רזולוציה אקוסטית ואופטית למיקרוסקופיה פוטוקוסטית עבור<em> בויבו</em> בעלי חיים קטנים דם Vasculature הדמיה
Summary
כאן ברזולוציה אקוסטית להחלפה (AR) ו רזולוציה אופטי (OR) מיקרוסקופית photacoustic (AR-OR-PAM) מערכת המסוגלת הן הדמיה ברזולוציה גבוהה בעומק רדודים ברזולוציה נמוכה הדמיה רקמה עמוקה על אותו מדגם in vivo הוא הפגינו.
Abstract
מיקרוסקופ Photoacoustic (PAM) הוא מהיר הדמיה invivo מודולציה הדמיה המשלבת הן אופטיקה אולטרסאונד, מתן חדירה מעבר נתיב אופטי אופטי חינם (~ 1 מ"מ בעור) עם רזולוציה גבוהה. על ידי שילוב של ניגוד קליטה אופטי עם רזולוציה מרחבית גבוהה של אולטרסאונד במודל אחד, טכניקה זו יכולה לחדור ברקמות עמוק. מערכות מיקרוסקופיות פוטוקוסטיות יכולות להיות בעלות רזולוציה אקוסטית נמוכה או בדיקה עמוקה או רזולוציה אופטית גבוהה בדיקה רדוד. זה מאתגר להשיג רזולוציה מרחבית גבוהה חדירה עומק גדול עם מערכת אחת. עבודה זו מציגה מערכת AR-OR-PAM המסוגלת הן הדמיה ברזולוציה גבוהה בעומקים רדודים ברזולוציה נמוכה הדמיה ברקמות עמוק של המדגם אותו in vivo . רזולוציה לרוחב של 4 מיקרומטר עם 1.4 מ"מ עומק הדמיה באמצעות מיקוד אופטי ברזולוציה לרוחב של 45 מיקרומטר עם 7.8 מ"מ עומק הדמיה באמצעות התמקדות אקוסטית היו מוצלחיםהוכיחו באמצעות המערכת המשולבת. הנה, ב vivo קטן vwo דם בעלי חיים הדמיה מבוצעת כדי להדגים יכולת הדמיה ביולוגית שלה.
Introduction
ברזולוציה גבוהה אופנות הדמיה אופטי, כגון טומוגרפיה קוהרנטיות אופטית, מיקרוסקופיה confocal, ומיקרוסקופ multiphoton, יש יתרונות רבים. עם זאת, רזולוציה מרחבית פוחתת באופן משמעותי ככל עומק הדמיה עולה. זה בגלל אופי מפוזר של תחבורה קלה ברקמות רכות 1 , 2 . שילוב של עירור אופטית ואולטראסאונד אופטי מספק פתרון כדי להתגבר על האתגר של הדמיה אופטית ברזולוציה גבוהה ברקמות עמוק. מיקרוסקופיה פוטוקוסטית (PAM) היא שיטה אחת כזו שיכולה לספק הדמיה עמוקה יותר מאשר אופני הדמיה אופטיים אחרים. זה יושם בהצלחה ב vivo מבניים, תפקודית, מולקולרית, תא הדמיה 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 </sup> , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 על ידי שילוב של ניגוד קליטה אופטי חזק עם רזולוציה מרחבית גבוהה מן אולטרסאונד.
ב PAM, דופק לייזר קצר מקריא את הרקמה / מדגם. ספיגת האור על ידי chromophores ( למשל, מלנין, המוגלובין, מים וכו ' ) גורם להגדלת הטמפרטורה, וכתוצאה מכך לייצר את גלי הלחץ בצורה של גלי אקוסטיקה (גלים photacoustic). גלים photacoustic שנוצר יכול להיות מזוהה על ידי מתמר קול רחב Broadband מחוץ לגבולות הרקמות. ניצול המיקוד האקוסטי חלש אופטי הדוק, הדמיה רקמה עמוקה יכולה להיות מושגת ברזולוציה אקוסטית מיקרוסקופיה photacoustic (AR-PAM) 14 , 15 , 16 . ב AR-PAM, רזולוציה לרוחב של 45 מיקרומטר עומק הדמיה עד 3 מ"מ הודגמו 15 . על מנת לפתור נימים בודדים (~ 5 מיקרומטר) אקוסטי, מתמרים קוליים הפועלים ב> 400 MHz תדרים מרכזיים נדרשים. בתדרים גבוהים כאלה, עומק החדירה הוא פחות מ -100 מיקרומטר. הבעיה הנגרמת על ידי מיקוד אקוסטי הדוק ניתן לפתור באמצעות מיקוד אופטי הדוק. רזולוציה אופטית מיקרוסקופית פוטוקוסטית (OR-PAM) מסוגלת לפתור נימים בודדים, או אפילו תא בודד 17 , ורזולוציה לרוחב של 0.5 מיקרומטר הושגה 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 . השימוש nanojet פוטוניים יכול לעזור להשיג החלטה מעבר לפתרון מוגבל עקיפהN 25 , 26 . ב OR-PAM, עומק החדירה מוגבל בשל התמקדות אור, והוא יכול תמונה עד ~ 1.2 מ"מ בתוך הרקמה הביולוגית 23 . לכן, AR-PAM יכול תמונה עמוקה יותר, אבל עם רזולוציה נמוכה יותר, ו- OR-PAM יכול תמונה עם רזולוציה גבוהה מאוד, אבל עם עומק הדמיה מוגבל. מהירות ההדמיה של מערכת AR ו- OR-PAM תלויה בעיקר בשיעור הדופק של מקור הלייזר 27 .
