Name: dual raster-scanning photoacoustic small-animal imager for vascular visualization
Uploaded: 2020-07-15T15:00:00
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Os autores gostariam de reconhecer o apoio financeiro da Fundação Nacional de Ciência Natural da China (61822505; 11774101; 61627827; 81630046), O Projeto de Planejamento científico e tecnológico da província de Guangdong, China (2015B020233016) e o Programa de Ciência e Tecnologia de Guangzhou (Nº 2019020001).

Todos os experimentos em animais foram realizados em conformidade com as diretrizes fornecidas pelo comitê institucional de cuidados e uso de animais da Universidade Normal do Sul da China, Guangzhou, China.
1. Configuração do sistema
<ol><li>Caminho óptico(Figura 1)<ol>
<li>Use um laser de pulso de 532 nm como fonte de laser do sistema. Defina a taxa de repetição do laser para 10 kHz, a energia de saída para 100% e a configuração do gatilho externo par...

<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>

Aqui apresentamos um biomedusor fotoacâmico de pequeno animal para visualização vascular não invasiva que foi projetado e desenvolvido para capturar a estrutura da vasculatura e a mudança dinâmica relacionada do sangue. A vantagem do DRS-PAI é que ele integra o WIM e o RIM em um sistema, o que facilita o estudo da estrutura de rede vascular dinâmica e vascular de pequenos animais. O sistema pode fornecer visualização vascular de campo amplo de alta resolução e dinâmica sanguínea em tempo real.
<p class=...

No campo biomédico básico, pequenos animais podem simular a função fisiológica humana. Portanto, a imagem de pequenos animais desempenha um papel importante na orientação da pesquisa de doenças homólogas humanas e na busca de um tratamento eficaz1. A imagem fotoacâmica (PAI) é uma técnica de imagem não invasiva que combina as vantagens da imagem óptica e da imagem de ultrassom2. A microscopia fotoacústica (PAM) é um valioso método de imagem para pesquisa básica de animais de pequeno porte3. Pam pode facilmente obter imagens de alta resolução, penetração profunda, alta especificidade e alto contraste com base na excitação óptica e detecção de ultrassom4.
Um laser de pulso com um comprimento de onda específico é absorvido por cromóforos endógenos de tecidos. Posteriormente, a temperatura do tecido sobe, o que resulta na produção de ondas ultrassônicas induzidas por foto. As ondas ultrassônicas podem ser detectadas por um transdutor ultrassônico. Após aquisição de sinal e reconstrução de imagem, a distribuição espacial do absorvente pode ser obtida5. Por um lado, a visualização da rede vascular de órgãos inteiros requer um amplo campo de visão. O processo de varredura em larga área geralmente leva muito tempo para garantir alta resolução6,7,8. Por outro lado, observar as atividades hemodinâmicas de pequenos animais requer imagens rápidas em tempo real. A imagem em tempo real é benéfica para estudar os sinais vitais de pequenos animais em tempo real9,10,11. O campo de visão da imagem em tempo real geralmente é suficientemente pequeno para garantir uma alta taxa de atualização. Assim, muitas vezes há uma troca entre alcançar um amplo campo de visão e imagens em tempo real. Anteriormente, dois sistemas diferentes eram usados para imagens em larga campo ou imagens em tempo real, separadamente.
Este trabalho relata um imager fotoacústico de varredura dupla (DRS-PAI), que integrou imagens de campo largo com base em um estágio de tradução motorizada bidimensional e imagens em tempo real baseadas em um scanner galvanômetro de dois eixos. O modo de imagem de campo largo (WIM) é realizado para mostrar morfologia vascular. Para o modo de imagem em tempo real (RIM), existem atualmente duas funções. Primeiro, o RIM pode fornecer imagens de varredura B em tempo real. Medindo o deslocamento da vasculatura ao longo da direção de profundidade, as características da respiração ou pulso podem ser reveladas. Em segundo lugar, o RIM pode medir quantitativamente a área específica na imagem WIM. Ao fornecer imagens comparáveis das regiões locais de WIM, os detalhes da mudança local podem ser revelados com precisão. O sistema projeta uma transição flexível entre imagens de campo amplo de visualização vascular e imagens em tempo real da dinâmica local. O sistema é desejável em pesquisas biomédicas básicas onde há necessidade de imagens de pequenos animais.

<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

A imagem de redes vasculares em animais de pequeno porte tem desempenhado um papel importante na pesquisa biomédica básica. A tecnologia de imagem fotoacoustic tem grande potencial para aplicação na imagemologia de pequenos animais. A imagem fotoacâmica de campo largo de pequenos animais pode fornecer imagens com alta resolução espástica, penetração profunda e múltiplos contrastes. Além disso, o sistema de imagem fotoacâmica em tempo real é desejável observar as atividades hemodinâmicas da vasculatura de pequenos animais, que podem ser usadas para pesquisar o monitoramento dinâmico de características fisiológicas de pequenos animais. Aqui, um imager fotoacoustic de varredura dupla é apresentado, apresentando uma função de imagem de modo duplo comutavel. A imagem de campo largo é conduzida por um estágio de tradução motorizada bidimensional, enquanto a imagem em tempo real é realizada com galvanômetros. Ao definir diferentes parâmetros e modos de imagem, a visualização in vivo da rede vascular de pequenos animais pode ser realizada. A imagem em tempo real pode ser usada para observar a mudança de pulso e a mudança de fluxo sanguíneo de induzida por drogas, etc. A imagem de campo largo pode ser usada para acompanhar a mudança de crescimento da vasculatura tumoral. São fáceis de serem adotados em diversas áreas da pesquisa básica de biomedicina.

O esquema do DRS-PAI é mostrado na Figura 1. O sistema permite uma comutação flexível e repetível entre WIM e RIM. O sinal PA adquirido é processado rapidamente para gerar imagens PA B-Scan e MAP. A câmera CCD pode fornecer fotografias de amostras.
Todos os componentes do DRS-PAI são integrados e montados em uma configuração de imager(Figura 2),facilitando a montagem e opere. No WIM, é utilizada a varredura contínua de ras...

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

Foi projetado um imager fotoacoustic de varredura dupla rastering, que integrou imagens de campo amplo e imagens em tempo real.

Imagem fotoacoustic de pequeno animal de varredura dupla raster-scaning para visualização vascular

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

Research

JoVE Journal

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