Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

تنظير العين الضوئي متكاملة والطيفي المجال بالاتساق التصوير المقطعي البصري

Published: January 15, 2013 doi: 10.3791/4390
Automatic Translation
*1,2, *1, 3, 1,4
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

Summary

طب العيون الضوئي (PAOM)، وهي طريقة من طرق التصوير الضوئي امتصاص القائم، ويوفر التقييم التكميلية من شبكية العين إلى تقنيات التصوير العيني المتاحة حاليا. نحن الإبلاغ عن استخدام من PAOM متكاملة مع الطيفية المجال التصوير المقطعي التماسك البصري (SD-OCT) للتصوير المتعدد الوسائط الشبكية في وقت واحد في الفئران.

Abstract

كل من التشخيص السريري والتحقيق الأساسية للأمراض العين الرئيسية تستفيد كثيرا من مختلف المنظمات غير الغازية تقنيات التصوير العيني. القائمة طرائق التصوير الشبكية، مثل التصوير قاع 1، مبائر المسح بالليزر تنظير العين (cSLO) 2، والتصوير المقطعي التماسك البصري (OCT) 3، لديها مساهمات كبيرة في رصد المرض وonsets التعاقب، ووضع استراتيجيات علاجية جديدة. ومع ذلك، فإنها تعتمد في الغالب على الفوتونات ينعكس من إعادة الشبكية. ونتيجة لذلك، واستيعاب خصائص البصرية من الشبكية، والتي عادة ما يرتبط بقوة مع حالة الفيزيولوجيا المرضية في شبكية العين، لا يمكن الوصول إليها من قبل تقنيات التصوير التقليدية.

تنظير العين الضوئي (PAOM) هو طريقة من طرق التصوير الشبكية الناشئة التي تسمح للكشف عن التناقضات امتصاص البصرية في العين مع حساسية عالية 4-7. في نان PAOMيتم تسليم نبضات الليزر osecond خلال بؤبؤ العين وفحصها عبر العين الخلفي للحث الضوئي (PA) الإشارات، التي يتم الكشف عنها بواسطة محول بالموجات فوق الصوتية وغير مركزة تعلق على الجفن. بسبب امتصاص البصرية قوية من الهيموجلوبين والميلانين، PAOM قادر على غير جراحية تصوير الشبكية والمشيمية vasculatures، وظهارة الصباغ الشبكية (RPE) الميلانين في التناقضات عالية 6،7. الأهم من ذلك، على أساس التصوير الضوئي متطورة الطيفية 5،8، PAOM لديه القدرة على رسم خريطة للتشبع الأكسجين الهيموغلوبين في الأوعية الشبكية، والتي يمكن أن تكون حاسمة في دراسة علم وظائف الأعضاء وعلم الأمراض من الأمراض المسببة للعمى عدة 9 مثل اعتلال الشبكية السكري و حديث التوعي تنكس القرنية المرتبط بتقدم السن.

وعلاوة على ذلك، يجري فقط الضوئية القائمة على أساس استيعاب طريقة التصوير العيني، ويمكن أن تكون متكاملة مع PAOM راسخة السريرية التصوير العيني الشركة المصرية للاتصالاتchniques لتحقيق أكثر شمولا التقييمات التشريحية والوظيفية للعين على أساس التناقضات البصرية متعددة 6،10. في هذا العمل، ونحن دمج PAOM والطيفية المجال-OCT (SD-OCT) لفي وقت واحد في التصوير المجراة من الفئران الشبكية، حيث يتم الكشف عن كل من امتصاص البصرية وخصائص نثر من شبكية العين. وتعرض نظام المحاذاة تكوين النظام، واكتساب التصوير.

