JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

تم تصميم جهاز تصوير ضوئي صوتي مزدوج المسح النقطي ، والذي دمج التصوير الواسع النطاق والتصوير في الوقت الحقيقي.

Abstract

وقد لعب تصوير شبكات الأوعية الدموية على الحيوانات الصغيرة دورا هاما في البحوث الطبية الحيوية الأساسية. تكنولوجيا التصوير الضوئية الصوتية لديها إمكانات كبيرة للتطبيق في الصور من الحيوانات الصغيرة. يمكن أن يوفر التصوير الضوئي واسع النطاق للحيوانات الصغيرة صورًا ذات دقة متزامنة واختراق عميق وتناقضات متعددة. أيضا، من المستحسن نظام التصوير الصوتي الضوئي في الوقت الحقيقي لمراقبة الأنشطة الدموية من الأوعية الحيوانية الصغيرة، والتي يمكن استخدامها للبحث في الرصد الديناميكي للخصائص الفسيولوجية الحيوانية الصغيرة. هنا، يتم تقديم جهاز تصوير ضوئي صوتي مزدوج المسح النقطي، يتميز بوظيفة تصوير مزدوجة الوضع قابلة للتبديل. يتم تنفيذ التصوير على نطاق واسع من قبل مرحلة ترجمة ثنائية الأبعاد، في حين أن التصوير في الوقت الحقيقي يتحقق مع جلفانومتر. من خلال وضع المعلمات المختلفة وطرق التصوير ، في تصور الجسم الحي لشبكة الأوعية الدموية الحيوانية الصغيرة يمكن تنفيذها. ويمكن استخدام التصوير في الوقت الحقيقي لمراقبة تغير النبض وتغيّر تدفق الدم الناجم عن المخدرات، إلخ. ويمكن استخدام التصوير واسعة المجال لتتبع تغير نمو الأوعية الدموية الورم. هذه هي سهلة لاعتمادها في مختلف مجالات البحوث الطبية الحيوية الأساسية.

Introduction

في مجال الطب الحيوي الأساسي، يمكن للحيوانات الصغيرة محاكاة الوظيفة الفسيولوجية البشرية. لذلك، فإن التصوير الحيواني الصغير يلعب دوراً هاماً في توجيه البحوث المتعلقة بالأمراض البشرية المتجانسة، والسعي إلى علاج فعال1. التصوير الضوئي الصوتي (PAI) هو تقنية تصوير غير الغازية التي تجمع بين مزايا التصوير البصري والتصوير بالموجات فوق الصوتية2. المجهر الصوتي الضوئي (PAM) هو طريقة تصوير قيمة للبحوث الأساسية للحيوانات الصغيرة3. PAM يمكن الحصول بسهولة عالية الدقة، والاختراق العميق، عالية-- خصوصية عالية والصور عالية التباين على أساس الإثارة البصرية والكشف بالموجات فوق الصوتية4.

يتم امتصاص ليزر نبض مع طول موجي معين بواسطة chromophores الذاتية من الأنسجة. في وقت لاحق ، ترتفع درجة حرارة الأنسجة ، مما يؤدي إلى إنتاج موجات الموجات فوق الصوتية الناتجة عن الصور. يمكن الكشف عن الموجات فوق الصوتية بواسطة محول الموجات فوق الصوتية. بعد الحصول على إشارة وإعادة بناء الصورة، يمكن الحصول على التوزيع المكاني للامتصاص5. من ناحية، يتطلب تصور شبكة الأوعية الدموية بأكملها مجال رؤية واسع. عملية واسعة الميدان المسح عادة ما يستغرق وقتا طويلا لضمان عالية الدقة6،7،8. من ناحية أخرى ، تتطلب مراقبة الأنشطة الديناميكية الدموية للحيوانات الصغيرة تصويرًا سريعًا في الوقت الحقيقي. التصوير في الوقت الحقيقي مفيد لدراسة العلامات الحيوية للحيوانات الصغيرة في الوقت الحقيقي9،10،11. مجال الرؤية من التصوير في الوقت الحقيقي عادة ما تكون صغيرة بما فيه الكفاية لضمان معدل تحديث عالية. وهكذا، غالبا ما يكون هناك مقايضة بين تحقيق مجال واسع من الرؤية والتصوير في الوقت الحقيقي. في السابق، كان هناك نظامان مختلفان يستخدمان للتصوير على نطاق واسع أو التصوير في الوقت الحقيقي، بشكل منفصل.

