Methodenartikel

Schakelbare akoestische en optische resolutie Photoacoustic Microscopy voor In Vivo Kleine dieren Bloedvasculaire Imaging

DOI:

10.3791/55810

⸱

26 juni 2017

 ,  , 
1School of Chemical and Biomedical Engineering, Nanyang Technological University

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hierbij is een AR-OR-PAM-systeem (AR) of schakelbare akoestische resolutie (AR) en optische resolutie (OR), die zowel in hoge resolutie als in hoge resolutie kan worden ingezet, met een lage resolutie van diepe weefsels op een zelfde monster in vivo .

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Photoacoustic microscopy (PAM) is een snelgroeiende invivo imaging modaliteit die zowel optica als ultrasound combineert, waardoor penetratie boven het optische gemiddelde vrije pad (~ 1 mm in de huid) met hoge resolutie wordt bereikt. Door optisch absorptiecontrast te combineren met de hoge ruimtelijke resolutie van echografie in een enkele modaliteit, kan deze techniek diep diepe weefsels penetreren. Photoacoustic microscopiesystemen kunnen een lage akoestische resolutie hebben en een diep of een hoge optische resolutie en sonde ondiep maken. Het is uitdagend om een ​​hoge ruimtelijke resolutie en grote dieptepenetratie met een enkel systeem te bereiken. Dit werk presenteert een AR-OR-PAM systeem dat zowel op hoge vlakken beeldvorming op vlakke diepten mogelijk maakt en diepte-weefselbeelden met een lage resolutie van hetzelfde monster in vivo mogelijk maken . Een laterale resolutie van 4 μm met een beelddiepte van 1,4 mm met optische focus en een zijdelingse resolutie van 45 μm met een beelddiepte van 7,8 mm met behulp van akoestische focus was succesvolHet is aangetoond dat het gecombineerde systeem gebruikt wordt. Hier wordt in vivo kleine dieren bloedvasculaire beeldvorming uitgevoerd om zijn biologische beeldvormingsvermogen te demonstreren.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Optische beeldvormingsmodaliteiten met hoge resolutie, zoals optische coherentie-tomografie, confocal microscopie en multiphoton microscopie, hebben veel voordelen. De ruimtelijke resolutie neemt echter aanzienlijk af, aangezien de beelddiepte toeneemt. Dit komt door de diffuse aard van lichtvervoer in zachte weefsels 1 , 2 . De integratie van optische excitatie- en ultrageluiddetectie biedt een oplossing om de uitdaging van optische beeldoplossing met hoge resolutie te overwinnen in diepe weefsels. Photoacoustic microscopy (PAM) is een dergelijke modaliteit die diepere beeldvorming kan bieden dan andere optische beeldvormende modaliteiten. Het is succesvol toegepast op in vivo structurele, functionele, moleculaire en celbeelden 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 studies door het sterke optische absorptiecontrast te combineren met de hoge ruimtelijke resolutie van echografie.

In PAM bestralt een korte laserpuls het weefsel / monster. De absorptie van licht door chromophoren ( bijv. Melanine, hemoglobine, water, enz. ) Resulteert in een temperatuurverhoging, wat op zijn beurt resulteert in de productie van drukgolven in de vorm van akoestische golven (foto-akoestische golven). De gegenereerde foto-akoestische golven kunnen gedetecteerd worden door een breedband-ultrasone transducer buiten de weefselgrens. Met behulp van een zwakke optische en strakke akoestische focus, kan beeldweergave worden verkregen in fotocoustische microscopie met een akoestische resolutie (AR-PAM) 14 , 15 , 16 . In AR-PAM, een zijdelingse resolutie van 45 μm en een beelddiepte tot 3 mm is aangetoond 15 . Om eenvormige capillairen (~ 5 μm) akoestisch op te lossen, zijn ultrasone transducers die werken bij> 400 MHz centrale frequenties nodig. Bij dergelijke hoge frequenties is de penetratiediepte minder dan 100 μm. Het probleem veroorzaakt door strakke akoestische focus kan worden opgelost met behulp van strakke optische focus. Optische resolutie fotoacoustic microscopie (OR-PAM) kan single capillaries oplossen, of zelfs een enkele cel 17 , en een laterale resolutie van 0,5 μm is bereikt 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 . Het gebruik van een fotonische nanojet kan helpen om een ​​resolutie te bereiken buiten de diffractie beperkte resolutioN 25 , 26 . In OR-PAM is de penetratiediepte beperkt door lichtfocus en het kan tot 1,2 mm in het biologische weefsel 23 afbeelden. Daarom kan AR-PAM beeld dieper, maar met een lagere resolutie, en OR-PAM een beeld met een zeer hoge resolutie, maar met een beperkte beelddiepte hebben. De beeldsnelheid van het AR- en OR-PAM-systeem hangt voornamelijk af van de pulsherhalingssnelheid van de laserbron 27 .

