Name: dual raster-scanning photoacoustic small-animal imager for vascular visualization
Uploaded: 2020-07-15T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 14 s
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저자는 중국 국립 자연과학 재단(61822505; 11774101; 61627827; 81630046), 중국 광동성 과학 기술 기획 프로젝트(2015B02020233016), 광저우 의 과학기술 프로그램(20101년)의 재정 지원을 인정하고자 합니다.

모든 동물 실험은 중국 광저우 주 사우스 차이나 사범 대학의 기관 동물 관리 및 사용 위원회가 제공하는 지침에 따라 수행되었습니다.
1. 시스템 설정
<ol><li>광학 경로(도 1)<ol>
<li>시스템 레이저 소스로 532 nm 펄스 레이저를 사용합니다. 레이저의 반복 속도를 10kHz로 설정하고, 출력 에너지는 100%로 설정하고, 트리거 설정을 사용자 정의 프로그램을 사용하여 외부 트리거로 설정합니다.</li>
		<li>광섬유 커플러(FC1)를 통해 레이저 빔을 단일 모드 섬유(SMF)에 결합합니다. 2차원 동력 단계(모터, 최대 속도: 20mm/s)에서 광섬유 콜리메이터(FC2)를 사용하여 레이저 빔을 콜리메이트합니다.</li>
		<li>2축 갈바노미터 스캐너(갈바)를 사용하여 레이저 빔을 편향시하십시오. 이동 가능한 미러(M1)를 사용하여 빔을 반사합니다. 4× 목표 렌즈를 통해 빔에 초점을 맞춥니다(OL, 숫자 조리개: 0.1).</li>
		<li>XY 번역기 마운트(TM)를 사용하여 자체 제작 중공 초음파 트랜스듀서(UT, 중앙 주파수: 25MHz)를 수정합니다. 대역폭: 90% 이상; 중앙 구멍 : OL12의하단에 3mm) . 초음파 트랜스듀서의 중앙 구멍을 통해 집중 빔을 전달합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>경로 스캔<ol>
<li>WIM 동안 필드 프로그래밍 가능한 게이트 어레이(FPGA 2)를 사용하여 Galva를 잠급니다. 사용자 정의 프로그램을 통해 적절한 검색 범위 및 스캔 속도를 설정합니다.</li>
		<li>RIM 동안 필드 프로그래밍 가능한 게이트 어레이(FPGA 1)를 사용하여 모터를 잠급니다. FPGA 2를 사용하여 스캔 빈도 및 스캔 포인트 수를 설정합니다. 사용자 정의 프로그램을 사용하여 시작 및 스캔 중지를 제어합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>데이터 수집<ol>
<li>50dB 증폭기(AMP)를 사용하여 PA 신호를 증폭시합니다. DAQ(데이터 수집 카드)로 신호를 디지털화합니다. FPGA 1 또는 FPGA 2를 통해 트리거 신호를 가져옵니다.</li>
		<li>그래픽 처리 장치(GPU)를 사용하여 데이터를 처리하고 이미지를병렬로 표시합니다(13)</li>
	</ol>
</li>
	<li>CCD 이미징 시스템<ol>
<li>링 모양의 흰색 LED(색상 온도: 6500 K; 점도: 40000 럭스; 직경: 7.5cm) 조명 소스로. M1을 제거하고 고정 거울(M2)을 사용하여 빛을 반사합니다.</li>