هذا العمل تقارير ثنائية المسح النقطي photoacoustic imager (DRS-PAI) ، والتي دمجت واسعة المجال التصوير على أساس ثنائية الأبعاد مرحلة الترجمة الآلية والتصوير في الوقت الحقيقي على أساس محورين جلفانوميتر الماسح الضوئي. يتم تنفيذ وضع التصوير واسع المجال (WIM) لإظهار مورفولوجيا الأوعية الدموية. بالنسبة لوضع التصوير في الوقت الحقيقي (RIM)، هناك وظائف حالياً. أولاً، يمكن لـ RIM توفير صور مسح ب في الوقت الفعلي. من خلال قياس إزاحة الأوعية الدموية على طول اتجاه العمق ، يمكن الكشف عن خصائص التنفس أو النبض. ثانياً، يمكن لـ RIM قياس المساحة المحددة في صورة WIM كمياً. من خلال توفير صور مماثلة للمناطق المحلية WIM، يمكن الكشف عن تفاصيل التغيير المحلي بدقة. النظام تصاميم انتقال مرن بين التصوير واسعة المجال من التصور الأوعية الدموية والتصوير في الوقت الحقيقي من دينامية المحلية. هذا النظام مرغوب فيه في البحوث الطبية الحيوية الأساسية حيث هناك حاجة لتصوير الحيوانات الصغيرة.

Protocol

أجريت جميع التجارب الحيوانية وفقا للمبادئ التوجيهية التي قدمتها لجنة الرعاية واستخدام الحيوانات المؤسسية في جامعة جنوب الصين العادية، قوانغتشو، الصين.

1. إعداد النظام

  1. المسار البصري (الشكل 1)
    1. استخدام ليزر نبض 532 نانومتر كمصدر ليزر النظام. تعيين معدل التكرار من الليزر إلى 10 كيلو هرتز، والطاقة الناتج إلى 100٪ وإعداد الزناد إلى مشغل خارجي باستخدام برنامج المعرفة من قبل المستخدم.
    2. زوجين شعاع الليزر إلى الألياف وضع واحد (SMF) عن طريق الألياف البصرية (FC1). قم بـتولي شعاع الليزر باستخدام ألياف بصرية جماعية (FC2) على مرحلة مزودة بمحركات ثنائية الأبعاد (المحرك، السرعة القصوى: 20 مم/س).
    3. احرف شعاع الليزر باستخدام ماسح محوري جلفانوميتر (Galva). استخدم مرآة قابلة للتنقل (M1) لتعكس الشعاع. ركّز الشعاع من خلال عدسة 4× هدف (OL، الفتحة العددية: 0.1).
    4. استخدام جبل المترجم XY (TM) لإصلاح الذاتي مجوفة محول الموجات فوق الصوتية (UT, تردد مركزي: 25 ميغاهيرتز; عرض النطاق الترددي: أكثر من 90٪؛ وسط حفرة: 3 مم) على الجزء السفلي من12OL. تمرير شعاع مركزة من خلال ثقب مركز محول الموجات فوق الصوتية.
  2. مسار المسح الضوئي
    1. قفل Galva باستخدام صفيف بوابة برمجة الحقل (FPGA 2) أثناء WIM. تعيين نطاق المسح الضوئي المناسب وسرعة المسح الضوئي بواسطة برنامج معرف من قبل المستخدم.
    2. قفل المحرك باستخدام صفيف بوابة برمجة الحقل (FPGA 1) أثناء RIM. تعيين تردد المسح الضوئي وعدد من نقاط المسح باستخدام FPGA 2. استخدام برنامج المعرفة من قبل المستخدم للتحكم في بدء وإيقاف المسح الضوئي.
  3. الحصول على البيانات
    1. استخدم مضخم 50 ديسيبل (AMP) لتضخيم إشارة السلطة الفلسطينية. رقمنة الإشارة بواسطة بطاقة الحصول على البيانات (DAQ). الحصول على إشارة الزناد من خلال FPGA 1 أو FPGA 2.
    2. استخدم وحدة معالجة الرسومات (GPU) لمعالجة البيانات وعرض الصور في13 متوازيًا.
  4. نظام تصوير اتفاقية مكافحة التصحر
    1. استخدام حلقة على شكل الصمام الأبيض (درجة حرارة اللون: 6500 K؛ الإضاءة: 40000 لوكس; القطر: 7.5 سم) كمصدر للإضاءة. إزالة M1، واستخدام مرآة ثابتة (M2) لتعكس الضوء.
    2. قم بتسجيل الصور باستخدام كاميرا CCD (6.3 مليون بكسل) على نظام تصوير PA. عرض الصور مع برنامج عرض.