Het combineren van AR-PAM en OR-PAM is van groot voordeel voor toepassingen die zowel een hoge resolutie als dieper beeldvorming vereisen. Er is weinig moeite gedaan om deze systemen samen te combineren. Gewoonlijk worden twee verschillende afbeeldingsscanners gebruikt voor beeldvorming, wat vereist dat het monster tussen beide systemen wordt verplaatst, waardoor het moeilijk is in vivo beeldvorming te maken. Hybride beeldvorming met zowel AR als OR PAM maakt imaging met schaalbare resoluties a mogelijkDiepte. In één benadering wordt een optische vezelbundel gebruikt om licht te leveren voor zowel de AR- als OR-PAM. In deze aanpak worden twee afzonderlijke lasers (een hoge-energie laser bij 570 nm voor de AR en een laser met lage energie, hoge repetitiesnelheid bij 532 nm voor de OR) gebruikt, waardoor het systeem ongemakkelijk en duur is 28 . De OR-PAM laser golflengte is vast en veel studies, zoals op zuurstofverzadiging, zijn niet mogelijk met dit gecombineerde systeem. Vergelijkende studies tussen AR en OR PAM zijn ook niet mogelijk vanwege het verschil in laser golflengten tussen de AR en OR. Bovendien gebruikt AR-PAM helderveldverlichting; Daarom beperken sterke beeld-akoestische signalen van het huidoppervlak de beeldkwaliteit. Om deze reden kan het systeem niet worden gebruikt voor veel bioimaging toepassingen. In een andere aanpak om AR en OR PAM uit te voeren, wordt de optische en ultrasone focus verplaatst, waardoor de focus op de lichtfocus en de ultrasone focus ongewijzigd wordt. Zo is de beeldkwaliteit niet optimaal 29. Met behulp van deze techniek kunnen de AR-PAM en OR-PAM alleen respectievelijk 139 μm en 21 μm resoluties bereiken, waardoor het een slechtresolutie systeem is. Een andere aanpak, die de optische vezel- en collimatieoptica omvat, werd veranderd tussen AR en OR PAM, waardoor het uitlijningsproces moeilijk was 30 . In al deze gevallen heeft AR-PAM geen gebruik gemaakt van donkere veldverlichting. Het gebruik van donkere veldverlichting kan de generatie van sterke foto-akoestische signalen van het huidoppervlak verminderen. Derhalve kan diepvliesafbeelding worden uitgevoerd met behulp van ringvormige verlichting, aangezien de detectiegevoeligheid van diepe foto-akoestische signalen hoger zal zijn dan die van verlichte veldverlichting.

Dit werk rapporteert een omschakelbaar AR en OR PAM-beeldscherm (AR-OR-PAM), dat zowel beeldscherm met hoge resolutie mogelijk maakt en met een lage resolutie beeldweergave van hetzelfde beeld, met dezelfde laser en scanner voor beide systems. De prestatie van het AR-OR-PAM-systeem werd gekenmerkt door het bepalen van de ruimtelijke resolutie en beelddiepte door middel van fantoom experimenten. In vivo bloedvasculatuur beeldvorming werd uitgevoerd op een muis oor om zijn biologische beeldvorming vermogen te demonstreren.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Alle dierproeven werden uitgevoerd volgens de goedgekeurde voorschriften en richtlijnen van het Institutioneel Diervoeder- en Gebruikskomitee van Nanyang Technologische Universiteit, Singapore (Animal Protocol Number ARF-SBS / NIE-A0263).

