צילום כפול של בעלי חיים קטנים פוטואקוסטיים לסריקת רסטר לפריטים חזותיים של כלי דם
Summary
תוכנן צילום פוטואקוסטי כפול לסריקת רסטר, אשר שילב הדמיה רחבת שדה והדמיה בזמן אמת.
Abstract
הדמיה של רשתות כלי דם על בעלי חיים קטנים מילאה תפקיד חשוב במחקר ביו-רפואי בסיסי. טכנולוגיית הדמיה פוטואקוסטית יש פוטנציאל גדול ליישום בתמונה של בעלי חיים קטנים. ההדמיה הפוטואקוסטית הנרחבת של בעלי חיים קטנים יכולה לספק תמונות ברזולוציה מרחבית גבוהה, חדירה עמוקה וניגודים מרובים. כמו כן, מערכת ההדמיה הפוטואקוסטית בזמן אמת רצויה להתבונן בפעילויות המודינמיות של כלי דם של בעלי חיים קטנים, אשר ניתן להשתמש בהם כדי לחקור את הניטור הדינמי של תכונות פיזיולוגיות של בעלי חיים קטנים. כאן מוצגת תמונה פוטואקוסטית סורקת רסטר כפולה, הכוללת פונקציית דימות דו-מצבית הניתנת להחלפה. ההדמיה רחבת השדה מונעת על ידי שלב תרגום ממונע דו מימדי, בעוד ההדמיה בזמן אמת מתממשת עם גלוונומטרים. על ידי הגדרת פרמטרים שונים ומצבי הדמיה, הדמיה vivo של רשת כלי דם של בעלי חיים קטנים יכול להתבצע. ההדמיה בזמן אמת יכולה לשמש כדי לבחון שינוי הדופק ושינוי זרימת הדם של סמים המושרה, וכו ‘. ההדמיה רחבת השדה יכולה לשמש כדי לעקוב אחר שינוי הצמיחה של כלי הדם הגידול. אלה קלים לאימוץ בתחומים שונים של מחקר ביו-רפואי בסיסי.
Introduction
בתחום הביו-רפואי הבסיסי, בעלי חיים קטנים יכולים לדמות תפקוד פיזיולוגי אנושי. לכן, הדמיה של בעלי חיים קטנים ממלאת תפקיד חשוב בהנחיית המחקר של מחלות הומולוגיות אנושיות ובחיפוש טיפול יעיל1. הדמיה פוטואקוסטית (PAI) היא טכניקת הדמיה לא פולשנית המשלבת את היתרונות של הדמיה אופטית והדמיה אולטרסאונד2. מיקרוסקופיה פוטואקוסטית (PAM) היא שיטת הדמיה בעלת ערך למחקר בסיסי של בעלי חיים קטנים3. PAM יכול בקלות להשיג ברזולוציה גבוהה, חדירה עמוקה, ספציפיות גבוהה ותמונות חדות גבוהה המבוססות על עירור אופטי וזיהוי אולטרסאונד4.
לייזר דופק עם אורך גל מסוים נספג על ידי כרומופורים אנדוגני של רקמות. לאחר מכן, הטמפרטורה של הרקמה עולה, מה שמוביל לייצור של גלים קוליים הנגרמים על ידי צילום. הגלים הקוליים יכולים להיות מזוהים על ידי מתמר קולי. לאחר רכישת אותות ושחזור תמונה, ניתן להשיג את ההתפלגות המרחבית של הסופג5. מצד אחד, הדמיה של רשת כלי דם של איברים שלמים דורשת שדה ראייה רחב. תהליך הסריקה בשטח רחב נמשך בדרך כלל זמן רב כדי להבטיחרזולוציהגבוהה 6,7,8. מצד שני, התבוננות בפעילויות המודינמיות של בעלי חיים קטנים דורשת הדמיה מהירה בזמן אמת. ההדמיה בזמן אמת מועילה לחקור את הסימנים החיוניים של בעלי חיים קטנים בזמן אמת9,10,11. שדה הראייה של הדמיה בזמן אמת הוא בדרך כלל קטן מספיק כדי להבטיח קצב עדכון גבוה. לכן, לעתים קרובות יש פשרה בין השגת שדה ראייה רחב הדמיה בזמן אמת. בעבר, שתי מערכות שונות שימשו להדמיה שדה רחב או הדמיה בזמן אמת, בנפרד.
עבודה זו מדווחת על הדמיה פוטואקוסטית סריקת רסטר כפולה (DRS-PAI), אשר שילבה הדמיה שדה רחב המבוסס על שלב תרגום ממונע דו מימדי והדמיה בזמן אמת המבוססת על סורק גלוונומטר דו-צירי. מצב דימות שדה רחב (WIM) מבוצע כדי להציג מורפולוגיה של כלי הדם. עבור מצב דימות בזמן אמת (RIM), קיימות כעת שתי פונקציות. ראשית, RIM יכולה לספק תמונות סריקת B בזמן אמת. על ידי מדידת התזוזה של כלי הדם לאורך כיוון העומק, המאפיינים של נשימה או דופק ניתן לחשוף. שנית, ה- RIM יכול למדוד כמותית את האזור הספציפי בתמונת ה- WIM. על-ידי מתן תמונות דומות של אזורי WIM מקומיים, ניתן לחשוף במדויק את פרטי השינוי המקומי. המערכת מתכננת מעבר גמיש בין הדמיה רחבת שדה של הדמיה של כלי הדם לבין הדמיה בזמן אמת של הדינמיקה המקומית. המערכת רצויה במחקר ביו-רפואי בסיסי שבו יש צורך בהדמיה של בעלי חיים קטנים.
Protocol
Representative Results
Discussion
כאן הצגנו דימוי כפול של בעלי חיים קטנים וסורקי רסטר להדמיה לא פולשנית של כלי הדם שתוכנן ופותח כדי ללכוד את מבנה כלי הדם ואת השינוי הדינמי הקשור בדם. היתרון של DRS-PAI הוא שהוא משלב את ה- WIM ואת ה- RIM במערכת אחת, מה שמקל על חקר מבנה הרשת הדינמי וכלי הדם של בעלי חיים קטנים. המערכת יכולה לספק הדמיה של ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להכיר בתמיכה הכספית של הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (61822505; 11774101; 61627827; 81630046), פרויקט תכנון המדע והטכנולוגיה של פרובינציית גואנגדונג, סין (2015B020233016) ותוכנית המדע והטכנולוגיה של גואנגג’ואו (מס ‘ 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).
