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
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

תוכנן צילום פוטואקוסטי כפול לסריקת רסטר, אשר שילב הדמיה רחבת שדה והדמיה בזמן אמת.

Abstract

הדמיה של רשתות כלי דם על בעלי חיים קטנים מילאה תפקיד חשוב במחקר ביו-רפואי בסיסי. טכנולוגיית הדמיה פוטואקוסטית יש פוטנציאל גדול ליישום בתמונה של בעלי חיים קטנים. ההדמיה הפוטואקוסטית הנרחבת של בעלי חיים קטנים יכולה לספק תמונות ברזולוציה מרחבית גבוהה, חדירה עמוקה וניגודים מרובים. כמו כן, מערכת ההדמיה הפוטואקוסטית בזמן אמת רצויה להתבונן בפעילויות המודינמיות של כלי דם של בעלי חיים קטנים, אשר ניתן להשתמש בהם כדי לחקור את הניטור הדינמי של תכונות פיזיולוגיות של בעלי חיים קטנים. כאן מוצגת תמונה פוטואקוסטית סורקת רסטר כפולה, הכוללת פונקציית דימות דו-מצבית הניתנת להחלפה. ההדמיה רחבת השדה מונעת על ידי שלב תרגום ממונע דו מימדי, בעוד ההדמיה בזמן אמת מתממשת עם גלוונומטרים. על ידי הגדרת פרמטרים שונים ומצבי הדמיה, הדמיה vivo של רשת כלי דם של בעלי חיים קטנים יכול להתבצע. ההדמיה בזמן אמת יכולה לשמש כדי לבחון שינוי הדופק ושינוי זרימת הדם של סמים המושרה, וכו '. ההדמיה רחבת השדה יכולה לשמש כדי לעקוב אחר שינוי הצמיחה של כלי הדם הגידול. אלה קלים לאימוץ בתחומים שונים של מחקר ביו-רפואי בסיסי.

Introduction

בתחום הביו-רפואי הבסיסי, בעלי חיים קטנים יכולים לדמות תפקוד פיזיולוגי אנושי. לכן, הדמיה של בעלי חיים קטנים ממלאת תפקיד חשוב בהנחיית המחקר של מחלות הומולוגיות אנושיות ובחיפוש טיפול יעיל1. הדמיה פוטואקוסטית (PAI) היא טכניקת הדמיה לא פולשנית המשלבת את היתרונות של הדמיה אופטית והדמיה אולטרסאונד2. מיקרוסקופיה פוטואקוסטית (PAM) היא שיטת הדמיה בעלת ערך למחקר בסיסי של בעלי חיים קטנים3. PAM יכול בקלות להשיג ברזולוציה גבוהה, חדירה עמוקה, ספציפיות גבוהה ותמונות חדות גבוהה המבוססות על עירור אופטי וזיהוי אולטרסאונד4.

לייזר דופק עם אורך גל מסוים נספג על ידי כרומופורים אנדוגני של רקמות. לאחר מכן, הטמפרטורה של הרקמה עולה, מה שמוביל לייצור של גלים קוליים הנגרמים על ידי צילום. הגלים הקוליים יכולים להיות מזוהים על ידי מתמר קולי. לאחר רכישת אותות ושחזור תמונה, ניתן להשיג את ההתפלגות המרחבית של הסופג5. מצד אחד, הדמיה של רשת כלי דם של איברים שלמים דורשת שדה ראייה רחב. תהליך הסריקה בשטח רחב נמשך בדרך כלל זמן רב כדי להבטיחרזולוציהגבוהה 6,7,8. מצד שני, התבוננות בפעילויות המודינמיות של בעלי חיים קטנים דורשת הדמיה מהירה בזמן אמת. ההדמיה בזמן אמת מועילה לחקור את הסימנים החיוניים של בעלי חיים קטנים בזמן אמת9,10,11. שדה הראייה של הדמיה בזמן אמת הוא בדרך כלל קטן מספיק כדי להבטיח קצב עדכון גבוה. לכן, לעתים קרובות יש פשרה בין השגת שדה ראייה רחב הדמיה בזמן אמת. בעבר, שתי מערכות שונות שימשו להדמיה שדה רחב או הדמיה בזמן אמת, בנפרד.

