Name: dual raster-scanning photoacoustic small-animal imager for vascular visualization
Uploaded: 2020-07-15T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 14 s
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Die Autoren möchten die finanzielle Unterstützung von der National Natural Science Foundation of China (61822505; 11774101; 61627827; 81630046), The Science and Technology Planning Project of Guangdong Province, China (2015B020233016) und The Science and Technology Program of Guangzhou (Nr. 2019020001) würdigen.

Alle Tierversuche wurden in Übereinstimmung mit den Richtlinien des institutionellen Tierpflege- und Nutzungsausschusses der South China Normal University, Guangzhou, China, durchgeführt.
1. System-Setup
<ol><li>Optischer Pfad (Abbildung 1)<ol>
<li>Verwenden Sie einen 532 nm Pulslaser als Systemlaserquelle. Stellen Sie die Wiederholungsrate des Lasers auf 10 kHz, die Ausgangsenergie auf 100 % und die Triggereinstellung auf externe Trigger mit einem benutzerdefinierten Programm ein.</li>
		<li>Koppeln Sie den Laserstrahl über einen Optischen Faserkoppler (FC1) mit Singlemode Fiber (SMF). Kollimieren Sie den Laserstrahl mit einem optischen Faserkollimator (FC2) auf einer zweidimensionalen motorisierten Bühne (Motor, Höchstgeschwindigkeit: 20 mm/s).</li>
		<li>Lenken Sie den Laserstrahl mit einem zweiachsigen Galvanometerscanner (Galva). Verwenden Sie einen beweglichen Spiegel (M1), um den Strahl zu reflektieren. Fokussieren Sie den Strahl durch eine 4× Objektivlinse (OL, Numerische Blende: 0,1).</li>
		<li>Verwenden Sie eine XY-Übersetzerhalterung (TM), um den selbstgebauten Hohlultraschallwandler (UT, Zentralfrequenz: 25 MHz; Bandbreite: mehr als 90%; Mittelloch: 3 mm) auf der Unterseite des OL12. Passieren Sie den fokussierten Strahl durch das Mittelloch des Ultraschallwandlers.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Scanpfad<ol>
<li>Sperren Sie die Galva mit einem feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA 2) während WIM. Legen Sie den entsprechenden Scanbereich und die Scangeschwindigkeit durch ein benutzerdefiniertes Programm fest.</li>
		<li>Sperren Sie den Motor mit einem feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA 1) während RIM. Legen Sie die Scanhäufigkeit und die Anzahl der Scanpunkte mit FPGA 2 fest. Verwenden Sie ein benutzerdefiniertes Programm, um den Start zu steuern und den Scanvorgang zu beenden.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Datenerfassung<ol>
<li>Verwenden Sie einen 50-dB-Verstärker (AMP), um das PA-Signal zu verstärken. Digitalisieren Sie das Signal durch die Datenerfassungskarte (DAQ). Erhalten Sie das Triggersignal über FPGA 1 oder FPGA 2.</li>
		<li>Verwenden Sie eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU), um Daten zu verarbeiten und Bilder parallel13anzuzeigen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>CCD-Bildgebungssystem<ol>
<li>Verwenden Sie eine ringförmige weiße LED (Farbtemperatur: 6500 K; Beleuchtungsstärke: 40000 Lux; Durchmesser: 7,5 cm) als Lichtquelle. Entfernen Sie M1, verwenden Sie einen festen Spiegel (M2), um das Licht zu reflektieren.</li>
		<li>Zeichnen Sie die Bilder mit einer CCD-Kamera (6,3 Millionen Pixel) auf dem PA-Bildgebungssystem auf. Zeigen Sie die Bilder mit einer Anzeigesoftware an.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Systemausrichtung
<ol><li>Wählen Sie einen Wassertank (10 cm × 10 cm × 4,4 cm; unteres Fenster: 3 cm × 3 cm). Bedecken Sie den gesamten Wassertank mit einer Polyethylenmembran (Membrandicke: 10 m). Fügen Sie ausreichend Reinstwasser hinzu.</li>
	<li>Stellen Sie den Wassertank auf die Arbeitsbühne.</li>
	<li>Schalten Sie den Laserschalter ein. Wählen Sie das Lasersteuerungsprogramm aus. Vorheizen für 5 min. Drücken Sie die Taste "ON" am Pumpenschalter. Stellen Sie die Laserparameter gemäß Schritt 1.1.1 ein. Öffnen Sie die Blende des Lasers.</li>
	<li>Wählen Sie das gesammelte Programm A-Line aus. Drücken Sie die "Start"-Taste, um das Einzelpunktsignal zu erfassen und Amplitude und Spektrum des aktuellen A-Liniensignals anzuzeigen.</li>
	<li>Legen Sie eine Klinge an den Boden des Wassertanks. Tauchen Sie den unteren Teil der UT in den Wassertank für die akustische Kopplung ein. Vermeiden Sie Blasen im unteren Teil der UT.</li>
	<li>Stellen Sie die Position von Galva ein, passen Sie den XY-Übersetzer zwischen UT und OL an, um Einschwingsignale zu vermeiden, und stellen Sie sicher, dass dies konfokale ist.</li>
	<li>Passen Sie die Höhe der Arbeitsstufe an, um die Amplitude des Signals zu maximieren, und bestimmen Sie die Fokusposition.</li>
</ol>3. Tierversuch
<ol><li>Verwenden Sie eine 5-u20126 Wochen alte BALB/c-Maus mit einem Körpergewicht von 20-u201230 g.</li>
