Показана возможность переключения системы акустического разрешения (AR) и оптической разрешающей (OR) фотоакустической микроскопии (AR-OR-PAM), которая позволяет получать изображения с высоким разрешением на мелкой глубине и глубокое изображение глубокой ткани с низким разрешением на одном и том же образце in vivo .
Фотоакустическая микроскопия (PAM) – это быстрорастущая мода визуализации, которая сочетает в себе как оптику, так и ультразвук, обеспечивая проникновение за пределы оптической длины свободного пробега (~ 1 мм в коже) с высоким разрешением. Комбинируя контраст оптического поглощения с высоким пространственным разрешением ультразвука в одной модальности, этот метод может проникать в глубокие ткани. Системы фотоакустической микроскопии могут иметь низкое акустическое разрешение и зонд глубоко или высокое оптическое разрешение и зонд. Очень сложно добиться высокого пространственного разрешения и большого проникновения глубины с помощью единой системы. Эта работа представляет собой систему AR-OR-PAM, способную как с высоким разрешением, на мелкой глубине, так и с глубоким отображением глубокой ткани с низким разрешением одного и того же образца in vivo . Боковое разрешение 4 мкм с глубиной изображения 1,4 мм с использованием оптической фокусировки и боковое разрешение 45 мкм с глубиной изображения 7,8 мм с использованием акустической фокусировки были успешнымиПродемонстрированный с использованием комбинированной системы. Здесь, in vivo, визуализацию сосудистой сети животного мира проводят, чтобы продемонстрировать свою биологическую способность к визуализации.
Модификации оптического изображения с высоким разрешением, такие как оптическая когерентная томография, конфокальная микроскопия и многофотонная микроскопия, имеют многочисленные преимущества. Однако пространственное разрешение значительно уменьшается по мере увеличения глубины изображения. Это связано с диффузным характером переноса света в мягких тканях 1 , 2 . Интеграция оптического возбуждения и ультразвукового обнаружения обеспечивает решение для преодоления проблемы оптической визуализации с высоким разрешением в глубоких тканях. Фотоакустическая микроскопия (PAM) – одна из таких модальностей, которая может обеспечить более глубокое изображение, чем другие оптические методы визуализации. Он успешно применяется для структурной, функциональной, молекулярной и клеточной визуализации in vivo 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 </sup> , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , объединив сильный контраст оптического поглощения с высоким пространственным разрешением от ультразвука.
В PAM короткий лазерный импульс облучает ткань / образец. Поглощение света хромофорами ( например, меланин, гемоглобин, вода и т. Д. ) Приводит к увеличению температуры, что, в свою очередь, приводит к образованию волн давления в виде волн акустики (фотоакустических волн). Сгенерированные фотоакустические волны могут быть обнаружены широкополосным ультразвуковым преобразователем вне границы ткани. Используя слабую оптическую и плотную акустическую фокусировку, глубокая тканная визуализация может быть достигнута в акустическом разрешении фотоакустической микроскопии (AR-PAM) 14 , 15 , 16 . В AR-PAM, было показано поперечное разрешение 45 мкм и глубина изображения до 3 мм. 15 . Для того чтобы разрешить одиночные капилляры (~ 5 мкм) акустически, необходимы ультразвуковые преобразователи, работающие на частотах> 400 МГц. На таких высоких частотах глубина проникновения составляет менее 100 мкм. Проблема, вызванная плотной акустической фокусировкой, может быть решена с использованием плотной оптической фокусировки. Фотоакустическая микроскопия с оптическим разрешением (OR-PAM) способна разрешать одиночные капилляры или даже одну ячейку 17 , а латеральное разрешение 0,5 мкм было достигнуто 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 . Использование фотонного наноэлемента может помочь достичь разрешения, выходящего за пределы разрешающей способности дифракцииN 25 , 26 . В OR-PAM глубина проникновения ограничена из-за фокусировки света, и она может достигать до 1,2 мм внутри биологической ткани 23 . Таким образом, AR-PAM может изображение глубже, но с более низким разрешением, а OR-PAM может иметь изображение с очень высоким разрешением, но с ограниченной глубиной изображения. Скорость формирования изображения AR и OR-PAM в основном зависит от частоты повторения импульсов лазерного источника 27 .
Объединение AR-PAM и OR-PAM будет иметь большую выгоду для приложений, для которых требуется как высокое разрешение, так и более глубокое изображение. Были предприняты небольшие усилия для объединения этих систем. Обычно для визуализации используются два разных сканера изображения, что требует, чтобы образец перемещался между обеими системами, что затрудняло выполнение визуализации in vivo . Однако гибридное изображение с AR и OR PAM позволяет получать изображения с масштабируемыми разрешениямиЙ глубины. В одном подходе пучок оптических волокон используется для подачи света для AR и OR PAM. В этом подходе используются два отдельных лазера (высокоэнергетический лазер при 570 нм для AR и низкоэнергетический лазер с высокой частотой повторения при 532 нм для OR), что делает систему неудобной и дорогостоящей 28 . Длина волны лазера OR-PAM фиксирована, и многие исследования, такие как насыщение кислородом, невозможны с использованием этой комбинированной системы. Сравнительные исследования между AR и OR PAM также невозможны из-за разницы в длинах волн лазера между AR и OR. Кроме того, AR-PAM использует подсветку яркого поля; Следовательно, сильные фотоакустические сигналы с поверхности кожи ограничивают качество изображения. По этой причине система не может использоваться для многих приложений для биоизображения. В другом подходе к выполнению AR и OR PAM оптический и ультразвуковой фокус смещается, что делает фокус и фокусировку ультразвука неравнозначными. Таким образом, качество изображения не является оптимальным <suP class = "xref"> 29. Используя этот метод, AR-PAM и OR-PAM могут достичь только разрешений 139 мкм и 21 мкм соответственно, что делает его системой с низким разрешением. Сообщалось, что другой подход, который включает в себя изменение оптического волокна и коллимирующей оптики, переключается между AR и OR PAM, что затрудняет процесс выравнивания 30 . Во всех этих случаях AR-PAM не использовал подсветку темного поля. Использование освещения темного поля может уменьшить генерацию сильных фотоакустических сигналов с поверхности кожи. Поэтому глубокое изображение может быть выполнено с использованием кольцевой подсветки, поскольку чувствительность обнаружения глубоких фотоакустических сигналов будет более высокой, чем чувствительность яркого поля.
В этой работе сообщается о сменевой системе визуализации AR и OR PAM (AR-OR-PAM), способной получать изображения с высоким разрешением и изображения глубокой ткани с низким разрешением одного и того же образца, используя тот же лазер и сканер для обеих системЭмс. Производительность системы AR-OR-PAM характеризовалась определением пространственного разрешения и глубины изображения с использованием фантомных экспериментов. In vivo визуализация сосудистой сети крови проводилась на ухе мыши, чтобы продемонстрировать свою биологическую способность к визуализации.
В заключение была разработана переключаемая система AR и OR PAM, которая позволяет получать изображения с высоким разрешением на более низких глубинах изображения и изображения с более низким разрешением на более высоких глубинах изображения. Определено боковое разрешение и глубина изо…
The authors have nothing to disclose.
Авторы хотели бы признать финансовую поддержку гранта уровня 2, финансируемого Министерством образования в Сингапуре (ARC2 / 15: M4020238). Авторы также хотели бы поблагодарить г-на Чоу Вай Хоонга Бобби за помощь в механическом магазине.
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 |