שילוב AR-PAM ו- OR-PAM יהיה בעל תועלת רבה ליישומים הדורשים הן רזולוציה גבוהה והן הדמיה עמוקה יותר. נעשה מאמץ קטן לשלב מערכות אלה יחד. בדרך כלל, שני סורקי הדמיה שונים משמשים הדמיה, אשר דורש כי המדגם יועברו בין שתי המערכות, ובכך מקשה לבצע הדמיה vivo . עם זאת, הדמיה היברידית עם שניהם AR ו – PAM או מאפשר הדמיה עם החלטות להרחבה אNd מעמקים. בגישה אחת, צרור סיבים אופטיים משמש כדי לספק אור הן AR ו- PAM. בגישה זו, שני לייזר לייזרים (לייזר אנרגיה גבוהה ב 570 ננומטר עבור AR ו אנרגיה נמוכה, שיעור חזרות גבוהה לייזר ב 532 ננומטר עבור OR) משמשים, מה שהופך את המערכת לא נוח ויקר 28 . אור הלייזר OR-PAM קבוע, ומחקרים רבים, כגון על רוויון החמצן, אינם אפשריים באמצעות מערכת משולבת זו. מחקרים השוואתיים בין AR ו- OR PAM גם הם בלתי אפשריים בגלל ההבדל באורכי גל לייזר בין AR ו- OR. יתר על כן, AR-PAM משתמש תאורה שדה בהיר; לכן, אותות חזקים photacoustic מ משטח העור להגביל את איכות התמונה. מסיבה זו, המערכת לא ניתן להשתמש ביישומים רבים ביו-בימוי. בגישה אחרת לביצוע AR ו- PAM, המיקוד האופטי והאולטראסאונד משתנה, מה שהופך את מוקד האור ואת המיקוד האולטראסאונד ללא שינוי. לכן, איכות התמונה אינה אופטימלית <suP class = "xref"> 29. באמצעות טכניקה זו, AR-PAM ו OR-PAM יכול להשיג רק 139 מיקרומטר ו 21 מיקרומטר החלטות, בהתאמה, מה שהופך אותו מערכת ברזולוציה ירודה. גישה אחרת, הכוללת שינוי סיבים אופטיים collimating אופטיקה, דווחו לעבור בין AR ו – PAM, מה שהופך את תהליך היישור קשה 30 . בכל המקרים הללו, AR-PAM לא להשתמש תאורה שדה כהה. השימוש בהארת שדה כהה יכול להפחית את הדור של אותות Photoacoustic חזקה ממשטח העור. לכן, הדמיה רקמות עמוק יכול להתבצע באמצעות תאורה בצורת טבעת, כמו רגישות זיהוי של אותות photacoustic עמוק יהיה גבוה יותר להשוות את זה של תאורה שדה בהיר.
עבודה זו מדווחת על מערכת הדמיה מסוג AR ו – PAM (AR-OR-PAM) המיועדים להדמיה ברזולוציה גבוהה, והדמיה ברזולוציה נמוכה של הדגימה בעומק הדגימה של אותו מדגם, תוך שימוש באותו לייזר וסורק עבור שתי הסיסטותEms. הביצועים של מערכת AR-OR-PAM התאפיינו בקביעת הרזולוציה המרחבית ועומק ההדמיה באמצעות ניסויים רפאים. ב vivo הדם vasculature הדמיה בוצעה על אוזן העכבר כדי להדגים יכולת הדמיה ביולוגית שלה.
Protocol
Representative Results
Discussion
לסיכום, מערכת AR ו – PAM הניתנים לשינוי ניתן להשיג הן הדמיה ברזולוציה גבוהה במעמקי הדמיה נמוכים יותר והן בהדמיה ברזולוציה נמוכה יותר במעמקי הדמיה גבוהים יותר. ההחלטה לרוחב ואת עומק הדמיה של מערכת switchable נקבע. היתרונות של מערכת ה- PAM הזאת הניתנים לשינוי כוללים: (1) הדמיה ברז?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מבקשים להודות בתמיכה הכספית ממענק מדרגה שנייה במימון משרד החינוך בסינגפור (ARC2 / 15: M4020238). המחברים היו גם להודות למר צ'או וואי הונג בובי לעזרה מכונת מכונת.
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 |
Riferimenti
- 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).