	<li>Anästhetisieren Sie das Tier mit Urethan (1 g/kg), das vor dem Experiment intraperitoneal injiziert wurde.</li>
	<li>Führen Sie den Übergang zwischen WIM und RIM.<ol>
<li>Verwenden Sie einen planaren Ultraschallwandler. Rasieren Sie das Fell auf der Rückseite der Maus mit einem Trimmer und Enthaarungscreme. Legen Sie die Maus auf den Halter (8 cm × 2,8 cm × 2 cm) in anfälliger Position.</li>
		<li>Lassen Sie den Bildbereich mit Ultraschallgel mit der Polyethylenmembran in Kontakt kommen. Vermeiden Sie Blasen im Kontaktteil.</li>
		<li>Stellen Sie den Halter für die akustische Kopplung auf die Arbeitsbühne. Befolgen Sie die Schritte 2.3-u20122.4, um den Laser zu starten und ein A-Liniensignal zu sammeln. Führen Sie die Schritte 2.6-u20122.7 aus, um sie auszurichten. Drücken Sie "Stop", um die Auflistung nach der Ausrichtung zu beenden.</li>
		<li>Wählen Sie das WIM-Programm aus. Benennen Sie den neu erstellten Ordner. Stellen Sie den Scanparameter auf 20 mm/s in der Registerkarte "Scangeschwindigkeit", "20 mm*20 mm" in der Registerkarte "Scanbereich" und "20" in der Registerkarte "Schritt" ein. Klicken Sie auf die Schaltfläche Sammeln, um mit dem Scannen zu beginnen.</li>
		<li>Klicken Sie auf die Schaltfläche Stopp, um den Scanvorgang nach der Erfassung zu beenden. Klicken Sie auf Return to Zero, um den Motor auf Null zu bringen. Schließen Sie die Laserblende. Legen Sie die Triggereinstellung auf internen Trigger fest. Drücken Sie die AUS-Taste für den Pumpschalter.</li>
		<li>Ersetzen Sie den WIM-Trigger als RIM-Trigger und schließen Sie ihn an den externen Laserauslöser an. Drücken Sie die ON-Taste für den Pumpschalter. Legen Sie die Triggereinstellung auf den externen Trigger fest. Klicken Sie auf die Schaltfläche Beenden, um das WIM-Programm zu beenden.</li>
		<li>Verwenden Sie Schritt 2.4, um das A-Liniensignal zu erfassen. Öffnen Sie die Laserblende. Führen Sie die Schritte 2.6-u20122.7 aus, um sie auszurichten. Drücken Sie Stop to end collection after alignment.</li>
		<li>Wählen Sie das RIM-Programm aus. Benennen Sie den neu erstellten Ordner. Klicken Sie auf die Schaltfläche Sammeln, um mit dem Scannen zu beginnen.</li>
		<li>Klicken Sie auf die Schaltfläche Stopp, um den Scanvorgang nach Abschluss der Erfassung zu beenden. Klicken Sie auf die Schaltfläche Beenden, um das RIM-Programm zu beenden.</li>
		<li>Euthanisieren Sie das Tier mit Zervix-Dislokation am Ende der Bildgebung.</li>
	</ol></li>
	<li>Führen Sie WIM der vaskulären Visualisierung durch.<ol>
<li>Verwenden Sie einen fokussierten Ultraschallwandler (Zentralfrequenz: 25 MHz; Bandbreite: mehr als 90%; Brennweite: 8 mm). Entfernen Sie die Haare von Mäuseohr oder Kopfhaut.<ol>
<li>Verwenden Sie ein Skalpell, um einen kleinen Schnitt auf der Seitlichen Seite der Schädel-Temporal-Oberseite der Maus (Tiefe zum Schädel) zu machen. Verwenden Sie die Augenschere, um von diesem Schnitt aus zu beginnen. Schneiden Sie die Kopfhaut um die Außenseite des Schädels. Komprimieren Sie den Blutungspunkt, um die Blutung zu stoppen. Waschen Sie die Wunde mit normaler Saline. Legen Sie die Maus auf den Halter.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Lassen Sie den Bildbereich mit Ultraschallgel mit der Polyethylenmembran in Kontakt kommen. Vermeiden Sie Blasen im Kontaktbereich (Ergänzende Abbildung 1).</li>
		<li>Stellen Sie den Halter für die akustische Kopplung auf die Arbeitsbühne. Verwenden Sie die Schritte 2.3-u20122.4, um den Laser zu öffnen und ein A-Liniensignal zu erfassen. Verwenden Sie Schritt 2.6-u20122.7, um sie auszurichten. Drücken Sie Stop to end collection after alignment.</li>
		<li>Wählen Sie Das WIM-Programm aus. Benennen Sie den neu erstellten Ordner. Stellen Sie den Scanparameter auf "10 mm/s" in der Registerkarte "Scangeschwindigkeit", "10 mm*10 mm" unter der Registerkarte "Scanbereich" und "10" in der Registerkarte "Schritt" ein. Klicken Sie auf die Schaltfläche Sammeln, um mit dem Scannen zu beginnen.</li>
		<li>Klicken Sie auf die Schaltfläche Stopp, um den Scanvorgang nach Abschluss der Erfassung zu beenden. Klicken Sie auf Return to Zero, um den Motor auf Null zurück zu bringen. Klicken Sie auf die Schaltfläche Beenden, um das WIM-Programm zu beenden.</li>
		<li>Euthanisieren Sie das Tier am Ende des Verfahrens, während das Tier noch unter Anästhesie ist.</li>
	</ol></li>
	<li>Führen Sie RIM für die dynamische Überwachung von Kleintieren.<ol>
<li>Rasieren Sie die Haare des Mausbauchs. Platzieren Sie die Maus auf dem Halter in Supine-Position.</li>
		<li>Lassen Sie den Bildbereich mit Ultraschallgel mit der Polyethylenmembran in Kontakt kommen. Vermeiden Sie Blasen im Kontaktbereich.</li>
		<li>Stellen Sie den Halter für die akustische Kopplung auf die Arbeitsbühne. Führen Sie die Schritte 2.3-u20122.4 aus, um den Laser zu starten und ein A-Liniensignal zu sammeln. Führen Sie schritt 2.6-u20122.7 aus, um es auszurichten. Drücken Sie Stop to end collection after alignment.</li>
