science >> Wetenschap > >> Fysica

Opto-akoestische microscopie bij meerdere discrete frequenties

Schematische weergave van het hybride microscopiesysteem met een subsysteem voor opto-akoestische microscopie met dubbele golflengte bij 488 nm en 808 nm, co-uitgelijnd met een subsysteem voor multiphoton microscopie bij 1043 nm. a) AMP-versterker, CCD helderveldcamera, DAQ data-acquisitiekaart, DM dichroïsche spiegel, GC galvanometrische spiegelcontrolemechanisme, IQD IQ-demodulator, LO1 lokale oscillator 1, LO2 lokale oscillator 2, NDF-filters met neutrale dichtheid, OA opto-akoestisch, VAN optische filter, pc-pc, PH-gaatje, PMT fotomultiplicatorbuis, SHG tweede harmonische generatie, THG derde harmonische generatie, TPEF twee-foton excitatie fluorescentie, xyz gemotoriseerde podia. b) Het spectrum van de excitatie- en detectiegolflengten in hybride FDOM/multiphoton (MP) beeldvorming. c) Schematische vergelijking tussen tijddomein (TD) opto-akoestische microscopie, die korte lichtpulsen gebruikt, en frequentiedomein (FD) opto-akoestische microscopie, die is gebaseerd op laserintensiteit gemoduleerd op meerdere discrete frequenties. Credit: Licht:wetenschap en toepassingen . Doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0101-2

Opto-akoestische beeldvorming aangedreven door korte bursts van continue golf (CW) lasers kan de emissie van ultrasone golven in een dier of bij mensen stimuleren. De methode kan op een niet-invasieve manier de bloedstroom vastleggen en 3D-beelden van cellulaire microarchitectuur produceren. Inschrijven Licht:wetenschap en toepassingen , Stephan Kellnberger en collega's van het Instituut voor Biologische en Medische Beeldvorming, melden nu de mogelijkheid om high-fidelity opto-akoestische beelden te verkrijgen met kosteneffectieve lasers die op meerdere frequenties worden bestuurd.

De auteurs hebben experimenteel de op meerdere frequenties gebaseerde, high-fidelity beeldgeneratie van biologische architectuur door het afbeelden van microvasculatuur van vis- en muisweefsel. In de beeldvormingsexperimenten ze overlapten structurele details die alleen verschenen bij specifieke frequenties van belang. De auteurs identificeerden ook niet-invasief de snelheid van de bloedstroom in weefselmicrovasculatuur door de frequentieverschuivingen te volgen met behulp van het opto-akoestische Doppler-effect.

Opto-akoestische (foto-akoestische) detectie vereist meestal complexe lasertechnologieën. Dergelijke technieken kunnen nanoseconden lengte genereren (1-100 ns), hoogenergetische korte fotonpulsen die conventioneel voorbijgaande (kortstondige) energie in het tijdsdomein (TD) verlichten. De ultrakorte pulsen kunnen de emissie van breedband ultrasone golven stimuleren, verzameld in het microsecondebereik om opto-akoestische beelden te vormen. Echter, complexe lasertechnologie kan een lage pulsherhalingsfrequentie (PRF) opleggen en het aantal golflengten dat gelijktijdig beschikbaar is voor spectrale beeldvorming beperken. Om dergelijke limieten te vermijden, Kellnberger et al. ontwikkelde frequentiedomein opto-akoestische microscopie (FDOM), waarin de lichtintensiteit kan worden geregeld of gemoduleerd op meerdere discrete frequenties met behulp van kosteneffectieve hardware.

Verklaring van frequentiecodering in FDOM met dubbele golflengte. a) Vereenvoudigd schema van frequentiecodering op verschillende golflengten. Laserbron 1 die uitzendt bij λ1 =488 nm werd geladen met de laagste modulatiefrequentie f1, terwijl laserbron 2 die uitzendt bij λ2 =808 nm werd geladen met de hoogste modulatiefrequentie-afweer. Tijdens beeldvorming, we hebben de modulatie van golflengte λ1 verhoogd en de modulatiefrequentie van λ2 verlaagd in stappen van fstep met oneven aantallen modulatiefrequenties. b) Schematische weergave van meerdere modulatiefrequenties die worden gebruikt voor beeldvorming, toont de superpositie van frequenties op twee golflengten. Credit: Licht:wetenschap en toepassingen . Doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0101-2

Zo ver, opto-akoestische beeldvorming heeft alleen vertrouwd op technieken die signalen detecteren in het tijdsdomein (TD) of die welke slechts een enkele frequentie scannen op een of twee golflengten in het frequentiedomein (FD). De huidige studie was een primeur om in vivo opto-akoestische beeldvorming in een diermodel uit te voeren via gelijktijdige verlichting met twee golflengten.

De wetenschappers combineerden FDOM tot een hybride systeem om de relatie tussen beeldvorming en frequentieregeling te onderzoeken. Het gebruik van discrete frequenties (maximaal negen), stond niet-invasieve opto-akoestische Doppler-verschuivingsmetingen toe als stroomwaarnemingen in een microfluïdische stroomkamer in het laboratorium eerst, en daarna in weefselmicrovasculatuur in vivo. In de studie, Kellnberger et al. gebruikte twee CW-diodelasers die licht uitstraalden bij 488 nm en 808 nm voor verlichting.

De wetenschappers implementeerden de FDOM, werkend in het frequentiebereik van 5-50 MHz, als een hybride systeem met multifoton (MP) microscopie werkend bij 1043 nm. Vervolgens voerden ze twee-/driedimensionale beeldvorming uit op basis van ultrasone amplitude- en fasemetingen op meerdere frequenties. De amplitude en fase van de gegenereerde opto-akoestische signalen werden opgelost via demodulatie in realtime en opgenomen met behulp van een analoog-naar-digitaal omzetter. Door de hoge herhalingsfrequenties de FDOM bereikte hoge signaal-ruisverhoudingen (SNR), wat leidt tot de waargenomen high-fidelity beelden. In totaal, de studie onderzocht de relatie tussen de modulatiefrequentie, beeldgetrouwheid en de signaal-ruisverhouding (SNR).

Single-wavelength FDOM beeldvorming van een hechtdraad en ex vivo zebravis monsters. a) Een schematische illustratie van het scannen van twee kruisende hechtingen. b) Kleurgecodeerde FDOM-afbeeldingen van twee hechtingen van 50 m, gebaseerd op verlichting bij 488 nm en modulatiefrequenties van 10, 20, 30, en 40 MHz. De kleurfrequentieruimteweergave (FSR) legt de bijdragen van elke modulatiefrequentie op elkaar. Het FSR-beeld in grijswaarden op basis van vier frequenties toont het uiteindelijke beeld. c) Doorsnedeprofiel van de stippellijn weergegeven in paneel b, die de contrasten vergelijkt die worden onthuld door de verschillende modulatiefrequenties. d) Ex vivo beeldvorming van een zebravis larve oogbol. Het paarse beeld werd gereconstrueerd met behulp van lage (L) frequenties (10, 15, en 20 MHz); het groene beeld met middelste (M) frequenties (25, 30, en 35 MHz); en het rode beeld met hoge (H) frequenties (40, 45, en 50 MHz). De kleurgecodeerde overlay van alle frequenties (FSR, 10 tot 50 MHz) benadrukt de bijdrage van elk spectraal gebied. e) Oranje kleur geeft de amplitudesom weer voor de negen gebruikte modulatiefrequenties. f) Een helderveldbeeld van een zebravisoog, het valideren van de getrouwheid van FDOM-afbeeldingen. g) Een vergelijking van de signaal-ruisverhoudingen (SNR's) van afbeeldingen van twee kruisende hechtingen (40 m diameter) verkregen via FD en TD opto-akoestische microscopie. Het FDOM-beeld leverde een SNR van ~ 35 dB op. h) Onder vergelijkbare experimentele instellingen, TD-microscopie resulteerde in een SNR van ~ 29 dB. Credit: Licht:wetenschap en toepassingen . Doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0101-2

Om de kenmerken van FD fotoakoestische beeldvorming te identificeren, de wetenschappers beeldden een paar gekruiste hechtingen in water af bij twee golflengten (488 nm en 808 nm) en discrete modulatiefrequenties. De superpositie van verschillende frequentiebijdragen droeg informatie over het afgebeelde object (hechtingen).

