Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Zintegrowana fotoakustyczna oftalmoskopia i optyczna koherentna tomografia w dziedzinie widmowej

11.1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/4390

⸱

15 stycznia 2013

 ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, Northwestern University, 2Department of Physics, Harbin Institute of Technology, 3Department of Ophthalmology, University of Southern California, 4Department of Ophthalmology, Northwestern University

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

Oftalmologia fotoakustyczna (PAOM), będąca modalnością obrazowania opartą na absorpcji optycznej, umożliwia uzupełniającą ocenę siatkówki w stosunku do obecnie dostępnych technologii obrazowania okulistycznego. Przedstawiamy zastosowanie PAOM zintegrowanego z optyczną koherencyjną tomografią w domenie widmowej (SD-OCT) do jednoczesnego multimodalnego obrazowania siatkówki u szczurów.

Streszczenie

Zarówno diagnostyka kliniczna, jak i badania podstawowe w zakresie głównych chorób oczu w znacznym stopniu korzystają z różnych nieinwazyjnych technologii obrazowania okulistycznego. Istniejące metody obrazowania siatkówki, takie jak fotografia dna oka1, konfokalna skaningowa oftalmoskopia laserowa (cSLO)2 oraz optyczna koherentna tomografia (OCT)3, wnoszą istotny wkład w monitorowanie początków i progresji chorób, a także w opracowywanie nowych strategii terapeutycznych. Opierają się one jednak głównie na fotonach odbitych od siatkówki. W konsekwencji właściwości absorpcyjne siatkówki, które zazwyczaj są ściśle powiązane z jej stanem patofizjologicznym, pozostają nieosiągalne dla tradycyjnych technologii obrazowania.

Oftalmoskopia fotoakustyczna (PAOM) to rozwijająca się metoda obrazowania siatkówki, która umożliwia wykrywanie kontrastów absorpcji optycznej w oku z wysoką czułością4-7. W PAOM nanosekundowe impulsy laserowe są dostarczane przez źrenicę i skanowane w obrębie tylnego odcinka oka w celu wywołania sygnałów fotoakustycznych (PA), które są wykrywane przez niefokusowany przetwornik ultradźwiękowy przymocowany do powieki. Ze względu na silną absorpcję optyczną hemoglobiny i melaniny, PAOM umożliwia nieinwazyjne obrazowanie naczyń krwionośnych siatkówki i naczyniówki oraz melaniny nabłonka barwnikowego siatkówki (RPE) z wysokim kontrastem 6,7. Co ważniejsze, w oparciu o dobrze rozwinięte spektroskopowe obrazowanie fotoakustyczne5,8, PAOM ma potencjał do mapowania wysycenia hemoglobiny tlenem w naczyniach siatkówki, co może mieć kluczowe znaczenie w badaniu fizjologii i patologii kilku chorób prowadzących do ślepoty 9, takich jak retinopatia cukrzycowa i związane z wiekiem zwyrodnienie plamki żółtej typu naczyniowego.

Ponadto, jako jedyna istniejąca modalność obrazowania okulistycznego oparta na absorpcji optycznej, PAOM może być zintegrowana z dobrze ugruntowanymi klinicznymi technikami obrazowania okulistycznego, aby umożliwić bardziej kompleksowe oceny anatomiczne i funkcjonalne oka w oparciu o wiele kontrastów optycznych6,10. W niniejszej pracy integrujemy PAOM i OCT w domenie spektralnej (SD-OCT) w celu jednoczesnego obrazowania siatkówki szczura in vivo, co pozwala na ujawnienie zarówno właściwości absorpcji, jak i rozpraszania optycznego siatkówki. Przedstawiono konfigurację systemu, jego wyrównanie oraz proces akwizycji obrazów.

