Double imageur photoacoustique à balayage Raster pour visualisation vasculaire

Résumé

Un double imageur photoacoustique à balayage raster a été conçu, qui a intégré l’imagerie à champ large et l’imagerie en temps réel.

Résumé

L’imagerie des réseaux vasculaires sur les petits animaux a joué un rôle important dans la recherche biomédicale fondamentale. La technologie d’imagerie photoacoustique a un grand potentiel d’application dans l’imageologie des petits animaux. L’imagerie photoacoustique à large champ des petits animaux peut fournir des images avec une résolution spatiotemporale élevée, une pénétration profonde et de multiples contrastes. En outre, le système d’imagerie photoacoustique en temps réel est souhaitable pour observer les activités hémodynamiques de la vascularisation des petits animaux, qui peuvent être utilisées pour rechercher la surveillance dynamique des caractéristiques physiologiques des petits animaux. Ici, un imageur photoacoustique à double balayage est présenté, doté d’une fonction d’imagerie commutable en double mode. L’imagerie à champ large est pilotée par une étape de traduction motorisée bidimensionnelle, tandis que l’imagerie en temps réel est réalisée avec des galvanomètres. En définissant différents paramètres et modes d’imagerie, la visualisation in vivo du réseau vasculaire des petits animaux peut être effectuée. L’imagerie en temps réel peut être utilisée pour observer le changement d’impulsion et le changement de flux sanguin induit par la drogue, etc. L’imagerie à champ large peut être utilisée pour suivre le changement de croissance de la vascularisation tumorale. Ceux-ci sont faciles à adopter dans divers domaines de la recherche fondamentale en biomédecine.

Introduction

Dans le domaine biomédical de base, les petits animaux peuvent simuler la fonction physiologique humaine. Par conséquent, l’imagerie des petits animaux joue un rôle important en guidant la recherche sur les maladies humaines homologues et en cherchant un traitement^{efficace 1}. L’imagerie photoacoustique (IPA) est une technique d’imagerie non invasive combinant les avantages de l’imagerie optique et de l’imagerie par^{ultrasons 2}. La microscopie photoacoustique (PAM) est une méthode d’imagerie précieuse pour la recherche fondamentale sur les petits animaux³. PAM peut facilement obtenir des images à haute résolution, à pénétration profonde, à haute spécificité et à contraste élevé basées sur l’excitation optique et la détection par^{ultrasons 4}.

Un laser pulsé avec une longueur d’onde spécifique est absorbé par les chromophores endogènes des tissus. Par la suite, la température du tissu augmente, ce qui entraîne la production d’ondes ultrasoniques induites par photo. Les ondes ultrasoniques peuvent être détectées par un transducteur ultrasonique. Après l’acquisition du signal et la reconstruction de l’image, la distribution spatiale de l’absorbeur peut être^{obtenue 5}. D’une part, la visualisation du réseau vasculaire à organe entier nécessite un large champ de vision. Le processus de balayage à champ large prend généralement beaucoup de temps pour assurer la haute résolution^6,7,8. D’autre part, l’observation des activités hémodynamiques des petits animaux nécessite une imagerie rapide en temps réel. L’imagerie en temps réel est bénéfique pour étudier les signes vitaux des petits animaux en^{temps réel 9,10,11}. Le champ de vision de l’imagerie en temps réel est généralement suffisamment petit pour assurer un taux de mise à jour élevé. Ainsi, il existe souvent un compromis entre la réalisation d’un large champ de vision et l’imagerie en temps réel. Auparavant, deux systèmes différents étaient utilisés séparément pour l’imagerie à champ large ou l’imagerie en temps réel.