		<li>PA 이미징 시스템에서 CCD 카메라(630만 화소)를 사용하여 이미지를 기록합니다. 디스플레이 소프트웨어로 이미지를 표시합니다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. 시스템 정렬
<ol><li>물 탱크 (10cm × 10cm × 4.4 cm; 하단 창: 3 cm × 3 cm)를 선택합니다. 폴리에틸렌 멤브레인(멤브레인 두께: 10 μm)을 사용하여 전체 물 탱크를 덮습니다. 충분한 초순수물을 추가합니다.</li>
	<li>작업 단계에 물 탱크를 놓습니다.</li>
	<li>레이저 스위치를 켭니다. 레이저 제어 프로그램을 선택합니다. 5 분 동안 예열. 펌핑 스위치의 "ON" 버튼을 누릅니다. 레이저 매개 변수를 단계 당 1.1.1로 설정합니다. 레이저의 배플을 엽니다.</li>
	<li>A라인 수집 프로그램을 선택합니다. "시작" 버튼을 눌러 단일 점 신호를 캡처하고 현재 A라인 신호의 진폭과 스펙트럼을 표시합니다.</li>
	<li>물 탱크의 바닥에 블레이드를 놓습니다. 어쿠스틱 커플링을 위해 수조에 UT의 하단 부분을 담급하십시오. UT의 하단 부분에 거품을 피하십시오.</li>
	<li>갈바의 위치를 조정하고, UT와 OL 간에 XY 번역기를 조정하여 진동 신호를 피하고, 이것이 공초점인지 확인합니다.</li>
	<li>작업 단계의 높이를 조정하여 신호의 진폭을 최대화하고 초점 위치를 결정합니다.</li>
</ol>3. 동물 실험
<ol><li>20\u201230 g의 체중이 있는 5\u20126 주 된 BALB/c 마우스를 사용하십시오.</li>
	<li>실험 전에 우레탄(1g/kg)을 사용하여 동물을 마취시화한다.</li>
	<li>WIM과 RIM 간의 전환을 수행합니다.<ol>
<li>평면 초음파 트랜스듀서를 사용합니다. 트리머와 탈모 크림을 사용하여 마우스 뒷면의 모피를 면도합니다. 마우스를 홀더(8cm × 2.8cm × 2cm)에 놓습니다.</li>
		<li>화상 진찰 영역이 초음파 젤을 사용하여 폴리에틸렌 멤브레인과 접촉하도록 허용하십시오. 접촉 부분에서 거품을 피하십시오.</li>
		<li>음향 커플링을 위해 작업 단계에 홀더를 배치합니다. 2.3\u20122.4 단계를 수행하여 레이저를 시작하고 A라인 신호를 수집합니다. 2.6\u20122.7 단계를 따라 정렬합니다. 정렬 후 컬렉션을 종료하려면 "중지"를 누릅니다.</li>
		<li>WIM 프로그램을 선택합니다. 새로 만든 폴더의 이름을 지정합니다. "스캐닝 속도" 탭의 스캔 매개변수를 20mm/s로 설정하고, "스캐닝 영역" 탭의 "20mm*20mm", "단계" 탭에서 "20"으로 설정합니다. 수집 버튼을 클릭하여 스캔을 시작합니다.</li>
		<li>중지 버튼을 클릭하여 획득 후 스캔을 종료합니다. 0으로 돌아가기를 클릭하여 모터를 0으로 가져옵니다. 레이저 배플을 닫습니다. 트리거 설정을 내부 트리거로 설정합니다. 스위치를 펌핑하기 위해 OFF 버튼을 누릅니다.</li>
		<li>WIM 트리거를 RIM 트리거로 교체하고 외부 레이저 트리거에 연결합니다. 스위치를 펌핑하기 위해 ON 버튼을 누릅니다. 트리거 설정을 외부 트리거로 설정합니다. 종료 버튼을 클릭하여 WIM 프로그램을 종료합니다.</li>
		<li>2.4 단계를 사용하여 A라인 신호를 수집합니다. 레이저 배플을 엽니다. 2.6\u20122.7 단계를 따라 정렬합니다. 정렬 후 컬렉션을 종료하려면 중지를 누릅니다.</li>