		<li>Wählen Sie das RIM-Programm aus. Benennen Sie den neu erstellten Ordner. Klicken Sie auf die Schaltfläche Sammeln, um mit dem Scannen zu beginnen.</li>
		<li>Klicken Sie auf die Schaltfläche Stopp, um den Scanvorgang nach Abschluss der Erfassung zu beenden. Klicken Sie auf die Schaltfläche Beenden, um das RIM-Programm zu beenden.</li>
	</ol></li>
	<li>Verwenden Sie die RIM-Daten für die Rekonstruktion der maximalen Amplitudenprojektion (MAP) entlang der Tiefenrichtung durch ein benutzerdefiniertes Programm. Beobachten Sie die dynamischen Veränderungen im Tier.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Li, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-impulse+panoramic+photoacoustic+computed+tomography+of+small-animal+whole-body+dynamics+at+high+spatiotemporal+resolution.">Single-impulse panoramic photoacoustic computed tomography of small-animal whole-body dynamics at high spatiotemporal resolution.</a> Nature Biomedical Engineering. 1 (5), 0071 (2017).</li><li>Jeon, S., Kim, J., Lee, D., Baik, J. W., Kim, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+on+practical+photoacoustic+microscopy.">Review on practical photoacoustic microscopy.</a> Photoacoustics. 15, 100141 (2019).</li><li>Baik, J. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Super+wide-field+photoacoustic+microscopy+of+animal+and+humans+in+vivo.">Super wide-field photoacoustic microscopy of animal and humans in vivo.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 39 (4), 975-984 (2019).</li><li>Omar, M., Aguirre, J., Ntziachristos, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optoacoustic+mesoscopy+for+biomedicine.">Optoacoustic mesoscopy for biomedicine.</a> Nature Biomedical Engineering. 3 (5), 354-370 (2019).</li><li>Lin, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-breath-hold+photoacoustic+computed+tomography+of+the+breast.">Single-breath-hold photoacoustic computed tomography of the breast.</a> Nature Communications. 9 (1), 2352 (2018).</li><li>Yang, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wide-field+monitoring+and+real-time+local+recoding+microvascular+networks+on+small+animals+with+a+dual-raster-scanned+photoacoustic+microscope.">Wide-field monitoring and real-time local recoding microvascular networks on small animals with a dual-raster-scanned photoacoustic microscope.</a> Journal of Biophotonics. 13 (6), 202000022 (2020).</li><li>Sun, J., Zhou, Q., Yang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Label-free+photoacoustic+imaging+guided+sclerotherapy+for+vascular+malformations:+a+feasibility+study.">Label-free photoacoustic imaging guided sclerotherapy for vascular malformations: a feasibility study.</a> Optics Express. 26 (4), 4967-4978 (2018).</li><li>Xu, D., Yang, S., Wang, Y., Gu, Y., Xing, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Noninvasive+and+high-resolving+photoacoustic+dermoscopy+of+human+skin.">Noninvasive and high-resolving photoacoustic dermoscopy of human skin.</a> Biomedical Optics Express. 7 (6), 2095-2102 (2016).</li><li>Zhang, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Miniaturized+photoacoustic+probe+for+in+vivo+imaging+of+subcutaneous+microvessels+within+human+skin.">Miniaturized photoacoustic probe for in vivo imaging of subcutaneous microvessels within human skin.</a> Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 9 (5), 807-814 (2019).</li><li>Chen, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultracompact+high-resolution+photoacoustic+microscopy.">Ultracompact high-resolution photoacoustic microscopy.</a> Optics Letters. 43 (7), 1615-1618 (2018).</li><li>Lan, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-speed+widefield+photoacoustic+microscopy+of+small-animal+hemodynamics.">High-speed widefield photoacoustic microscopy of small-animal hemodynamics.</a> Biomedical Optics Express. 9, 4689-4700 (2018).</li><li>Ma, H., Yang, S., Cheng, Z., Xing, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoacoustic+confocal+dermoscope+with+a+waterless+coupling+and+impedance+matching+opto-sono+probe.">Photoacoustic confocal dermoscope with a waterless coupling and impedance matching opto-sono probe.</a> Optics Letters. 42 (12), 2342-2345 (2017).</li><li>Kang, H., Lee, S. W., Lee, E. S., Kim, S. H., Lee, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+GPU-accelerated+processing+and+volumetric+display+for+wide-field+laser-scanning+optical-resolution+photoacoustic+microscopy.">Real-time GPU-accelerated processing and volumetric display for wide-field laser-scanning optical-resolution photoacoustic microscopy.</a> Biomedical Optics Express. 6 (12), 4650-4660 (2015).</li></ol>

