Name: dual raster-scanning photoacoustic small-animal imager for vascular visualization
Uploaded: 2020-07-15T15:00:00
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A los autores les gustaría reconocer el apoyo financiero de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (61822505; 11774101; 61627827; 81630046), El Proyecto de Planificación científica y tecnológica de la provincia de Guangdong, China (2015B020233016) y El Programa de Ciencia y Tecnología de Guangzhou (Nº 2019020001).

Todos los experimentos con animales se realizaron de conformidad con las directrices proporcionadas por el comité institucional de cuidado y uso de animales de la Universidad Normal del Sur de China, Guangzhou, China.
1. Configuración del sistema
<ol><li>Trayectoria óptica (Figura 1)<ol>
<li>Utilice un láser de pulso de 532 nm como fuente láser del sistema. Establezca la tasa de repetición del láser en 10 kHz, la energía de salida en 100% y la configurac...

<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>

Aquí presentamos un imager fotoacústico de animales pequeños de doble escaneo ráster para la visualización vascular no invasiva que fue diseñado y desarrollado para capturar la estructura de la vasculatura y el cambio dinámico relacionado de la sangre. La ventaja de DRS-PAI es que integra el WIM y el RIM en un solo sistema, lo que facilita el estudio de la estructura de red vascular dinámica y vascular de los animales pequeños. El sistema puede proporcionar visualización vascular de campo amplio de alta resoluc...

En el campo biomédico básico, los animales pequeños pueden simular la función fisiológica humana. Por lo tanto, la imagen de los animales pequeños desempeña un papel importante en la orientación de la investigación de las enfermedades homólogas humanas y la búsqueda de un tratamiento eficaz1. La imagen fotoacústica (PAI) es una técnica de imagen no invasiva que combina las ventajas de las imágenes ópticas y las imágenes por ultrasonido2. La microscopía fotoacústica (PAM) es un valioso método de imagen para la investigación básica de animales pequeños3. PAM puede obtener fácilmente imágenes de alta resolución, penetración profunda, alta especificidad y alto contraste basadas en excitación óptica y detección de ultrasonido4.
Un láser de pulso con una longitud de onda específica es absorbido por cromoforos endógenos de los tejidos. Posteriormente, la temperatura del tejido aumenta, lo que resulta en la producción de ondas ultrasónicas inducidas por foto. Las ondas ultrasónicas pueden ser detectadas por un transductor ultrasónico. Después de la adquisición de la señal y la reconstrucción de la imagen, la distribución espacial del absorbente se puede obtener5. Por un lado, la visualización de la red vascular de órgano entero requiere un amplio campo de visión. El proceso de escaneo de campo ancho suele tardar mucho tiempo en garantizar la alta resolución6,7,8. Por otro lado, observar las actividades hemodinámicas de los animales pequeños requiere imágenes rápidas en tiempo real. La imagen en tiempo real es beneficiosa para estudiar los signos vitales de los animales pequeños en tiempo real9,10,11. El campo de visión de las imágenes en tiempo real suele ser lo suficientemente pequeño como para garantizar una alta tasa de actualización. Por lo tanto, a menudo hay un equilibrio entre lograr un amplio campo de visión y imágenes en tiempo real. Anteriormente, se utilizaban dos sistemas diferentes para imágenes de campo amplio o imágenes en tiempo real, por separado.
Este trabajo informa de un imager fotoacústico de escaneo ráster dual (DRS-PAI), que integró imágenes de campo amplio basadas en una etapa de traducción motorizada bidimensional e imágenes en tiempo real basadas en un escáner de galvanómetros de dos ejes. El modo de imagen de campo ancho (WIM) se realiza para mostrar morfología vascular. Para el modo de imagen en tiempo real (RIM), actualmente hay dos funciones. En primer lugar, RIM puede proporcionar imágenes de escaneo B en tiempo real. Al medir el desplazamiento de la vasculatura a lo largo de la dirección de profundidad, se pueden revelar las características de la respiración o el pulso. En segundo lugar, el RIM puede medir cuantitativamente el área específica de la imagen WIM. Al proporcionar imágenes comparables de las regiones WIM locales, los detalles del cambio local se pueden revelar con precisión. El sistema diseña una transición flexible entre imágenes de campo amplio de visualización vascular e imágenes en tiempo real de la dinámica local. El sistema es deseable en la investigación biomédica básica donde hay una necesidad de imágenes de animales pequeños.

<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

La toma de imágenes de redes vasculares en animales pequeños ha desempeñado un papel importante en la investigación biomédica básica. La tecnología de imágenes fotoacústicas tiene un gran potencial de aplicación en la imagenología de animales pequeños. Las imágenes fotoacústicas de campo ancho de animales pequeños pueden proporcionar imágenes con alta resolución espaciotemporal, penetración profunda y múltiples contrastes. Además, el sistema de imágenes fotoacústicas en tiempo real es deseable para observar las actividades hemodinámicas de la vasculatura de animales pequeños, que se puede utilizar para investigar el monitoreo dinámico de las características fisiológicas de los animales pequeños. Aquí, se presenta un imager fotoacústico de escaneo ráster dual, con una función de imagen en doble modo conmutable. La imagen de campo ancho es impulsada por una etapa de traducción motorizada bidimensional, mientras que las imágenes en tiempo real se realizan con galvanómetros. Al establecer diferentes parámetros y modos de imagen, se puede realizar una visualización in vivo de la red vascular de animales pequeños. Las imágenes en tiempo real se pueden utilizar para observar el cambio de pulso y el cambio de flujo sanguíneo de inducido por drogas, etc. Las imágenes de campo amplio se pueden utilizar para realizar un seguimiento del cambio de crecimiento de la vasculatura tumoral. Estos son fáciles de adoptar en varias áreas de la investigación básica de biomedicina.

El esquema del DRS-PAI se muestra en la figura 1. El sistema permite una conmutación flexible y repetible entre WIM y RIM. La señal PA adquirida se procesa rápidamente para generar imágenes PA B-Scan y MAP. La cámara CCD puede proporcionar fotografías de muestras.
Todos los componentes del DRS-PAI se integran y ensamblan en una configuración de imager(Figura 2),lo que facilita el montaje y el funcionamiento. En el WIM, se utili...

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

Se diseñó un imager fotoacústico de escaneo ráster dual, que integró imágenes de campo amplio e imágenes en tiempo real.

Imagen fotoacústica fotoacústica dual para visualización 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

Bioengineering

Three-dimensional Optical-resolution Photoacoustic Microscopy

Tridimensional óptico resolución microscopía fotoacústica

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

Investigación

Bioingeniería

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Both the clinical diagnosis and fundamental investigation of major ocular diseases greatly benefit from various non-invasive ophthalmic imaging ...

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