2. محاذاة النظام

  1. حدد خزان مياه (10 سم × 10 سم × 4.4 سم؛ النافذة السفلية: 3 سم × 3 سم). تغطية خزان المياه بأكمله باستخدام غشاء البولي ايثيلين (غشاء سميك: 10 ميكرومتر). إضافة ما يكفي من المياه فائقة الpure.
  2. ضع خزان المياه على مرحلة العمل.
  3. قم بتشغيل مفتاح الليزر. حدد برنامج التحكم بالليزر. سخني لمدة 5 دقائق. اضغط على زر "ON" على مفتاح الضخ. تعيين معلمات الليزر في الخطوة 1.1.1. افتح حير الليزر
  4. حدد البرنامج الذي تم تجميعه من قبل A-line. اضغط على زر "ابدأ" لالتقاط إشارة نقطة واحدة وعرض السعة والطيف من إشارة A-line الحالية.
  5. ضع نصلًا في قاع خزان المياه. غمر الجزء السفلي من UT في خزان المياه لالالاقتران الصوتية. تجنب فقاعات في الجزء السفلي من UT.
  6. ضبط موقف Galva، وضبط المترجم XY بين UT و OL لتجنب إشارة التذبذب، وتأكد من أن هذا هو confocal.
  7. ضبط ارتفاع مرحلة العمل لتعظيم السعة من الإشارة، وتحديد موضع التركيز.