Om informatie uit complexere structuren te halen, Kellnberger et al. het oog van 5 dagen oude wildtype zebravis lava ex vivo in beeld gebracht, gebruikmakend van negen modulatiefrequenties die 10-50 MHz omspannen in stappen van 5 MHz. De wetenschappers vergeleken ook de SNR (signaal-ruisverhouding) tussen de FDOM-methode en conventionele TD, die varieerde volgens experimentele parameters (laserenergie, stroomverbruik en data-acquisitie hardware).

Multifrequentie-amplitude- en fasegegevens zouden dus kunnen worden verwerkt voor 3D-beeldreconstructie met behulp van een Fourier-transformatie op basis van frequentieruimterepresentatie (FSR) en tijdruimterepresentatie (TSR). Vergeleken met TSR, de op FSR gebaseerde beeldreconstructie was rekenkundig sneller en vereiste geen gegevensinversie tijdens beeldreconstructie.

Single- en dual-golflengte FDOM-beeldvorming van een muisoor in vivo. a) FDOM-beeldvorming bij 488 nm. Cyaan kleur staat voor het gereconstrueerde beeld, van negen gelijk verdeelde frequenties in het bereik van 10 tot 50 MHz. b–d) Individuele beelden verkregen bij modulatiefrequenties van 10, 30, en 50 MHz, die de structuren weergeven in het gestippelde vak in paneel a. e) SNR als functie van n frequenties die werden gebruikt voor FSR-reconstructie. Een asymptotische verbetering wordt waargenomen voor n > 8 discrete frequenties. f) Een profielweergave van het gestippelde vak in paneel a, die wordt afgebakend door een witte gestippelde pijl. Het toont de relatie tussen modulatiefrequentie en beeldresolutie aan. Gele kruisen markeren de beeldresolutie als functie van de modulatiefrequentie:snellere modulatie (50 MHz) kan kleine structuren duidelijk oplossen, zelfs tot 4 m, terwijl langzamere modulatie (10 MHz) dat niet kan. g–l) Hybride FDOM/multiphoton-beeldvorming van een muizenoor na de injectie van melanoomcellen. g) Een overlay-afbeelding die werd verkregen met behulp van vier labelvrije microscopiemodaliteiten:FDOM bij 488 nm en 808 nm, SHG bij 522 nm, en THG bij 348 nm. h) Een helderveldbeeld dat de resultaten valideert die zijn verkregen via hybride microscopie; MC, melanoom cellen. i) FDOM-beeldvorming bij 488 nm die vasculatuur- en melanoomcellen toont. j) Een FDOM-beeld bij 808 nm dat B16F10-melanoomcellen laat zien die in het muizenoor zijn geïnjecteerd. k) Een SHG-beeld dat de collageenverdeling in de epidermis laat zien. l) Een THG-beeld dat de weefselmorfologie toont; voornamelijk keratinocyten en haarzakjes. Credit: Licht:wetenschap en toepassingen . Doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0101-2

Voor op FDOM gebaseerde in vivo weefselbeeldvorming, de wetenschappers observeerden het oor van een verdoofde muis. Ze verkregen artefactvrije beelden met meerdere modulatiefrequenties die overeenkwamen met de ruimtelijke frequenties van het afgebeelde object. De wetenschappers gebruikten maximaal negen frequenties in het onderzoek. De SNR van het beeld nam toe van ~14 dB bij een enkele frequentie tot ~30 dB bij negen frequenties voor scherpere beelden.

Vervolgens observeerden ze een muizenoor met murine metastatische melanoomcellen in vivo zoals voorheen via gesynchroniseerde excitatie van twee golflengten (488 nm en 808 nm) bij afzonderlijke modulatiefrequenties. Met behulp van gecombineerde opto-akoestische en optische microscopie, Kellnberger en collega's waren in staat om de weefselkenmerken (d.w.z. vasculatuur, melanoom cellen, collageen en keratinocyten) zonder conventionele fluorescerende tags of labels.