Protokół

1. Konfiguracja systemu

  1. Podsystem PAOM
    1. Źródło oświetlenia: laser Nd:YAG (SPOT-10-100, Elforlight Ltd, UK: 20 μJ/impuls; czas trwania impulsu 2 nsec; maksymalna częstotliwość repetycji impulsów 30 kHz).
    2. Promień lasera o długości 1064 nm jest poddawany podwajaniu częstotliwości do 532 nm za pomocą kryształu boranu beta-baru (BBO) (CasTech, San Jose, CA). Po dalszym rozdzieleniu przez lustro liniowe lasera, światło o długości 532 nm jest dostarczane przez jednomodowe światłowodowe włókno optyczne (P1-460A-FC-5, Thorlabs), a laser o długości 1064 nm jest rejestrowany przez fotodiodę (DET10A, Thorlabs), która wyzwala akwizycję sygnału PA.
    3. Światło laserowe wychodzące z jednomodowego włókna optycznego jest kierowane na siatkówkę za pomocą galwanometru (GM, QS-7, Nutfield Technology) oraz konfiguracji teleskopu (f1=75 mm i f2=14 mm, Edmund Optics)6.
    4. Niefokusowany przetwornik igłowy (częstotliwość centralna 40-MHz, szerokość pasma 16-MHz, rozmiar elementu czynnego 0,4×0,4 mm2, NIH Resource Center for Ultrasonic Transducer Technologies, The University of Southern California) jest umieszczany w kontakcie z powieką w celu wykrycia sygnałów PA generowanych z siatkówki. Między końcówką przetwornika a powieką zwierzęcia nakłada się żel ultradźwiękowy (Sonotech) dla zapewnienia dobrego sprzężenia akustycznego.
    5. Sygnał PA jest wzmacniany przez dwa wzmacniacze (ZFL-500LN+, Mini-circuits oraz 5073PR, Olympus) i digitalizowany przez płytę akwizycji danych (CS14200, Gage Applied).
  2. Podsystem SD-OCT
    1. Źródło światła o niskiej koherencji: szerokopasmowa dioda superluminescencyjna (IPSDD0804, InPhenix; długość fali centralnej: 840 nm; szerokość pasma 6-dB: 50 nm), która determinuje rozdzielczość osiową wynoszącą 6 μm.
    2. Światło bliskiej podczerwieni jest rozdzielane na ramię referencyjne i ramię próbki przez dostosowany jednomodowy sprzęgacz światłowodowy 50×50 (OZ Optics).
    3. Po połączeniu ze światłem oświetlającym PAOM za pomocą lustra grzewczego (FM02, Thorlabs), ramię próbki OCT korzysta z tej samej optyki skanującej i dostarczającej co PAOM6.
    4. Do rejestracji sygnałów interferencyjnych SD-OCT wykorzystywany jest spektrometr własnej konstrukcji, w którym kamera CCD z odczytem liniowym (Aviiva SM2, e2v) umożliwia szybkość linii A na poziomie 24 kHz. Konstrukcję typowych spektrometrów można znaleźć w kilku wcześniej opublikowanych opracowaniach11, a spektrometry SD-OCT sprzęgnięte światłowodowo są obecnie dostępne komercyjnie. Czułość SD-OCT mierzona jest jako lepsza niż 90 dB.
  3. Schemat Skanowania
    1. Szybkie dwuwymiarowe skanowanie rastrowe galwanometru jest sterowane przez analogową płytę wyjściową (PCI-6731, National Instruments), która wyzwala również zarówno impulsowanie lasera PAOM, jak i akwizycję sygnału spektrometru OCT. W rezultacie akwizycja danych w podsystemach PAOM i OCT jest zsynchronizowana.
    2. Akwizycja danych PAOM jest wyzwalana przez fotodiodę rejestrującą sekwencję lasera PAOM (patrz 1.1.2).
    3. Trójwymiarowe obrazy wolumetryczne lub dwuwymiarowe obrazy dna oka są konstruowane z 256 obrazów B-scan (256 linii A na jeden obraz B-scan).

2. Kalibracja systemu

  1. Maksymalizuj wydajność podwajania częstotliwości kryształu BBO oraz wydajność sprzężenia jednomodowego światłowodu optycznego. Podczas optymalizacji światła oświetlającego w PAOM należy stosować gogle ochronne LG3 (Thorlabs) w celu ochrony wzroku personelu.
  2. Skolimuj wiązkę lasera wyjściowego z włókna PAOM do średnicy 2,0 mm.
  3. Ustaw połączone światła oświetlające PAOM i SD-OCT tak, aby były współosiowe.
  4. Ustaw światło wzbudzenia PAOM na wartość ~40 nJ/puls oraz światło badawcze SD-OCT na ~0,8 mW; obie te wartości są raportowane jako bezpieczne dla wzroku 6,12.