Ces travaux font état d’un double imageur photoacoustique à balayage raster (DRS-PAI), qui a intégré l’imagerie à large champ basée sur une étape de traduction motorisée bidimensionnelle et une imagerie en temps réel basée sur un scanner galvanomètre à deux axes. Le mode d’imagerie à champ large (WIM) est effectué pour montrer la morphologie vasculaire. Pour le mode d’imagerie en temps réel (RIM), il existe actuellement deux fonctions. Tout d’abord, RIM peut fournir des images en temps réel B-scan. En mesurant le déplacement de la vascularisation le long de la direction de la profondeur, les caractéristiques de la respiration ou du pouls peuvent être révélées. Deuxièmement, la JANTE peut mesurer quantitativement la zone spécifique de l’image WIM. En fournissant des images comparables des régions wim locales, les détails du changement local peuvent être révélés avec précision. Le système conçoit une transition flexible entre l’imagerie à large champ de la visualisation vasculaire et l’imagerie en temps réel de la dynamique locale. Le système est souhaitable dans la recherche biomédicale fondamentale où il y a un besoin d’imagerie des petits animaux.

Protocole

Toutes les expériences sur les animaux ont été réalisées conformément aux lignes directrices fournies par le comité institutionnel de soins et d’utilisation des animaux de l’Université normale de Chine méridionale, Guangzhou, Chine.

1. Configuration du système

1. Chemin optique (Figure 1)
   1. Utilisez un laser à impulsions de 532 nm comme source laser système. Réglez le taux de répétition du laser à 10 kHz, l’énergie de sortie à 100% et le réglage de la gâchette à la gâchette externe à l’aide d’un programme défini par l’utilisateur.
   2. Couplez le faisceau laser à la fibre mono-mode (SMF) via un coupler de fibre optique (FC1). Collimate le faisceau laser à l’aide d’un collimateur en fibre optique (FC2) sur une scène motorisée bidimensionnelle (Moteur, vitesse maximale: 20 mm/s).
   3. Dévier le faisceau laser à l’aide d’un scanner galvanomètre à deux axes (Galva). Utilisez un miroir moveable (M1) pour refléter le faisceau. Concentrez le faisceau à travers une lentille × 4°C (OL, Ouverture numérique: 0,1).
   4. Utilisez une monture de traducteur XY (TM) pour fixer le transducteur ultrasonique creux self-made (UT, fréquence centrale : 25 MHz ; Bande passante : plus de 90 %; Trou central: 3 mm) sur le fond de l’OL¹². Passez le faisceau focalisé à travers le trou central du transducteur ultrasonique.
2. Chemin de numérisation
   1. Verrouillez le Galva à l’aide d’un tableau de portes programmable sur le terrain (FPGA 2) pendant wim. Définissez la plage de numérisation et la vitesse de numérisation appropriées par un programme défini par l’utilisateur.
   2. Verrouillez le moteur à l’aide d’un tableau de porte programmable sur le terrain (FPGA 1) pendant RIM. Définissez la fréquence de numérisation et le nombre de points de numérisation à l’aide de FPGA 2. Utilisez un programme défini par l’utilisateur pour contrôler le démarrage et arrêter la numérisation.
3. Acquisition de données
   1. Utilisez un amplificateur de 50 dB (AMP) pour amplifier le signal pa. Numériser le signal par la carte d’acquisition de données (DAQ). Obtenez le signal de déclenchement par FPGA 1 ou FPGA 2.
   2. Utilisez une unité de traitement graphique (GPU) pour traiter les données et afficher des images en parallèle¹³.
4. Système d’imagerie CCD
   1. Utilisez une LED blanche en forme d’anneau (Température de couleur : 6500 K; Illuminance: 40000 lux; Diamètre : 7,5 cm) comme source d’éclairage. Retirez M1, utilisez un miroir fixe (M2) pour refléter la lumière.
   2. Enregistrez les images à l’aide d’une caméra CCD (6,3 millions de pixels) sur le système d’imagerie PA. Affichez les images avec un logiciel d’affichage.

