Name: dual raster-scanning photoacoustic small-animal imager for vascular visualization
Uploaded: 2020-07-15T15:00:00
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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 tri...

<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>

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 ...

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