3. Multimodalne obrazowanie siatkówki in vivo

  1. Przenieś szczura do przezroczystego pudełka z polipropylenu i znieczul zwierzę mieszaniną izofluranu (Phoenix pharmaceutical, Inc.) i powietrza o stężeniu 1,5% i przepływie 2,0 l/min przez 10 min.
  2. Ustabilizuj znieczuczonego szczura w wykonanym własnoręcznie uchwycie z regulacją w pięciu osiach (Rycina 1), a temperaturę ciała należy utrzymać na poziomie ~37 °C za pomocą maty grzewczej (Repti therm, Zoomed laboratories, Inc.). Przez cały czas trwania eksperymentu należy podtrzymywać znieczulenie poprzez podawanie mieszaniny gazowej izofluranu i powietrza atmosferycznego z zachowaniem stężenia 1,0% i przepływu 1,5 l/min.
  3. Odciąć rzęsy za pomocą nożyczek chirurgicznych, rozszerzyć źrenice przy użyciu 1% roztworu okulistycznego tropikamidu oraz sparaliżować mięsień zwieracz tęczówki, stosując 0,5% roztwór okulistyczny chlorowodorku tetrakainy. Co drugą minutę aplikować do oka szczura krople sztucznych łez (Systane, Alcon Laboratories, Inc.), aby zapobiec odwodnieniu rogówki i powstaniu katarakty. Podczas obrazowania monitorować tętno, oddech i natlenienie krwi zwierzęcia za pomocą pulsoksymetru (8,600 V, Nonin Medical, MN).
  4. Włącz światło iluminacyjne SD-OCT i sprawdź, czy moc światła pomiarowego wynosi ok. 0,8 mW.
  5. Aktywuj skanowanie galwanometrem. Skieruj wiązkę światła SD-OCT na siatkówkę szczura i zidentyfikuj interesujący obszar siatkówki (ROI), regulując pięcioosiowy uchwyt dla zwierząt. W tym przypadku tarcza nerwu wzrokowego została celowo umieszczona w centrum pola widzenia, natomiast ROI należy wybrać zgodnie z konkretnymi wymaganiami badawczymi.
  6. Dalszo dostosuj uchwyt zwierzęcy, aby zoptymalizować jakość obrazowania SD-OCT przekroju poprzecznego siatkówki w obu kierunkach skanowania (poprzez zmianę kierunku skanowania rastrowego), aż do uzyskania najlepszego ostrzenia optycznego.
  7. Przygotuj przetwornik igłowy na pięcioosiowej platformie regulacyjnej, nanieś kroplę żelu ultradźwiękowego na końcówkę przetwornika, a następnie delikatnie przykładaj końcówkę przetwornika do powieki zwierzęcia.
  8. Ustaw laser PAOM w trybie wyzwalania zewnętrznego, uruchom skanowanie galwanometryczne i aktywuj wyświetlanie w czasie rzeczywistym obrazu przekroju siatkówki zwierzęcia w trybie PAOM. Ostrożnie reguluj orientację przetwornika, aż obraz PAOM uzyska najlepszy stosunek sygnału do szumu (SNR), a jednocześnie zaobserwowane zostaną równomiernie rozłożone wzorce amplitudy PA w obu kierunkach skanowania.
  9. Ustaw parametry skanowania, a następnie przeprowadź jednoczesne obrazowanie siatkówki za pomocą SD-OCT i PAOM. Zrekonstruuj trójwymiarowe obrazy SD-OCT i PAOM w trybie off-line. Kody rekonstrukcyjne zostały napisane w programie Matlab, a wizualizację trójwymiarową uzyskano przy użyciu darmowego oprogramowania (Volview, Kitware). Algorytm rekonstrukcji SD-OCT znajduje się w punkcie Ref. 11 a algorytm rekonstrukcji PAOM znajduje się w odniesieniu. 6 oraz ref.13W razie potrzeby powtórzyć procedury z punktów 3.7)–3.9).
  10. Po zakończeniu eksperymentu wyłączyć światło sondy SD-OCT, niezwłocznie wyjąć zwierzę z uchwytu i utrzymywać je w cieple do czasu naturalnego wybudzenia. Przez dodatkową godzinę trzymać zwierzę w ciemnym otoczeniu, aby oczy mogły się zregenerować. Całkowity czas trwania eksperymentu, obejmujący znieczulenie zwierzęcia i akwizycję obrazowania, wynosi mniej niż 30 min w przypadku doświadczonego operatora.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Rysunek 2 przedstawia dwuwymiarowe obrazy dna oka uzyskane jednocześnie za pomocą SD-OCT i PAOM odpowiednio u szczura albinosa (A i B) oraz szczura pigmentowanego (C i D). Na obrazach dna oka SD-OCT (Rysunki 2A i 2C) naczynia siatkówki mają ciemny wygląd ze względu na absorpcję światła badawczego przez hemoglobinę. Oprócz naczyń siatkówki (RV na Rysunku 2B), PAOM wizualizuje naczynia naczyniówki (CV na Rysunku 2B) w oku ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

W niniejszej pracy przedstawiamy szczegółową instrukcję jednoczesnego obrazowania siatkówki oczu szczura in vivo z wykorzystaniem PAOM w połączeniu z SD-OCT. Oparty na rozpraszaniu optycznym SD-OCT jest prawdopodobnie klinicznym „złotym standardem” obrazowania siatkówki3; jednak nie jest on czuły na wykrywanie absorpcji optycznej w siatkówce. Nowo opracowana metoda PAOM jest jedyną opartą na absorpcji optycznej modalnością obrazowania okulistycznego, która dostarcza informacji o właściwościach absorpc...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Wszystkie procedury eksperymentalne z udziałem zwierząt zostały zatwierdzone przez Institutional Animal Care and Use Committee Uniwersytetu Northwestern.