3. تجربة الحيوان

  1. استخدام 5\u20126 أسابيع بالب / ج الماوس مع وزن الجسم من 20\u201230 ز.
  2. تخدير الحيوان باستخدام يوريثان (1 ز / كجم) حقن intraperitoneally قبل التجربة.
  3. إجراء الانتقال بين WIM و RIM.
    1. استخدام محول الموجات فوق الصوتية. حلق الفراء على الجزء الخلفي من الماوس باستخدام التشذيب وكريم إزالة الشعر. ضع الماوس على الحامل (8 سم × 2.8 سم × 2 سم) في وضعية العرض.
    2. اسمح لمنطقة التصوير بأن تكون على اتصال مع غشاء البولي إيثيلين باستخدام هلام الموجات فوق الصوتية. تجنب فقاعات في جزء الاتصال.
    3. ضع حامله على مرحلة العمل للزوابل الصوتية. اتبع الخطوات 2.3\u20122.4 لبدء الليزر وجمع إشارة A-الخط. اتبع الخطوات 2.6\u20122.7 لمحاذاة. اضغط على "إيقاف" لإنهاء المجموعة بعد المحاذاة.
    4. حدد برنامج WIM. اسم المجلد الذي تم إنشاؤه حديثاً. تعيين معلمة المسح الضوئي في 20 مم / الثانية في علامة التبويب "سرعة المسح" ، "20 مم * 20 ملم" في علامة التبويب "منطقة المسح" ، و "20" في علامة التبويب "الخطوة". انقر فوق الزر تجميع لبدء المسح الضوئي.
    5. انقر فوق الزر إيقاف لإنهاء المسح بعد الاستحواذ. انقر فوق العودة إلى الصفر لجعل المحرك إلى الصفر. أغلق الليزر في حيرة. تعيين إعداد المشغل إلى المشغل الداخلي. اضغط على زر إيقاف لمفتاح الضخ.
    6. استبدل مشغل WIM كمشغل RIM ثم قم بتوصيله بمشغل الليزر الخارجي. اضغط على زر ON لمفتاح الضخ. تعيين إعداد المشغل إلى المشغل الخارجي. انقر فوق الزر إنهاء للخروج من برنامج WIM.
    7. استخدم الخطوة 2.4 لتجميع إشارة A-line. افتح الليزر. اتبع الخطوات 2.6\u20122.7 لمحاذاة. اضغط على إيقاف لإنهاء المجموعة بعد المحاذاة.
    8. حدد برنامج RIM. اسم المجلد الذي تم إنشاؤه حديثاً. انقر فوق الزر تجميع لبدء المسح الضوئي.
    9. انقر فوق الزر إيقاف لإنهاء المسح الضوئي بعد إكمال عملية الاكتساب. انقر فوق الزر إنهاء للخروج من برنامج RIM.
    10. القتل الرحيم الحيوان باستخدام خلع عنق الرحم في ختام التصوير.
  4. إجراء WIM من التصور الأوعية الدموية.
    1. استخدام محول الموجات فوق الصوتية مركزة (تردد مركزي: 25 ميغاهيرتز; عرض النطاق الترددي: أكثر من 90٪؛ البعد البؤري: 8 ملم). إزالة شعر الأذن أو فروة الرأس الفئران.
      1. استخدام مشرط لجعل شق صغير على الجانب الجانبي من الجزء العلوي الصدغي القحفي من الماوس (عمق الجمجمة). استخدم مقص العيون للبدء من هذا الشق. قطع فروة الرأس حول الجانب الخارجي من الجمجمة. ضغط نقطة النزيف لوقف النزيف. اغسل الجرح بالملاح الطبيعي. ضع الماوس على حامل.
    2. اسمح لمنطقة التصوير بأن تكون على اتصال مع غشاء البولي إيثيلين باستخدام هلام الموجات فوق الصوتية. تجنب الفقاعات في منطقة الاتصال (الشكل التكميلي 1).
    3. ضع حامل على مرحلة العمل لالالاقتران الصوتي. استخدم الخطوات 2.3\u20122.4 لفتح الليزر وجمع إشارة A-الخط. استخدم الخطوة 2.6\u20122.7 لمحاذاة. اضغط على إيقاف لإنهاء المجموعة بعد المحاذاة.
    4. حدد برنامج WIM. اسم المجلد الذي تم إنشاؤه حديثاً. تعيين معلمة المسح الضوئي إلى "10 ملم / الثانية" في علامة التبويب "سرعة المسح" و "10 مم * 10 مم" تحت علامة التبويب "منطقة المسح" و "10" في علامة التبويب "الخطوة". انقر فوق الزر تجميع لبدء المسح الضوئي.
    5. انقر فوق الزر إيقاف لإنهاء المسح الضوئي بعد إكمال عملية الاكتساب. انقر فوق العودة إلى الصفر لجعل المحرك العودة إلى الصفر. انقر فوق الزر إنهاء للخروج من برنامج WIM.
    6. القتل الرحيم الحيوان في ختام العملية في حين أن الحيوان لا يزال تحت التخدير.
  5. إجراء RIM للرصد الديناميكي للحيوانات الصغيرة.
    1. حلق شعر البطن الماوس. وضع الماوس على حامل في موقف supine.
    2. اسمح لمنطقة التصوير بأن تكون على اتصال مع غشاء البولي إيثيلين باستخدام هلام الموجات فوق الصوتية. تجنب الفقاعات في منطقة الاتصال.
    3. ضع حامل على مرحلة العمل لالالاقتران الصوتي. تنفيذ الخطوات 2.3\u20122.4 لبدء الليزر وجمع إشارة A-الخط. تنفيذ الخطوة 2.6\u20122.7 لمحاذاة. اضغط على إيقاف لإنهاء المجموعة بعد المحاذاة.
    4. حدد برنامج RIM. اسم المجلد الذي تم إنشاؤه حديثاً. انقر فوق الزر تجميع لبدء المسح الضوئي.
    5. انقر فوق الزر إيقاف لإنهاء المسح الضوئي بعد إكمال عملية الاكتساب. انقر فوق الزر إنهاء للخروج من برنامج RIM.
  6. استخدام بيانات RIM لإعادة إنشاء إسقاط السعة الأقصى (MAP) على طول اتجاه العمق بواسطة برنامج محدد من قبل المستخدم. مراقبة التغيرات الديناميكية في الحيوان.

النتائج

يظهر التخطيط لـ DRS-PAI في الشكل 1. ويتيح النظام التبديل المرن والقابل للتكرار بين WIM مع RIM. تتم معالجة إشارة PA المكتسبة بسرعة لتوليد صور PA B-Scan و MAP. يمكن أن توفر كاميرا CCD صورًا للعينات.

يتم دمج جميع مكونات DRS-PAI وتجميعها في إعداد الصور (الشكل 2) ، مما ?...

