-OR-PAM) görüntüleme sistemi bildirmektedirems. AR-OR-PAM sisteminin performansı, fantom deneyler kullanılarak mekansal çözünürlüğü ve görüntüleme derinliğini belirleyerek karakterize edildi. Biyolojik görüntüleme kabiliyetini göstermek için bir fare kulakta canlı vasküler görüntüleme gerçekleştirildi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sonuç olarak, daha düşük görüntüleme derinliklerinde hem yüksek çözünürlüklü görüntüleme hem de daha yüksek görüntüleme derinliklerinde daha düşük çözünürlüklü görüntü elde edebilen değiştirilebilir bir AR ve OR PAM sistemi geliştirilmiştir. Değiştirilebilir sistemin yanal çözünürlüğü ve görüntü derinliği belirlendi. Bu değiştirilebilir PAM sisteminin avantajları şunları içerir: (1) sıkı optik odaklamayı kullanan yüksek çözünürlüklü görüntüleme; (2) ak…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, Singapur'da Eğitim Bakanlığınca finanse edilen 2. Aşamalı bir hibe tarafından sağlanan maddi desteği ARC2 / 15: M4020238 olarak kabul etmek istiyorlar. Yazarlar ayrıca, makine mağazası yardımı için Bay Chow Wai Hoong Bobby'ye teşekkür etmek istiyorlardı.
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 |
References
- 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).
