Двойной Raster-Scanning Фотоакустичный малый животный Imager для сосудистой визуализации

Резюме

Был разработан двойной фотоакустичный образец, который интегрировал широкое изображение и визуализацию в режиме реального времени.

Аннотация

Изображение сосудистых сетей на мелких животных сыграло важную роль в фундаментальных биомедицинских исследованиях. Технология фотоакустиковой визуализации имеет большой потенциал для применения в имиджологии мелких животных. Широкое фотоакустиическое изображение мелких животных может обеспечить изображения с высоким spatiotemporal разрешение, глубокое проникновение, и несколько контрастов. Также в режиме реального времени система фотоакустической визуализации желательно наблюдать за гемодинамической деятельностью маловодной сосудообразуемой системы, которая может быть использована для исследования динамического мониторинга физиологических особенностей мелких животных. Здесь представлен фотоакустичный образец с двойным растером, отличающийся переключаемой функцией двойного режима визуализации. Широкое поле изображения определяется двумерной моторизованной стадии перевода, в то время как в режиме реального времени изображение реализуется с гальванометрами. Устанавливая различные параметры и режимы визуализации, можно проводить визуализацию маловодной сосудистой сети. Изображения в режиме реального времени могут быть использованы для наблюдения за изменением пульса и изменением кровотока, вызванного наркотиками, и т.д. Широкое поле изображения могут быть использованы для отслеживания изменения роста сосудов опухоли. Они просты в использовании в различных областях фундаментальных биомедицинских исследований.

Введение

В основной биомедицинской области мелкие животные могут имитировать физиологическую функцию человека. Таким образом, малое животное изображения играет важную роль в руководстве исследования человеческих гомологиальных заболеваний и ищет эффективного^{лечения 1}. Фотоакустикатическая визуализация (PAI) является неинвазивной визуализацией, сочетающей преимущества оптической визуализации и ультразвуковой^{визуализации 2.} Фотоакустические микроскопии (PAM) является ценным методом визуализации для фундаментальных исследований малых животных³. PAM может легко получить высокое разрешение, глубокое проникновение, высокую специфичность и высоко контрастность изображений на основе оптического возбуждения и ультразвукового обнаружения⁴.

Импульсный лазер с определенной длиной волны поглощается эндогенными хромофорами тканей. Впоследствии температура ткани повышается, что приводит к выработке фото-индуцированных ультразвуковых волн. Ультразвуковые волны могут быть обнаружены ультразвуковым трансдуцером. После получения сигнала и реконструкции изображения, пространственное распределение амортизатора может быть получено⁵. С одной стороны, визуализация сосудистой сети из цельных органов требует широкого поля зрения. Процесс сканирования с широким полем обычно занимает много времени, чтобы обеспечить высокое разрешение^6,7,8. С другой стороны, наблюдение за гемодинамической активностью мелких животных требует быстрой визуализации в режиме реального времени. В режиме реального времени изображения полезно для изучения жизненно важных признаков мелких животных в режиме^{реального времени 9,10,11}. Поле зрения изображений в режиме реального времени, как правило, достаточно мало, чтобы обеспечить высокую скорость обновления. Таким образом, часто существует компромисс между достижением широкого поля зрения и изображения в режиме реального времени. Ранее для широкой визуализации или визуализации в режиме реального времени по отдельности использовались две различные системы.

В этой работе сообщается о двойном растер-сканирующем фотоакустической визуализации (DRS-PAI), который интегрировал широкое поле изображения на основе двумерной моторизованной стадии перевода и изображения в режиме реального времени на основе двухосного гальванометрического сканера. Режим широкой визуализации (WIM) выполняется для показать сосудистую морфологию. Для режима визуализации в режиме реального времени (RIM) в настоящее время существуют две функции. Во-первых, ОПРАВА может обеспечить изображения B-сканирования в реальном времени. Измеряя смещение сосудов вдоль направления глубины, могут быть выявлены характеристики дыхания или пульса. Во-вторых, ОПРАВА может количественно измерить специфическую область в изображении WIM. Предоставляя сопоставимые изображения местных регионов WIM, детали локальных изменений могут быть точно раскрыты. Система разрабатывает гибкий переход между широкой визуализацией сосудистой визуализации и визуализацией местной динамики в режиме реального времени. Система желательна в фундаментальных биомедицинских исследованиях, где существует потребность в малой животной визуализации.

