Name: dual raster-scanning photoacoustic small-animal imager for vascular visualization
Uploaded: 2020-07-15T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Dual Raster-Scanning Photoacoustic Small-Animal Imager for Vascular Visualization at JoVE.com

Författarna vill erkänna det ekonomiska stödet från National Natural Science Foundation of China (61822505; 11774101; 61627827; 81630046), Vetenskaps- och teknikplaneringsprojektet i Guangdongprovinsen, Kina (2015B020233016) och Guangzhous vetenskaps- och teknikprogram (nr 2019020001).

Alla djurförsök utfördes i enlighet med riktlinjer från den institutionella djurvårds- och användningskommittén vid South China Normal University, Guangzhou, Kina.
1. Systeminställningar
<ol><li>Optisk bana (Bild 1)<ol>
<li>Använd en 532 nm pulslaser som systemlaserkälla. Ställ in laserns repetitionshastighet på 10 kHz, uteffektenergin till 100 % och utlösarinställningen till extern utlösare med hjälp av ett användardefinierat program.</li>
		<l...

<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>

Här presenterade vi en dubbel raster-scanning photoacoustic små-djur imager för noninvasive Vaskulär visualisering som utformades och utvecklats för att fånga strukturen i vaskulaturen och den relaterade dynamiska förändringen av blod. Fördelen med DRS-PAI är att den integrerar WIM och RIM i ett system, vilket gör det lättare att studera vaskulär dynamisk och vaskulär nätverksstruktur hos små djur. Systemet kan ge högupplöst bred kärlvisualisering och bloddynamik i realtid.
...

Inom det grundläggande biomedicinska området kan små djur simulera människans fysiologiska funktion. Därför spelar smådjursbilder en viktig roll för att vägleda forskningen om mänskliga homologa sjukdomar och söka effektiv behandling1. Fotoakustisk avbildning (PAI) är en icke-invasiv bildteknik som kombinerar fördelarna med optisk avbildning och ultraljudsavbildning2. Fotoakustisk mikroskopi (PAM) är en värdefull bildmetod för grundforskning av smådjur3. PAM kan enkelt få högupplösta, djuppenetrerande, hög specificitets- och kontrastbilder baserade på optisk excitation och ultraljudsdetektering4.
En pulslaser med en specifik våglängd absorberas av endogena kromoforer av vävnader. Därefter stiger temperaturen på vävnaden, vilket resulterar i produktion av fotoinducerade ultraljudsvågor. Ultraljud vågor kan detekteras av en ultraljud givare. Efter signalförvärv och bildrekonstruktion kan absorbörens rumsliga fördelning erhållas5. Å ena sidan kräver visualiseringen av helorgansvaskulärt nätverk ett brett synfält. Processen med bred fältskanning tar vanligtvis lång tid att säkerställa högupplöst6,7,8. Å andra sidan kräver observation av de hemodynamiska aktiviteterna hos små djur snabb avbildning i realtid. Realtidsavbildningen är fördelaktig för att studera de vitala tecknen på små djur i realtid9,10,11. Synfältet för realtidsavbildning är vanligtvis tillräckligt litet för att säkerställa en hög uppdateringshastighet. Således finns det ofta en kompromiss mellan att uppnå ett brett synfält och realtidsavbildning. Tidigare användes två olika system för bredfältsavbildning eller realtidsavbildning, separat.
Detta arbete rapporterar en dubbel raster-scanning photoacoustic imager (DRS-PAI), som integrerade bredfältsavbildning baserat på en tvådimensionell motoriserad översättningsfas och realtidsavbildning baserad på en tvåaxlig galvanometerskanner. Wim (wide-field imaging mode) utförs för att visa vaskulär morfologi. För realtidsavbildningsläget (RIM) finns det för närvarande två funktioner. Först kan RIM tillhandahålla B-skanningsbilder i realtid. Genom att mäta förskjutningen av vaskulatur längs djupriktningen kan andningsegenskaperna eller pulsen avslöjas. För det andra kan RIM kvantitativt mäta det specifika området i WIM-bilden. Genom att tillhandahålla jämförbara bilder av lokala WIM-regioner kan detaljerna i den lokala ändringen avslöjas korrekt. Systemet utformar en flexibel övergång mellan bredfältsavbildning av vaskulär visualisering och realtidsavbildning av den lokala dynamiken. Systemet är önskvärt inom grundläggande biomedicinsk forskning där det finns behov av smådjursavbildning.