Discussion

هنا قدمنا صورة ضوئية ضوئية لـ غير باضعة للتصور الوعائي الذي تم تصميمه وتطويره لالتقاط بنية الأوعية الدموية والتغيير الديناميكي المرتبط بالدم. وميزة DRS-PAI هي أنه يدمج WIM و RIM في نظام واحد ، مما يجعل من الأسهل دراسة بنية شبكة ديناميكية الأوعية الدموية والأوعية الدموية للحيوانات الصغيرة. يمكن ...

Disclosures

وقد أجريت جميع التجارب الحيوانية وفقا للمبادئ التوجيهية واللوائح المعتمدة للجنة المؤسسية لرعاية الحيوانات واستخدامها. ليس لدى المؤلفين أي مصالح مالية ذات صلة في المخطوطة ولا تضارب محتمل في المصالح للكشف عنه.

Acknowledgements

ويود المؤلفون أن يعترفوا بالدعم المالي المقدم من المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (61822505؛ 2005) 11774101؛ 61627827؛ 81630046)، مشروع تخطيط العلوم والتكنولوجيا في مقاطعة قوانغدونغ، الصين (2015B020233016)، وبرنامج العلوم والتكنولوجيا في قوانغتشو (رقم 2019020001).

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
12 bit multi-purpose digitizerSpectrumM3i.3221Data acquisition card
A-line collected programNational InstrumentLabVIEWUser-defined program
AmplifierRF BayLNA-650Amplifier
Depilatory CreamVeet33-IIAnimal depilatory
Fiberport CouplerThorlabPAF-X-7-AFiber Coupler
Field Programmable Gate ArrayAlteraCyclone IVTrigger Control
Fixed Focus Collomation PackagesThorlabsF240FC-532Fiber Collimator
Foused ultrasonic transducerSelf-made
Graphics Processing UnitNVIDIAGeForce GTX 1060Processing data
HolderSelf-madeAnimal fixation
Laser control programNational InstrumentLabVIEWUser-defined program
MiceGuangdong Medical Laboratory Animal CenterBALB/cAnimal Model
Microscope cameraMshotMS60CCD camera
Microscope ObjectiveDaheng OpticsGCO-2111Objective Lens
MirrorDaheng OpticsGCC-1011Moveable/Fixed Mirror
Moving Magnet Capacitive Detector Galvanometer ScannerCentury SunnyS8107real-time scanner
Mshot image analysis systemMshotDisplay software
Normal SalineCR DOUBLE-CRANEH34023609Normal Saline
Ophthalmic ScissorsSUJIEScalp Remove
Planar ultrasonic transducerSelf-made
Plastic WrapHJSJLSLPolyethylene Membrane
Program Control SoftwareNational InstrumentLabVIEWUser-defined Program
Pulsed Q-swithched LaserLaser-exportDTL-314QT532-nm pulse Laser
Real-time imaging programNational InstrumentLabVIEWUser-defined program
Ring-shaped white LEDSelf-made
ShaverCodosCP-9200Animal Shaver
Single-Mode FibersNufern460-HPSingle-mode fiber
Surgical BladeSUJIE11Blade
Surgical ScalpelSUJIE7Scalp Remove
Translation StageJiancheng OpticsLS2-25Twide-field scanning stage
Ultrasonic TransducerSelf-made
Ultrasound gelGUANGGONG PAIZC4252418Acoustic Coupling
UrethaneTokyo Chemical IndustryC0028Animal Anestheized
Water tankSelf-made
Wide-field imaging programNational InstrumentLabVIEWUser-defined program
XY Translator MountSelf-made

References

  1. 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).
  2. Jeon, S., Kim, J., Lee, D., Baik, J. W., Kim, C. Review on practical photoacoustic microscopy. Photoacoustics. 15, 100141 (2019).
  3. 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).
  4. Omar, M., Aguirre, J., Ntziachristos, V. Optoacoustic mesoscopy for biomedicine. Nature Biomedical Engineering. 3 (5), 354-370 (2019).
  5. Lin, L., et al. Single-breath-hold photoacoustic computed tomography of the breast. Nature Communications. 9 (1), 2352 (2018).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Chen, Q., et al. Ultracompact high-resolution photoacoustic microscopy. Optics Letters. 43 (7), 1615-1618 (2018).
  11. Lan, B., et al. High-speed widefield photoacoustic microscopy of small-animal hemodynamics. Biomedical Optics Express. 9, 4689-4700 (2018).
  12. 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).
  13. 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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

161 Photoacoustic

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved