Gli autori vorrebbero riconoscere il sostegno finanziario della National Natural Science Foundation of China (61822505; 11774101; 61627827; 81630046), The Science and Technology Planning Project of Guangdong Province, China (2015B020233016) e The Science and Technology Program of Guangzhou (n. 2019020001).

Tutti gli esperimenti sugli animali sono stati eseguiti nel rispetto delle linee guida fornite dal comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali della South China Normal University, Guangzhou, Cina.
1. Configurazione del sistema
<ol><li>Percorso ottico (Figura 1)<ol>
<li>Utilizzare un laser a impulsi da 532 nm come sorgente laser di sistema. Impostare la velocità di ripetizione del laser su 10 kHz, l'energia di uscita al 100% e l'impostazione del trigger sul trigger esterno utilizzando un programma definito dall'utente.</li>
		<li>Accoppiare il raggio laser alla fibra monomodale (SMF) tramite un accoppiatore in fibra ottica (FC1). Collimare il raggio laser utilizzando un collimatore in fibra ottica (FC2) su uno stadio motorizzato bidimensionale (Motore, velocità massima: 20 mm/s).</li>
		<li>Deviare il raggio laser utilizzando uno scanner galvanometrico a due assi (Galva). Utilizzare uno specchio spostabile (M1) per riflettere la trave. Mettere a fuoco il fascio attraverso una lente × 4 punti (OL, apertura numerica: 0,1).</li>
		<li>Utilizzare un supporto per traduttori XY (TM) per fissare il trasduttore ad ultrasuoni cavo autoprodotto (UT, frequenza centrale: 25 MHz; Larghezza di banda: oltre il 90%; Foro centrale: 3 mm) sul fondo dell'OL12. Passare il fascio focalizzato attraverso il foro centrale del trasduttore ad ultrasuoni.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Percorso di scansione<ol>
<li>Bloccare galva utilizzando un array di gate programmabile sul campo (FPGA 2) durante WIM. Impostare l'intervallo di scansione e la velocità di scansione appropriati in base a un programma definito dall'utente.</li>
		<li>Bloccare il motore utilizzando un array di gate programmabile sul campo (FPGA 1) durante RIM. Impostare la frequenza di scansione e il numero di punti di scansione utilizzando FPGA 2. Utilizzare un programma definito dall'utente per controllare l'avvio e interrompere la scansione.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Acquisizione dati<ol>
<li>Utilizzare un amplificatore da 50 dB (AMP) per amplificare il segnale PA. Digitalizzare il segnale tramite la scheda di acquisizione dati (DAQ). Ottenere il segnale di innesco tramite FPGA 1 o FPGA 2.</li>
		<li>Utilizzare un'unità di elaborazione grafica (GPU) per elaborare i dati e visualizzare le immagini in parallelo13.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Sistema di imaging CCD<ol>
<li>Utilizzare un LED bianco a forma di anello (temperatura del colore: 6500 K; Illuminamento: 40000 lux; Diametro: 7,5 cm) come fonte di illuminazione. Rimuovere M1, utilizzare uno specchio fisso (M2) per riflettere la luce.</li>
		<li>Registra le immagini utilizzando una fotocamera CCD (6,3 milioni di pixel) sul sistema di imaging PA. Visualizzare le immagini con un software di visualizzazione.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Allineamento del sistema
<ol><li>Selezionare un serbatoio dell'acqua (10 cm × 10 cm × 4,4 cm; finestra inferiore: 3 cm × 3 cm). Coprire l'intero serbatoio dell'acqua utilizzando una membrana in polietilene (membrana spessa: 10 μm). Aggiungere acqua ultrapura sufficiente.</li>