протокол

Все эксперименты на животных проводились в соответствии с руководящими принципами, предоставленными институциональным комитетом по уходу за животными и использованию Южно-Китайского нормального университета в Гуанчжоу, Китай.

1. Настройка системы

1. Оптический путь(рисунок 1)
   1. Используйте 532 нм импульсный лазер в качестве системного лазерного источника. Установите частоту повторения лазера до 10 кГц, выходную энергию до 100% и настройку триггера на внешний триггер с помощью пользовательской программы.
   2. Пара лазерного луча в одноотмейном волокне (SMF) через оптическое волокно парпер (FC1). Коллимат лазерного луча с помощью оптического волокна коллиматора (FC2) на двумерной моторизованной сцене (Мотор, максимальная скорость: 20 мм/с).
   3. Отклонить лазерный луч с помощью двухосного гальванометра сканера (Galva). Используйте померебельное зеркало (M1), чтобы отразить луч. Сосредоточьте луч через объектив 4× (OL, численная диафрагма: 0.1).
   4. Используйте XY переводчик крепления (TM), чтобы исправить самодельный полый ультразвуковой трансдуцер (UT, Центральная частота: 25 МГц; Пропускная способность: более 90%; Центральное отверстие: 3 мм) на дне OL¹². Перейдите сфокусированный луч через центральное отверстие ультразвукового трансдуцера.
2. Путь сканирования
   1. Блокировка Galva с помощью полевого программируемого массива ворот (FPGA 2) во время WIM. Установите соответствующий диапазон сканирования и скорость сканирования по программе, определяемой пользователем.
   2. Блокировка двигателя с помощью поля программируемых ворот массива (FPGA 1) во время RIM. Установите частоту сканирования и количество точек сканирования с помощью FPGA 2. Используйте программу, определяемую пользователем, чтобы контролировать начало и прекратить сканирование.
3. Получение данных
   1. Используйте усилитель 50 дБ (AMP) для усиления сигнала PA. Оцифровывайте сигнал картой получения данных (ДАЗ). Получить триггерный сигнал через FPGA 1 или FPGA 2.
   2. Используйте графический процессор (GPU) для обработки данных и отображения изображений параллельно¹³.
4. Система визуализации CCD
   1. Используйте кольцеобразный белый светодиод (температура цвета: 6500 K; Иллюминанс: 40000 люкс; Диаметр: 7,5 см) в качестве источника освещения. Удалите M1, используйте фиксированное зеркало (M2), чтобы отразить свет.
   2. Запись изображений с помощью камеры CCD (6,3 миллиона пикселей) на системе визуализации PA. Отображение изображений с помощью программного обеспечения для отображения.

2. Выравнивание системы

1. Выберите резервуар для воды (10 см × 10 см × 4,4 см; нижнее окно: 3 см × 3 см). Обложка весь резервуар для воды с помощью полиэтиленовой мембраны (мембрана толщиной: 10 мкм). Добавьте достаточное количество ультрачистой воды.
2. Поместите резервуар для воды на рабочую стадию.
3. Включите лазерный переключатель. Выберите программу лазерного управления. Разогреть в течение 5 мин. Нажмите кнопку "ON" на насосный переключатель. Установите параметры лазера в соответствии с шагом 1.1.1. Откройте перегородку лазера.
4. Выберите собранную программу A-line. Нажмите кнопку "Старт", чтобы захватить однотясный сигнал и отобразить амплитуду и спектр текущего сигнала A-line.
5. Поместите лезвие на дно резервуара для воды. Погрузите нижнюю часть UT в резервуар для акустического соединения. Избегайте пузырьков в нижней части UT.
6. Отрегулируйте положение Galva, отрегулируйте XY-переводчик между UT и OL, чтобы избежать колебаний сигнала, и убедитесь, что это конфокальный.
7. Отрегулируйте высоту рабочей стадии, чтобы максимизировать амплитуду сигнала, и определите положение фокусировки.