עבודה זו מדווחת על הדמיה פוטואקוסטית סריקת רסטר כפולה (DRS-PAI), אשר שילבה הדמיה שדה רחב המבוסס על שלב תרגום ממונע דו מימדי והדמיה בזמן אמת המבוססת על סורק גלוונומטר דו-צירי. מצב דימות שדה רחב (WIM) מבוצע כדי להציג מורפולוגיה של כלי הדם. עבור מצב דימות בזמן אמת (RIM), קיימות כעת שתי פונקציות. ראשית, RIM יכולה לספק תמונות סריקת B בזמן אמת. על ידי מדידת התזוזה של כלי הדם לאורך כיוון העומק, המאפיינים של נשימה או דופק ניתן לחשוף. שנית, ה- RIM יכול למדוד כמותית את האזור הספציפי בתמונת ה- WIM. על-ידי מתן תמונות דומות של אזורי WIM מקומיים, ניתן לחשוף במדויק את פרטי השינוי המקומי. המערכת מתכננת מעבר גמיש בין הדמיה רחבת שדה של הדמיה של כלי הדם לבין הדמיה בזמן אמת של הדינמיקה המקומית. המערכת רצויה במחקר ביו-רפואי בסיסי שבו יש צורך בהדמיה של בעלי חיים קטנים.

Protocol

כל הניסויים בבעלי חיים בוצעו בהתאם להנחיות שסופקו על ידי ועדת הטיפול והשימוש בבעלי חיים המוסדית של אוניברסיטת דרום סין הרגילה, גואנגג'ואו, סין.

1. הגדרת מערכת

  1. נתיב אופטי (איור 1)
    1. השתמש לייזר דופק 532 ננומטר כמקור לייזר המערכת. הגדר את קצב החזרה של הלייזר ל- 10 kHz, את אנרגיית הפלט ל- 100% ואת הגדרת הגורם המפעיל לגורם מפעיל חיצוני באמצעות תוכנית המוגדרת על-ידי המשתמש.
    2. צמד קרן הלייזר סיבים חד-מצביים (SMF) באמצעות מצמד סיבים אופטיים (FC1). קולם את קרן הלייזר באמצעות קולימטור סיבים אופטיים (FC2) על שלב ממונע דו מימדי (מנוע, מהירות מרבית: 20 מ"מ / ים).
    3. להסיט את קרן הלייזר באמצעות סורק גלוונומטר דו צירי (גלבה). השתמש במראה ניתנת להזזה (M1) כדי לשקף את הקרן. מקד את הקרן דרך עדשה אובייקטיבית 4× (OL, צמצם מספרי: 0.1).
    4. השתמש הר מתרגם XY (TM) כדי לתקן את מתמר אולטראסאונד חלול מתוצרת עצמית (UT, תדירות מרכזית: 25 MHz; רוחב פס: יותר מ- 90%; חור מרכזי: 3 מ"מ) בתחתית OL12. להעביר את הקרן ממוקדת דרך החור המרכזי של מתמר קולי.
  2. נתיב סריקה
    1. נעל את הגלבה באמצעות מערך שערים הניתן לתכנות שדה (FPGA 2) במהלך WIM. הגדר את טווח הסריקה ואת מהירות הסריקה המתאימים על-ידי תוכנית המוגדרת על-ידי המשתמש.
    2. נעל את המנוע באמצעות מערך שערים הניתן לתכנות שדה (FPGA 1) במהלך RIM. הגדר את תדירות הסריקה ואת מספר נקודות הסריקה באמצעות FPGA 2. השתמש בתוכנית המוגדרת על-ידי המשתמש כדי לשלוט בהפעלה ולהפסקה של הסריקה.
  3. רכישת נתונים
    1. השתמש במגבר 50 dB (AMP) כדי להגביר את אות הרשות הפלסטינית. הפוך את האות לדיגיטלי באמצעות כרטיס רכישת הנתונים (DAQ). השג את אות ההדק באמצעות FPGA 1 או FPGA 2.
    2. השתמש ביחידת עיבוד גרפיקה (GPU) כדי לעבד נתונים ולהציג תמונות במקביל13.
  4. מערכת דימות CCD
    1. השתמש בנורית LED לבנה בצורת טבעת (טמפרטורת צבע: 6500 K; אילומיננס: 40000 לוקס; קוטר: 7.5 ס"מ) כמקור תאורה. הסר M1, השתמש במראה קבועה (M2) כדי לשקף את האור.
    2. הקלט את התמונות באמצעות מצלמת CCD (6.3 מיליון פיקסלים) במערכת ההדמיה של הרשות הפלסטינית. הצג את התמונות באמצעות תוכנת תצוגה.