		<li>RIM 프로그램을 선택합니다. 새로 만든 폴더의 이름을 지정합니다. 수집 버튼을 클릭하여 스캔을 시작합니다.</li>
		<li>수집을 완료한 후 스캐닝을 종료하려면 중지 버튼을 클릭합니다. EXIT 버튼을 클릭하여 RIM 프로그램을 종료합니다.</li>
		<li>화상 진찰의 결론에 자궁 경관 탈구를 사용하여 동물을 안락사시.</li>
	</ol></li>
	<li>혈관 시각화의 WIM을 수행합니다.<ol>
<li>집중 초음파 트랜스듀서를 사용하소서(중앙 주파수: 25MHz; 대역폭: 90% 이상; 초점 거리 : 8mm). 마우스 귀 또는 두피의 머리카락을 제거합니다.<ol>
<li>메스를 사용하여 마우스의 두개골 측두엽의 측면(두개골에 대한 깊이)의 측면에 작은 절개를 합니다. 안과 가위를 사용하여 이 절개부터 시작합니다. 두개골의 바깥쪽 주위에 두피를 자른다. 출혈 점을 압축하여 출혈을 멈춥춥시다. 정상적인 식염수로 상처를 씻으시다. 마우스를 홀더에 놓습니다.</li>
		</ol>
</li>
		<li>화상 진찰 영역이 초음파 젤을 사용하여 폴리에틸렌 멤브레인과 접촉하도록 허용하십시오. 접촉부위(보충도 1)에서거품을 피하십시오.</li>
		<li>음향 커플링을 위해 작업 단계에 홀더를 배치합니다. 2.3\u20122.4 단계를 사용하여 레이저를 열고 A 라인 신호를 수집합니다. 2.6\u20122.7 단계를 사용하여 정렬합니다. 정렬 후 컬렉션을 종료하려면 중지를 누릅니다.</li>
		<li>WIM 프로그램을 선택합니다. 새로 만든 폴더의 이름을 지정합니다. "스캐닝 속도" 탭에서 스캐닝 매개변수를 "10mm/s", "스캐닝 영역" 탭 아래에 "10mm*10mm", "단계" 탭에서 "10"으로 설정합니다. 수집 버튼을 클릭하여 스캔을 시작합니다.</li>
		<li>수집을 완료한 후 스캐닝을 종료하려면 중지 버튼을 클릭합니다. 0으로 돌아가기를 클릭하여 모터가 0으로 돌아오도록 합니다. 종료 버튼을 클릭하여 WIM 프로그램을 종료합니다.</li>
		<li>동물이 마취 하에 있는 동안 시술의 결론에 동물을 안락사.</li>
	</ol></li>
	<li>작은 동물의 동적 모니터링을 위해 RIM을 수행합니다.<ol>
<li>마우스 복부의 머리카락을 면도합니다. 마우스를 홀더에 놓습니다.</li>
		<li>화상 진찰 영역이 초음파 젤을 사용하여 폴리에틸렌 멤브레인과 접촉하도록 허용하십시오. 접촉 영역에서 거품을 피하십시오.</li>
		<li>음향 커플링을 위해 작업 단계에 홀더를 배치합니다. 단계 2.3\u20122.4를 수행하여 레이저를 시작하고 A라인 신호를 수집합니다. 2.6\u20122.7 단계를 수행하여 정렬합니다. 정렬 후 컬렉션을 종료하려면 중지를 누릅니다.</li>
		<li>RIM 프로그램을 선택합니다. 새로 만든 폴더의 이름을 지정합니다. 수집 버튼을 클릭하여 스캔을 시작합니다.</li>
		<li>수집을 완료한 후 스캐닝을 종료하려면 중지 버튼을 클릭합니다. EXIT 버튼을 클릭하여 RIM 프로그램을 종료합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>RIM 데이터를 사용하여 사용자 정의 프로그램에 의한 깊이 방향을 따라 최대 진폭 투영(MAP)을 재구성합니다. 동물의 동적 변화를 관찰한다.</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>

모든 동물 실험은 기관 동물 관리 및 사용 위원회의 승인 된 지침 및 규정에 따라 수행되었습니다. 저자는 원고에 관련 재정적 이익이 없으며 공개 할 다른 잠재적 이해 상충이 없습니다.

여기서 우리는 혈관의 구조와 혈액의 관련 동적 변화를 포착하기 위해 설계 및 개발된 비침습적 혈관 시각화를 위한 이중 래스터 스캐닝 광음향 소형 동물 심화를 제시했습니다. DRS-PAI의 장점은 WIM과 RIM을 하나의 시스템으로 통합하여 작은 동물의 혈관 동적 및 혈관 네트워크 구조를 보다 쉽게 연구할 수 있다는 것입니다. 이 시스템은 고해상도 광야 혈관 시각화 및 실시간 혈액 역학을 제공할 수 ...

기본 생물 의학 분야에서, 작은 동물은 인간의 생리 적 기능을 시뮬레이션 할 수 있습니다. 따라서, 작은 동물 화상 진찰은 인간 동종 질병의 연구를 지도하고 효과적인 처리를 찾는 데 중요한 역할을한다 1. 광음향 영상(PAI)은 광학 영상 및 초음파 이미징2의장점을 결합한 비침습적 이미징 기술이다. 광음향 현미경 검사법(PAM)은 작은 동물의 기초 연구를 위한 귀중한 이미징방법이다 3. PAM은 광학 여기 및 초음파 검출4를기반으로 고해상도, 심층 침투, 고특이성 및 고대비 이미지를 쉽게 얻을 수 있습니다.
특정 파장을 가진 펄스 레이저는 조직의 내인성 크로모포러스에 의해 흡수됩니다. 이어서, 조직의 온도가 상승하여 사진 유발 초음파의 생산이 초래됩니다. 초음파는 초음파 트랜스듀서에 의해 검출 될 수있다. 신호 획득 및 이미지 재구성 후 흡수제의 공간 분포를 얻을 수 있다5. 한편으로는, 전체 기관 혈관 네트워크의 시각화는 넓은 시야를 요구합니다. 넓은 필드 스캐닝 과정은 일반적으로 고해상도6,7,8을보장하는 데 오랜 시간이 걸립니다. 다른 한편으로는, 작은 동물의 혈역학 활동을 관찰하는 것은 빠른 실시간 화상 진찰을 요구합니다. 실시간 이미징은 작은 동물의 생명 징후를 실시간으로9,10,11로연구하는 데 유익합니다. 실시간 이미징의 시야는 일반적으로 높은 업데이트 속도를 보장하기에 충분히 작습니다. 따라서, 종종 넓은 시야와 실시간 이미징을 달성하는 것 사이에는 절충이 있습니다. 이전에는 광시야 이미징 또는 실시간 이미징에 각각 2개의 서로 다른 시스템이 사용되었습니다.
이 작품은 2차원 전동 번역 단계와 2축 갈바노미터 스캐너를 기반으로 한 실시간 이미징을 기반으로 하는 와이드 필드 이미징을 통합한 이중 래스터 스캐닝 광음향 이미저(DRS-PAI)를 보고합니다. 광시야 이미징 모드(WIM)는 혈관 형태를 보여주기 위해 수행됩니다. 실시간 이미징 모드(RIM)의 경우 현재 두 가지 기능이 있습니다. 먼저 RIM은 실시간 B 스캔 이미지를 제공할 수 있습니다. 깊이 방향을 따라 혈관의 변위를 측정함으로써 호흡 또는 펄스의 특성이 드러낼 수 있습니다. 둘째, RIM은 WIM 이미지의 특정 영역을 정량적으로 측정할 수 있습니다. 로컬 WIM 지역의 유사한 이미지를 제공함으로써 로컬 변경 내용을 정확하게 밝힐 수 있습니다. 이 시스템은 혈관 시각화의 넓은 현장 이미징과 로컬 동적의 실시간 이미징 사이의 유연한 전환을 설계합니다. 이 시스템은 작은 동물 화상 진찰에 대한 필요가 있는 기본적인 생물 의학 연구에서 바람직합니다.

<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

작은 동물에 혈관 네트워크의 화상 진찰은 기본적인 생물 의학 연구에서 중요한 역할을 했습니다. 광음향 이미징 기술은 작은 동물의 이미지학에 적용할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 작은 동물의 넓은 분야 광음향 이미징은 높은 현면 해상도, 깊은 침투 및 여러 대조를 가진 이미지를 제공 할 수 있습니다. 또한, 실시간 광음향 영상 시스템은 작은 동물 생리적 특징의 동적 모니터링을 연구하는 데 사용될 수 있는 작은 동물 혈관의 혈역학적 활동을 관찰하는 것이 바람직하다. 여기에, 이중 래스터 스캐닝 광음향 이미저를 제시, 전환 이중 모드 이미징 기능을 특징으로. 넓은 시야 이미징은 2차원 전동 번역 단계에 의해 구동되며 실시간 이미징은 갈바노미터로 실현됩니다. 다양한 매개 변수 및 이미징 모드를 설정하여 작은 동물 혈관 네트워크의 생체 내 시각화를 수행할 수 있습니다. 실시간 이미징은 약물 유도 등의 펄스 변화 및 혈류 변화를 관찰하는 데 사용할 수 있습니다. 넓은 필드 화상 진찰은 종양 혈관의 성장 변경을 추적하기 위하여 이용될 수 있습니다. 이들은 기본적인 생물 의학 연구의 각종 분야에서 채택되기 쉽습니다.