3. Эксперимент на животных

1. Используйте мышь BALB/c в возрасте 5-20126 недель с массой тела 20-201230 г.
2. Обезболивать животное с помощью уретан (1 г/кг), вводимого интраперитонально перед экспериментом.
3. Проведение перехода между WIM и RIM.
   1. Используйте планарный ультразвуковой трансдуцер. Бритье меха на задней части мыши с помощью триммера и депиляативного крема. Поместите мышь на держатель (8 см × 2,8 см × 2 см) в положении подвержены.
   2. Разрешить области визуализации, чтобы быть в контакте с полиэтиленовой мембраны с помощью ультразвукового геля. Избегайте пузырьков в контактной части.
   3. Поместите держатель на рабочую сцену для акустического соединения. Следуйте шагам 2.3'u20122.4, чтобы начать лазер и собирать сигнал A-line. Следуйте шагам 2.6'u20122.7, чтобы выровнять. Нажмите "Стоп", чтобы закончить сбор после выравнивания.
   4. Выберите программу WIM. Назовите недавно созданную папку. Установите параметр сканирования до 20 мм/с во вкладке "Скорость сканирования", "20 мм 20 мм" во вкладке "Зона сканирования" и "20" во вкладке "Шаг". Нажмите кнопку «Сбор», чтобы начать сканирование.
   5. Нажмите кнопку Стоп, чтобы закончить сканирование после приобретения. Нажмите Вернуться к нулю, чтобы довести двигатель до нуля. Закройте лазерную перегородку. Установите настройку триггера на внутренний триггер. Нажмите кнопку OFF для перекачки переключателя.
   6. Замените триггер WIM как триггер ОПРАВА и соедините его к внешнему триггеру лазера. Нажмите кнопку ON для перекачки переключателя. Установите настройку триггера на внешний триггер. Нажмите кнопку Выхода, чтобы выйти из программы WIM.
   7. Используйте шаг 2.4 для сбора сигнала A-line. Откройте лазерную перегородку. Следуйте шагам 2.6'u20122.7, чтобы выровнять. Нажмите Остановить, чтобы закончить сбор после выравнивания.
   8. Выберите программу RIM. Назовите недавно созданную папку. Нажмите кнопку «Сбор», чтобы начать сканирование.
   9. Нажмите кнопку Стоп, чтобы закончить сканирование после завершения приобретения. Нажмите кнопку выхода, чтобы выйти из программы RIM.
   10. Усыпляйте животное с помощью вывиха шейки матки в конце изображения.
4. Проведение WIM сосудистой визуализации.
   1. Используйте сфокусированный ультразвуковой трансдуцер (центральная частота: 25 МГц; Пропускная способность: более 90%; Длина фокуса: 8 мм). Удалите волосы мышей уха или кожи головы.
      1. Используйте скальпель, чтобы сделать небольшой разрез на боковой стороне черепно-временной верхней части мыши (глубина черепа). Используйте офтальмологические ножницы, чтобы начать с этого разреза. Вырежьте кожу головы вокруг внешней стороны черепа. Сжать точку кровотечения, чтобы остановить кровотечение. Вымойте рану нормальным солевым раствором. Поместите мышь на держатель.
   2. Разрешить области визуализации, чтобы быть в контакте с полиэтиленовой мембраны с помощью ультразвукового геля. Избегайте пузырей в контактной области(Дополнительный рисунок 1).
   3. Поместите держатель на сцену работы для акустического соединения. Используйте шаги 2.3'u20122.4, чтобы открыть лазер и собрать сигнал A-line. Для выравнивания используйте шаг 2.6'u20122.7. Нажмите Остановить, чтобы закончить сбор после выравнивания.
   4. Выберите программу WIM. Назовите недавно созданную папку. Установите параметр сканирования до "10 мм/с" во вкладке "Скорость сканирования", "10 мм 10 мм" под вкладкой "Зона сканирования" и "10" во вкладке "Шаг". Нажмите кнопку «Сбор», чтобы начать сканирование.
   5. Нажмите кнопку Стоп, чтобы закончить сканирование после завершения приобретения. Нажмите Возвращение к нулю, чтобы сделать двигатель вернуться к нулю. Нажмите кнопку Выхода, чтобы выйти из программы WIM.
   6. Усывить животное в конце процедуры, пока животное все еще находится под наркозом.
5. Проведение ОПРАВА для динамического мониторинга мелких животных.
   1. Бритье волос мыши живота. Поместите мышь на держатель в положении лежа.
   2. Разрешить области визуализации, чтобы быть в контакте с полиэтиленовой мембраны с помощью ультразвукового геля. Избегайте пузырьков в области контакта.
   3. Поместите держатель на сцену работы для акустического соединения. Выполните шаги 2.3'u20122.4, чтобы начать лазер и собрать сигнал A-line. Выполните шаг 2.6'u20122.7, чтобы выровнять. Нажмите Остановить, чтобы закончить сбор после выравнивания.
   4. Выберите программу RIM. Назовите недавно созданную папку. Нажмите кнопку «Сбор», чтобы начать сканирование.
   5. Нажмите кнопку Стоп, чтобы закончить сканирование после завершения приобретения. Нажмите кнопку выхода, чтобы выйти из программы RIM.
6. Используйте данные RIM для реконструкции проекции максимальной амплитуды (MAP) по направлению глубины по программе, определяемой пользователем. Наблюдайте за динамическими изменениями в животном.

Результаты

Схема DRS-PAI показана на рисунке 1. Система позволяет гибкое и повторяемое переключение между WIM с RIM. Приобретенный PA сигнал обрабатывается быстро для генерации изображений PA B-Scan и MAP. Камера CCD может предоставить фотографии образцов.

Все компоненты DRS-PAI инте...

Обсуждение

Здесь мы представили двойной raster-сканирование фотоакустичных мелко животных imager для неинвазивной сосудистой визуализации, которая была разработана и разработана для захвата структуры сосудов и связанных с ними динамических изменений крови. Преимущество DRS-PAI заключается в том, что он...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
12 bit multi-purpose digitizer	Spectrum	M3i.3221	Data acquisition card
A-line collected program	National Instrument	LabVIEW	User-defined program
Amplifier	RF Bay	LNA-650	Amplifier
Depilatory Cream	Veet	33-II	Animal depilatory
Fiberport Coupler	Thorlab	PAF-X-7-A	Fiber Coupler
Field Programmable Gate Array	Altera	Cyclone IV	Trigger Control
Fixed Focus Collomation Packages	Thorlabs	F240FC-532	Fiber Collimator
Foused ultrasonic transducer	Self-made
Graphics Processing Unit	NVIDIA	GeForce GTX 1060	Processing data
Holder	Self-made		Animal fixation
Laser control program	National Instrument	LabVIEW	User-defined program
Mice	Guangdong Medical Laboratory Animal Center	BALB/c	Animal Model
Microscope camera	Mshot	MS60	CCD camera
Microscope Objective	Daheng Optics	GCO-2111	Objective Lens
Mirror	Daheng Optics	GCC-1011	Moveable/Fixed Mirror
Moving Magnet Capacitive Detector Galvanometer Scanner	Century Sunny	S8107	real-time scanner
Mshot image analysis system	Mshot		Display software
Normal Saline	CR DOUBLE-CRANE	H34023609	Normal Saline
Ophthalmic Scissors	SUJIE		Scalp Remove
Planar ultrasonic transducer	Self-made
Plastic Wrap	HJSJLSL		Polyethylene Membrane
Program Control Software	National Instrument	LabVIEW	User-defined Program
Pulsed Q-swithched Laser	Laser-export	DTL-314QT	532-nm pulse Laser
Real-time imaging program	National Instrument	LabVIEW	User-defined program
Ring-shaped white LED	Self-made
Shaver	Codos	CP-9200	Animal Shaver
Single-Mode Fibers	Nufern	460-HP	Single-mode fiber
Surgical Blade	SUJIE	11	Blade
Surgical Scalpel	SUJIE	7	Scalp Remove
Translation Stage	Jiancheng Optics	LS2-25T	wide-field scanning stage
Ultrasonic Transducer	Self-made
Ultrasound gel	GUANGGONG PAI	ZC4252418	Acoustic Coupling
Urethane	Tokyo Chemical Industry	C0028	Animal Anestheized
Water tank	Self-made
Wide-field imaging program	National Instrument	LabVIEW	User-defined program
XY Translator Mount	Self-made