本文描述了一种新型的光声显微成像与光学相干断层扫描双模态系统的构建及其操作流程,可用于对兔子等较大动物的脉络膜视网膜进行无创、免标记成像。
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本文描述了一种新型的光声显微成像与光学相干断层扫描双模态系统的构建及其操作流程,可用于对兔子等较大动物的脉络膜视网膜进行无创、免标记成像。
光声眼部成像是一种新兴的眼科成像技术,可通过将光能转化为声波实现对眼部组织的无创可视化,目前正处于深入研究阶段。然而,迄今大多数已报道的研究集中于对大鼠和小鼠等小型动物眼球后段的成像,由于这些动物的眼球尺寸较小,难以向临床人眼应用转化。本文介绍一种新型的光声显微成像(PAM)与光学相干断层扫描(OCT)双模态系统,适用于兔等较大动物眼球后段的成像。本文详细描述该系统的配置、系统校准、动物准备以及双模态实验方案 体内详细介绍了在兔子中进行无创、无标记的脉络膜视网膜成像的方法。通过代表性实验结果展示了该方法的有效性,包括利用光声显微成像(PAM)和光学相干断层扫描(OCT)获取的视网膜和脉络膜血管结构。本文为在兔子中重现成像结果以及推进大动物光声眼成像提供了实用指南。
近几十年来,生物医学光声成像领域取得了迅猛发展1,2,3,4,5,6,7,8。基于光能向声能的转换,新兴的光声成像技术能够对从细胞器、细胞、组织、器官到小型动物全身等不同尺度的生物样本进行可视化,并揭示其解剖学、功能、分子、遗传及代谢信息1,2,9,10,11,12。光声成像已在细胞生物学13,14、血管生物学15,16、神经科学17,18、肿瘤学19,20,21,22、皮肤病学23、药理学24和血液学25,26等多个生物医学领域展现出独特的应用价值。其在眼科中的应用,即光声眼成像,已引起科学家和临床医生的广泛关注,目前正处于积极研究之中。
与常规使用的ocular成像技术相比27例如荧光素眼底血管造影(FA)和吲哚菁绿血管造影(ICGA)(基于荧光对比)、光学相干断层扫描(OCT)(基于光散射对比)及其衍生技术OCT血管成像(基于红细胞运动对比),光声眼成像则利用光吸收作为对比机制。这与传统的眼科成像技术不同,为研究眼部组织的光吸收特性提供了独特的工具,而这些特性通常与眼部组织的病理生理状态相关联。28迄今为止,光声眼成像领域已取得大量卓越的研究成果29,30,31,32,33,34,35,36,37但这些研究主要集中在大鼠和小鼠等小型动物眼球的后段。这些开创性研究充分证明了光声成像在眼科应用中的可行性,然而由于大鼠和小鼠的眼球尺寸远小于人类(不足人类眼球尺寸的三分之一),该技术在向临床转化方面仍面临诸多挑战。当应用于较大眼球的后段成像时,超声波需传播更长的距离,可能导致信号强度显著下降,图像质量严重受损。
为实现这一目标,我们近期报道了利用集成的光声显微镜(PAM)和谱域光学相干断层扫描(SD-OCT)对活体兔进行无创、无标记的脉络膜视网膜成像38。该系统性能优异,能够基于眼组织内源性的吸收和散射对比,对较大动物眼睛的视网膜和脉络膜进行可视化。在兔的初步实验结果表明,PAM可在570 nm波长下以显著低于美国国家标准协会(ANSI)安全限值(160 nJ)的激光曝光剂量(约80 nJ)无创地区分单个视网膜和脉络膜血管39;而OCT则能清晰分辨不同的视网膜层次、脉络膜和巩膜。这是首次在较大动物中实现后段眼组织的PAM成像,考虑到兔眼球的轴向长度(18.1 mm)40约为人类(23.9 mm)的80%,该技术可能成为向临床转化的重要一步。
本研究中,我们详细描述了用于活体兔无创、无标记脉络膜视网膜成像的双模态成像系统及实验方案,并通过典型的视网膜和脉络膜成像结果展示了该系统的性能。
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兔子属于美国农业部(USDA)管辖的物种,其在生物医学研究中的使用需遵循严格的规定。所有兔类实验均在获得密歇根大学动物使用与护理委员会(UCUCA)批准的实验动物方案后(方案编号 PRO00006486,项目负责人 Yannis Paulus),依照视觉与眼科研究协会(ARVO)关于动物在眼科与视觉研究中使用的声明进行。
1. 系统配置
2. 系统校准
3. 兔子准备
4. SD-OCT 成像
5. PAM 成像
6. 成像后处理
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作者实验室已使用四只新西兰白兔成功测试了该双模态成像系统及实验方案。以下展示部分代表性结果。
图1 展示了光声显微成像(PAM)与谱域光学相干断层扫描(SD-OCT)双模态成像系统的示意图。该系统由以下模块组成:光声光源、可调激光衰减器、光束准直器、能量计、扫描头、光声检测与采集模块、OCT单元以及同步电子控制系统。详细的系统配置见第1.1节。
图2展示了使用双模态成像系统获取的兔脉络膜血管的典型成像结果。图2(a)为眼底照片,显示脉络膜血管分布在兔眼底的大部分区域,而视网膜血管则局限于髓鞘层内。
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完整且规则的泪膜对于获取高质量的眼底图像至关重要。不规则或退化的泪膜会显著降低图像质量42。为了维持泪膜的完整性并防止角膜浅层点状角膜病变,必须频繁使用洗眼液对角膜进行润滑,大约每两分钟一次。若对眼球透明度存在任何疑虑,应使用裂隙灯和荧光素试纸检查角膜状况。
在对较大动物的眼后段进行成像时,可能会遇到多种困难,包括光声信号随距离增加而衰减(尤其是高频成分)、角膜脱水以及光学像差等问题。光声信号在被针状超声换能器探测到之前,其幅度通常会经历显著衰减。眼球越大,信号衰减越严重。兔子的眼球尺寸(约18.1 mm)约为大鼠的三倍、小鼠的六倍,这使得对兔眼的成像尤为具有挑战性。为了获得理想的成像质量,宜采用小直径(本研究中经准直后为2 mm)且波前准直(理想情况下为平面波前)的激光束,因为这种光束受角膜固有光学像差的影响最小,并能良好聚焦于视网膜上。这一点对于降低激光照射剂量和提高图像分辨率至关重要。此外,根据实验结果,应选用中心频率为27 MHz的超声换能器,而非更高中心频率的换能器,因为在此距离下该频率可获得最大的超声信号。
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究得到了美国国立眼科研究所(National Eye Institute)4K12EY022299(YMP)、Fight for Sight-国际视网膜研究基金会(Fight for Sight-International Retinal Research Foundation)FFS GIA16002(YMP)、防盲研究基金会(Research to Prevent Blindness)的无限制部门资助,以及密歇根大学眼科与视觉科学系的大力支持。本研究使用了由美国国立眼科研究所P30 EY007003资助的视觉研究核心中心(Core Center for Vision Research)的资源。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 双模态成像系统 | |||