1. AR-OR-PAM-systeem ( figuur 1 )

  1. Systeem configuratie: AR-PAM
    1. Gebruik een nanoseconde afstelbaar lasersysteem dat bestaat uit een diodepompde ND-YAG laser (532 nm) en een kleurstoflaser met een afstelbereik van 559-576 nm als de optische bestralingsbron. Stel de laser golflengte in op 570 nm met behulp van een externe controller en de herhalingssnelheid van de laser tot 1 kHz met behulp van de lasersoftware.
    2. Plaats een straalsamensteller bij een 45 ° -hoek voor de laser om 5% van de laservermogen naar een fotodiode door een variabel neutraaldichtheidsfilter (NDF1; OD = 0-4.0) af te leiden.
    3. Verwijder de laserstraal na de beam sampler op 90 ° met behulp vanEen rechthoekig prisma (RAP1).
    4. Gebruik een ander rechtshoekig prisma (RAP2) om de bundel door een variabele neutrale dichtheidsfilter (NDF2; OD = 0-4.0) en op een multimodevezel (MMF) door te geven via een vezelkoppeling (FC) -a Combinatie van doelstellingen (numerieke diafragma (NA): 0,25) en een XY-vertaler.
    5. Bevestig de vezel op de aftastfase met behulp van een XY-vertaler. Plaats een plano-convexe lens (L1) 25 mm van het uiteinde van de vezeluitgang om de bundel uit de vezel te bundelen.
    6. Passeer de collimated beam door een conische lens met een hoekhoek van 130 ° om een ​​ringvormige balk te genereren. Scherp de ringvormige balk op het onderwerp met behulp van een zelfgemaakte optische condensor (OC) met kegelhoeken van 70 ° en 110 ° en met een gat in het midden.
    7. Plaats een 50 MHz ultrasone transducer (UST) met een akoestische lens (AL) in het midden van de zelfgemaakte condensor.
  2. Systeemconfiguratie: OR-PAM
    1. Gebruik eenNanoseconde afstembaar lasersysteem bestaande uit een diode-gepompde ND-YAG laser (532 nm) en een kleurstoflaser met een afstellingsbereik van 559 - 576 nm als de optische bestralingsbron. Stel de laser golflengte op 570 nm aan met behulp van een externe controller en de herhalingssnelheid van de laser bij 5 kHz met behulp van de lasersoftware.
    2. Draai de computer gestuurde draaistadium (houd de RAP1) 90 ° om de laserstraal op een iris af te leiden om te herstellen.
    3. De laserstraal verzwakken door een variabel neutraal dichtheidsfilter (OD: 0-4.0) langs de balk te plaatsen en de balk vervolgens met een condensorlens (CL) te richten. Verzend het via een pinhole (PH) 75 mm van de CL voor ruimtelijke filtering.
    4. Start de ruimtelijk gefilterde straal op een single-mode fiber (SMF) met een single-mode fiber coupler (FC) bestaande uit een 0,1 NA objectief om de lichtbundel op de SMF te concentreren.
    5. Stel de vezelkoppeling aan om de maximale koppelingsefficiëntie te bereiken.
    6. Zet de vezel uit op tHij scant podium met behulp van een slipplaat (SP). Plaats een achromatische lens (L2) 50 mm van de SM-vezel om de laserstraal te collimeren.
    7. Breng de collimated beam door 90 ° door middel van een kinematische regelbare elliptische spiegel (M) om de achterste opening van een andere identieke achromatische lens (L3) te vullen. Plaats de achromatische lens die wordt gebruikt voor het concentreren op een translation mount (TM2) met behulp van een lensbuis (LT).
    8. Ga de focusstraal door een zelfgemaakte optoacoustic beam combiner, bestaande uit een rechthoekig prisma (RA) en een rhomboid prisma (RP), met een laag siliciumolie (SO) tussenin.
      OPMERKING: De siliciumolielaag zal optreden als optisch transparante en akoestisch reflecterende film.
    9. Bevestig een akoestische lens (AL) om akoestische focus te geven (brandpuntsdiameter: ~ 46 μm) aan de onderkant van het rhomboid prisma.
    10. Plaats de ultrasone transducer met een 50 MHz-middenfrequentie bovenop het rhomboid prisma; Gebruik een epoxielaag voor effectieve koppeling.

