Vasküler Görselleştirme için Çift Raster Taramalı Fotoakoustik Küçük Hayvan Görüntüleyici
Summary
Geniş alan görüntüleme ve gerçek zamanlı görüntülemeyi entegre eden çift raster taramalı fotoakoustik görüntüleyici tasarlanmıştır.
Abstract
Vasküler ağların küçük hayvanlar üzerinde görüntülenmesi temel biyomedikal araştırmalarda önemli rol oynamıştır. Fotoakoustik görüntüleme teknolojisi, küçük hayvanların görüntübiliminde büyük bir uygulama potansiyeline sahiptir. Küçük hayvanların geniş alan fotoakoustik görüntülemesi, yüksek mekansal çözünürlük, derin penetrasyon ve çoklu kontrastlarla görüntüler sağlayabilir. Ayrıca, gerçek zamanlı fotoakoustik görüntüleme sistemi, küçük hayvan fizyolojik özelliklerinin dinamik izlenmesini araştırmak için kullanılabilecek küçük hayvan vaskülatının hemodinamik faaliyetlerini gözlemlemek için arzu edilir. Burada, değiştirilebilir çift modlu görüntüleme işlevine sahip çift raster taramalı bir fotoakoustik görüntüleyici sunulmaktadır. Geniş alan görüntüleme iki boyutlu motorlu çeviri aşaması ile yönlendirilirken, gerçek zamanlı görüntüleme galvanometreler ile gerçekleştirilir. Farklı parametreler ve görüntüleme modları ayarlanarak, küçük hayvan damar ağının in vivo görselleştirmesi yapılabilir. Gerçek zamanlı görüntüleme, ilaç kaynaklı vb. Geniş alan görüntüleme tümör vaskülatının büyüme değişimini izlemek için kullanılabilir. Bunlar temel biyotıp araştırmalarının çeşitli alanlarında benimsenmesi kolaydır.
Introduction
Temel biyomedikal alanda, küçük hayvanlar insan fizyolojik işlevini simüle edebilir. Bu nedenle, küçük hayvan görüntüleme, insan homolog hastalıklarının araştırılmasına rehberlik etme ve etkili tedavi arayışında önemli bir rol oynar1. Fotoakoustik görüntüleme (PAI), optik görüntüleme ve ultrason görüntülemenin avantajlarını birleştiren invaziv olmayan bir görüntüleme tekniğidir2. Fotoakoustik mikroskopi (PAM), küçük hayvanların temel araştırmaları için değerli bir görüntüleme yöntemidir3. PAM, optik uyarlama ve ultrason algılamaya dayalı olarak yüksek çözünürlüklü, derin penetrasyon, yüksek özgüllük ve yüksek kontrastlı görüntüleri kolayca elde edebilir4.
Belirli bir dalga boylarına sahip bir darbe lazeri, dokuların endojen kromoforları tarafından emilir. Daha sonra, dokunun sıcaklığı yükselir, bu da fotoğraf kaynaklı ultrasonik dalgaların üretimiyle sonuçlanır. Ultrasonik dalgalar ultrasonik dönüştürücü tarafından tespit edilebilir. Sinyal alımı ve görüntü rekonstrüksiyonundan sonra emicinin mekansal dağılımı elde edilebilir5. Bir yandan, tüm organ damar ağının görselleştirilmesi geniş bir görüş alanı gerektirir. Geniş alan tarama işlemi genellikle yüksek çözünürlüklü 6 ,7,8sağlamak için uzun zaman alır. Öte yandan, küçük hayvanların hemodinamik aktivitelerini gözlemlemek hızlı gerçek zamanlı görüntüleme gerektirir. Gerçek zamanlı görüntüleme, küçük hayvanların yaşamsal belirtilerini gerçek zamanlı olarak incelemek için faydalıdır9,10,11. Gerçek zamanlı görüntülemenin görüş alanı genellikle yüksek bir güncelleme oranı sağlamak için yeterince küçüktür. Bu nedenle, genellikle geniş bir görüş alanına ulaşmak ve gerçek zamanlı görüntüleme arasında bir denge vardır. Daha önce, geniş alan görüntüleme veya gerçek zamanlı görüntüleme için ayrı ayrı iki farklı sistem kullanılmıştır.
Bu çalışma, iki boyutlu motorlu çeviri aşamasına ve iki eksenli galvanometre tarayıcısına dayalı gerçek zamanlı görüntülemeye dayalı geniş alan görüntülemeyi entegre eden çift raster taramalı fotoakoustik görüntüleyici (DRS-PAI) rapor eder. Geniş alan görüntüleme modu (WIM) vasküler morfolojiyi göstermek için gerçekleştirilir. Gerçek zamanlı görüntüleme modu (RIM) için şu anda iki işlev vardır. İlk olarak, RIM gerçek zamanlı B tarama görüntüleri sağlayabilir. Vaskülatın derinlik yönü boyunca yer değiştirmesi ölçülerek, solunum veya nabız özellikleri ortaya çıkabilir. İkinci olarak, RIM WIM görüntüsündeki belirli alanı nicel olarak ölçebilir. Yerel WIM bölgelerinin karşılaştırılabilir görüntülerini sağlayarak, yerel değişikliğin ayrıntıları doğru bir şekilde ortaya çıkabilir. Sistem, vasküler görselleştirmenin geniş alan görüntülemesi ile yerel dinamiğin gerçek zamanlı görüntülenmesi arasında esnek bir geçiş tasarlar. Sistem, küçük hayvan görüntülemeye ihtiyaç duyulan temel biyomedikal araştırmalarda arzu edilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada, vaskülatın yapısını ve ilgili dinamik kan değişimini yakalamak için tasarlanmış ve geliştirilmiş noninvaziv vasküler görselleştirme için çift raster taramalı fotoakoustik küçük hayvan görüntüleyici sunduk. DRS-PAI’nin avantajı, WIM ve RIM’i tek bir sisteme entegre etmesidir, bu da küçük hayvanların vasküler dinamik ve vasküler ağ yapısını incelemeyi kolaylaştırır. Sistem yüksek çözünürlüklü geniş alan vasküler görselleştirme ve gerçek zamanlı kan dinamiği sağla…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı’nın (61822505; 11774101; 61627827; 81630046), Çin’in Guangdong Eyaleti Bilim ve Teknoloji Planlama Projesi (2015B02020233016) ve Guangzhou Bilim ve Teknoloji Programı (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).