Protocol

1. نظام التكوين

  1. PAOM النظام الفرعي
    1. مصدر الإضاءة: والثانية: YAG الليزر (SPOT-10-100، Elforlight المحدودة، UK: 20 μJ / نبض، 2 NSEC مدة نبض و 30 كيلو هرتز الحد الأقصى نبض معدل الرسوب).
    2. ليزر الانتاج في 1064 نانومتر والتردد تضاعف إلى 532 نانومتر بواسطة بيتا بورات الباريوم-(BBO) الكريستال (CasTech، سان خوسيه، كاليفورنيا). بعد الانقسام، من خلال تبني مرآة خط ليزر، يتم تسليم 532 نانومتر ضوء من خلال الألياف البصرية أحادية النمط (P1-460A-FC-5، Thorlabs)، ويتم تسجيل 1064 نانومتر ليزر من قبل الثنائي الضوئي (DET10A، Thorlabs)، والتي يطلق PA إشارة الشراء.
    3. يتم تسليم ضوء الليزر الخروج من الألياف البصرية أحادية النمط على شبكية العين من قبل الجلفانومتر (GM، QS-7، Nutfield التكنولوجيا) وتكوين تلسكوب (F1 = 75 مم و F2 = 14 مم، ادموند البصريات) 6.
    4. ومحول الإبرة غير مركزة (40-ميغاهيرتز وسط تردد، عرض النطاق الترددي ميغاهرتز 16-، 0.4 × 0.4 مم 2 المساحة العنصر النشط، NIH الموارد Centeيتم وضع R لتقنيات محول بالموجات فوق الصوتية، وجامعة جنوب كاليفورنيا) في اتصال مع الجفن للكشف عن اشارات PA المتولدة من شبكية العين. يتم تطبيق هلام بالموجات فوق الصوتية (Sonotech) بين طرف الجفن ومحول الحيوانية لتوصيل الصوت العالية.
    5. يتم تضخيمه إشارة من قبل اثنين من مكبرات الصوت PA (ZFL-500LN +، ميني دوائر، و5073PR، أوليمبوس)، ورقمية من خلال لجنة الحصول على البيانات (CS14200، غيج التطبيقية).
  2. SD-OCT النظام الفرعي
    1. انخفاض التماسك مصدر الضوء: النطاق العريض فائقة الانارة الصمام الثنائي (IPSDD0804، InPhenix؛ الطول الموجي مركز: 840 نانومتر؛ 6 ديسيبل عرض النطاق الترددي: 50 نانومتر)، والذي يحدد القرار المحوري من 6 ميكرون.
    2. يتم تقسيم الضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة إلى مرجع ذراع والذراع عينة من 50 × 50 مخصصة مقرنة الألياف أحادية النمط (OZ بصريات).
    3. بعد الجمع مع إلقاء الضوء على ضوء PAOM بواسطة مرآة الساخنة (FM02، Thorlabs)، OCT الذراع عينة المسح تشاطر نفس والتسليم واي البصرياتال PAOM 6.
    4. يتم استخدام مطياف محلي الصنع لتسجيل إشارات التداخل SD-OCT، حيث خط المسح الضوئي CCD كاميرا (Aviiva SM2، E2V) يسمح معدل ألف خط من 24 كيلو هرتز. ويمكن الاطلاع على تصميم نموذجي من عدة الطيف الآداب المنشورة سابقا 11 و الألياف يقترن الطيف SD-OCT الآن متاحة تجاريا. يتم قياس حساسية SD-OCT أن يكون أفضل من 90 ديسيبل.
  3. مسح نظام
    1. يتم التحكم بسرعة 2-D النقطية للمسح الجلفانومتر عليها من قبل هيئة الإخراج التماثلي (PCI-6731، الصكوك الوطنية)، التي يطلق أيضا على حد سواء اطلاق الليزر PAOM واكتساب إشارة من مطياف أكتوبر ونتيجة لذلك، تتم مزامنة البيانات في عمليات الاستحواذ والنظم الفرعية PAOM أكتوبر
    2. يتم تشغيل الحصول على البيانات من قبل PAOM تسلسل تسجيل الثنائي الضوئي ليزر PAOM (انظر 1.1.2).
    3. هي التي شيدت 3-D الصور الحجمي أو 2-D صور من صور قاع B-256 المسح الضوئي (256 A B خطوط لكل-مسح الصورة).