2. Systeem schakelen en uitlijnen

  1. Zet de zelfgemaakte schakelbare plaat vast (door de schroefdraad vast te zetten) op een 3-assige gemotoriseerde trap die wordt geregeld door een 3-assige controller die op de computer is aangesloten.
  2. Bevestig het AR- en OR-koetsysteem op de zelfgemaakte plaat met behulp van kooi-bevestigingsbeugels, zodat u gemakkelijk tussen de AR- en OR-scankoppen kunt schakelen. Schuif de scankop bovenop het beeldgebied.
  3. Gebruik de Z-fase om het onderkant van de AR-OR-PAM-scannerkop in een water-gevulde acrylreservoir (13 cm x 30 cm x 3 cm) te onderdompelen voor akoestische koppeling.
  4. Open een afbeeldingsvenster met een diameter van 7 cm op de bodemplaat van de tank en sluit het met een polyethyleenmembraan voor optische en akoestische overbrenging.
  5. Gebruik een puls-echoversterker en een oscilloscoop om de ultrasone transducer in focus te richten.
    1. Stel de versterking in de pulse-echo versterker op 24 db in de transmissie / ontvangstmodus.
    2. Gebruik het synchronisatie-signaal frOm de pulse-echo versterker als de trigger en detecteer het teruggespredende signaal van een glazen glijbaan (ingevoegd vanaf de bodem van de watertank) met behulp van een oscilloscoop.
      OPMERKING: op de dia moet een zwarte band er op zitten.
    3. Verplaats de Z-as om de amplitude van het pulse-echosignaal te maximaliseren (gezien op de oscilloscoop).
      OPMERKING: wanneer de glasplaat in focus is, zal de echo zijn maximale amplitude hebben.
  6. Zet de laser aan en verbind de UST met twee versterkers, elk met 24 dB vaste gain, met behulp van BNC-kabels.
    OPMERKING: De uitgangen van de versterkers zijn aangesloten op de data acquisition card (DAQ).
  7. Gebruik het signaal van de fotodiode (PD) die voor de laser is geplaatst als trigger voor het data-acquisitie systeem.
  8. In AR-PAM varieer de afstand tussen de conische lens (con.L) en de optische condensor (OC) om de amplitude van het foto-akoestische signaal dat wordt gegenereerd uit het testobject (maximale band vast op een glasdia) te maximaliseren.Zorg ervoor dat de optische en akoestische focusen confocaal zijn door de maximale foto-akoestische (PA) signaal amplitude te bepalen.
    1. Let op de vertraging van de maximale PA signalen; Gebruik dit later om de focus in de data acquisition software te controleren.
  9. Draai de schroef van de aftastkop los en schakel de aftastkop handmatig van AR-PAM naar OR-PAM. Draai vervolgens de schroeven vast.
  10. In OR-PAM, varieer de afstand tussen de focusende achromatische dubbele (in de lensbuis (LT)) en de opto-akoestische combinator om de PA-signaal amplitude die op de oscilloscoop wordt weergegeven, te maximaliseren.
    1. Let op de vertraging van de maximale PA signalen.
      OPMERKING: Finetuning is nodig om de confocale regeling te bepalen.

3. Experimentele stappen

  1. Laterale resolutie en beelddieptekwantificatie
    1. Gebruik gouden nanodeeltjes 100 nm in diameter om de laterale resolutie van de AR an te bepalenD OF systeem.
    2. Verdun 0,1 ml nanodeeltjesoplossing met een gelijke hoeveelheid water. Verdeel 0,1 ml verdunde oplossing op een deklaag en plaats het in contact met het polyethyleenmembraan onder de tank.
    3. Zorg ervoor dat de AR-PAM en OR-PAM in de gegevensverzamelingssoftware (zie de Tabel van Materialen) voor het scannen (stappen 2.8 en 2.10) in focus zijn.
      OPMERKING: Door de microsecondvertraging van de maximale PA-signalen van stappen 2.9 en 2.10 te weten, vermenigvuldigd met de bemonsteringssnelheid (250 MS / s), wordt de afbeelding in focus in de data-acquisitie software. De vertraging die moet worden weggelaten tijdens de gegevensverzameling kan in de software worden bepaald, zodat alleen de benodigde gegevenspunten voor de verwerking worden opgeslagen.
    4. Stel de scanparameters voor de AR-PAM in en druk op de "scan" -knop om het raster-scannen te starten.
      1. Stel de scanparameters voor de AR-PAM in de gegevensverzamelingssoftware bij de "snelheid" van "4" mm / s scansnelheid in.; Tabblad "1" kHz in het tabblad "Pulsherhalingstijd", "0,5" mm in het tabblad "Y-scanbereik" en "0,5" mm in het tabblad "X-scanbereik". Stel de stapgrootte in de x-richting op "4" μm in het tabblad "dx".
        OPMERKING: De stapgrootte in de y-richting wordt automatisch bepaald op basis van de snelheid van het scansnelheid van het podium en de pulsherhalingssnelheid (in dit geval 4000 μm / 1000 Hz = 4 μm)
    5. Stel de scanparameters voor de OR-PAM in en druk op de "scan" -knop om het raster-scannen te starten.
      1. Stel de scanparameters in de gegevensverzamelingssoftware op met de "2.5" mm / s scansnelheid in het tabblad "snelheid", "5" kHz in het tabblad "Pulsherhalingstijd", "0,5" mm in het bereik "Y-scan" Tabblad en "0.5" mm in het tabblad "X-scan bereik". Stel de stapgrootte in de x-richting een "0,5" μm in het tabblad "dx".
        OPMERKING: De sTape grootte in de y-richting wordt automatisch bepaald op basis van de snelheid van de scansnelheid van het podium en de pulsherhalingssnelheid (in dit geval 2,500 μm / 5000 Hz = 0,5 μm).
    6. Zorg ervoor dat tijdens het scannen de gegevens continu worden opgeslagen en opgeslagen op de computer
      OPMERKING: Gegevens worden alleen in één bewegingsrichting van de Y-fase ingehaald.
    7. Gebruik de meervoudige B-scan data die in de computer is opgeslagen om de maximale amplitude projectie (MAP) afbeeldingen op te halen met behulp van beeldverwerkingssoftware (zie de Tabel van Materialen ).
    8. Gebruik een enkel nanopartikelbeeld (uit meerdere afbeeldingen) van de scan om de laterale resolutie te bepalen door handmatig een lijn te plotten via het centrale gebied van het nanopartikelbeeld om een ​​puntverdeling te verkrijgen, die lijkt op de Gaussische kromme. Zie figuur 2 .
    9. Pas de puntenspreidingsfunctie aan die uit een enkel nanopartikelbeeld wordt verkregen met behulp van een GauSsian fit functie en meet de volledige breedte bij half maximum (FWHM) met behulp van beeldverwerkingssoftware (zie de Tabel van Materialen ). Gebruik dit als de laterale resolutie. Zie figuur 2 .
    10. Steek een stuk zwarte band schuin op een stuk gesneden kipweefsel als het doelobject voor dieptebeelden. Plaats het weefsel met de band in de watertank.
      OPMERKING: De zwarte band zit vast aan een metalen plaat met een scherpe punt, die helpt om de band aan het weefsel te bevestigen.
    11. Stel de scanparameters voor de AR-PAM in de data acquisition software en druk vervolgens op de scan knop om een ​​enkele B-scan afbeelding vast te leggen om de maximale beelddiepte te bepalen.
      1. Stel de scanparameters in bij de "15" mm / s scansnelheid in het tabblad "snelheid", "1" kHz in het tabblad "Pulsherhalingstijd", "5" cm in het tabblad "Y-scan" en "0,1" "Mm in het tabblad" X-scan bereik ". Stel tHij stapformaat in de x-richting bij "0,1" mm in het tabblad "dx".
    12. Stel de scanparameters voor de OR-PAM in en druk op de "scan" -knop om een ​​enkel B-scanbeeld vast te leggen om de maximale afbeeldingsdept te bepalen.
      1. Stel de scanparameters in de gegevensverzamelingssoftware in als "15" mm / s scansnelheid in het tabblad "snelheid", "5" kHz in het tabblad "Pulsherhalingssnelheid", "2" cm in het bereik "Y-scan" Tabblad en "0.1" mm in het tabblad "X-scan bereik". Stel de stapgrootte in de x-richting op "0.1" mm in het tabblad "dx".
        OPMERKING: Aangezien het X-scan bereik en dx hetzelfde zijn, wordt er slechts één B-scan vastgelegd. De tijdopgeloste PA signalen vermenigvuldigd met de geluidssnelheid in zacht weefsel (1.540 m / s) geven een A-lijn beeld. Meerdere A-lijnen worden vastgelegd tijdens de continue beweging van de Y-fase om een ​​B-scan te produceren.
  2. In vivo </ Em> beeldvorming van de muisoorbloedvasculatuur
    1. Gebruik een vrouwelijke muis met een lichaamsgewicht van 25 g en een leeftijd van 4 weken.
    2. Verdoof het dier met behulp van een cocktail van ketamine (120 mg / kg) en xylazine (16 mg / kg) intraperitoneaal geïnjecteerd (dosering van 0,1 ml / 10 g).
    3. Verwijder het haar van het dieroor met behulp van haarverwijderingsroom. Veeg het gebied schoon. Bedek het oog van het dier met een steriele oculaire zalf om elke verspreide laserstraal op de ogen te voorkomen.
    4. Plaats het dier op een podium dat ook een miniatuurplaat heeft om het oor te plaatsen.
    5. Anesthesie onderhouden met inhalatie isofluraan (0,75% in 1 L / min zuurstof) gedurende de beeldperiode.
    6. Klem een ​​pulsoximeter aan het muisbeen of de staart en controleer de fysiologische status. Laat de beeldvormende regio in contact komen met het polyethyleenmembraan met behulp van ultrasone gel.
    7. Stel de scanparameters voor de AR-PAM in en druk op de "scan" knop om de raster scan te startening.
      1. Stel de scanparameters voor de AR-PAM in de gegevensverzamelingssoftware op "15" mm / s scansnelheid in het tabblad "snelheid", "1" kHz in het tabblad "Pulsherhalingssnelheid", "10 mm" in de " Y-scan bereik "tabblad en" 6 "mm in het tabblad" X-scan bereik ". Stel de stapgrootte in de x-richting in als "30" μm in het tabblad "dx".
        OPMERKING: De stapgrootte in de y-richting wordt automatisch bepaald op basis van de snelheid van de scansnelheid van het podium en de pulsherhalingssnelheid (in dit geval 15.000 μm / 1000 Hz = 15 μm).
    8. Na het afronden van AR-PAM scan, schakel de beeldkopkoppositie van AR-PAM naar OR-PAM (zoals beschreven in sectie 2).
    9. Stel de scanparameters voor de OR-PAM in en druk op de "scan" -knop om het raster-scannen te starten.
      1. Stel de scanparameters voor de OR-PAM in de data-acquisitie software in bij "15" mm / s scan snelheid in de "velocitY "tabblad" 5 "kHz in het tabblad" Pulsherhalingssnelheid "," 10 "mm in het tabblad" Y-scan "en" 6 "mm in het tabblad" X-scan bereik ". Stel de stapgrootte in In de x-richting als "6" μm in het tabblad "dx".
        OPMERKING: De stapgrootte in de y-richting wordt automatisch bepaald op basis van de snelheid van het scansnelheid van het podium en de pulsherhalingssnelheid (in dit geval 15.000 μm / 5000 Hz = 2 μm).
    10. Gebruik de meervoudige B-scan-gegevens die op de computer zijn opgeslagen om de MAP-afbeeldingen op te halen met behulp van beeldverwerkingssoftware.
    11. Houd het dier gedurende de gehele beeldvormingsperiode in acht.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het schema van het AR-OR-PAM-systeem is weergegeven in figuur 1 . In deze setup werden alle componenten geïntegreerd en gemonteerd in een optische kooi-installatie. Het gebruik van een kooi systeem maakt de AR-OR-PAM scankop compact en gemakkelijk op elkaar gemonteerd, uitgelijnd en geïntegreerd in een enkele scan fase.

Twee-dimensionale continue raster-scanning van de beeldkop werd gebruikt bij h...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ten slotte is een switchable AR- en OR PAM-systeem ontwikkeld die zowel beeldvorming met hoge resolutie mogelijk maakt bij lagere beelddieptes en beeldvorming met een lagere resolutie bij hogere beelddiepten. De laterale resolutie en beelddiepte van het schakelbare systeem werd bepaald. De voordelen van dit omschakelbare PAM-systeem zijn onder meer: ​​(1) de hoge resolutie beeldvorming met strakke optische focus; (2) het imago van het weefsel door middel van akoestische focusing; 3) de donkere veldverlichting voor AR-PA...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Alle dierproeven werden uitgevoerd volgens de goedgekeurde richtlijnen en voorschriften van het Institutioneel Diervoeder- en Gebruikskomitee van Nanyang Technologische Universiteit, Singapore (Animal Protocol Number ARF-SBS / NIE-A0263). De auteurs hebben geen relevante financiële belangen in het manuscript en geen andere potentiële belangenconflicten om te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs willen graag de financiële steun erkennen van een Tier 2 subsidie, gefinancierd door het Ministerie van Onderwijs in Singapore (ARC2 / 15: M4020238). De auteurs willen ook de heer Chow Wai Hoong Bobby bedanken voor de hulp van de machinewinkel.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Q-switched Nd:YAG laserEdgewaveBX80-2-LPump laser 
Credo-High Repetition Rate Dye LaserSpectra physicsCREDO-DYE-NDye laser
Precision Linear StagePhysik InstrumentePLS 85 XY raster scanning stage
Translation stagePhysik InstrumenteVT 80 Confocal determine
Mounted Silicon photodiodeThorlabsSM05PD1ATriggering/Pulse variation
Motorized continuous Rotational stage ThorlabsCR1/M-Z7Diverting laser beam
Mounted Continuously Variable ND FilterThorlabsNDC-50C-4MIntensity variable
Fiber Patch CableThorlabsM29L01Multimode fiber
Microscope objectiveNewportM-10XObjective 
XY translating mountThorlabsCXY1Translating mount
Plano convex lensThorlabsLA1951Collimating lens
Conical lens AltechnaAPX-2-B254Ring shape beam
Translation stageThorlabsCT1Translating stage
Optical condenserHome made
Ultrasonic transducerOlympus-NDTV214-BB-RM50MHz transducer
Plano concave lensThorlabsLC4573Acoustic lens
Pulser/ReceiverOlympus-NDT5073PRPulse echo amplifier 
Mounted standard irisThorlabsID12/MBeam shaping
Plano convex lensThorlabsLA4327Condenser lens
Mounted precision pinholeThorlabsP50SSpatial filtering
Single mode fiber patch cableThorlabsP1-460B-FC-1Single mode fiber
Fiber couplerNewportF-91-C1Single mode coupling
Achromatic doublet lensEdmund Optics32-317Achromatic doublet
Protected silver elliptical mirrorThorlabsPFE10-P01Mirror
Right angle kinematic mirror mountThorlabsKCB1Mirror mount
Z-Axis Translation MountThorlabsSM1Zz translator
Lens tubeThorlabsSM05L10
UV Fused Silica Right-Angle PrismThorlabsPS615Right angle prism
Rhomboid prismEdmund Optics47-214Shear wave
DimethylpolysiloxaneSigma AldrichDMPS1MSilicon oil
AmplifierMini CircuitsZFL-500LNAmplifier
16 bit high speed digitizerSpectrumM4i.4420Data acquisition card
OscilloscopeAgilent TechnologiesDS06014A
Mice InVivos Pte.LtdICRAnimal model
Ultrasound gel Progress/parker acquasonic gelPA-GEL-CLEA-5000Acoustic coupling
Water tankHome made
Translation stageHomemadeSwitching AR-OR
Gold nanoparticlesSigma Aldrich742031Lateral resolution
Sterile ocular ointmentAlconDuratearsAnimal imaging
1951 USAF resolution test targetEdmund Optics38257Confocal alignment
Data acquisition softwareNational InstrumentLabviewHome made software using Labview
Image Processing softwareMathworksMatlabHome made program using Matlab

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Hu, S., Wang, L. V. Photoacoustic imaging and characterization of the microvasculature. J Biomed Opt. 15, 011101-01-011101-15 (2010).
  2. Ntziachristos, V. Going deeper than microscopy: the optical imaging frontier in biology. Nat Methods. 7 (8), 603-614 (2010).
  3. Wang, L. V., Yao, J. A practical guide to photoacoustic tomography in the life sciences. Nat Methods. 13, 627-638 (2016).
  4. Zhou, Y., Yao, J., Wang, L. V. Tutorial on photoacoustic tomography. J Biomed Opt. 21 (6), 061007(2016).
  5. Upputuri, P. K., Sivasubramanian, K., Mark, C. S. K., Pramanik, M. Recent Developments in Vascular Imaging Techniques in Tissue Engineering and Regenerative Medicine. BioMed Res Intl. 2015, (2015).
  6. Yao, J., Wang, L. V. Photoacoustic Brain Imaging: from Microscopic to Macroscopic Scales. Neurophotonics. 1 (1), 011003-1-011003-13 (2014).
  7. Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs. Science. 335 (6075), 1458-1462 (2012).
  8. Beard, P. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus. 1 (4), 602-631 (2011).
  9. Pan, D. Molecular photoacoustic imaging of angiogenesis with integrin-targeted gold nanobeacons. FASEB J. 25 (3), 875-882 (2011).
  10. Cai, X., Kim, C., Pramanik, M., Wang, L. V. Photoacoustic tomography of foreign bodies in soft biological tissue. J Biomed Opt. 16 (4), 046017(2011).
  11. Pan, D. Near infrared photoacoustic detection of sentinel lymph nodes with gold nanobeacons. Biomaterials. 31 (14), 4088-4093 (2010).
  12. Wang, L. V. Multiscale photoacoustic microscopy and computed tomography. Nat. Photon. 3 (9), 503-509 (2009).
  13. Zhang, E. Z., Laufer, J. G., Pedley, R. B., Beard, P. C. In vivo high-resolution 3D photoacoustic imaging of superficial vascular anatomy. Phys. Med. Biol. 54 (4), 1035-1046 (2009).
  14. Park, S., Lee, C., Kim, J., Kim, C. Acoustic resolution photoacoustic microscopy. Biomed.l Eng. Lett. 4 (3), 213-222 (2014).
  15. Zhang, H. F., Maslov, K., Stoica, G., Wang, L. V. Functional photoacoustic microscopy for high-resolution and noninvasive in vivo imaging. Nat. Biotechnol. 24 (7), 848-851 (2006).
  16. Maslov, K., Stoica, G., Wang, L. V. In vivo dark-field reflection-mode photoacoustic microscopy. Opt Lett. 30 (6), 625-627 (2005).
  17. Strohm, E. M., Moore, M. J., Kolios, M. C. Single Cell Photoacoustic Microscopy: A Review. IEEE J Sel Top Quantum Electron. 22 (3), 6801215(2016).
  18. Kim, J. Y., Lee, C., Park, K., Lim, G., Kim, C. Fast optical-resolution photoacoustic microscopy using a 2-axis water-proofing MEMS scanner. Sci Rep. 5, 07932(2015).
  19. Matthews, T. P., Zhang, C., Yao, D. K., Maslov, K., Wang, L. V. Label-free photoacoustic microscopy of peripheral nerves. J Biomed Opt. 19 (1), 016004(2014).
  20. Hai, P., Yao, J., Maslov, K. I., Zhou, Y., Wang, L. V. Near-infrared optical-resolution photoacoustic microscopy. Opt Lett. 39 (17), 5192-5195 (2014).
  21. Danielli, A. Label-free photoacoustic nanoscopy. J Biomed Opt. 19 (8), 086006(2014).
  22. Zhang, C. Reflection-mode submicron-resolution in vivo photoacoustic microscopy. J Biomed Opt. 17 (2), 020501(2012).
  23. Hu, S., Maslov, K., Wang, L. V. Second-generation optical-resolution photoacoustic microscopy with improved sensitivity and speed. Opt Lett. 36 (7), 1134-1136 (2011).
  24. Maslov, K., Zhang, H. F., Hu, S., Wang, L. V. Optical-resolution photoacoustic microscopy for in vivo imaging of single capillaries. Opt Lett. 33 (9), 929-931 (2008).
  25. Upputuri, P. K., Krishnan, M., Pramanik, M. Microsphere enabled sub-diffraction limited optical resolution photoacoustic microscopy: a simulation study. J Biomed Opt. 22, 045001(2017).
  26. Upputuri, P. K., Wen, Z. B., Wu, Z., Pramanik, M. Super-resolution photoacoustic microscopy using photonic nanojets: a simulation study. J Biomed Opt. 19 (11), 116003(2014).
  27. Allen, T. J. Novel fibre lasers as excitation sources for photoacoustic tomography and microscopy et al. Proc SPIE. , 97080W(2016).
  28. Xing, W., Wang, L., Maslov, K., Wang, L. V. Integrated optical-and acoustic-resolution photoacoustic microscopy based on an optical fiber bundle. Opt Lett. 38 (1), 52-54 (2013).
  29. Estrada, H., Turner, J., Kneipp, M., Razansky, D. Real-time optoacoustic brain microscopy with hybrid optical and acoustic resolution. Laser Phys Lett. 11 (4), 045601(2014).
  30. Jeon, S., Kim, J., Kim, C. In vivo switchable optica- and acoustic - resolution photoacoustic microscopy. Proc SPIE. , 970845(2016).
  31. Song, W. Fully integrated reflection-mode photoacoustic, two-photon, and second harmonic generation microscopy in vivo. Sci Rep. 6, 32240(2016).
  32. Park, J., et al. Delay-multiply-and-sum-based synthetic aperture focusing in Photoacoustic microscopy. J Biomed Opt. 21 (3), 036010-10(2016).
  33. ANSI Standard Z136.1-2000. American National Standard for Safe Use of Lasers. , NY. (2000).
  34. Moothanchery, M., Pramanik, M. Performance Characterization of a Switchable Acoustic Resolution and Optical Resolution Photoacoustic Microscopy System. Sensors. 17 (2), 357(2017).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Schakelbare AR OR PAMin vivo beeldvormingakoestische resolutielaterale resolutiebeelduitsnijdingsdiepteoor van klein diernanosecondenlaser

Gerelateerde artikelen