| OPO激光器 | Ekspla (Vilnius, Lithuania) | NT-242 | |
| 光束衰减器 | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | AHWP10M-600 | |
| 电动旋转台 | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | PRM1/MZ8 | |
| 电动旋转台控制器 | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | TDC001 | |
| 聚焦透镜 | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | AC254-250-B | |
| 针孔 | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | P50S | |
| 准直透镜 | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | AC127-030-B | |
| 光电二极管 | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | PDA36A | |
| 激光快门 | Vincent Associates Inc. (Toronto, Canada) | LS6S2T0 | |
| 激光快门驱动器 | Vincent Associates Inc. (Toronto, Canada) | VCM-D1 | |
| 二向色镜 | Semrock, Inc. (Rochester, NY, USA) | Di03-R785-t3-25×36 | |
| 扫描透镜 | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | OCT-LK3-BB | |
| 眼科透镜 | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | AC080-010-B-ML | |
| 超声换能器 | Optosonic Inc. (Arcadia, CA, USA) | 定制 | |
| 放大器 | L3 Narda-MITEQ (Hauppauge, NY, USA) | AU-1647 | |
| 带通滤波器 | Mini-Circuits (Brooklyn, NY, USA) | BLP-30+ | |
| 数字化仪 | DynamicSignals LLC (Lockport, IL, USA) | PX1500-4 | |
| 同步电子设备 | National Instruments Corporation (Austin, TX, USA) | USB-6353 | |
| OCT模块 | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | Ganymede-II-HR | |
| 色散补偿玻璃 | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | LSM03DC | |
| 照明LED光源 | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | MCWHF2 | |
| 功率计 | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | S121C | |
| 功率计接口 | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | PM100USB | |
| 高度测量工具 | Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) | BHM1 | |
| 眼底相机 | Topcon Corporation (Tokyo, Japan) | TRC 50EX | |
| Matlab | MathWorks (Natick, MA, USA) | 2017a | |
| 示波器 | Teledyne LeCroy (Chestnut Ridge, NY, USA) | WaveJet 354T | |
| 动物实验 | |||
| 水循环毯 | Stryker Corporation (Kalamazoo, MI, USA) | TP-700 | |
| 盐酸氯胺酮注射液 | Par pharmaceutical, Inc. (Woodcliff Lake, NJ, USA) | NDC 编码 42023-115-10 | |
| 盐酸赛拉嗪 | VetOne (Boise, ID, USA) | NDC 编码 13985-704-10 | |
| 托吡卡胺滴眼液 | Akorn Pharmaceuticals Inc. (Lake Forest, IL, USA) | NDC 编码 17478-102-12 | |
| 盐酸去氧肾上腺素滴眼液 | Paragon BioTeck, Inc. (Portland, OR, USA) | NDC 编码 42702-102-15 | |
| 眼润滑剂 | Hub Pharmaceuticals LLC (Rancho Cucamonga, CA, USA) | NDC 编码 17238-610-15 | |
| 洗眼液 | Altaire Pharmaceuticals, Inc. (Aquebogue, NY, USA) | NDC 编码 59390-175-18 | |
| 盐酸丁卡因滴眼液 | Bausch & Lomb, Inc. (Rochester, NY, USA) | NDC 编码 24208-920-64 | |
| 氟比洛芬钠滴眼液 | Bausch & Lomb, Inc. (Rochester, NY, USA) | NDC 编码 24208-314-25 | |
| 新霉素和多粘菌素B硫酸盐及地塞米松眼膏 | Bausch & Lomb, Inc. (Rochester, NY, USA) | NDC 编码 24208-795-35 | |
| 美洛昔康注射液 | Henry Schein Inc. (Queens, NY, USA) | NDC 编码 11695-6925-1 |
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