Dual Raster-Scanning Photoacoustic Small-Animal Imager för vaskulär visualisering
Summary
En fotoakustisk bildbild med dubbel rasterskanning designades, som integrerade bredfältsavbildning och avbildning i realtid.
Abstract
Avbildning av kärlnätverk på små djur har spelat en viktig roll i grundläggande biomedicinsk forskning. Fotoakustisk bildteknik har stor potential att tillskansa sig små djurs bildologi. Den breda fotoakustiska avbildningen av små djur kan ge bilder med hög spatiotemporal upplösning, djup penetration och flera kontraster. Dessutom är det verkliga fotoakustiska bildsystemet önskvärt att observera de hemodynamiska aktiviteterna hos smådjursvaskulatur, som kan användas för att undersöka den dynamiska övervakningen av smådjurs fysiologiska egenskaper. Här presenteras en fotoakustisk bildbild med dubbel rasterskanning, med en omkopplingsbar dubbellägesavbildningsfunktion. Den breda avbildningen drivs av ett tvådimensionellt motoriserat översättningsstadium, medan realtidsavbildningen realiseras med galvanometrar. Genom att ställa in olika parametrar och bildlägen kan in vivo-visualisering av smådjursvaskulärt nätverk utföras. Realtidsavbildningen kan användas för att observera pulsförändring och blodflödesförändring av läkemedelsinducerade etc. Den breda avbildningen kan användas för att spåra tillväxtförändringen av tumörvaskulatur. Dessa är lätta att anamna inom olika områden av grundläggande biomedicinsk forskning.
Introduction
Inom det grundläggande biomedicinska området kan små djur simulera människans fysiologiska funktion. Därför spelar smådjursbilder en viktig roll för att vägleda forskningen om mänskliga homologa sjukdomar och söka effektiv behandling1. Fotoakustisk avbildning (PAI) är en icke-invasiv bildteknik som kombinerar fördelarna med optisk avbildning och ultraljudsavbildning2. Fotoakustisk mikroskopi (PAM) är en värdefull bildmetod för grundforskning av smådjur3. PAM kan enkelt få högupplösta, djuppenetrerande, hög specificitets- och kontrastbilder baserade på optisk excitation och ultraljudsdetektering4.
En pulslaser med en specifik våglängd absorberas av endogena kromoforer av vävnader. Därefter stiger temperaturen på vävnaden, vilket resulterar i produktion av fotoinducerade ultraljudsvågor. Ultraljud vågor kan detekteras av en ultraljud givare. Efter signalförvärv och bildrekonstruktion kan absorbörens rumsliga fördelning erhållas5. Å ena sidan kräver visualiseringen av helorgansvaskulärt nätverk ett brett synfält. Processen med bred fältskanning tar vanligtvis lång tid att säkerställa högupplöst6,7,8. Å andra sidan kräver observation av de hemodynamiska aktiviteterna hos små djur snabb avbildning i realtid. Realtidsavbildningen är fördelaktig för att studera de vitala tecknen på små djur i realtid9,10,11. Synfältet för realtidsavbildning är vanligtvis tillräckligt litet för att säkerställa en hög uppdateringshastighet. Således finns det ofta en kompromiss mellan att uppnå ett brett synfält och realtidsavbildning. Tidigare användes två olika system för bredfältsavbildning eller realtidsavbildning, separat.
Detta arbete rapporterar en dubbel raster-scanning photoacoustic imager (DRS-PAI), som integrerade bredfältsavbildning baserat på en tvådimensionell motoriserad översättningsfas och realtidsavbildning baserad på en tvåaxlig galvanometerskanner. Wim (wide-field imaging mode) utförs för att visa vaskulär morfologi. För realtidsavbildningsläget (RIM) finns det för närvarande två funktioner. Först kan RIM tillhandahålla B-skanningsbilder i realtid. Genom att mäta förskjutningen av vaskulatur längs djupriktningen kan andningsegenskaperna eller pulsen avslöjas. För det andra kan RIM kvantitativt mäta det specifika området i WIM-bilden. Genom att tillhandahålla jämförbara bilder av lokala WIM-regioner kan detaljerna i den lokala ändringen avslöjas korrekt. Systemet utformar en flexibel övergång mellan bredfältsavbildning av vaskulär visualisering och realtidsavbildning av den lokala dynamiken. Systemet är önskvärt inom grundläggande biomedicinsk forskning där det finns behov av smådjursavbildning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Här presenterade vi en dubbel raster-scanning photoacoustic små-djur imager för noninvasive Vaskulär visualisering som utformades och utvecklats för att fånga strukturen i vaskulaturen och den relaterade dynamiska förändringen av blod. Fördelen med DRS-PAI är att den integrerar WIM och RIM i ett system, vilket gör det lättare att studera vaskulär dynamisk och vaskulär nätverksstruktur hos små djur. Systemet kan ge högupplöst bred kärlvisualisering och bloddynamik i realtid.
…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill erkänna det ekonomiska stödet från National Natural Science Foundation of China (61822505; 11774101; 61627827; 81630046), Vetenskaps- och teknikplaneringsprojektet i Guangdongprovinsen, Kina (2015B020233016) och Guangzhous vetenskaps- och teknikprogram (nr 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).