	<li>Posizionare il serbatoio dell'acqua sulla fase di lavoro.</li>
	<li>Accendere l'interruttore laser. Selezionare il programma di controllo laser. Preriscaldare per 5 minuti. Premere il tasto "ON" sull'interruttore di pompaggio. Impostare i parametri laser come da passaggio 1.1.1. Apri il deflettori del laser.</li>
	<li>Selezionare il programma raccolto dalla riga A. Premere il pulsante "Start" per acquisire il segnale a punto singolo e visualizzare l'ampiezza e lo spettro del segnale di linea A corrente.</li>
	<li>Posizionare una lama sul fondo del serbatoio dell'acqua. Immergere la parte inferiore dell'UT nel serbatoio dell'acqua per l'accoppiamento acustico. Evitare bolle nella parte inferiore dell'UT.</li>
	<li>Regolare la posizione di Galva, regolare il traduttore XY tra UT e OL per evitare il segnale di oscillazione e assicurarsi che sia confocale.</li>
	<li>Regolare l'altezza della fase di lavoro per massimizzare l'ampiezza del segnale e determinare la posizione di messa a fuoco.</li>
</ol>3. Esperimento animale
<ol><li>Utilizzare un mouse BALB/c di 5\u20126 settimane con un peso corporeo di 20\u201230 g.</li>
	<li>Anestetizzare l'animale usando uretano (1 g/kg) iniettato per via intraperitoneale prima dell'esperimento.</li>
	<li>Condurre la transizione tra WIM e RIM.<ol>
<li>Utilizzare un trasduttore ad ultrasuoni planare. Radere la pelliccia sul retro del mouse usando un trimmer e una crema depilatoria. Posizionare il mouse sul supporto (8 cm × 2,8 cm × 2 cm) in posizione soggetta.</li>
		<li>Consentire alla regione di imaging di essere a contatto con la membrana in polietilene utilizzando il gel ad ultrasuoni. Evitare bolle nella parte di contatto.</li>
		<li>Posizionare il supporto sul palco di lavoro per l'accoppiamento acustico. Seguire i passaggi 2.3\u20122.4 per avviare il laser e raccogliere il segnale di linea A. Seguire i passaggi 2.6\u20122.7 per allinearli. Premere "Interrompi" per terminare la raccolta dopo l'allineamento.</li>
		<li>Selezionare il programma WIM. Assegnare un nome alla cartella appena creata. Impostare il parametro di scansione su 20 mm/s nella scheda "Velocità di scansione", "20 mm*20 mm" nella scheda "Area di scansione" e "20" nella scheda "Passo". Fare clic sul pulsante Raccogli per avviare la scansione.</li>
		<li>Fare clic sul pulsante Interrompi per terminare la scansione dopo l'acquisizione. Fate clic su Torna a zero (Return to Zero) per portare il motore a zero. Chiudi il deflettori laser. Impostare l'impostazione del trigger sul trigger interno. Premere il tasto OFF per l'interruttore di pompaggio.</li>
		<li>Sostituire il trigger WIM come trigger RIM e collegarlo al trigger laser esterno. Premere il tasto ON per l'interruttore di pompaggio. Impostare l'impostazione del trigger sul trigger esterno. Fare clic sul pulsante Esci per uscire dal programma WIM.</li>
		<li>Utilizzare il passaggio 2.4 per raccogliere il segnale della linea A. Apri il deflettori laser. Seguire i passaggi 2.6\u20122.7 per allinearli. Premere Interrompi per terminare la raccolta dopo l'allineamento.</li>
		<li>Selezionate il programma RIM. Assegnare un nome alla cartella appena creata. Fare clic sul pulsante Raccogli per avviare la scansione.</li>