2. יישור מערכת

  1. בחר מיכל מים (10 ס"מ × 10 ס"מ × 4.4 ס"מ; חלון תחתון: 3 ס"מ × 3 ס"מ). לכסות את מיכל המים כולו באמצעות קרום פוליאתילן (קרום עבה: 10 מיקרומטר). מוסיפים מספיק מים אולטרה-דקים.
  2. מניחים את מיכל המים על במת העבודה.
  3. הפעל את מתג הלייזר. בחר את תוכנית בקרת הלייזר. מחממים במשך 5 דקות. לחץ על כפתור "ON" במתג השאיבה. הגדר את פרמטרי הלייזר לפי שלב 1.1.1. פתח את המבוכה של הלייזר.
  4. בחר את התוכנית שנאספה על-ידי קו A. לחץ על כפתור "התחל" כדי ללכוד את אות הנקודה הבודדת ולהציג משרעת וספקטרום של אות A-line הנוכחי.
  5. מניחים להב בתחתית מיכל המים. לטבול את החלק התחתון של UT במיכל המים עבור צימוד אקוסטי. הימנע בועות בחלק התחתון של UT.
  6. התאם את המיקום של Galva, התאם את מתרגם ה- XY בין UT ל- OL כדי למנוע אות תנודה וודא שזה קונפוקל.
  7. התאם את גובה שלב העבודה כדי למקסם את משרעת האות וקבע את מיקום המיקוד.

3. ניסוי בבעלי חיים

  1. השתמש בעכבר BALB/c בן 5\u20126 שבועות עם משקל גוף של 20\u201230 גרם.
  2. הרדמה של החיה באמצעות אורתן (1 גרם/ק"ג) מוזרק תוך-אישית לפני הניסוי.
  3. בצע מעבר בין WIM ל- RIM.
    1. השתמש מתמר קולי מישורי. לגלח את הפרווה על הגב של העכבר באמצעות גוזם קרם depilatory. מניחים את העכבר על המחזיק (8 ס"מ × 2.8 ס"מ × 2 ס"מ) במצב נוטה.
    2. אפשר לאזור ההדמיה להיות במגע עם קרום הפוליאתילן באמצעות ג'ל אולטרסאונד. הימנע בועות בחלק המגע.
    3. מניחים את המחזיק על במת העבודה לצימוד אקוסטי. בצע את שלבים 2.3\u20122.4 כדי להפעיל את הלייזר ולאסוף אות A-line. בצע את שלבים 2.6\u20122.7 כדי ליישר. לחץ על "עצור" כדי לסיים את האוסף לאחר היישור.
    4. בחר את תוכנית ה- WIM. תן שם לתיקיה החדשה שנוצרה. הגדר את פרמטר הסריקה ב- 20 מ"מ/s בכרטיסייה "מהירות סריקה", "20 מ"מ* 20 מ"מ" בכרטיסייה "אזור סריקה" ו- "20" בכרטיסייה "שלב". לחץ על לחצן אסוף כדי להתחיל בסריקה.
    5. לחץ על לחצן עצור כדי לסיים את הסריקה לאחר הרכישה. לחץ על חזור לאפס כדי להביא את המנוע לאפס. סגור את המבוכה בלייזר. הגדר את הגדרת הגורם המפעיל לגורם מפעיל פנימי. לחץ על לחצן כיבוי למתג שאיבה.
    6. החלף את הגורם המפעיל של WIM כגורם מפעיל של RIM וחבר אותו לגורם המפעיל החיצוני של הלייזר. לחץ על לחצן הפעלה למתג שאיבה. הגדר את הגדרת הגורם המפעיל לגורם המפעיל החיצוני. לחץ על לחצן יציאה כדי לצאת מתוכנית WIM.
    7. השתמש בשלב 2.4 כדי לאסוף את אות הקו. פתח את המבוכה בלייזר. בצע את שלבים 2.6\u20122.7 כדי ליישר. הקש Stop כדי לסיים את האיסוף לאחר היישור.
    8. בחר את תוכנית RIM. תן שם לתיקיה החדשה שנוצרה. לחץ על לחצן אסוף כדי להתחיל בסריקה.
    9. לחץ על לחצן עצור כדי לסיים את הסריקה לאחר השלמת הרכישה. לחץ על לחצן יציאה כדי לצאת מתוכנית RIM.
    10. המתת חסד לבעל החיים באמצעות נקע בצוואר הרחם בסיום ההדמיה.
  4. ניהול WIM של הדמיה כלי דם.
    1. השתמש מתמר קולי ממוקד (תדר מרכזי: 25 מגה הרץ; רוחב פס: יותר מ- 90%; אורך המוקד: 8 מ"מ). הסר את השיער של אוזן העכברים או הקרקפת.
      1. השתמש אזמל לעשות חתך קטן בצד לרוחב של החלק העליון של זמן הגולגולת של העכבר (עומק לגולגולת). השתמש במספריים עיניים כדי להתחיל מחתך זה. חותכים את הקרקפת סביב הצד החיצוני של הגולגולת. לדחוס את נקודת הדימום כדי לעצור את הדימום. לשטוף את הפצע עם תמיסת מלח נורמלית. הנח את העכבר על המחזיק.
    2. אפשר לאזור ההדמיה להיות במגע עם קרום הפוליאתילן באמצעות ג'ל אולטרסאונד. הימנעו מבועות באזור המגע (איור משלים 1).
    3. מניחים את המחזיק על במת העבודה לצימוד אקוסטי. השתמש בשלבים 2.3\u20122.4 כדי לפתוח לייזר ולאסוף אות A-line. השתמש בשלב 2.6\u20122.7 כדי ליישר. הקש Stop כדי לסיים את האיסוף לאחר היישור.
    4. בחר תוכנית WIM. תן שם לתיקיה החדשה שנוצרה. הגדר את פרמטר הסריקה כ- "10 מ"מ/s" בכרטיסייה "מהירות סריקה", "10 מ"מ * 10 מ"מ" תחת הכרטיסייה "אזור סריקה" ו- "10" בכרטיסייה "שלב". לחץ על לחצן אסוף כדי להתחיל בסריקה.
    5. לחץ על לחצן עצור כדי לסיים את הסריקה לאחר השלמת הרכישה. לחץ על חזור לאפס כדי שהמנוע יחזור לאפס. לחץ על לחצן יציאה כדי לצאת מתוכנית WIM.
    6. המתת חסד לבעל החיים בסיום ההליך בזמן שהחיה עדיין מורדמת.
  5. נהל RIM לניטור דינמי של בעלי חיים קטנים.
    1. לגלח את השיער של בטן העכבר. הנח את העכבר על המחזיק במצב סופי.
    2. אפשר לאזור ההדמיה להיות במגע עם קרום הפוליאתילן באמצעות ג'ל אולטרסאונד. הימנע בועות באזור המגע.
    3. מניחים את המחזיק על במת העבודה לצימוד אקוסטי. בצע שלבים 2.3\u20122.4 כדי להפעיל את הלייזר ולאסוף אות A-line. בצע את שלב 2.6\u20122.7 כדי ליישר. הקש Stop כדי לסיים את האיסוף לאחר היישור.
    4. בחר את תוכנית RIM. תן שם לתיקיה החדשה שנוצרה. לחץ על לחצן אסוף כדי להתחיל בסריקה.
    5. לחץ על לחצן עצור כדי לסיים את הסריקה לאחר השלמת הרכישה. לחץ על לחצן יציאה כדי לצאת מתוכנית RIM.
  6. השתמש בנתוני RIM לשחזור של הקרנת משרעת מרבית (MAP) לאורך כיוון העומק לפי תוכנית המוגדרת על-ידי המשתמש. שימו לב לשינויים הדינמיים בבעלי החיים.