Podziękowania

Dziękujemy za hojne wsparcie National Science Foundation (CAREER CBET-1055379) oraz National Institutes of Health (1RC4EY021357, 1R01EY019951). Wyrażamy również wdzięczność za wsparcie udzielone Wei Song przez China Scholarship Council.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Bibliografia

  1. Kinyoun, J. L., Martin, D. C., Fujimoto, W. Y., Leonetti, D. L. Ophthalmoscopy versus fundus photographs for detecting and grading diabetic retinopathy. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 33 (6), 1888-1893 (1992).
  2. Schuman, J. S., Wollstein, G., Farra, T., Hertzmark, E., Aydin, A., Fujimoto, J. G., Paunescu, L. A. Comparison of optic nerve head measurements obtained by optical coherence tomography and confocal scanning laser ophthalmoscopy. Am. J. Ophthalmol. 135 (4), 504-512 (2003).
  3. Strøm, C., Sander, B., Larsen, N., Larsen, M., Lund-Andersen, H. Diabetic macular edema assessed with optical coherence tomography and stereo fundus photography. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 43 (1), 241-245 (2002).
  4. Hu, S., Maslov, K., Wang, L. V. Three-dimensional Optical-resolution Photoacoustic Microscopy. J. Vis. Exp. (51), e2729(2011).
  5. Wang, L. V. Multiscale photoacoustic microscopy and computed tomography. Nat. Photonics. 3 (9), 503-509 (2009).
  6. Jiao, S., Jiang, M., Hu, J., Fawzi, A., Zhou, Q., Shung, K. K., Puliafito, C. A., Zhang, H. F. Photoacoustic ophthalmoscopy for in vivo retinal imaging. Opt. Express. 18 (4), 3967-3972 (2010).
  7. Wei, Q., Liu, T., Jiao, S., Zhang, H. F. Image chorioretinal vasculature in albino rats using photoacoustic ophthalmoscopy. J. Mod. Optic. 58 (21), 1997-2001 (2011).
  8. Liu, T., Wei, Q., Wang, J., Jiao, S., Zhang, H.F Combined photoacoustic microscopy and optical coherence tomography can measure metabolic rate of oxygen. Biomed. Opt. Express. 2 (5), 1359-1365 (2011).
  9. Yu, D., Cringle, S. J. Oxygen distribution and consumption within the retina in vascularised and avascular retinas and in animal models of retinal disease. Prog. Retin. Eye Res. 20 (2), 175-208 (2001).
  10. Song, W., Wei, Q., Liu, T., Kuai, D., Burke, J. M., Jiao, S., Zhang, H. F. Integrating photoacoustic ophthalmoscopy with scanning laser ophthalmoscopy, optical coherence tomography, and fluorescein angiography for a multimodal retinal imaging platform. J. Biomed. Opt. 17 (6), 061206(2012).
  11. Mark, E. Brezinski Optical Coherence Tomography: Principles and Applications. , Academic Press. (2006).
  12. Hu, S., Rao, B., Maslov, K., Wang, L. V. Label-free photoacoustic ophthalmic angiography. Opt. Lett. 35 (1), 1-3 (2010).
  13. Zhang, H. F., Maslov, K., Wang, L. V. In vivo imaging of subcutaneous structures using functional photoacoustic microscopy. Nature protocols. 2, 797-804 (2007).
  14. Ling, T., Chen, S. L., Guo, L. J. High-sensitivity and wide-directivity ultrasound detection using high Q polymer microring resonators. Appl. Phys. Lett. 98 (20), 204103(2011).
  15. Xie, Z., Jiao, S., Zhang, H. F., Puliafito, C. A. Laser-scanning optical-resolution photoacoustic microscopy. Opt. Lett. 34, 1771-1773 (2009).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

OCT w domenie widmowejobrazowanie siatkówkiabsorpcja optycznarozpraszanie optyczneprzetwornik ultradźwiękowyskanowanie galwanometryczneobrazowanie in vivonaczynia krwionośne siatkówkinabłonek barwnikowy siatkówki
Zintegrowana fotoakustyczna oftalmoskopia i optyczna koherentna tomografia w dziedzinie widmowej
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.