Kellnberger et al. voerde vervolgens FD micro-Doppler (µDoppler) metingen uit met de opstelling voor de eerste keer in een muizenoor voor opto-akoestische beeldvorming van de microcirculatoire bloedstroom in vivo. Voordat u de beoogde metingen uitvoert, de wetenschappers gebruikten zwarte koolstofdeeltjes met verschillende circulatiesnelheden in een microfluïdische chip om de experimentele opstelling te valideren. De µDoppler FDOM werd gebruikt om daarna een kaart van de microcirculatie in een muizenoor te genereren. De microcirculatoire bloedstroom onthulde een geleidelijk toenemende snelheid van de rand van het vat naar de kern.

Opto-akoestische beeldvorming van microcirculatoire bloedstroom in een muizenoor in vivo. a Een schema van de µDoppler-detectieopstelling. FL1− stroom 1 weg van de VS-sensor, FL2− stroom 2 weg van de US-sensor (FL2− < FL1−), FL1+ flow 1 naar de US-sensor, IN stroomrichting in de chip, MC microfluïdische chip, OL objectieve lens, P-deeltjes, Amerikaanse echografie, UT ultrasone klankomvormer, fmod modulatie frequentie, OUT stroomrichting uit de chip. De close-upbeelden illustreren de experimentele detectie van deeltjes die weg bewegen van de ultrasone sensor, wat overeenkomt met een Doppler-roodverschuiving. b-d Gemiddelde frequentiespectra verkregen bij stroomsnelheden van 0 mm·s−1 (groen), 0.3 mm·s−1 (rood), of 1,3 mm·s−1 (rood). De laatste twee stroomsnelheden tonen respectievelijke roodverschuivingen van 2 Hz en 7 Hz vanaf de modulatiefrequentie omdat deeltjes wegstromen van de transducer. e Dopplerverschuivingen gemeten van koolstofdeeltjes als functie van de stroomsnelheid in een microfluïdische chip. De zwarte lijn toont een lineaire pasvorm voor de gegevens. f Een maximale intensiteitsprojectie van een interessegebied (ROI) van 160 × 160 µm² in het muisoor, die microvascularisatie vertoont. Schaalbalk, 30 µm. g Een Doppler FDOM-stroomkaart die is opgenomen in dezelfde ROI, met een piekamplitude van de geregistreerde stroom in de bloedvaten. H, i Een blend en een overlay van de Doppler-stroomkaart g en het opto-akoestische beeld f, die piekamplitudes tonen als Doppler rood en blauw verschuift ten opzichte van de positie van de transducer. j Een overlay van Doppler-kaarten met rood- en blauwverschuiving op de galvanometrische scan in paneel f. Witte pijlen geven de afgeleide richtingen van de bloedstroom in verschillende bloedvaten aan. k Een profielscan over een enkel capillair op de positie aangegeven door de witte pijlen in de galvanometrische scan in paneel g. De rode lijn vertegenwoordigt een parabolische aanpassing aan de geregistreerde Doppler-verschuivingsgegevens met een maximale bloedstroomsnelheid van 0,44 mm·s−1. De grijze ononderbroken curve toont de piekamplitudes op elke meetpositie. Credit: Licht:wetenschap en toepassingen . Doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0101-2.

Op deze manier, de studie toonde voor het eerst het gebruik van op frequentiedomein opto-akoestische microscopie (FDOM) gebaseerde signaaldetectie en demodulatie aan. De wetenschappers vingen signalen van amplitude en fase op bij meerdere frequenties van het afgebeelde object. De collectieve experimentele opstelling bevatte goedkope lichtbronnen, gelijktijdige multigolflengte-verlichting en directe Doppler-gebaseerde stroommetingen. In toekomstige studies, Kellnberger et al. zal de modulatiefrequenties kwantificeren, de beelddiepte en verhoog de beeldresolutie met behulp van een verbeterde experimentele opstelling.

Wetenschappers ontdekken een proces dat fusieplasma's stabiliseert

Hoe bouw je een 3D-geprinte deeltjesvanger met gratis CERN-schema's?

Hoofdlijnen

Wetenschap

Elektronica
Biologie
Zonsverduistering
Wiskunde
French | Italian | Spanish | Portuguese | Swedish | German | Dutch | Danish | Norway |