תוצאות

השרטוט של DRS-PAI מוצג באיור 1. המערכת מאפשרת מעבר גמיש וניתן לחזרה בין WIM עם RIM. אות הרשות הפלסטינית שנרכש מעובד במהירות כדי ליצור תמונות PA B-Scan ו- MAP. מצלמת CCD יכולה לספק תמונות של דגימות.

כל הרכיבים של DRS-PAI משולבים ומורכבים במערך הדמיה(איור 2),מה שמק?...

Discussion

כאן הצגנו דימוי כפול של בעלי חיים קטנים וסורקי רסטר להדמיה לא פולשנית של כלי הדם שתוכנן ופותח כדי ללכוד את מבנה כלי הדם ואת השינוי הדינמי הקשור בדם. היתרון של DRS-PAI הוא שהוא משלב את ה- WIM ואת ה- RIM במערכת אחת, מה שמקל על חקר מבנה הרשת הדינמי וכלי הדם של בעלי חיים קטנים. המערכת יכולה לספק הדמיה של ?...

Disclosures

כל הניסויים בבעלי חיים בוצעו בהתאם להנחיות ולתקנות שאושרו בוועדה המוסדית לטיפול בבעלי חיים ולשימוש בבעלי חיים. למחברים אין אינטרסים כלכליים רלוונטיים בכתב היד ואין ניגודי עניינים פוטנציאליים אחרים לחשוף.

Acknowledgements

המחברים רוצים להכיר בתמיכה הכספית של הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (61822505; 11774101; 61627827; 81630046), פרויקט תכנון המדע והטכנולוגיה של פרובינציית גואנגדונג, סין (2015B020233016) ותוכנית המדע והטכנולוגיה של גואנגג'ואו (מס ' 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

161Imager

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