<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

Avbildning av kärlnätverk på små djur har spelat en viktig roll i grundläggande biomedicinsk forskning. Fotoakustisk bildteknik har stor potential att tillskansa sig små djurs bildologi. Den breda fotoakustiska avbildningen av små djur kan ge bilder med hög spatiotemporal upplösning, djup penetration och flera kontraster. Dessutom är det verkliga fotoakustiska bildsystemet önskvärt att observera de hemodynamiska aktiviteterna hos smådjursvaskulatur, som kan användas för att undersöka den dynamiska övervakningen av smådjurs fysiologiska egenskaper. Här presenteras en fotoakustisk bildbild med dubbel rasterskanning, med en omkopplingsbar dubbellägesavbildningsfunktion. Den breda avbildningen drivs av ett tvådimensionellt motoriserat översättningsstadium, medan realtidsavbildningen realiseras med galvanometrar. Genom att ställa in olika parametrar och bildlägen kan in vivo-visualisering av smådjursvaskulärt nätverk utföras. Realtidsavbildningen kan användas för att observera pulsförändring och blodflödesförändring av läkemedelsinducerade etc. Den breda avbildningen kan användas för att spåra tillväxtförändringen av tumörvaskulatur. Dessa är lätta att anamna inom olika områden av grundläggande biomedicinsk forskning.

Schemat för DRS-PAI visas i figur 1. Systemet möjliggör flexibel och repeterbar växling mellan WIM med RIM. Den förvärvade PA-signalen bearbetas snabbt för att generera PA B-Scan- och MAP-bilder. CCD-kameran kan tillhandahålla fotografier av prover.
Alla komponenter i DRS-PAI är integrerade och monterade i en bilduppsättning (figur 2), vilket gör det enkelt att montera och använda. I WIM används kontinuerlig rasterskannin...

Watch this Scientific Journal Video about Dual Raster-Scanning Photoacoustic Small-Animal Imager for Vascular Visualization at JoVE.com

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

En fotoakustisk bildbild med dubbel rasterskanning designades, som integrerade bredfältsavbildning och avbildning i realtid.

Dual Raster-Scanning Photoacoustic Small-Animal Imager för vaskulär visualisering

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

Tredimensionell optisk upplösning photoacoustic Mikroskopi

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

Detection and Isolation of Circulating Melanoma Cells using Photoacoustic Flowmetry

Upptäckt och isolering av cirkulerande melanomceller med photoacoustic Flowmetry

Circulating tumor cells (CTCs) are those cells that have separated from a macroscopic tumor and spread through the blood and lymph systems to seed ...

Integrated Photoacoustic Ophthalmoscopy and Spectral-domain Optical Coherence Tomography

Integrerad fotoakustisk oftalmoskopi och Spectral-domän optisk koherens tomografi

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

Photoacoustic Cystography

Photoacoustic cystografi

Conventional pediatric cystography, which is based on diagnostic X-ray using a radio-opaque dye, suffers from the use of harmful ionizing radiation. The ...

Engineering 3D Cellularized Collagen Gels for Vascular Tissue Regeneration

Ingenjörs 3D Cellularized kollagengeler för kärlvävnad Regeneration

Synthetic materials are known to initiate clinical complications such as inflammation, stenosis, and infections when implanted as vascular substitutes. ...

Preparation and Photoacoustic Analysis of Cellular Vehicles Containing Gold Nanorods

Upprättande och Photoacoustic Analys av Cellular fordon som innehåller guld nanostavar

Gold nanorods are attractive for a range of biomedical applications, such as the photothermal ablation and the photoacoustic imaging of cancer, thanks to ...

The Arteriovenous (AV) Loop in a Small Animal Model to Study Angiogenesis and Vascularized Tissue Engineering

The Arteriovenous AV Loop in a Small Animal Model to Study Angiogenesis and Vascularized Tissue Engineering

Arteriovenös (AV) Loop i en liten djurmodell för att studera Angiogenes och vaskulariserad Tissue Engineering

A functional blood vessel network is a prerequisite for the survival and growth of almost all tissues and organs in the human body. Moreover, in ...

Switchable Acoustic and Optical Resolution Photoacoustic Microscopy for In Vivo Small-animal Blood Vasculature Imaging

Switchable Acoustic and Optical Resolution Photoacoustic Microscopy for In Vivo Small-animal Blood Vasculature Imaging

Bytbar akustisk och optisk upplösning Photoacoustic Microscopy for<em&gt; In vivo</em&gt; Blodvasculature Imaging

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

A High-performance Compact Photoacoustic Tomography System for In Vivo Small-animal Brain Imaging

Ett högpresterande kompaktfotoakustiskt tomografisystem för<em&gt; In vivo</em&gt; Små djurhårbilder

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

Ultrathin Porated Elastic Hydrogels As a Biomimetic Basement Membrane for Dual Cell Culture

Ultratunna rated elastisk Hydrogels som en biomimetiska basalmembranet för dubbla cellodling

The basement membrane is a critical component of cellular bilayers that can vary in stiffness, composition, architecture, and porosity. In vitro studies ...