2. Alignement du système

1. Sélectionnez un réservoir d’eau (10 cm × 10 cm × 4,4 cm; fenêtre inférieure : 3 cm × 3 cm). Couvrir l’ensemble du réservoir d’eau à l’aide d’une membrane en polyéthylène (membrane épaisse : 10 μm). Ajouter suffisamment d’eau ultrapure.
2. Placez le réservoir d’eau sur la scène de travail.
3. Allumez l’interrupteur laser. Sélectionnez le programme de contrôle laser. Préchauffer pendant 5 min. Appuyez sur le bouton « ON » sur l’interrupteur de pompage. Définissez les paramètres laser selon l’étape 1.1.1. Ouvrez la déroute du laser.
4. Sélectionnez le programme de collecte de la ligne A. Appuyez sur le bouton « Démarrer » pour capturer le signal à un point et afficher l’amplitude et le spectre du signal actuel de la ligne A.
5. Placez une lame au fond du réservoir d’eau. Immerger la partie inférieure de l’UT dans le réservoir d’eau pour un couplage acoustique. Évitez les bulles dans la partie inférieure de l’UT.
6. Ajustez la position de Galva, ajustez le traducteur XY entre UT et OL pour éviter le signal d’oscillation, et assurez-vous que c’est confocal.
7. Ajustez la hauteur de l’étape de travail pour maximiser l’amplitude du signal et déterminer la position de mise au point.