2. نظام محاذاة

  1. تحقيق أقصى قدر من الكفاءة التردد مضاعفة من الكريستال BBO وكفاءة توصيل من الألياف البصرية أحادية النمط. ارتداء نظارات واقية LG3 (Thorlabs) لأفراد حماية العين عند تحسين ضوء إلقاء الضوء PAOM.
  2. Collimate الليزر الناتج من الألياف PAOM إلى 2.0 ملم في القطر.
  3. محاذاة أضواء إنارة مجتمعة PAOM وOCT-SD لتكون المحورية.
  4. تعيين ضوء الإثارة PAOM في نيو جيرسي 40 ~ / SD النبض وسبر OCT-النور في ميغاواط 0.8 ~، وكلاهما تشير التقارير إلى أن العين آمنة 6،12.

3. المجراة في التصوير المتعدد الوسائط الشبكية

  1. نقل الفئران إلى مربع البولي بروبلين شفافة، وتخدير الحيوان من خلال مزيج من الهواء isoflurane (فينيكس الدوائية، وشركة) وطبيعية عند تركيز 1.5٪ ومعدل تدفق 2.0 لتر / دقيقة لمدة 10 دقيقة.
  2. تخدير الفئران كبح جماح في homemaدي حامل مع خمسة محاور الحرية للتعديل (الشكل 1)، والحفاظ على درجة حرارة الجسم في ~ 37 درجة مئوية بواسطة وسادة التدفئة (Repti THERM والمختبرات مكبرة أو مصغرة، وشركة). الحفاظ على التخدير بالغاز استنشاق الهواء المختلط isoflurane وطبيعية مع تركيز 1.0٪ و 1.5 لتر / دقيقة معدل التدفق في كافة مراحل التجربة.
  3. قطع رمش باستخدام مقص جراحي، تمدد التلاميذ مع 1٪ تروبيكاميد حل العيون، ويشل العضلة العاصرة قزحية العيون باستخدام هيدروكلوريد 0.5٪ تتراكائين الحل. تطبيق قطرات المسيل للدموع اصطناعية (Systane، ألكون المختبرات، وشركة) للعين الفئران كل دقيقة أخرى لمنع الجفاف القرنية وتشكيل الساد. رصد معدل ضربات القلب الحيوانية، والتنفس، والأوكسجين في الدم بواسطة نبض oximeter (8600 V، Nonin الطبية، MN) خلال التصوير.
  4. بدوره على ضوء إلقاء الضوء SD-OCT وتحقق ضوء التحقيق أن يكون ~ 0.8 ميغاواط.
  5. تفعيل المسح الجلفانومتر. محاذاة ضوء أشعة SD-OCT التسليمعلى شبكية العين الفئران وتحديد المنطقة الشبكية ذات الاهتمام (ROI) عن طريق ضبط صاحب الحيوان خمس المحور. هنا، يتم وضع القرص البصري عمدا في مركز مجال الرؤية، في حين يجب أن يتم تحديد العائد على الاستثمار على أساس الاحتياجات البحثية المختلفة.
  6. ضبط المزيد من صاحب الحيوان لتحسين الصفات SD-OCT تصوير المقطع العرضي الشبكية في كلا الاتجاهين المسح الضوئي (عن طريق التحول باتجاه المسح النقطية) حتى يتم الوصول إلى أفضل التركيز البصري.
  7. إعداد محول الإبرة على منصة خمس محور قابل للتعديل، وتطبيق قطرة من هلام بالموجات فوق الصوتية لطرف محول، والاتصال بلطف غيض محول إلى الجفن الحيوان.
