المزدوج النقطي المسح الضوئي photoacoustic صورة الحيوانات الصغيرة للتصور الأوعية الدموية
Summary
تم تصميم جهاز تصوير ضوئي صوتي مزدوج المسح النقطي ، والذي دمج التصوير الواسع النطاق والتصوير في الوقت الحقيقي.
Abstract
وقد لعب تصوير شبكات الأوعية الدموية على الحيوانات الصغيرة دورا هاما في البحوث الطبية الحيوية الأساسية. تكنولوجيا التصوير الضوئية الصوتية لديها إمكانات كبيرة للتطبيق في الصور من الحيوانات الصغيرة. يمكن أن يوفر التصوير الضوئي واسع النطاق للحيوانات الصغيرة صورًا ذات دقة متزامنة واختراق عميق وتناقضات متعددة. أيضا، من المستحسن نظام التصوير الصوتي الضوئي في الوقت الحقيقي لمراقبة الأنشطة الدموية من الأوعية الحيوانية الصغيرة، والتي يمكن استخدامها للبحث في الرصد الديناميكي للخصائص الفسيولوجية الحيوانية الصغيرة. هنا، يتم تقديم جهاز تصوير ضوئي صوتي مزدوج المسح النقطي، يتميز بوظيفة تصوير مزدوجة الوضع قابلة للتبديل. يتم تنفيذ التصوير على نطاق واسع من قبل مرحلة ترجمة ثنائية الأبعاد، في حين أن التصوير في الوقت الحقيقي يتحقق مع جلفانومتر. من خلال وضع المعلمات المختلفة وطرق التصوير ، في تصور الجسم الحي لشبكة الأوعية الدموية الحيوانية الصغيرة يمكن تنفيذها. ويمكن استخدام التصوير في الوقت الحقيقي لمراقبة تغير النبض وتغيّر تدفق الدم الناجم عن المخدرات، إلخ. ويمكن استخدام التصوير واسعة المجال لتتبع تغير نمو الأوعية الدموية الورم. هذه هي سهلة لاعتمادها في مختلف مجالات البحوث الطبية الحيوية الأساسية.
Introduction
في مجال الطب الحيوي الأساسي، يمكن للحيوانات الصغيرة محاكاة الوظيفة الفسيولوجية البشرية. لذلك، فإن التصوير الحيواني الصغير يلعب دوراً هاماً في توجيه البحوث المتعلقة بالأمراض البشرية المتجانسة، والسعي إلى علاج فعال1. التصوير الضوئي الصوتي (PAI) هو تقنية تصوير غير الغازية التي تجمع بين مزايا التصوير البصري والتصوير بالموجات فوق الصوتية2. المجهر الصوتي الضوئي (PAM) هو طريقة تصوير قيمة للبحوث الأساسية للحيوانات الصغيرة3. PAM يمكن الحصول بسهولة عالية الدقة، والاختراق العميق، عالية– خصوصية عالية والصور عالية التباين على أساس الإثارة البصرية والكشف بالموجات فوق الصوتية4.
يتم امتصاص ليزر نبض مع طول موجي معين بواسطة chromophores الذاتية من الأنسجة. في وقت لاحق ، ترتفع درجة حرارة الأنسجة ، مما يؤدي إلى إنتاج موجات الموجات فوق الصوتية الناتجة عن الصور. يمكن الكشف عن الموجات فوق الصوتية بواسطة محول الموجات فوق الصوتية. بعد الحصول على إشارة وإعادة بناء الصورة، يمكن الحصول على التوزيع المكاني للامتصاص5. من ناحية، يتطلب تصور شبكة الأوعية الدموية بأكملها مجال رؤية واسع. عملية واسعة الميدان المسح عادة ما يستغرق وقتا طويلا لضمان عالية الدقة6،7،8. من ناحية أخرى ، تتطلب مراقبة الأنشطة الديناميكية الدموية للحيوانات الصغيرة تصويرًا سريعًا في الوقت الحقيقي. التصوير في الوقت الحقيقي مفيد لدراسة العلامات الحيوية للحيوانات الصغيرة في الوقت الحقيقي9،10،11. مجال الرؤية من التصوير في الوقت الحقيقي عادة ما تكون صغيرة بما فيه الكفاية لضمان معدل تحديث عالية. وهكذا، غالبا ما يكون هناك مقايضة بين تحقيق مجال واسع من الرؤية والتصوير في الوقت الحقيقي. في السابق، كان هناك نظامان مختلفان يستخدمان للتصوير على نطاق واسع أو التصوير في الوقت الحقيقي، بشكل منفصل.
هذا العمل تقارير ثنائية المسح النقطي photoacoustic imager (DRS-PAI) ، والتي دمجت واسعة المجال التصوير على أساس ثنائية الأبعاد مرحلة الترجمة الآلية والتصوير في الوقت الحقيقي على أساس محورين جلفانوميتر الماسح الضوئي. يتم تنفيذ وضع التصوير واسع المجال (WIM) لإظهار مورفولوجيا الأوعية الدموية. بالنسبة لوضع التصوير في الوقت الحقيقي (RIM)، هناك وظائف حالياً. أولاً، يمكن لـ RIM توفير صور مسح ب في الوقت الفعلي. من خلال قياس إزاحة الأوعية الدموية على طول اتجاه العمق ، يمكن الكشف عن خصائص التنفس أو النبض. ثانياً، يمكن لـ RIM قياس المساحة المحددة في صورة WIM كمياً. من خلال توفير صور مماثلة للمناطق المحلية WIM، يمكن الكشف عن تفاصيل التغيير المحلي بدقة. النظام تصاميم انتقال مرن بين التصوير واسعة المجال من التصور الأوعية الدموية والتصوير في الوقت الحقيقي من دينامية المحلية. هذا النظام مرغوب فيه في البحوث الطبية الحيوية الأساسية حيث هناك حاجة لتصوير الحيوانات الصغيرة.
Protocol
Representative Results
Discussion
هنا قدمنا صورة ضوئية ضوئية لـ غير باضعة للتصور الوعائي الذي تم تصميمه وتطويره لالتقاط بنية الأوعية الدموية والتغيير الديناميكي المرتبط بالدم. وميزة DRS-PAI هي أنه يدمج WIM و RIM في نظام واحد ، مما يجعل من الأسهل دراسة بنية شبكة ديناميكية الأوعية الدموية والأوعية الدموية للحيوانات الصغيرة. يمكن …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويود المؤلفون أن يعترفوا بالدعم المالي المقدم من المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (61822505؛ 2005) 11774101؛ 61627827؛ 81630046)، مشروع تخطيط العلوم والتكنولوجيا في مقاطعة قوانغدونغ، الصين (2015B020233016)، وبرنامج العلوم والتكنولوجيا في قوانغتشو (رقم 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).