3. Expérience animale

1. Utilisez une souris BALB/c vieille de 5\u20126 semaines avec un poids corporel de 20\u201230 g.
2. Anesthésier l’animal à l’aide d’uréthane (1 g/kg) injecté intraperitoneally avant l’expérience.
3. Effectuer la transition entre WIM et RIM.
   1. Utilisez un transducteur ultrasonique planaire. Raser la fourrure sur le dos de la souris à l’aide d’une tondeuse et d’une crème depilatory. Placer la souris sur le support (8 cm × 2,8 cm × 2 cm) en position couchée.
   2. Permettre à la région d’imagerie d’être en contact avec la membrane de polyéthylène à l’aide d’un gel à ultrasons. Évitez les bulles dans la partie de contact.
   3. Placez le support sur la scène de travail pour le couplage acoustique. Suivez les étapes 2.3\u20122.4 pour démarrer le laser et collecter le signal de la ligne A. Suivez les étapes 2.6\u20122.7 pour aligner. Appuyez sur « Stop » pour terminer la collecte après alignement.
   4. Sélectionnez le programme WIM. Nommez le dossier nouvellement créé. Réglez le paramètre de balayage à 20 mm/s dans l’onglet « Vitesse de balayage », « 20 mm*20 mm » dans l’onglet « Zone de balayage » et « 20 » dans l’onglet « Étape ». Cliquez sur le bouton Collect pour commencer à numériser.
   5. Cliquez sur le bouton Stop pour terminer la numérisation après l’acquisition. Cliquez sur Retour à zéro pour ramener le moteur à zéro. Fermez le déflecteur laser. Réglez le paramètre de déclenchement sur la gâchette interne. Appuyez sur le bouton OFF pour le commutateur de pompage.
   6. Remplacez la gâchette WIM comme déclencheur RIM et connectez-la à la gâchette laser externe. Appuyez sur le bouton ON pour le commutateur de pompage. Réglez le réglage de la gâchette sur la gâchette externe. Cliquez sur le bouton Exit pour quitter le programme WIM.
   7. Utilisez l’étape 2.4 pour recueillir le signal de la ligne A. Ouvrez la déroute laser. Suivez les étapes 2.6\u20122.7 pour aligner. Appuyez sur Arrêt pour terminer la collecte après alignement.
   8. Sélectionnez le programme RIM. Nommez le dossier nouvellement créé. Cliquez sur le bouton Collect pour commencer à numériser.
   9. Cliquez sur le bouton Stop pour terminer la numérisation après l’acquisition. Cliquez sur le bouton Exit pour quitter le programme RIM.
   10. Euthanasier l’animal à l’aide d’une dislocation cervicale à la fin de l’imagerie.
4. Effectuer WIM de visualisation vasculaire.
   1. Utilisez un transducteur ultrasonique focalisé (fréquence centrale : 25 MHz; Bande passante : plus de 90 %; Longueur focale: 8 mm). Enlever les cheveux des souris oreille ou le cuir chevelu.
      1. Utilisez un scalpel pour faire une petite incision sur le côté latéral du dessus temporel crânien de la souris (profondeur du crâne). Utilisez des ciseaux ophtalmiques pour commencer à partir de cette incision. Couper le cuir chevelu autour du côté extérieur du crâne. Compresser le point de saignement pour arrêter le saignement. Lavez la plaie avec de la solution saline normale. Placez la souris sur le support.
   2. Permettre à la région d’imagerie d’être en contact avec la membrane de polyéthylène à l’aide d’un gel à ultrasons. Évitez les bulles dans la région de contact( Figure supplémentaire 1).
   3. Placez le support sur la scène de travail pour le couplage acoustique. Utilisez les étapes 2.3\u20122.4 pour ouvrir le laser et recueillir le signal de la ligne A. Utilisez l’étape 2.6\u20122.7 pour aligner. Appuyez sur Arrêt pour terminer la collecte après alignement.
   4. Sélectionnez le programme WIM. Nommez le dossier nouvellement créé. Réglez le paramètre de balayage à « 10 mm/s » dans l’onglet « Vitesse de balayage », « 10 mm*10 mm » sous l’onglet « Zone de balayage » et « 10 » dans l’onglet « Étape ». Cliquez sur le bouton Collect pour commencer à numériser.
   5. Cliquez sur le bouton Stop pour terminer la numérisation après l’acquisition. Cliquez sur le retour à zéro pour faire revenir le moteur à zéro. Cliquez sur le bouton Exit pour quitter le programme WIM.
   6. Euthanasier l’animal à la fin de l’intervention pendant que l’animal est encore sous anesthésie.
5. Conduct RIM pour la surveillance dynamique des petits animaux.
   1. Raser les cheveux de l’abdomen de la souris. Placez la souris sur le support en position supine.
   2. Permettre à la région d’imagerie d’être en contact avec la membrane de polyéthylène à l’aide d’un gel à ultrasons. Évitez les bulles dans la région de contact.
   3. Placez le support sur la scène de travail pour le couplage acoustique. Effectuez les étapes 2.3\u20122.4 pour démarrer le laser et recueillir le signal de la ligne A. Effectuez l’étape 2.6\u20122.7 pour aligner. Appuyez sur Arrêt pour terminer la collecte après alignement.
   4. Sélectionnez le programme RIM. Nommez le dossier nouvellement créé. Cliquez sur le bouton Collect pour commencer à numériser.
   5. Cliquez sur le bouton Stop pour terminer la numérisation après l’acquisition. Cliquez sur le bouton Exit pour quitter le programme RIM.
6. Utilisez les données rim pour la reconstruction de la projection maximale d’amplitude (MAP) le long de la direction de profondeur par programme défini par l’utilisateur. Observez les changements dynamiques chez l’animal.

Résultats

Le schéma du DRS-PAI est indiqué dans la figure 1. Le système permet une commutation flexible et reproductible entre WIM et RIM. Le signal PA acquis est traité rapidement pour générer des images PA B-Scan et MAP. La caméra CCD peut fournir des photographies d’échantillons.

Tous les composants du DRS-PAI sont intégrés et assemblés dans une configuration d’imageur (Figure 2), ce qui facilite l’assemblage et le fonctionn...

Discussion

Ici nous avons présenté un double imageur photoacoustic photoacoustic de raster-balayage de petit animal pour la visualisation vasculaire non invasive qui a été conçue et développée pour capturer la structure de la vascularisation et le changement dynamique connexe du sang. L’avantage du DRS-PAI est qu’il intègre le WIM et le RIM dans un seul système, ce qui facilite l’étude de la structure dynamique vasculaire et vasculaire du réseau des petits animaux. Le système peut fournir une visualisation vascula...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
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