Alle Tierversuche wurden nach den genehmigten Richtlinien und Vorschriften des Institutionellen Tierpflege- und Nutzungsausschusses durchgeführt. Die Autoren haben keine relevanten finanziellen Interessen an dem Manuskript und keine anderen potenziellen Interessenkonflikte offenzulegen.

Hier präsentierten wir einen dualen Raster-Scanning-Photoakustischen Kleintier-Imager für nichtinvasive Gefäßvisualisierung, der entwickelt und entwickelt wurde, um die Struktur der Vaskulatur und die damit verbundene dynamische Veränderung des Blutes zu erfassen. Der Vorteil von DRS-PAI ist, dass es die WIM und den RIM in ein System integriert, was es einfacher macht, die vaskuläre dynamische und vaskuläre Netzwerkstruktur von Kleintieren zu untersuchen. Das System bietet hochauflösende Weitfeld-Gefäßvisualisi...

Im grundlegenden biomedizinischen Bereich können Kleintiere die physiologische Funktion des Menschen simulieren. Daher spielt die Kleintierbildgebung eine wichtige Rolle bei der Erforschung von humanen homologen Krankheiten und der Suche nach einer wirksamen Behandlung1. Photoakustische Bildgebung (PAI) ist eine nicht-invasive Bildgebungstechnik, die die Vorteile der optischen Und Ultraschall-Bildgebung2kombiniert. Die Photoakustische Mikroskopie (PAM) ist ein wertvolles bildgebendes Verfahren für die Grundlagenforschung von Kleintieren3. PAM kann problemlos hochauflösende, tiefdurchdrungene, hochspezifische und kontrastreiche Bilder auf Basis optischer Anregung und Ultraschallerkennungerhalten 4.
Ein Pulslaser mit einer bestimmten Wellenlänge wird von endogenen Chromophoren des Gewebes absorbiert. Anschließend steigt die Temperatur des Gewebes, was zur Produktion von photoinduzierten Ultraschallwellen führt. Die Ultraschallwellen können von einem Ultraschallwandler erfasst werden. Nach Signalaufnahme und Bildrekonstruktion kann die räumliche Verteilung des Absorbers5erreicht werden. Einerseits erfordert die Visualisierung des ganzorganären Gefäßnetzes ein weites Sichtfeld. Der Prozess des Breitfeld-Scannens dauert in der Regel eine lange Zeit, um eine hohe Auflösung6,7,8zu gewährleisten. Andererseits erfordert die Beobachtung der hämodynamischen Aktivitäten von Kleintieren eine schnelle Echtzeit-Bildgebung. Die Echtzeit-Bildgebung ist vorteilhaft, um die Vitalzeichen von Kleintieren in Echtzeit9,10,11zu studieren. Das Sichtfeld der Echtzeit-Bildgebung ist in der Regel ausreichend klein, um eine hohe Aktualisierungsrate zu gewährleisten. Daher gibt es oft einen Kompromiss zwischen der Erzielung eines weiten Sichtfeldes und der Echtzeit-Bildgebung. Zuvor wurden zwei verschiedene Systeme für Weitfeld-Bildgebung oder Echtzeit-Bildgebung verwendet, getrennt.
Diese Arbeit berichtet über einen dualen Raster-Scanning Photoacoustic Imager (DRS-PAI), der Weitfeld-Bildgebung auf Basis einer zweidimensionalen motorisierten Übersetzungsstufe und Echtzeit-Bildgebung auf Basis eines zweiachsigen Galvanometerscanners integriert hat. Der Wide-Field Imaging Mode (WIM) wird durchgeführt, um vaskuläre Morphologie anzuzeigen. Für den Echtzeit-Imaging-Modus (RIM) gibt es derzeit zwei Funktionen. Zunächst kann RIM B-Scan-Bilder in Echtzeit bereitstellen. Durch die Messung der Verschiebung der Vaskulatur entlang der Tiefenrichtung können die Eigenschaften der Atmung oder des Pulses aufgedeckt werden. Zweitens kann der RIM den spezifischen Bereich im WIM-Bild quantitativ messen. Durch die Bereitstellung vergleichbarer Bilder lokaler WIM-Regionen können die Details der lokalen Veränderung genau aufgedeckt werden. Das System entwirft einen flexiblen Übergang zwischen weiträumiger Bildgebung der Gefäßvisualisierung und Echtzeit-Bildgebung der lokalen Dynamik. Das System ist in der biomedizinischen Grundlagenforschung wünschenswert, wenn eine Kleintierbildgebung erforderlich ist.

<table><tbody><tr><td>12 bit multi-purpose digitizer</td><td>Spectrum</td><td>M3i.3221</td><td>Data acquisition card</td></tr><tr><td>A-line collected program</td><td>National Instrument</td><td>LabVIEW</td><td>User-defined program</td></tr><tr><td>Amplifier</td><td>RF Bay</td><td>LNA-650</td><td>Amplifier</td></tr><tr><td>Depilatory Cream</td><td>Veet</td><td>33-II</td><td>Animal depilatory</td></tr><tr><td>Fiberport Coupler</td><td>Thorlab</td><td>PAF-X-7-A</td><td>Fiber Coupler</td></tr><tr><td>Field Programmable Gate Array</td><td>Altera</td><td>Cyclone IV</td><td>Trigger Control</td></tr><tr><td>Fixed Focus Collomation Packages</td><td>Thorlabs</td><td>F240FC-532</td><td>Fiber Collimator</td></tr><tr><td>Foused ultrasonic transducer</td><td>Self-made</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Graphics Processing Unit</td><td>NVIDIA</td><td>GeForce GTX 1060</td><td>Processing data</td></tr><tr><td>Holder</td><td>Self-made</td><td></td><td>Animal fixation</td></tr><tr><td>Laser control program</td><td>National Instrument</td><td>LabVIEW</td><td>User-defined program</td></tr><tr><td>Mice</td><td>Guangdong Medical Laboratory Animal Center</td><td>BALB/c</td><td>Animal Model</td></tr><tr><td>Microscope camera</td><td>Mshot</td><td>MS60</td><td>CCD camera</td></tr><tr><td>Microscope Objective</td><td>Daheng Optics</td><td>GCO-2111</td><td>Objective Lens</td></tr><tr><td>Mirror</td><td>Daheng Optics</td><td>GCC-1011</td><td>Moveable/Fixed Mirror</td></tr><tr><td>Moving Magnet Capacitive Detector Galvanometer Scanner</td><td>Century Sunny</td><td>S8107</td><td>real-time scanner</td></tr><tr><td>Mshot image analysis system</td><td>Mshot</td><td></td><td>Display software</td></tr><tr><td>Normal Saline</td><td>CR DOUBLE-CRANE</td><td>H34023609</td><td>Normal Saline</td></tr><tr><td>Ophthalmic Scissors</td><td>SUJIE</td><td></td><td>Scalp Remove</td></tr><tr><td>Planar ultrasonic transducer</td><td>Self-made</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Plastic Wrap</td><td>HJSJLSL</td><td></td><td>Polyethylene Membrane</td></tr><tr><td>Program Control Software</td><td>National Instrument</td><td>LabVIEW</td><td>User-defined Program</td></tr><tr><td>Pulsed Q-swithched Laser</td><td>Laser-export</td><td>DTL-314QT</td><td>532-nm pulse Laser</td></tr><tr><td>Real-time imaging program</td><td>National Instrument</td><td>LabVIEW</td><td>User-defined program</td></tr><tr><td>Ring-shaped white LED</td><td>Self-made</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Shaver</td><td>Codos</td><td>CP-9200</td><td>Animal Shaver</td></tr><tr><td>Single-Mode Fibers</td><td>Nufern</td><td>460-HP</td><td>Single-mode fiber</td></tr><tr><td>Surgical Blade</td><td>SUJIE</td><td>11</td><td>Blade</td></tr><tr><td>Surgical Scalpel</td><td>SUJIE</td><td>7</td><td>Scalp Remove</td></tr><tr><td>Translation Stage</td><td>Jiancheng Optics</td><td>LS2-25T</td><td>wide-field scanning stage</td></tr><tr><td>Ultrasonic Transducer</td><td>Self-made</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ultrasound gel</td><td>GUANGGONG PAI</td><td>ZC4252418</td><td>Acoustic Coupling</td></tr><tr><td>Urethane</td><td>Tokyo Chemical Industry</td><td>C0028</td><td>Animal Anestheized</td></tr><tr><td>Water tank</td><td>Self-made</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Wide-field imaging program</td><td>National Instrument</td><td>LabVIEW</td><td>User-defined program</td></tr><tr><td>XY Translator Mount</td><td>Self-made</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

dual raster-scanning photoacoustic small-animal imager for vascular visualization

Die Bildgebung von Gefäßnetzwerken an Kleintieren hat in der biomedizinischen Grundlagenforschung eine wichtige Rolle gespielt. Die photoakustische Bildgebungstechnologie hat ein großes Anwendungspotenzial in der Bildkunde von Kleintieren. Die großfläbige photoakustische Bildgebung von Kleintieren kann Bilder mit hoher raumzeitlicher Auflösung, tiefem Eindringen und mehreren Kontrasten liefern. Auch das photoakustische Bildgebungssystem in Echtzeit ist wünschenswert, um die hämodynamischen Aktivitäten der Kleintiervaskulatur zu beobachten, die zur Erforschung der dynamischen Überwachung der physiologischen Merkmale von Kleintieren verwendet werden kann. Hier wird ein photoakustischer Imager mit dualem Rasterscannen vorgestellt, der über eine schaltbare Doppelmodus-Bildgebungsfunktion verfügt. Die Weitfeld-Bildgebung wird durch eine zweidimensionale motorisierte Übersetzungsstufe angetrieben, während die Echtzeit-Bildgebung mit Galvanometern realisiert wird. Durch die Einstellung verschiedener Parameter und Bildgebungsmodi kann die In-vivo-Visualisierung des kleintierischen Gefäßnetzwerks durchgeführt werden. Die Echtzeit-Bildgebung kann verwendet werden, um Pulswechsel und Durchblutungsänderungen von medikamenteninduzierten, etc. zu beobachten. Die Weitfeldbildgebung kann verwendet werden, um die Wachstumsveränderung der Tumorvaskulatur zu verfolgen. Diese lassen sich in verschiedenen Bereichen der biomedizinischen Grundlagenforschung leicht anwenden.

Der Schaltplan des DRS-PAI ist in Abbildung 1dargestellt. Das System ermöglicht ein flexibles und wiederholbares Umschalten zwischen WIM und RIM. Das erfasste PA-Signal wird schnell verarbeitet, um PA B-Scan- und MAP-Images zu erzeugen. Die CCD-Kamera kann Fotos von Proben zur Verfügung stellen.
Alle Komponenten des DRS-PAI sind integriert und in einem Imager-Setup montiert (Abbildung 2), wodurch die Montage und Bedienung einfach is...

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Dual Raster-Scanning Photoacoustic Small-Animal Imager for Vascular Visualization

Es wurde ein doppelter Raster-Scanning-Foto-Imager entwickelt, der Weitfeld-Bildgebung und Echtzeit-Bildgebung integriert.

Dual Raster-Scanning Photoakustischer Kleintier-Imager für Vaskuläre Visualisierung

Imaging of vascular networks on small animals has played an important role in basic biomedical research. Photoacoustic imaging technology has great ...

dual-raster-scanning-photoacoustic-small-animal-imager-for-vascular

Research

JoVE Journal

Bioengineering

4.0K Aufrufe.  South China Normal University. Es wurde ein doppelter Raster-Scanning-Foto-Imager entwickelt, der Weitfeld-Bildgebung und Echtzeit-Bildgebung integriert.

Serie: Dual Raster-Scanning Photoacoustic Small-Animal Imager for Vascular Visualization

Three-dimensional Optical-resolution Photoacoustic Microscopy

Optical microscopy, providing valuable insights at the cellular and organelle levels, has been widely recognized as an enabling biomedical technology. As the mainstays of in vivo three-dimensional (3-D) optical microscopy, single-/multi-photon fluorescence microscopy and optical coherence tomography (OCT) have demonstrated their extraordinary sensitivities to fluorescence and optical scattering contrasts, respectively. However, the optical absorption contrast of biological tissues, which encodes essential physiological/pathological information, has not yet been assessable. 
The emergence of biomedical photoacoustics has led to a new branch of optical microscopy optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM)1, where the optical irradiation is focused to the diffraction limit to achieve cellular1 or even subcellular2 level lateral resolution. As a valuable complement to existing optical microscopy technologies, OR-PAM brings in at least two novelties. First and most importantly, OR-PAM detects optical absorption contrasts with extraordinary sensitivity (i.e., 100%). Combining OR-PAM with fluorescence microscopy3 or with optical-scattering-based OCT4 (or with both) provides comprehensive optical properties of biological tissues. Second, OR-PAM encodes optical absorption into acoustic waves, in contrast to the pure optical processes in fluorescence microscopy and OCT, and provides background-free detection. The acoustic detection in OR-PAM mitigates the impacts of optical scattering on signal degradation and naturally eliminates possible interferences (i.e., crosstalks) between excitation and detection, which is a common problem in fluorescence microscopy due to the overlap between the excitation and fluorescence spectra. 
Unique for optical absorption imaging, OR-PAM has demonstrated broad biomedical applications since its invention, including, but not limited to, neurology5, 6, ophthalmology7, 8, vascular biology9, and dermatology10. In this video, we teach the system configuration and alignment of OR-PAM as well as the experimental procedures for in vivo functional microvascular imaging.

Optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM) is an emerging technology capable of imaging optical absorption contrasts in vivo with cellular resolution and sensitivity. Here, we provide a visualized instruction on the experimental protocols of OR-PAM, including system configuration, system alignment, typical in vivo experimental procedures, and functional imaging schemes.

Dreidimensionale Optische Auflösung photoakustische Mikroskopie

Optical microscopy, providing valuable insights at the cellular and organelle levels, has been widely recognized as an enabling biomedical technology. As ...

Forschung

Biotechnik

Photoacoustic Cystography

Conventional pediatric cystography, which is based on diagnostic X-ray using a radio-opaque dye, suffers from the use of harmful ionizing radiation. The risk of bladder cancers in children due to radiation exposure is more significant than many other cancers. Here we demonstrate the feasibility of nonionizing and noninvasive photoacoustic (PA) imaging of urinary bladders, referred to as photoacoustic cystography (PAC), using near-infrared (NIR) optical absorbents (i.e. methylene blue, plasmonic gold nanostructures, or single walled carbon nanotubes) as an optical-turbid tracer. We have successfully imaged a rat bladder filled with the optical absorbing agents using a dark-field confocal PAC system. After transurethral injection of the contrast agents, the rat's bladders were photoacoustically visualized by achieving significant PA signal enhancement. The accumulation was validated by spectroscopic PA imaging. Further, by using only a laser pulse energy of less than 1 mJ/cm2 (1/20 of the safety limit), our current imaging system could map the methylene-blue-filled-rat-bladder at the depth of beyond 1 cm in biological tissues in vivo. Both in vivo and ex vivo PA imaging results validate that the contrast agents were naturally excreted via urination. Thus, there is no concern regarding long-term toxic agent accumulation, which will facilitate clinical translation.

Photoacoustic cystography (PAC) has a great potential to map urinary bladders, a radiation sensitive internal organ in pediatric patients, without using any ionizing radiation or toxic contrast agent. Here we demonstrate the use of PAC for mapping urinary bladders with an injection of optical-opaque tracers in rats in vivo.

Photoakustische Zystographie

Conventional pediatric cystography, which is based on diagnostic X-ray using a radio-opaque dye, suffers from the use of harmful ionizing radiation. The ...

Novel Photoacoustic Microscopy and Optical Coherence Tomography Dual-modality Chorioretinal Imaging in Living Rabbit Eyes

Photoacoustic ocular imaging is an emerging ophthalmic imaging technology that can noninvasively visualize ocular tissue by converting light energy into sound waves and is currently under intensive investigation. However, most reported work to date is focused on the imaging of the posterior segment of the eyes of small animals, such as rats and mice, which poses challenges for clinical human translation due to small eyeball sizes. This manuscript describes a novel photoacoustic microscopy (PAM) and optical coherence tomography (OCT) dual-modality system for posterior segment imaging of the eyes of larger animals, such as rabbits. The system configuration, system alignment, animal preparation, and dual-modality experimental protocols for in vivo, noninvasive, label-free chorioretinal imaging in rabbits are detailed. The effectiveness of the method is demonstrated through representative experimental results, including retinal and choroidal vasculature obtained by the PAM and OCT. This manuscript provides a practical guide to reproducing the imaging results in rabbits and advancing photoacoustic ocular imaging in larger animals.

This manuscript describes the novel setup and operating procedure of a photoacoustic microscopy and optical coherence tomography dual-modality system for noninvasive, label-free chorioretinal imaging of larger animals, such as rabbits.

Neuartige photoakustische Mikroskopie und optische Kohärenztomographie Dual-Modalität chorioretinalen Bildgebung in lebenden Kaninchen Augen

Photoacoustic ocular imaging is an emerging ophthalmic imaging technology that can noninvasively visualize ocular tissue by converting light energy into ...

Ingenieurwesen

Non-invasive Parenchymal, Vascular and Metabolic High-frequency Ultrasound and Photoacoustic Rat Deep Brain Imaging

Photoacoustics and high frequency ultrasound stands out as powerful tools for neurobiological applications enabling high-resolution imaging on the central nervous system of small animals. However, transdermal and transcranial neuroimaging is frequently affected by low sensitivity, image aberrations and loss of space resolution, requiring scalp or even skull removal before imaging. To overcome this challenge, a new protocol is presented to gain significant insights in brain hemodynamics by photoacoustic and high-frequency ultrasounds imaging with the animal skin and skull intact. The procedure relies on the passage of ultrasound (US) waves and laser directly through the fissures that are naturally present on the animal cranium. By juxtaposing the imaging transducer device exactly in correspondence to these selected areas where the skull has a reduced thickness or is totally absent, one can acquire high quality deep images and explore internal brain regions that are usually difficult to anatomically or functionally describe without an invasive approach. By applying this experimental procedure, significant data can be collected in both sonic and optoacoustic modalities, enabling to image the parenchymal and the vascular anatomy far below the head surface. Deep brain features such as parenchymal convolutions and fissures separating the lobes were clearly visible. Moreover, the configuration of large and small blood vessels was imaged at several millimeters of depth, and precise information were collected about blood fluxes, vascular stream velocities and the hemoglobin chemical state. This repertoire of data could be crucial in several research contests, ranging from brain vascular disease studies to experimental techniques involving the systemic administration of exogenous chemicals or other objects endowed with imaging contrast enhancement properties. In conclusion, thanks to the presented protocol, the US and PA techniques become an attractive noninvasive performance-competitive means for cortical and internal brain imaging, retaining a significant potential in many neurologic fields.

The present work describes a new protocol to perform non-invasive high-frequency ultrasound and photoacoustic based imaging on rat brain, to efficiently visualize deep subcortical regions and their vascular patterns by directing signals on skull foramina naturally present on animal cranium.

Nicht-invasive Parenchymale, Gefäß- und Stoffwechselhochfrequenz-Ultraschall und Photoakustische Rat Deep Brain Imaging

Photoacoustics and high frequency ultrasound stands out as powerful tools for neurobiological applications enabling high-resolution imaging on the central ...

Neurowissenschaften

Switchable Acoustic and Optical Resolution Photoacoustic Microscopy for In Vivo Small-animal Blood Vasculature Imaging

Photoacoustic microscopy (PAM) is a fast-growing invivo imaging modality that combines both optics and ultrasound, providing penetration beyond the optical mean free path (~1 mm in skin) with high resolution. By combining optical absorption contrast with the high spatial resolution of ultrasound in a single modality, this technique can penetrate deep tissues. Photoacoustic microscopy systems can have either a low acoustic resolution and probe deeply or a high optical resolution and probe shallowly. It is challenging to achieve high spatial resolution and large depth penetration with a single system. This work presents an AR-OR-PAM system capable of both high-resolution imaging at shallow depths and low-resolution deep-tissue imaging of the same sample in vivo. A lateral resolution of 4 &#181;m with 1.4 mm imaging depth using optical focusing and a lateral resolution of 45 &#181;m with 7.8 mm imaging depth using acoustic focusing were successfully demonstrated using the combined system. Here,&#160;in vivo&#160;small-animal blood vasculature imaging is performed to demonstrate its biological imaging capability.

Switchable Acoustic and Optical Resolution Photoacoustic Microscopy for In Vivo Small-animal Blood Vasculature Imaging

Here a switchable acoustic resolution (AR) and optical resolution (OR) photoacoustic microscopy (AR-OR-PAM) system capable of both high resolution imaging at shallow depth and low resolution deep tissue imaging on the same sample in vivo is demonstrated.

Umschaltbare akustische und optische Auflösung Photoakustische Mikroskopie für<em&gt; In vivo</em&gt; Kleintier-Blut-Vaskulatur-Bildgebung

Photoacoustic microscopy (PAM) is a fast-growing invivo imaging modality that combines both optics and ultrasound, providing penetration beyond the ...

A High-performance Compact Photoacoustic Tomography System for In Vivo Small-animal Brain Imaging

In vivo small-animal imaging has an important role to play in preclinical studies. Photoacoustic tomography (PAT) is an emerging hybrid imaging modality that shows great potential for both preclinical and clinical applications. Conventional optical parametric oscillator-based PAT (OPO-PAT) systems are bulky and expensive and cannot provide high-speed imaging. Recently, pulsed-laser diodes (PLDs) have been successfully demonstrated as an alternative excitation source for PAT. Pulsed-laser diode PAT (PLD-PAT) has been successfully demonstrated for high-speed imaging on photoacoustic phantoms and biological tissues. This work provides a visualized experimental protocol for in vivo brain imaging using PLD-PAT. The protocol includes the compact PLD-PAT system configuration and its description, animal preparation for brain imaging, and a typical experimental procedure for 2D cross-sectional rat brain imaging. The PLD-PAT system is compact and cost-effective and can provide high-speed, high-quality imaging. Brain images collected in vivo at various scan speeds are presented.

A High-performance Compact Photoacoustic Tomography System for In Vivo Small-animal Brain Imaging

A compact pulsed-laser diode-based photoacoustic tomography (PLD-PAT) system for high-speed in vivo brain imaging in small animals is demonstrated.

Ein leistungsstarkes kompaktes Fotoakustik-Tomographie-System für<em&gt; In vivo</em&gt; Kleintier Gehirn Bildgebung

In vivo small-animal imaging has an important role to play in preclinical studies. Photoacoustic tomography (PAT) is an emerging hybrid imaging modality ...

Hand-held Clinical Photoacoustic Imaging System for Real-time Non-invasive Small Animal Imaging

Translation of photoacoustic imaging into the clinic is a major challenge. Handheld real-time clinical photoacoustic imaging systems are very rare. Here, we report a combined photoacoustic and clinical ultrasound imaging system by integrating an ultrasound probe with light delivery for small animal imaging. We demonstrate this by showing sentinel lymph node imaging in small animals along with minimally invasive real-time needle guidance. A clinical ultrasound platform with access to raw channel data allows the integration of photoacoustic imaging leading to a handheld real-time clinical photoacoustic imaging system. Methylene blue was used for sentinel lymph node imaging at 675 nm wavelength. Additionally, needle guidance with dual modal ultrasound and photoacoustic imaging was shown using the imaging system. Depth imaging of up to 1.5 cm was demonstrated with a 10 Hz laser at a photoacoustic imaging frame rate of 5 frames per second.

A clinical handheld photoacoustic imaging system will be demonstrated for real-time non-invasive small animal imaging.

Hand-Held klinische photoakustische Imaging-System für Echtzeit-nicht-invasive kleine Tier Imaging

Translation of photoacoustic imaging into the clinic is a major challenge. Handheld real-time clinical photoacoustic imaging systems are very rare. Here, ...

Pulsed Laser Diode-Based Desktop Photoacoustic Tomography for Monitoring Wash-In and Wash-Out of Dye in Rat Cortical Vasculature

Photoacoustic (PA) tomography (PAT) imaging is an emerging biomedical imaging modality useful in various preclinical and clinical applications. Custom-made circular ring array-based transducers and conventional bulky Nd:YAG/OPO lasers inhibit translation of the PAT system to clinics. Ultra-compact pulsed laser diodes (PLDs) are currently being used as an alternative source of near-infrared excitation for PA imaging. High-speed dynamic in vivo imaging has been demonstrated using a compact PLD-based desktop PAT system (PLD-PAT). A visualized experimental protocol using the desktop PLD-PAT system is provided in this work for dynamic in vivo brain imaging. The protocol describes the desktop PLD-PAT system configuration, preparation of animal for brain vascular imaging, and procedure for dynamic visualization of indocyanine green (ICG) dye uptake and clearance process in rat cortical vasculature.&#160;

A compact pulsed laser diode-based desktop photoacoustic tomography (PLD-PAT) system is demonstrated for high-speed dynamic in vivo imaging of small animal cortical vasculature.

Gepulste Laser-Diode-Based Desktop photoakustische Tomographie für die Überwachung von Wash-In und Wash-Out of Dye in Rat Cortical Vasculature

Photoacoustic (PA) tomography (PAT) imaging is an emerging biomedical imaging modality useful in various preclinical and clinical applications. ...

Multispectral Optoacoustic Tomography for Functional Imaging in Vascular Research

Microcirculatory impairment has been recognized in various disease processes, underlying this growing theme within vascular research. In recent years, the development of live imaging systems has set the (analytical) pace in both basic and clinical research, with the objective of creating new instruments capable of providing real-time, quantifiable endpoints with clinical interest and application. Near-infrared spectroscopy (NIRS), positron emission tomography (PET), computed tomography (CT), and magnetic resonance imaging (MRI) are available, among other techniques, but cost, image resolution, and reduced contrast are recognized as common challenges. Optoacoustic tomography (OT) offers a new perspective on vascular functional imaging, combining state-of-the-art optical absorption and spatial resolution capacities (from micrometer optical to millimeter acoustic resolution) with tissue depth. In this study, we tested the applicability of multispectral optoacoustic tomography (MSOT) for functional imaging. The system uses a tunable optical parametric oscillator (OPO) pumped by an Nd: YAG laser, providing excitation pulses sensed by a 3D probe at wavelengths from 680 nm to 980 nm. Images obtained from the human forearm were reconstructed through a specific algorithm (supplied within the manufacturer&#39;s software) based on the response of specific chromophores. Maximal Oxygenated Hemoglobin (Max HbO2) and Deoxygenated Hemoglobin (Max Hb), Total Hemoglobin (HbT), and mean Oxygen Saturation (mSO2) to vascular density (&#181;Vu), inter-unit average distances (&#950;Ad), and capillary blood volume (mm3) may be measured using this system. The applicability potential found with this OT system is relevant. Ongoing software developments will surely improve the utility of this imaging system.

The present protocol describes the acquisition of multispectral optoacoustic images of in vivo human skin vasculature. These include the quantification of hemoglobin and melanin, regarded as chromophores of interest for functional analysis.

Multispektrale optoakustische Tomographie zur funktionellen Bildgebung in der Gefäßforschung

Microcirculatory impairment has been recognized in various disease processes, underlying this growing theme within vascular research. In recent years, the ...

Nicht-invasive integrierte PAUSAT Ganzhirn-Bildgebung bei ischämischem Schlaganfall

Integrated Photoacoustic, Ultrasound, and Angiographic Tomography (PAUSAT) for NonInvasive Whole-Brain Imaging of Ischemic Stroke

Presented here is an experimental ischemic stroke study using our newly developed noninvasive imaging system that integrates three acoustic-based imaging technologies: photoacoustic, ultrasound, and angiographic tomography (PAUSAT). Combining these three modalities helps acquire multi-spectral photoacoustic tomography (PAT) of the brain blood oxygenation, high-frequency ultrasound imaging of the brain tissue, and acoustic angiography of the cerebral blood perfusion. The multi-modal imaging platform allows the study of cerebral perfusion and oxygenation changes in the whole mouse brain after stroke. Two commonly used ischemic stroke models were evaluated: the permanent middle cerebral artery occlusion (pMCAO) model and the photothrombotic (PT) model. PAUSAT was used to image the same mouse brains before and after a stroke and quantitatively analyze both stroke models. This imaging system was able to clearly show the brain vascular changes after ischemic stroke, including significantly reduced blood perfusion and oxygenation in the stroke infarct region (ipsilateral) compared to the uninjured tissue (contralateral). The results were confirmed by both laser speckle contrast imaging and triphenyltetrazolium chloride (TTC) staining. Furthermore, stroke infarct volume in both stroke models was measured and validated by TTC staining as the ground truth. Through this study, we have demonstrated that PAUSAT can be a powerful tool in noninvasive and longitudinal preclinical studies of ischemic stroke.

Autor im Rampenlicht: Integrierte Photoakustik-, Ultraschall- und Angiographische Tomographie (PAUSAT) für die nicht-invasive Ganzhirnbildgebung von ischämischen Schlaganfällen  

This work demonstrates the use of a multimodal ultrasound-based imaging platform for noninvasive imaging of ischemic stroke. This system allows for the quantification of blood oxygenation through photoacoustic imaging and impaired perfusion in the brain through acoustic angiography.

Integrierte photoakustische, Ultraschall- und Angiographietomographie (PAUSAT) für die nicht-invasive Ganzhirnbildgebung des ischämischen Schlaganfalls

Presented here is an experimental ischemic stroke study using our newly developed noninvasive imaging system that integrates three acoustic-based imaging ...

Dual Raster-Scanning Photoakustischer Kleintier-Imager für Vaskuläre Visualisierung

Zusammenfassung

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