		<li>Fare clic sul pulsante Interrompi per terminare la scansione dopo aver completato l'acquisizione. Fate clic sul pulsante Esci (Exit) per uscire dal programma RIM.</li>
		<li>Eutanasia l'animale usando la lussazione cervicale al termine dell'imaging.</li>
	</ol></li>
	<li>Condurre WIM di visualizzazione vascolare.<ol>
<li>Utilizzare un trasduttore ad ultrasuoni focalizzato (frequenza centrale: 25 MHz; Larghezza di banda: oltre il 90%; Lunghezza focale: 8 mm). Rimuovere i capelli dell'orecchio o del cuoio capelluto dei topi.<ol>
<li>Usa un bisturi per fare una piccola incisione sul lato laterale della parte superiore temporale cranica del topo (profondità al cranio). Usa le forbici oftalmiche per iniziare da questa incisione. Tagliare il cuoio capelluto intorno al lato esterno del cranio. Comprimere il punto di sanguinamento per interrompere il sanguinamento. Lavare la ferita con la normale soluzione salina. Posizionare il mouse sul supporto.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Consentire alla regione di imaging di essere a contatto con la membrana in polietilene utilizzando il gel ad ultrasuoni. Evitare bolle nella regione di contatto (Figura complementare 1).</li>
		<li>Posizionare il supporto sul palco di lavoro per l'accoppiamento acustico. Utilizzare i passaggi 2.3\u20122.4 per aprire il laser e raccogliere il segnale di linea A. Utilizzare il passaggio 2.6\u20122.7 per allinearlo. Premere Interrompi per terminare la raccolta dopo l'allineamento.</li>
		<li>Selezionare programma WIM. Assegnare un nome alla cartella appena creata. Impostare il parametro di scansione su "10 mm/s" nella scheda "Velocità di scansione", "10 mm*10 mm" sotto la scheda "Area di scansione" e "10" nella scheda "Passo". Fare clic sul pulsante Raccogli per avviare la scansione.</li>
		<li>Fare clic sul pulsante Interrompi per terminare la scansione dopo aver completato l'acquisizione. Fate clic sul pulsante Torna a zero (Return to Zero) per fare in modo che il motore ritorni a zero. Fare clic sul pulsante Esci per uscire dal programma WIM.</li>
		<li>Eutanasia l'animale al termine della procedura mentre l'animale è ancora in anestesia.</li>
	</ol></li>
	<li>Condurre RIM per il monitoraggio dinamico dei piccoli animali.<ol>
<li>Radersi i capelli dell'addome del topo. Posizionare il mouse sul supporto in posizione supina.</li>
		<li>Consentire alla regione di imaging di essere a contatto con la membrana in polietilene utilizzando il gel ad ultrasuoni. Evitare bolle nell'area di contatto.</li>
		<li>Posizionare il supporto sul palco di lavoro per l'accoppiamento acustico. Eseguire i passaggi 2.3\u20122.4 per avviare il laser e raccogliere il segnale di linea A. Eseguire il passaggio 2.6\u20122.7 per allinearlo. Premere Interrompi per terminare la raccolta dopo l'allineamento.</li>
		<li>Selezionate il programma RIM. Assegnare un nome alla cartella appena creata. Fare clic sul pulsante Raccogli per avviare la scansione.</li>
		<li>Fare clic sul pulsante Interrompi per terminare la scansione dopo aver completato l'acquisizione. Fate clic sul pulsante Esci (Exit) per uscire dal programma RIM.</li>
	</ol></li>
	<li>Utilizzate i dati RIM per la ricostruzione della proiezione di ampiezza massima (MAP) lungo la direzione di profondità per programma definito dall'utente. Osserva i cambiamenti dinamici nell'animale.</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>

