Dual Raster-Scanning Fotoakstik Lille-Animal Imager for vaskulær visualisering
Summary
Der blev designet en fotoakdannende billeddannelse med dobbelt rasterscanning, som integrerede billedbehandling i bred felt og billedbehandling i realtid.
Abstract
Billeddannelse af vaskulære netværk på små dyr har spillet en vigtig rolle i den grundlæggende biomedicinske forskning. Fotoakoustisk billeddannelsesteknologi har et stort potentiale for anvendelse i billedologien af små dyr. Den fotoakstiske billeddannelse i det brede felt af små dyr kan give billeder med høj spatiotemporal opløsning, dyb penetration og flere kontraster. Også det fotoakkutiske billeddannelsessystem i realtid er ønskeligt at observere de hæmodynamiske aktiviteter af smådyrsvakulature, som kan bruges til at forske i dynamisk overvågning af små dyrs fysiologiske egenskaber. Her præsenteres en fotoakustisk billeddannelse med to rasterscanninger med en skiftende dobbelttilstandsbilledfunktion. Den brede felt billedbehandling er drevet af en to-dimensionel motoriseret oversættelse fase, mens real-time billedbehandling er realiseret med galvanometre. Ved at indstille forskellige parametre og billedbehandlingstilstande kan in vivo-visualisering af smådyrs vaskulære netværk udføres. Den real-time billeddannelse kan bruges til at observere puls forandring og blodgennemstrømning ændring af narkotika-induceret, osv. Den brede felt billeddannelse kan bruges til at spore vækstændringen af tumor vaskulatur. Disse er nemme at vedtage inden for forskellige områder af grundlæggende biomedicinforskning.
Introduction
I det grundlæggende biomedicinske felt kan små dyr simulere menneskets fysiologiske funktion. Derfor spiller små dyr billeddannelse en vigtig rolle i at vejlede forskningen i humane homologe sygdomme og søge effektiv behandling1. Photoacoustic imaging (PAI) er en ikke-invasiv billeddannelse teknik, der kombinerer fordelene ved optisk billeddannelse og ultralydsscanning2. Fotoakskopi (PAM) er en værdifuld billeddannelse metode til grundforskning af små dyr3. PAM kan nemt opnå billeder med høj opløsning, dyb penetration, høj specificitet og høj kontrast baseret på optisk excitation og ultralydsdetektering4.
En puls laser med en bestemt bølgelængde absorberes af endogene kromoforer af væv. Derefter stiger vævets temperatur, hvilket resulterer i produktion af fotoinducerede ultralydbølger. Ultralydbølgerne kan detekteres af en ultralydstransducer. Efter signalopsamling og billedgenopbygning kan absorberens rumlige fordeling opnås5. På den ene side kræver visualiseringen af hele orgelvaskulært netværk et bredt synsfelt. Processen med bred scanning tager normalt lang tid at sikre høj opløsning6,7,8. På den anden side kræver observation af små dyrs hæmodynamiske aktiviteter hurtig realtidsbilleddannelse. Den real-time billeddannelse er gavnligt at studere de vitale tegn på små dyr i realtid9,10,11. Synsfeltet for realtidsbilleder er normalt tilstrækkeligt lille til at sikre en høj opdateringshastighed. Således er der ofte en afvejning mellem at opnå et bredt synsfelt og real-time imaging. Tidligere blev to forskellige systemer brugt til billedbehandling i bred kvalitet eller realtidsbilleddannelse separat.
Dette arbejde rapporterer en dobbelt raster-scanning photoacoustic imager (DRS-PAI), som integrerede wide-field imaging baseret på en to-dimensionel motoriseret oversættelse fase og real-time imaging baseret på en to-akset galvanometer scanner. Wim (Wide Field Imaging Mode) udføres for at vise vaskulær morfologi. Til realtidsbilledtilstanden (RIM) er der i øjeblikket to funktioner. For det første kan RIM give B-scanningsbilleder i realtid. Ved at måle forskydningen af vaskulatur langs dybderetningen kan respirationens eller pulsens egenskaber afsløres. For det andet kan RIM kvantitativt måle det specifikke område i WIM-billedet. Ved at give sammenlignelige billeder af lokale WIM-regioner kan detaljerne om den lokale ændring afsløres nøjagtigt. Systemet designer en fleksibel overgang mellem wide-field imaging af vaskulær visualisering og real-time billeddannelse af den lokale dynamik. Systemet er ønskeligt i grundlæggende biomedicinsk forskning, hvor der er behov for små-dyr billeddannelse.
Protocol
Representative Results
Discussion
Her præsenterede vi en dobbelt raster-scanning fotoakkustik lille-dyr billedsprog for noninvasive vaskulær visualisering, som blev designet og udviklet til at fange strukturen af vaskulaturen og den tilhørende dynamiske ændring af blod. Fordelen ved DRS-PAI er, at det integrerer WIM og RIM i ét system, hvilket gør det lettere at studere vaskulær dynamisk og vaskulær netværksstruktur af små dyr. Systemet kan give høj opløsning wide-field vaskulær visualisering og real-time bloddynamik.
<p class="jove_cont…Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne anerkende den finansielle støtte fra National Natural Science Foundation of China (61822505; 11774101; 61627827; 81630046), The Science and Technology Planning Project of Guangdong Province, China (2015B020233016) og Guangzhous videnskabs- og teknologiprogram (nr. 2019020001).
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 |
References
- 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).