DRS-PAI의 회로도는 도 1에표시됩니다. 이 시스템은 RIM을 통해 WIM 간에 유연하고 반복 가능한 전환을 가능하게 합니다. 획득한 PA 신호는 PA B-스캔 및 MAP 이미지를 생성하기 위해 신속하게 처리됩니다. CCD 카메라는 샘플 사진을 제공할 수 있습니다.
DRS-PAI의 모든 구성 요소는 이미저 설정(그림2)에통합및 조립되어 조립 및 조작이 용이?...

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

이중 래스터 스캐닝 광음향 이미저를 설계하여 와이드 필드 이미징과 실시간 이미징을 통합했습니다.

혈관 시각화를 위한 이중 래스터 스캐닝 광음향 소형 동물 이미지

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

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

4.0K 조회수.  South China Normal University. 이중 래스터 스캐닝 광음향 이미저를 설계하여 와이드 필드 이미징과 실시간 이미징을 통합했습니다.

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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.

입체 광학 해상도 Photoacoustic 현미경

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

연구

생체공학

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

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

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

살아있는 토끼 눈에 소설 Photoacoustic 현미경 및 광학 일관성 단층 촬영 듀얼 적임 Chorioretinal 이미징

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

공학

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

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

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

비 침습적 실질, 혈관 및 대사 고주파 초음파 및 광 음향 쥐 뇌 심부 이미징

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

신경과학

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.

전환 가능한 음향 및 광학 해상도 Photoacoustic Microscopy for<em&gt; In Vivo</em&gt; 소 동물 혈관 조영술

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.

다음을위한 고성능 컴팩트 광 음향 단층 촬영 시스템<em&gt; In Vivo</em&gt; 소형 동물 뇌 영상

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

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

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

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

휴대용 임상 Photoacoustic 실시간 비-침략 적 작은 동물 이미징을 위한 이미징 시스템

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

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

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

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

쥐 대뇌 피 질의 혈관 구조에서 염료의 세척 및 세척을 모니터링 하기 위한 펄스 레이저 다이오드 기반 데스크탑 광 음향 단층 촬영

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

Multispectral Optoacoustic Tomography for Functional Imaging in Vascular Research

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

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

혈관 연구의 기능적 이미징을 위한 다중 스펙트럼 광음향 단층 촬영

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

허혈성 뇌졸중의 비침습적 통합 PAUSAT 전뇌 영상

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

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

저자 스포트라이트: 허혈성 뇌졸중의 비침습적 전뇌 영상을 위한 통합 광음향, 초음파 및 혈관 조영 단층 촬영(PAUSAT)  

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

허혈성 뇌졸중의 비침습적 전뇌 영상을 위한 통합 광음향, 초음파 및 혈관조영 단층촬영(PAUSAT)

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

혈관 시각화를 위한 이중 래스터 스캐닝 광음향 소형 동물 이미지

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입체 광학 해상도 Photoacoustic 현미경

살아있는 토끼 눈에 소설 Photoacoustic 현미경 및 광학 일관성 단층 촬영 듀얼 적임 Chorioretinal 이미징

비 침습적 실질, 혈관 및 대사 고주파 초음파 및 광 음향 쥐 뇌 심부 이미징

전환 가능한 음향 및 광학 해상도 Photoacoustic Microscopy for

다음을위한 고성능 컴팩트 광 음향 단층 촬영 시스템

휴대용 임상 Photoacoustic 실시간 비-침략 적 작은 동물 이미징을 위한 이미징 시스템

쥐 대뇌 피 질의 혈관 구조에서 염료의 세척 및 세척을 모니터링 하기 위한 펄스 레이저 다이오드 기반 데스크탑 광 음향 단층 촬영

혈관 연구의 기능적 이미징을 위한 다중 스펙트럼 광음향 단층 촬영

허혈성 뇌졸중의 비침습적 전뇌 영상을 위한 통합 광음향, 초음파 및 혈관조영 단층촬영(PAUSAT)

허혈성 뇌졸중의 비침습적 전뇌 영상을 위한 통합 광음향, 초음파 및 혈관조영 단층촬영(PAUSAT)