Tutti gli esperimenti sugli animali sono stati eseguiti secondo le linee guida e i regolamenti approvati dal Comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali. Gli autori non hanno interessi finanziari rilevanti nel manoscritto e nessun altro potenziale conflitto di interessi da rivelare.

Qui abbiamo presentato un doppio imager fotoacustico a scansione raster per la visualizzazione vascolare non invasiva che è stato progettato e sviluppato per catturare la struttura della vascolarizzazione e il relativo cambiamento dinamico del sangue. Il vantaggio di DRS-PAI è che integra il WIM e il RIM in un unico sistema, il che rende più facile studiare la struttura della rete dinamica vascolare e vascolare dei piccoli animali. Il sistema può fornire una visualizzazione vascolare ad ampio campo ad alta risoluzion...

Nel campo biomedico di base, i piccoli animali possono simulare la funzione fisiologica umana. Pertanto, l'imaging di piccoli animali svolge un ruolo importante nel guidare la ricerca di malattie omologhe umane e nella ricerca di un trattamentoefficace 1. L'imaging fotoacustico (PAI) è una tecnica di imaging non invasiva che combina i vantaggi dell'imaging ottico e dell'imaging adultrasuoni 2. La microscopia fotoacustica (PAM) è un prezioso metodo di imaging per la ricerca di base di piccoli animali3. PAM può facilmente ottenere immagini ad alta risoluzione, penetrazione profonda, ad alta specificità e ad alto contrasto basate sull'eccitazione ottica e sul rilevamento degli ultrasuoni4.
Un laser a impulsi con una lunghezza d'onda specifica viene assorbito da cromofori endogeni dei tessuti. Successivamente, la temperatura del tessuto aumenta, il che si traduce nella produzione di onde ultrasoniche foto indotte. Le onde ultrasoniche possono essere rilevate da un trasduttore ad ultrasuoni. Dopo l'acquisizione del segnale e la ricostruzione dell'immagine, la distribuzione spaziale dell'assorbitore può essereottenuta 5. Da un lato, la visualizzazione della rete vascolare di organi interi richiede un ampio campo visivo. Il processo di scansione a campo largo di solito richiede molto tempo per garantire un'altarisoluzione 6,7,8. D'altra parte, osservare le attività emodinamiche dei piccoli animali richiede immagini veloci in tempo reale. L'imaging in tempo reale è utile per studiare i segni vitali dei piccoli animali in temporeale 9,10,11. Il campo visivo dell'imaging in tempo reale è in genere sufficientemente piccolo da garantire un alto tasso di aggiornamento. Pertanto, c'è spesso un compromesso tra il raggiungimento di un ampio campo visivo e l'imaging in tempo reale. In precedenza, due diversi sistemi erano utilizzati per l'imaging a campo largo o l'imaging in tempo reale, separatamente.
Questo lavoro riporta un doppio imager fotoacustico a scansione raster (DRS-PAI), che integrava l'imaging a campo largo basato su uno stadio di traduzione motorizzato bidimensionale e l'imaging in tempo reale basato su uno scanner galvanometrico a due assi. La modalità di imaging a campo largo (WIM) viene eseguita per mostrare la morfologia vascolare. Per la modalità di imaging in tempo reale (RIM), attualmente ci sono due funzioni. Innanzitutto, RIM può fornire immagini B-scan in tempo reale. Misurando lo spostamento della vascucolatura lungo la direzione di profondità, si possono rivelare le caratteristiche della respirazione o dell'impulso. In secondo luogo, il RIM può misurare quantitativamente l'area specifica nell'immagine WIM. Fornendo immagini comparabili delle regioni WIM locali, i dettagli del cambiamento locale possono essere rivelati con precisione. Il sistema progetta una transizione flessibile tra l'imaging a campo largo della visualizzazione vascolare e l'imaging in tempo reale della dinamica locale. Il sistema è auspicabile nella ricerca biomedica di base, dove è necessaria l'imaging di piccoli animali.

<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

L'imaging di reti vascolari su piccoli animali ha svolto un ruolo importante nella ricerca biomedica di base. La tecnologia di imaging fotoacustico ha un grande potenziale di applicazione nell'imageologia dei piccoli animali. L'imaging fotoacustico ad ampio campo di piccoli animali può fornire immagini ad alta risoluzione spaziotemporale, penetrazione profonda e contrasti multipli. Inoltre, il sistema di imaging fotoacustico in tempo reale è auspicabile per osservare le attività emodinamiche della vascucolatura dei piccoli animali, che possono essere utilizzate per ricercare il monitoraggio dinamico delle caratteristiche fisiologiche dei piccoli animali. Qui viene presentato un imager fotoacustico a scansione doppia raster, dotato di una funzione di imaging a doppia modalità commutabile. L'imaging a campo largo è guidato da una fase di traslazione motorizzata bidimensionale, mentre l'imaging in tempo reale è realizzato con galvanometri. Impostando diversi parametri e modalità di imaging, è possibile eseguire la visualizzazione in vivo della rete vascolare di piccoli animali. L'imaging in tempo reale può essere utilizzato per osservare il cambiamento cardiaco e il cambiamento del flusso sanguigno indotto dal farmaco, ecc. L'imaging a campo largo può essere utilizzato per tenere traccia del cambiamento di crescita della vascucolatura tumorale. Questi sono facili da adottare in vari settori della ricerca biomedicina di base.

Lo schema del DRS-PAI è illustrato nella figura 1. Il sistema consente il passaggio flessibile e ripetibile tra WIM e RIM. Il segnale PA acquisito viene elaborato rapidamente per generare immagini PA B-Scan e MAP. La telecamera CCD può fornire fotografie di campioni.
Tutti i componenti del DRS-PAI sono integrati e assemblati in una configurazione di imager (Figura 2), semplificando l'assemblaggio e il funzionamento. Nel WIM viene ut...

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

È stato progettato un doppio imager fotoacustico a scansione raster, che integrava l'imaging a campo largo e l'imaging in tempo reale.

Doppia scansione Raster Photoacoustic Small-Animal Imager per la visualizzazione vascolare

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 Views.  South China Normal University. È stato progettato un doppio imager fotoacustico a scansione raster, che integrava l'imaging a campo largo e l'imaging in tempo reale.

Video: 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.

Tridimensionale con risoluzione ottica Microscopia fotoacustico

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

Ricerca

Bioingegneria

Detection and Isolation of Circulating Melanoma Cells using Photoacoustic Flowmetry

Circulating tumor cells (CTCs) are those cells that have separated from a macroscopic tumor and spread through the blood and lymph systems to seed secondary tumors1,2,3. CTCs are indicators of metastatic disease and their detection in blood samples may be used to diagnose cancer and monitor a patient&prime;s response to therapy. Since CTCs are rare, comprising about one tumor cell among billions of normal blood cells in advanced cancer patients, their detection and enumeration is a difficult task. We exploit the presence of pigment in most melanoma cells to generate photoacoustic, or laser induced ultrasonic waves in a custom flow cytometer for detection of circulating melanoma cells (CMCs)4,5. This process entails separating a whole blood sample using centrifugation and obtaining the white blood cell layer. If present in whole blood, CMCs will separate with the white blood cells due to similar density. These cells are resuspended in phosphate buffered saline (PBS) and introduced into the flowmeter. Rather than a continuous flow of the blood cell suspension, we induced two phase flow in order to capture these cells for further study. In two phase flow, two immiscible liquids in a microfluidic system meet at a junction and form alternating slugs of liquid6,7. PBS suspended white blood cells and air form microliter slugs that are sequentially irradiated with laser light. The addition of a surfactant to the liquid phase allows uniform slug formation and the user can create different sized slugs by altering the flow rates of the two phases. Slugs of air and slugs of PBS with white blood cells contain no light absorbers and hence, do not produce photoacoustic waves. However, slugs of white blood cells that contain even single CMCs absorb laser light and produce high frequency acoustic waves. These slugs that generate photoacoustic waves are sequestered and collected for cytochemical staining for verification of CMCs.

We have developed a flow cytometer using laser induced ultrasound to detect circulating melanoma cells as an early indicator of metastatic disease.

Rilevazione e isolamento delle cellule del melanoma circolanti con flussimetria fotoacustico

Circulating tumor cells (CTCs) are those cells that have separated from a macroscopic tumor and spread through the blood and lymph systems to seed ...

Integrated Photoacoustic Ophthalmoscopy and Spectral-domain Optical Coherence Tomography

Both the clinical diagnosis and fundamental investigation of major ocular diseases greatly benefit from various non-invasive ophthalmic imaging technologies. Existing retinal imaging modalities, such as fundus photography1, confocal scanning laser ophthalmoscopy (cSLO)2, and optical coherence tomography (OCT)3, have significant contributions in monitoring disease onsets and progressions, and developing new therapeutic strategies. However, they predominantly rely on the back-reflected photons from the retina. As a consequence, the optical absorption properties of the retina, which are usually strongly associated with retinal pathophysiology status, are inaccessible by the traditional imaging technologies.
Photoacoustic ophthalmoscopy (PAOM) is an emerging retinal imaging modality that permits the detection of the optical absorption contrasts in the eye with a high sensitivity4-7 . In PAOM nanosecond laser pulses are delivered through the pupil and scanned across the posterior eye to induce photoacoustic (PA) signals, which are detected by an unfocused ultrasonic transducer attached to the eyelid. Because of the strong optical absorption of hemoglobin and melanin, PAOM is capable of non-invasively imaging the retinal and choroidal vasculatures, and the retinal pigment epithelium (RPE) melanin at high contrasts 6,7. More importantly, based on the well-developed spectroscopic photoacoustic imaging5,8 , PAOM has the potential to map the hemoglobin oxygen saturation in retinal vessels, which can be critical in studying the physiology and pathology of several blinding diseases 9 such as diabetic retinopathy and neovascular age-related macular degeneration.
Moreover, being the only existing optical-absorption-based ophthalmic imaging modality, PAOM can be integrated with well-established clinical ophthalmic imaging techniques to achieve more comprehensive anatomic and functional evaluations of the eye based on multiple optical contrasts6,10 . In this work, we integrate PAOM and spectral-domain OCT (SD-OCT) for simultaneously in vivo retinal imaging of rat, where both optical absorption and scattering properties of the retina are revealed. The system configuration, system alignment and imaging acquisition are presented.

Photoacoustic ophthalmology (PAOM), an optical-absorption-based imaging modality, provides the complementary evaluation of the retina to the currently available ophthalmic imaging technologies. We report the using of PAOM integrated with spectral-domain optical coherence tomography (SD-OCT) for simultaneous multimodal retinal imaging in rats.

Integrato oftalmoscopia fotoacustico e Spectral-dominio Optical Coherence Tomography

Both the clinical diagnosis and fundamental investigation of major ocular diseases greatly benefit from various non-invasive ophthalmic imaging ...

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.

Cistografia fotoacustico

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

Engineering 3D Cellularized Collagen Gels for Vascular Tissue Regeneration

Synthetic materials are known to initiate clinical complications such as inflammation, stenosis, and infections when implanted as vascular substitutes. Collagen has been extensively used for a wide range of biomedical applications and is considered a valid alternative to synthetic materials due to its inherent biocompatibility (i.e., low antigenicity, inflammation, and cytotoxic responses). However, the limited mechanical properties and the related low hand-ability of collagen gels have hampered their use as scaffold materials for vascular tissue engineering. Therefore, the rationale behind this work was first to engineer cellularized collagen gels into a tubular-shaped geometry and second to enhance smooth muscle cells driven reorganization of collagen matrix to obtain tissues stiff enough to be handled.
The strategy described here is based on the direct assembling of collagen and smooth muscle cells (construct) in a 3D cylindrical geometry with the use of a molding technique. This process requires a maturation period, during which the constructs are cultured in a bioreactor under static conditions (without applied external dynamic mechanical constraints) for 1 or 2 weeks. The &#8220;static bioreactor&#8221; provides a monitored and controlled sterile environment (pH, temperature, gas exchange, nutrient supply and waste removal) to the constructs. During culture period, thickness measurements were performed to evaluate the cells-driven remodeling of the collagen matrix, and glucose consumption and lactate production rates were measured to monitor the cells metabolic activity. Finally, mechanical and viscoelastic properties were assessed for the resulting tubular constructs. To this end, specific protocols and a focused know-how (manipulation, gripping, working in hydrated environment, and so on) were developed to characterize the engineered tissues.

In this work, we present a technique for the rapid fabrication of living vascular tissues by direct culturing of collagen, smooth muscle cells and endothelial cells. In addition, a new protocol for the mechanical characterization of engineered vascular tissues is described.

Ingegneria 3D Cellularized collagene Gel per Vascolare Rigenerazione Tissutale

Synthetic materials are known to initiate clinical complications such as inflammation, stenosis, and infections when implanted as vascular substitutes. ...

Preparation and Photoacoustic Analysis of Cellular Vehicles Containing Gold Nanorods

Gold nanorods are attractive for a range of biomedical applications, such as the photothermal ablation and the photoacoustic imaging of cancer, thanks to their intense optical absorbance in the near-infrared window, low cytotoxicity and potential to home into tumors. However, their delivery to tumors still remains an issue. An innovative approach consists of the exploitation of the tropism of tumor-associated macrophages that may be loaded with gold nanorods in vitro. Here, we describe the preparation and the photoacoustic inspection of cellular vehicles containing gold nanorods. PEGylated gold nanorods are modified with quaternary ammonium compounds, in order to achieve a cationic profile. On contact with murine macrophages in ordinary Petri dishes, these particles are found to undergo massive uptake into endocytic vesicles. Then these cells are embedded in biopolymeric hydrogels, which are used to verify that the stability of photoacoustic conversion of the particles is retained in their inclusion into cellular vehicles. We are confident that these results may provide new inspiration for the development of novel strategies to deliver plasmonic particles to tumors.

We show the preparation and address the feasibility of cellular vehicles containing gold nanorods for the photoacoustic imaging of cancer.

Preparazione e fotoacustico Analisi dei veicoli cellulari contenenti oro Nanorods

Gold nanorods are attractive for a range of biomedical applications, such as the photothermal ablation and the photoacoustic imaging of cancer, thanks to ...

The Arteriovenous (AV) Loop in a Small Animal Model to Study Angiogenesis and Vascularized Tissue Engineering

A functional blood vessel network is a prerequisite for the survival and growth of almost all tissues and organs in the human body. Moreover, in pathological situations such as cancer, vascularization plays a leading role in disease progression. Consequently, there is a strong need for a standardized and well-characterized in vivo model in order to elucidate the mechanisms of neovascularization and develop different vascularization approaches for tissue engineering and regenerative medicine.
We describe a microsurgical approach for a small animal model for induction of a vascular axis consisting of a vein and artery that are anastomosed to an arteriovenous (AV) loop. The AV loop is transferred to an enclosed implantation chamber to create an isolated microenvironment in vivo, which is connected to the living organism only by means of the vascular axis. Using 3D imaging (MRI, micro-CT) and immunohistology, the growing vasculature can be visualized over time. By implanting different cells, growth factors and matrices, their function in blood vessel network formation can be analyzed without any disturbing influences from the surroundings in a well controllable environment. 
In addition to angiogenesis and antiangiogenesis studies, the AV loop model is also perfectly suited for engineering vascularized tissues. After a certain prevascularization time, the generated tissues can be transplanted into the defect site and microsurgically connected to the local vessels, thereby ensuring immediate blood supply and integration of the engineered tissue. By varying the matrices, cells, growth factors and chamber architecture, it is possible to generate various tissues, which can then be tailored to the individual patient's needs.

The Arteriovenous AV Loop in a Small Animal Model to Study Angiogenesis and Vascularized Tissue Engineering

We describe a microsurgical approach for the generation of an arteriovenous (AV) loop as a model for analyzing vascularization in vivo in an isolated and well-characterized environment. This model is not only useful for the investigation of angiogenesis, but is also optimally suited for engineering axially vascularized and transplantable tissues.

Il arterovenosa (AV) loop in un modello di Piccoli Animali per studiare Angiogenesi e ingegneria dei tessuti vascolarizzati

A functional blood vessel network is a prerequisite for the survival and growth of almost all tissues and organs in the human body. Moreover, in ...

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.

Microscopio fotoacustico acustico e ottico<em&gt; In Vivo</em&gt; Piccolo animale Blood Imaging di Vasculature

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.

Un sistema compatto di Tomografia Photoacoustico ad alte prestazioni per<em&gt; In Vivo</em&gt; Imaging cerebrale di piccole dimensioni

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

Ultrathin Porated Elastic Hydrogels As a Biomimetic Basement Membrane for Dual Cell Culture

The basement membrane is a critical component of cellular bilayers that can vary in stiffness, composition, architecture, and porosity. In vitro studies of endothelial-epithelial bilayers have traditionally relied on permeable support models that enable bilayer culture, but permeable supports are limited in their ability to replicate the diversity of human basement membranes. In contrast, hydrogel models that require chemical synthesis are highly tunable and allow for modifications of both the material stiffness and the biochemical composition via incorporation of biomimetic peptides or proteins. However, traditional hydrogel models are limited in functionality because they lack pores for cell-cell contacts and functional in vitro migration studies. Additionally, due to the thickness of traditional hydrogels, incorporation of pores that span the entire thickness of hydrogels has been challenging. In the present study, we use poly-(ethylene-glycol) (PEG) hydrogels and a novel zinc oxide templating method to address the previous shortcomings of biomimetic hydrogels. As a result, we present an ultrathin, basement membrane-like hydrogel that permits the culture of confluent cellular bilayers on a customizable scaffold with variable pore architectures, mechanical properties, and biochemical composition.

Current bilayer culture models do not allow for functional in vitro studies that mimic in vivo microenvironments. Using polyethylene glycol and a zinc oxide templating method, this protocol describes the development of an ultrathin biomimetic basement membrane with tunable stiffness, porosity, and biochemical composition that closely mimics in vivo extracellular matrices.

Coltura di cellule di idrogeli ultrasottile Innova elastico come una membrana dello scantinato biomimetici per Dual

The basement membrane is a critical component of cellular bilayers that can vary in stiffness, composition, architecture, and porosity. In vitro studies ...