  8. تعيين PAOM الليزر لوضع الخارجي للإطلاق، بدء المسح الجلفانومتر، وتفعيل في الوقت الحقيقي عرض الصورة مستعرضة PAOM من شبكية العين الحيوانية. ضبط دقيق لاتجاه محول حتى صورة PAOM ديه أفضل إشارة إلى نسبة الضوضاء (دائرة الاستخبارات الوطنية)، وفي هذه الأثناء، يظهر بشكل متساو صributed أنماط السعة PA في كلا الاتجاهين المسح الضوئي.
  9. تعيين المعلمات المسح الضوئي، والتصوير في وقت واحد إجراء شبكية العين من SD-OCT وPAOM. إعادة بناء الصور ثلاثية الأبعاد من SD-OCT وPAOM خارج الشبكة. كانت مكتوبة رموز إعادة الإعمار لدينا في Matlab وتحقق التصور ثلاثي الأبعاد uing مجانيه (Volview، Kitware). يمكن العثور على خوارزمية لSD-OCT إعادة الإعمار في المرجع 11 و يمكن العثور على خوارزمية لإعادة الإعمار في PAOM المرجع 6 و المرجع 13. إذا لزم الأمر، كرر اجراءات 3.7) -3.9).
  10. بعد التجربة، إيقاف ضوء SD-OCT التحقيق، وإزالة الحيوان من صاحب فورا، وإبقائه دافئا حتى يستيقظ بشكل طبيعي. الحفاظ على الحيوانات في بيئة مظلمة لمدة ساعة اضافية لعيون لاسترداد. طوال مدة تجريبية، بما في ذلك اقتناء الحيوانات والتخدير والتصوير، وأقل من 30 دقيقة للعامل من ذوي الخبرة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ويبين الشكل 2 2-D صور قاع SD-OCT وPAOM المكتسبة في وقت واحد في الفئران البيضاء (A و B) والفئران مصطبغة (C و D)، على التوالي. في الصور قاع SD-OCT (أرقام 2A و2C) والأوعية الشبكية يكون المظهر المظلم الذي يبدو بسبب امتصاص الهيموغلوبين للضوء التحقيق. بالإضافة إلى السفن الشبكية (RV في الشكل 2B)، PAOM يتصور vasculatures المشيمية (CV في الشكل 2B) في العين البيضاء بسبب الميلانين RPE متوفرة. لأن العين المصطبغة يحتوي على نسبة عالية التركيز الميلانين، PAOM الصور RPE (الشكل 2D) مع التباين العالي بالإضافة إلى السفن في شبكية العين. في جميع الشبكية التصوير، وزاوية المسح القصوى هي 26 درجة واكتساب التصوير يأخذ ~ 2،7 ثانية. للتدليل على قدرة التصوير ثلاثي الأبعاد من PAOM، يعطى تقديم الحجمي للبيانات المبينة في الشكل 2B في الارقام ..ه 3.

الشكل 1
الشكل 1. صورة حاملها الحيوان خمس المحور. الأسهم 1-5 تسليط الضوء على الحريات الخمس قابل للتعديل والسهم 6 يسلط الضوء على restrainer الحيوان.

الشكل 2
الشكل 2. حصلت في وقت واحد SD-OCT (A و C) وPAOM (B و D) صور قاع. A) وB) يتم الحصول من الفئران البيضاء، وC) وD) يتم الحصول عليها من فأر المصطبغة. RV: سفينة الشبكية؛ CV: سفينة المشيمية؛ RPE: ظهارة الصباغ الشبكية. شريط: 500 ميكرومتر.

