Двойной Raster-Scanning Фотоакустичный малый животный Imager для сосудистой визуализации
Summary
Был разработан двойной фотоакустичный образец, который интегрировал широкое изображение и визуализацию в режиме реального времени.
Abstract
Изображение сосудистых сетей на мелких животных сыграло важную роль в фундаментальных биомедицинских исследованиях. Технология фотоакустиковой визуализации имеет большой потенциал для применения в имиджологии мелких животных. Широкое фотоакустиическое изображение мелких животных может обеспечить изображения с высоким spatiotemporal разрешение, глубокое проникновение, и несколько контрастов. Также в режиме реального времени система фотоакустической визуализации желательно наблюдать за гемодинамической деятельностью маловодной сосудообразуемой системы, которая может быть использована для исследования динамического мониторинга физиологических особенностей мелких животных. Здесь представлен фотоакустичный образец с двойным растером, отличающийся переключаемой функцией двойного режима визуализации. Широкое поле изображения определяется двумерной моторизованной стадии перевода, в то время как в режиме реального времени изображение реализуется с гальванометрами. Устанавливая различные параметры и режимы визуализации, можно проводить визуализацию маловодной сосудистой сети. Изображения в режиме реального времени могут быть использованы для наблюдения за изменением пульса и изменением кровотока, вызванного наркотиками, и т.д. Широкое поле изображения могут быть использованы для отслеживания изменения роста сосудов опухоли. Они просты в использовании в различных областях фундаментальных биомедицинских исследований.
Introduction
В основной биомедицинской области мелкие животные могут имитировать физиологическую функцию человека. Таким образом, малое животное изображения играет важную роль в руководстве исследования человеческих гомологиальных заболеваний и ищет эффективноголечения 1. Фотоакустикатическая визуализация (PAI) является неинвазивной визуализацией, сочетающей преимущества оптической визуализации и ультразвуковойвизуализации 2. Фотоакустические микроскопии (PAM) является ценным методом визуализации для фундаментальных исследований малых животных3. PAM может легко получить высокое разрешение, глубокое проникновение, высокую специфичность и высоко контрастность изображений на основе оптического возбуждения и ультразвукового обнаружения4.
Импульсный лазер с определенной длиной волны поглощается эндогенными хромофорами тканей. Впоследствии температура ткани повышается, что приводит к выработке фото-индуцированных ультразвуковых волн. Ультразвуковые волны могут быть обнаружены ультразвуковым трансдуцером. После получения сигнала и реконструкции изображения, пространственное распределение амортизатора может быть получено5. С одной стороны, визуализация сосудистой сети из цельных органов требует широкого поля зрения. Процесс сканирования с широким полем обычно занимает много времени, чтобы обеспечить высокое разрешение6,7,8. С другой стороны, наблюдение за гемодинамической активностью мелких животных требует быстрой визуализации в режиме реального времени. В режиме реального времени изображения полезно для изучения жизненно важных признаков мелких животных в режимереального времени 9,10,11. Поле зрения изображений в режиме реального времени, как правило, достаточно мало, чтобы обеспечить высокую скорость обновления. Таким образом, часто существует компромисс между достижением широкого поля зрения и изображения в режиме реального времени. Ранее для широкой визуализации или визуализации в режиме реального времени по отдельности использовались две различные системы.
В этой работе сообщается о двойном растер-сканирующем фотоакустической визуализации (DRS-PAI), который интегрировал широкое поле изображения на основе двумерной моторизованной стадии перевода и изображения в режиме реального времени на основе двухосного гальванометрического сканера. Режим широкой визуализации (WIM) выполняется для показать сосудистую морфологию. Для режима визуализации в режиме реального времени (RIM) в настоящее время существуют две функции. Во-первых, ОПРАВА может обеспечить изображения B-сканирования в реальном времени. Измеряя смещение сосудов вдоль направления глубины, могут быть выявлены характеристики дыхания или пульса. Во-вторых, ОПРАВА может количественно измерить специфическую область в изображении WIM. Предоставляя сопоставимые изображения местных регионов WIM, детали локальных изменений могут быть точно раскрыты. Система разрабатывает гибкий переход между широкой визуализацией сосудистой визуализации и визуализацией местной динамики в режиме реального времени. Система желательна в фундаментальных биомедицинских исследованиях, где существует потребность в малой животной визуализации.
Protocol
Representative Results
Discussion
Здесь мы представили двойной raster-сканирование фотоакустичных мелко животных imager для неинвазивной сосудистой визуализации, которая была разработана и разработана для захвата структуры сосудов и связанных с ними динамических изменений крови. Преимущество DRS-PAI заключается в том, что он…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы отметить финансовую поддержку национального фонда естественных наук Китая (61822505; 11774101; 61627827; 81630046), Проект научно-технологического планирования провинции Гуандун, Китай (2015B020233016) и Научно-технический проект Гуанчжоу (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).
