Dual Raster-Scanning Photoacoustic Small-Animal Imager voor vasculaire visualisatie
Summary
Er is een twee raster-scanning fotoakoetische imager ontworpen, die wide-field imaging en real-time imaging integreerde.
Abstract
Beeldvorming van vasculaire netwerken op kleine dieren heeft een belangrijke rol gespeeld in fundamenteel biomedisch onderzoek. Fotoakoetische beeldvormingstechnologie heeft een groot potentieel voor toepassing in de beeldkunde van kleine dieren. De fotoakoetische beeldvorming in het brede veld van kleine dieren kan afbeeldingen leveren met een hoge spatiotemporale resolutie, diepe penetratie en meerdere contrasten. Ook is het real-time fotoakoestische beeldvormingssysteem wenselijk om de hemodynamische activiteiten van vasculatuur van kleine dieren te observeren, die kunnen worden gebruikt om de dynamische monitoring van fysiologische kenmerken van kleine dieren te onderzoeken. Hier wordt een fotoakoetische imager met twee rasterscanningen gepresenteerd, met een schakelbare beeldfunctie in dubbele modus. De wide-field imaging wordt aangedreven door een tweedimensionale gemotoriseerde vertaalfase, terwijl de real-time imaging wordt gerealiseerd met galvanometers. Door verschillende parameters en beeldmodi in te stellen, kan in vivo visualisatie van het vasculaire netwerk van kleine dieren worden uitgevoerd. De real-time beeldvorming kan worden gebruikt om pulsverandering en bloedstroomverandering van door drugs geïnduceerde, enz. te observeren. De wide-field imaging kan worden gebruikt om de groeiverandering van tumor vasculatuur te volgen. Deze zijn gemakkelijk toe te nemen op verschillende gebieden van fundamenteel biomedisch onderzoek.
Introduction
Op biomedisch basisgebied kunnen kleine dieren de menselijke fysiologische functie simuleren. Daarom speelt beeldvorming van kleine dieren een belangrijke rol bij het begeleiden van het onderzoek naar menselijke homologe ziekten en het zoeken naar een effectieve behandeling1. Photoacoustic imaging (PAI) is een niet-invasieve beeldvormingstechniek die de voordelen van optische beeldvorming en echografie combineert2. Fotoakoetische microscopie (PAM) is een waardevolle beeldvormingsmethode voor fundamenteel onderzoek van kleine dieren3. PAM kan gemakkelijk hoge resolutie, diepe penetratie, hoge specificiteit en hoogcontrastbeelden verkrijgen die op optische excitatie en ultrasone opsporing worden gebaseerd4.
Een pulslaser met een specifieke golflengte wordt geabsorbeerd door endogene chromoforen van weefsels. Vervolgens stijgt de temperatuur van het weefsel, wat resulteert in de productie van foto-geïnduceerde ultrasone golven. De ultrasone golven kunnen worden gedetecteerd door een ultrasone transducer. Na signaalverwerving en beeldreconstructie kan de ruimtelijke verdeling van de absorber worden verkregen5. Aan de ene kant vereist de visualisatie van het vasculaire netwerk van het hele orgaan een breed gezichtsveld. Het proces van breedveldscanning duurt meestal lang om hoge resolutie6,7,8te garanderen . Aan de andere kant vereist het observeren van de hemodynamische activiteiten van kleine dieren een snelle real-time beeldvorming. De real-time beeldvorming is nuttig om de vitale functies van kleine dieren in realtime te bestuderen9,10,11. Het gezichtsveld van real-time imaging is meestal voldoende klein om een hoge updatesnelheid te garanderen. Er is dus vaak een afweging tussen het bereiken van een breed gezichtsveld en real-time beeldvorming. Voorheen werden twee verschillende systemen afzonderlijk gebruikt voor wide-field imaging of real-time imaging.
Dit werk rapporteert een dual raster-scanning photoacoustic imager (DRS-PAI), die wide-field imaging integreerde op basis van een tweedimensionale gemotoriseerde vertaalfase en real-time imaging op basis van een tweeassige galvanometerscanner. De wide-field imaging mode (WIM) wordt uitgevoerd om vasculaire morfologie te tonen. Voor de real-time imaging mode (RIM) zijn er momenteel twee functies. Ten eerste kan RIM realtime B-scanafbeeldingen leveren. Door de verplaatsing van vasculatuur langs de diepterichting te meten, kunnen de kenmerken van ademhaling of pols worden onthuld. Ten tweede kan de RIM kwantitatief het specifieke gebied in de WIM-afbeelding meten. Door vergelijkbare beelden van lokale WIM-regio’s te bieden, kunnen de details van de lokale verandering nauwkeurig worden onthuld. Het systeem ontwerpt een flexibele overgang tussen breedveldbeeldvorming van vasculaire visualisatie en real-time beeldvorming van de lokale dynamiek. Het systeem is wenselijk in fundamenteel biomedisch onderzoek waar behoefte is aan beeldvorming van kleine dieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier presenteerden we een dubbele raster-scanning fotoakoetische kleine dier imager voor niet-invasieve vasculaire visualisatie die werd ontworpen en ontwikkeld om de structuur van de vasculatuur en de bijbehorende dynamische verandering van bloed vast te leggen. Het voordeel van DRS-PAI is dat het de WIM en de RIM integreert in één systeem, waardoor het gemakkelijker wordt om vasculaire dynamische en vasculaire netwerkstructuur van kleine dieren te bestuderen. Het systeem kan een hoge resolutie breedveld vasculaire vi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen graag de financiële steun van de National Natural Science Foundation of China (61822505; 11774101; 61627827; 81630046), The Science and Technology Planning Project of Guangdong Province, China (2015B020233016) en The Science and Technology Program of Guangzhou (No. 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).