الشكل 3
<STRONG> الشكل 3. التصور الحجمي لPAOM في شبكية العين الفئران البيضاء.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

هنا سنتطرق لتعليمات مفصلة عن التصوير في وقت واحد في الجسم الحي من العيون الشبكية باستخدام الفئران PAOM جنبا إلى جنب مع SD واكتوبر نثر الضوئية القائمة على SD-OCT هو، ربما، السريرية "معيار الذهب" للتصوير الشبكية 3؛ ومع ذلك، فإنه ليست حساسة للكشف عن امتصاص البصرية في شبكية العين. وPAOM المطورة حديثا هو فقط التصوير الضوئي امتصاص العيون المستندة إلى طريقة التي توفر خصائص امتصاص البصرية من الشبكية 6. لأن الهيموغلوبين والميلانين قوية البصرية التطور الطبيعي أصباغ استيعاب، PAOM تمكن التحقيق من التشريح ووظائف الأوعية الشبكية / المشيمية وRPE ودون اللجوء إلى عوامل التباين إضافية.

في PAOM، ومحول بالموجات فوق الصوتية غير مركزة لديه حساسية المنطقة محدودة (~ 2.8 × 2.8 ملم 2) 10 بسبب العنصر النشط محدود، والذي يسبب حساسية للإشارات الكشف التهاوي نحو PA رانه محيط مجال الرؤية (FOV). وبالتالي، ينبغي زاوية إمالة للمحول تعديلها بعناية لتحقيق FOV متجانسة الشبكية. استبدال محول إمكانية للكهرضغطية التقليدية هو تطبيق الصغيرة الحلقة مرنان، التي لديها أقل القيم الضوضاء يعادل الضغط وتوسيع نطاق الكشف الاتجاهية 14، والتي قد توفر صورة أكثر تجانسا مع SNR الشبكية بشكل أفضل في PAOM. مقارنة مع SD-OCT، PAOM لديه قرار الجانبية مماثلة (~ 20 ميكرون) ولكن القرار المحوري أسوأ بكثير (~ 23 ميكرون) بسبب عرض النطاق الترددي محدودة حاليا بالموجات فوق الصوتية 6. يمكن أن يحتمل هذا القرار المحوري من PAOM تحسين بالموجات فوق الصوتية للكشف عن طريق توظيف الرواية أيضا. كان الأسلوب السابق معايرة قرارات PAOM ذكرت 6،15.

وباختصار، فإن نظام متكامل التصوير PAOM وOCT-SD يقدم التشريحية أكثر شمولا والتقييم الوظيفي للشبكية العين، وبالتالي، يحمل وعودا كبيرة فيالتشخيص السريري والمستقبل إدارات اضطرابات العين كثيرة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

تمت الموافقة على جميع الإجراءات حيوانات التجارب من قبل رعاية الحيوان واللجنة المؤسسية الاستخدام من جامعة نورث وسترن.

Acknowledgments

نشكر الدعم السخي من مؤسسة العلوم الوطنية (التوظيف CBET-1055379) والمعاهد الوطنية للصحة (1RC4EY021357، 1R01EY019951). ونحن نعترف أيضا على دعم من مجلس المنح الدراسية الصين إلى أغنية وي.

References

  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).

Tags

الهندسة الطبية الحيوية، العدد 71، الهندسة الحيوية، والطب، علم التشريح، علم وظائف الأعضاء، أمراض العيون، الفيزياء، الفيزياء الحيوية، طب العيون الضوئي، تنظير العين، التصوير المقطعي التماسك البصري، والتصوير الشبكية، الطيفية المجال، التصوير المقطعي، الجرذ، نموذج حيواني، والتصوير
تنظير العين الضوئي متكاملة والطيفي المجال بالاتساق التصوير المقطعي البصري
Play Video
PDF DOI

Cite this Article

Song, W., Wei, Q., Jiao, S., Zhang,… More

Song, W., Wei, Q., Jiao, S., Zhang, H. F. Integrated Photoacoustic Ophthalmoscopy and Spectral-domain Optical Coherence Tomography. J. Vis. Exp. (71), e4390, doi:10.3791/4390 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter