著者らは、中国国立自然科学財団(61822505;11774101;61627827;81630046)、中国広東省科学技術計画プロジェクト(2015B0233016)、広州科学技術プログラム(200010年)からの財政支援を認めたい。

すべての動物実験は、中国広州南華師範大学の機関動物管理および使用委員会が提供するガイドラインに従って行われた。
1. システムのセットアップ
<ol><li>光路 (図 1)<ol>
<li>システムレーザーソースとして532 nmパルスレーザーを使用します。レーザーの繰り返しレートを10kHzに、出力エネルギーを100%に、トリガ設定をユーザ定義プログラムを使用して外部トリガに設定します。</li>
		<li>光ファイバ カプラ (FC1) を介して、レーザービームをシングルモードファイバ(SMF)に結合します。2次元の電動ステージ(モーター、最高速度:20mm/s)で、光ファイバーコリメータ(FC2)を使用してレーザービームをコリメートします。</li>
		<li>2 軸ガルバノスキャナー (Galva) を使用してレーザー光を偏向させます。移動可能ミラー(M1)を使用して、ビームを反射します。4×対物レンズ(OL、数値絞り:0.1)を通してビームを焦点を合わせます。</li>
		<li>XY変換器マウント(TM)を使用して、自作の中空超音波トランスデューサー(UT、中央周波数:25MHz)を固定します。帯域幅:90%以上。中心穴:3 mm)OL12の底部に。超音波トランスデューサの中心穴を通して、焦点を合わせるビームを渡します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>スキャンパス<ol>
<li>WIM中にフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA 2)を使用してGalvaをロックします。ユーザー定義のプログラムで、適切なスキャン範囲とスキャン速度を設定します。</li>
		<li>RIM の間にフィールドプログラマブル ゲート アレイ(FPGA 1)を使用してモータをロックします。FPGA 2を使用して、スキャン周波数とスキャンポイント数を設定します。ユーザー定義プログラムを使用して、スキャンの開始と停止を制御します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>データ取得<ol>
<li>PA信号を増幅するには、50dBアンプ(AMP)を使用します。データ取得カード(DAQ)で信号をデジタイズします。FPGA 1またはFPGA2を介してトリガ信号を取得します。</li>
		<li>グラフィックス処理装置 (GPU) を使用して、データを処理し、イメージを並列表示 13.</li>
	</ol>
</li>
	<li>CCDイメージングシステム<ol>
<li>リング状の白色LED(色温度:6500 K;照度:40000ルクス。直径:7.5cm)の光源として。M1を取り外し、固定ミラー(M2)を使用して光を反射します。</li>
		<li>PAイメージングシステム上のCCDカメラ(630万ピクセル)を使用して画像を記録します。ディスプレイ ソフトウェアで画像を表示します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. システムアライメント
<ol><li>水タンク(10cm×10cm×4.4cm、下窓:3cm×3cm)を選択します。ポリエチレン膜(膜厚:10 μm)を使用して、水タンク全体を覆います。十分な超純水を加える。</li>
	<li>作業段階に水タンクを置きます。</li>
	<li>レーザースイッチをオンにします。レーザーコントロールプログラムを選択します。5分間予熱します。ポンプスイッチの「ON」ボタンを押します。ステップ 1.1.1 に従ってレーザーパラメータを設定します。レーザーのバッフルを開きます。</li>
	<li>A ライン収集プログラムを選択します。「Start」ボタンを押して単一点信号をキャプチャし、現在のA線信号の振幅とスペクトルを表示します。</li>
	<li>水槽の底に刃を置きます。UTの底部を水槽に浸して、音響カップリングを行います。UTの下部に泡を避けてください。</li>
	<li>ガルバの位置を調整し、UTとOLの間でXY変換器を調整して振動信号を避け、これが共焦点であることを確認します。</li>
	<li>信号の振幅を最大化するために作業段階の高さを調整し、フォーカス位置を決定します。</li>
</ol>3. 動物実験
<ol><li>体重が 20\u201230 g の 5\u20126 週齢の BALB/c マウスを使用してください。</li>
	<li>実験前に尿タン(1g/kg)を使用して腹腔内注射を行い、動物を麻酔します。</li>
	<li>WIM と RIM の間で移行を行います。<ol>
<li>平面超音波トランスデューサを使用してください。トリマーと脱毛クリームを使用して、マウスの背面に毛皮を剃ります。マウスをホルダー(8cm×2.8cm×2cm)に置きます。</li>
		<li>超音波ゲルを使用してポリエチレン膜と接触するイメージング領域を許可します。接触部分の泡を避けてください。</li>
		<li>音響カップリングのための作業段階にホルダーを置きます。ステップ 2.3\u20122.4 に従ってレーザーを開始し、A ライン信号を収集します。手順 2.6\u20122.7 に従って整列します。「停止」を押すと、配置後にコレクションが終了します。</li>
		<li>WIM プログラムを選択します。新しく作成したフォルダに名前を付けます。「スキャン速度」タブで20mm/s、"スキャン領域"タブの「20mm*20mm」、および「ステップ」タブの「20」にスキャンパラメータを設定します。[ 収集 ]ボタンをクリックしてスキャンを開始します。</li>
		<li>取得後にスキャンを終了するには、[ 停止 ]ボタンをクリックします。[ ゼロに戻る ]をクリックして、モータをゼロにします。レーザーバッフルを閉じます。トリガー設定を内部トリガーに設定します。スイッチをポンピングするには 、OFF ボタンを押します。</li>
		<li>WIMトリガーをRIMトリガーに交換し、外部レーザートリガーに接続します。スイッチをポンピングするには 、ON ボタンを押します。トリガ設定を外部トリガに設定します。[ 終了 ] ボタンをクリックして WIM プログラムを終了します。</li>
		<li>ステップ 2.4 を使用して、A 回線信号を収集します。レーザーバッフルを開きます。手順 2.6\u20122.7 に従って整列します。配置後にコレクションを終了するには 、[停止] を押します。</li>
		<li>RIM プログラムを選択します。新しく作成したフォルダに名前を付けます。[ 収集 ]ボタンをクリックしてスキャンを開始します。</li>
		<li>取得完了後にスキャンを終了するには、[ 停止] ボタンをクリックします。「 終了 」ボタンをクリックして、RIM プログラムを終了します。</li>
		<li>画像化の終わりに子宮頸部脱臼を使用して動物を安楽死させる。</li>
	</ol></li>
	<li>血管可視化のWIMを実施する。<ol>
<li>焦点を合わせ超音波トランスデューサ(中心周波数:25 MHz;;帯域幅:90%以上。焦点の長さ:8 mm)。マウスの耳や頭皮の毛を取り除きます。<ol>
<li>メスを使用して、マウスの頭蓋側頭側(頭蓋骨への深さ)に小さな切開を行います。この切開から始めるには、眼科用のはさみを使用してください。頭蓋骨の外側の周りに頭皮をカットします。出血を止めるために出血点を圧縮します。通常の生理学で傷口を洗います。マウスをホルダーの上に置きます。</li>
		</ol>
</li>
		<li>超音波ゲルを使用してポリエチレン膜と接触するイメージング領域を許可します。接触領域の気泡を避けてください(補助図1)。</li>
		<li>音響カップリングのために、ホルダーを作業段階に置きます。手順 2.3\u20122.4 を使用して、レーザーを開き、A 回線信号を収集します。手順 2.6\u20122.7 を使用して整列します。配置後にコレクションを終了するには 、[停止] を押します。</li>
		<li>[WIM プログラム] を選択します。新しく作成したフォルダに名前を付けます。「スキャン速度」タブで「10mm/s」、"スキャン領域"タブの下の「10mm*10mm」、および「ステップ」タブの「10」にスキャンパラメータを設定します。[ 収集 ]ボタンをクリックしてスキャンを開始します。</li>
		<li>取得完了後にスキャンを終了するには、[ 停止] ボタンをクリックします。「 ゼロに戻る」 をクリックして、モータをゼロに戻します。[ 終了 ] ボタンをクリックして WIM プログラムを終了します。</li>
		<li>動物がまだ麻酔下にある間、手順の終わりに動物を安楽死させる。</li>
	</ol></li>
	<li>小型動物の動的モニタリングのためにRIMを実施する。<ol>
<li>マウスの腹部の髪を剃ります。ホルダの上にマウスを置きます。</li>
		<li>超音波ゲルを使用してポリエチレン膜と接触するイメージング領域を許可します。接触領域で気泡を避けます。</li>
		<li>音響カップリングのために、ホルダーを作業段階に置きます。ステップ 2.3\u20122.4 を実行してレーザーを開始し、A ライン信号を収集します。手順 2.6\u20122.7 を実行して整列します。配置後にコレクションを終了するには 、[停止] を押します。</li>
		<li>RIM プログラムを選択します。新しく作成したフォルダに名前を付けます。[ 収集 ]ボタンをクリックしてスキャンを開始します。</li>
		<li>取得完了後にスキャンを終了するには、[ 停止] ボタンをクリックします。「 終了 」ボタンをクリックして、RIM プログラムを終了します。</li>
	</ol></li>
	<li>ユーザー定義プログラムによる深度方向に沿った最大振幅投影(MAP)の再構築には、RIM データを使用します。動物の動的変化を観察します。</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>

すべての動物実験は、制度的動物の世話と使用委員会の承認されたガイドラインと規制に従って行われました。著者らは、原稿に関連する金銭的利益を持っていないし、開示する他の潜在的な利益相反はありません。

ここでは、血管構造の構造と関連する血液の動的変化を捉えるために設計および開発された非侵襲的な血管視覚化のための二重ラスタースキャン光音響小動物イメージャーを発表した。DRS-PAIの利点は、WIMとRIMを1つのシステムに統合し、小動物の血管の動的および血管ネットワーク構造を研究しやすくすることです。システムは高解像広視野の脈管視覚化およびリアルタイムの血球の動態を?...

基本的な生物医学分野では、小動物はヒトの生理機能をシミュレートすることができる。したがって、小動物イメージングは、ヒト相同病の研究を導き、有効な治療1を求める上で重要な役割を果たす。光音響イメージング(PAI)は、光学画像化と超音波画像2の利点を組み合わせた非侵襲的なイメージング技術である。光音響顕微鏡(PAM)は、小型動物3の基礎研究に有用なイメージング法である。PAMは、光学励起および超音波検出4に基づいて、高解像度、深浸透、高特異性および高コントラスト画像を容易に得ることができる。
特定の波長のパルスレーザーは、組織の内因性クロモフォアによって吸収されます。その後、組織の温度が上昇し、光誘導超音波の生成をもたらす。超音波は超音波トランスデューサで検出できます。信号取得と画像再構成後、吸収体の空間分布が5に得られる。一方で、全臓器血管ネットワークの可視化には広い視野が必要である。広視野スキャンのプロセスは、通常、高解像度6、7、8を確保するために長い時間がかかります。一方、小動物の血行力学的活動を観察するには、高速リアルタイムイメージングが必要です。リアルタイムイメージングは、リアルタイム9、10、11で小動物のバイタルサインを研究するのに有益です。リアルタイムイメージングの視野は、通常、高い更新率を確保するのに十分に小さいです。したがって、広い視野を達成することとリアルタイムイメージングを達成することとの間にはトレードオフが存在することが多い。以前は、2つの異なるシステムが、広視野イメージングまたはリアルタイムイメージングに別々に使用されていました。
この研究は、2次元電動変換ステージに基づく広視野イメージングと2軸ガルバノスキャナに基づくリアルタイムイメージングを統合した、二重ラスタスキャン光音響イメージャー(DRS-PAI)を報告しています。広視野イメージングモード(WIM)は、血管形態を示すために行われる。リアルタイムイメージングモード(RIM)では、現在2つの機能があります。まず、RIMはリアルタイムのB-スキャン画像を提供することができます。深さ方向に沿った脈管系の変位を測定することで、呼吸や脈拍の特性を明らかにすることができる。次に、RIM は、WIM イメージ内の特定の領域を定量的に測定できます。ローカル WIM リージョンの同等の画像を提供することで、ローカルの変更の詳細を正確に明らかにすることができます。このシステムは、血管可視化の広視野イメージングと局所的なダイナミックのリアルタイムイメージングとの間の柔軟な移行を設計します。このシステムは、小動物イメージングが必要な基礎生物医学研究において望ましい。

<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

小動物の血管ネットワークのイメージングは、生物医学の基礎研究において重要な役割を果たしてきました。光音響イメージング技術は、小動物の画像学に応用する大きな可能性を秘めています。小動物の広視野光音響イメージングは、高い時空間分解能、深い浸透、および複数のコントラストを持つ画像を提供することができます。また、リアルタイム光音響イメージングシステムは、小動物の血管系の血行力学的活性を観察することが望ましく、小動物の生理学的特徴の動的モニタリングを研究するために使用することができる。ここでは、デュアルラスタースキャン光音響イメージャーが提示され、切り替え可能なダブルモードイメージング機能を搭載しています。広視野のイメージ投射は2次元の電動翻訳段階によって駆動され、リアルタイムのイメージ投射はガルバノメーターによって実現される。異なるパラメータおよび撮像モードを設定することにより、小動物血管ネットワークの生体内可視化が行える。リアルタイムイメージングを用いて、薬物誘発の脈拍変化や血流変化などを観察することができる。広視野イメージングは、腫瘍血管系の成長変化を追跡するために使用することができる。これらは、基礎生物医学研究の様々な分野で容易に採用されます。

DRS-PAI の概略を図 1に示します。このシステムは、RIM を使用した WIM 間の柔軟で繰り返し可能な切り替えを可能にします。取得したPA信号は、PA B-スキャンおよびMAP画像を生成するために迅速に処理されます。CCDカメラはサンプルの写真を提供することができます。
DRS-PAIのすべてのコンポーネントは、イメージャーのセットアップ(図2...

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

広視野イメージングとリアルタイムイメージングを統合したデュアルラスタースキャン光音響イメージャーが設計されました。

血管可視化のための二重ラスター走査光音響小動物イメージャー

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 ビュー.  South China Normal University. 広視野イメージングとリアルタイムイメージングを統合したデュアルラスタースキャン光音響イメージャーが設計されました。

ビデオ: 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.

三次元光学分解能光音響顕微鏡

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

生物工学

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.

光音響流量測定法を用いて循環メラノーマ細胞の検出と分離

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.

統合された光音響眼底検査とスペクトラルドメイン光コヒーレンストモグラフィー

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.

光音響膀胱造影

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.

エンジニアリング3D細胞化血管組織再生のためのコラーゲンゲル

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.

ゴールドナノロッドを含む細胞車の作製と光音響分析

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.

血管新生および血管組織工学を研究するための小さな動物モデルにおける動静脈（AV）ループ

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.

切り替え可能な音響光学分解能光音響顕微鏡<em&gt;インビボ</em&gt;小動物の血管系イメージング

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.

高性能小型光音響トモグラフィーシステム<em&gt;インビボ</em&gt;小動物脳イメージング

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.

デュアルのバイオミメティック基底膜として極薄 Porated 弾性ゲルの細胞培養

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