Integreret Photoacoustic oftalmoskopi og Spectral-domænet Optical Coherence Tomography

Summary

Photoacoustic oftalmologi (PAOM), en optisk-absorption-baserede imaging modalitet, giver den supplerende evaluering af nethinden til de aktuelt tilgængelige ophthalmiske imaging teknologier. Vi rapporterer hjælp af PAOM integreret med spektral-domæne optisk kohærens tomografi (SD-OLT) til samtidig multimodale retinal imaging hos rotter.

Abstract

Både den kliniske diagnose og grundlæggende undersøgelser af vigtige øjensygdomme stor gavn af forskellige ikke-invasive ophthalmiske imaging teknologier. Eksisterende retinale billeddiagnostiske metoder såsom fundus fotografering ^1, konfokal scanning laser oftalmoskopi (cSLO) ^2, og optisk kohærens tomografi (OCT) ^3, har betydelige bidrag i overvågningen sygdom indledninger og progressioner, og udvikle nye terapeutiske strategier. Men de overvejende afhængige af back-reflekterede fotoner fra nethinden. Som følge heraf er de optiske absorptionsegenskaber af nethinden, som normalt stærkt associeret med retinal patofysiologi status, utilgængelige fra den traditionelle imagografiteknikker.

Fotoakustisk oftalmoskopi (PAOM) er en ny retinal afbildningsmodalitet, der tillader detektion af de optiske absorptions kontraster i øjet med en høj følsomhed ^4-7. I PAOM nanosecond laserimpulser leveres gennem pupillen og scannes over den bageste øjet at inducere fotoakustisk (PA) signaler, som detekteres af en ufokuseret ultralydtransducer fastgjort til øjenlåget. På grund af den kraftige optiske absorption af hæmoglobin og melanin, er PAOM i stand til ikke-invasivt billeddannelse de retinale og choroidale vasculatures, og det retinale pigmentepitel (RPE) melanin ved høje kontraster ^6,7. Hvad vigtigere er, baseret på den veludviklede spektroskopisk fotoakustisk billeddannelse ^5,8, PAOM har potentiale til at kortlægge hæmoglobinoxygenmætning i nethindekar, hvilket kan være kritisk i at studere fysiologi og patologi af flere blindende sygdomme ⁹ såsom diabetisk retinopati og neovaskulær aldersrelateret maculadegeneration.

Desuden er den eneste eksisterende optiske absorption-baserede oftalmisk afbildningsmodalitet kan PAOM blive integreret med veletablerede kliniske ophthalmiske imaging techniques at opnå mere omfattende anatomiske og funktionelle evalueringer af øjet baseret på flere optiske kontraster ^6,10. I dette arbejde, integrerer vi PAOM og spektral-domæne OCT (SD-OLT) til samtidig in vivo retinal billeddannelse af rotte, hvor både optisk absorption og spredning egenskaber af nethinden er afsløret. Det systemkonfiguration, system tilpasning og imaging erhvervelse præsenteres.

Protocol

1. Systemkonfiguration

1. PAOM Subsystem
   1. Belysningskilden: a Nd: YAG laser (SPOT-10-100, Elforlight Ltd, UK: 20 μJ / puls, 2 nsek impulsvarighed, 30 kHz højst impulsgentagelseshastighed).
   2. Udgangen laser ved 1064 nm er frekvens-fordoblet til 532 nm med en beta-barium-borat (BBO) krystal (CasTech, San Jose, CA). Efter yderligere opdeling af en laserlinje spejl, er 532 nm lys afgivet gennem en single-mode optisk fiber (P1-460A-FC-5, Thorlabs), og 1064 nm laser registreres af en fotodiode (DET10A, Thorlabs), som udløser PA signal erhvervelse.
   3. Laserlyset kommer ud af den optiske single-mode fiber leveres på nethinden af et galvanometer (GM, QS-7, Nutfield Technology) og et teleskop konfiguration (f1 = 75 mm og f2 = 14 mm, Edmund Optics) ^6.
   4. En ufokuseret nål transducer (40-MHz centrale frekvens, 16 MHz båndbredde, 0,4 × 0,4 mm ^to aktive element størrelse, NIH Resource Center for ultralydstransducer Technologies, University of Southern California) er placeret i kontakt med øjenlåget til at registrere PA signaler genereret fra nethinden. Ultrasonic gel (Sonotech) anvendes mellem transduceren spids og dyr øjenlåg for god akustisk kobling.
   5. PA signal forstærkes af to forstærkere (ZFL-500LN +, mini-kredsløb, og 5073PR, Olympus), og digitaliseres af en datafangst board (CS14200, Gage Applied).
2. SD-OLT-undersystem
   1. Lav kohærens lyskilde: en bredbåndsforbindelse super-selvlysende diode (IPSDD0804, InPhenix, center bølgelængde: 840 nm; 6-dB båndbredde: 50 nm), som bestemmer den aksiale opløsning på 6 pm.
   2. Det nærinfrarøde lys opdeles at henvise arm og prøve arm af en 50 × 50 tilpassede single-mode fiber kobling (OZ Optics).
   3. Efter kombination med PAOM lysende lys ved en varm spejl (FM02, Thorlabs), aksjer oktober prøve arm samme scanning og levering optik with PAOM ^6.
   4. Et hjem indbygget spektrometer bruges til at registrere SD-OLT-interferenssignaler, hvor en linje scan CCD-kamera (Aviiva SM2, e2v) giver en A-line på 24 kHz. Design af typiske spektrometre kan findes fra flere tidligere offentliggjorte litteratur ¹¹ og fiber-koblede SD-okt spektrometre er nu kommercielt tilgængelige. SD-OLT følsomhed er målt til at være bedre end 90 dB.
3. Scanning Scheme
   1. Fast 2-D raster scanning af galvanometer styres af et analogt output board (PCI-6731, National Instruments), som også udløser både PAOM laser fyring og signalet erhvervelse af OCT-spektrometer. Som et resultat, er de data opkøb i PAOM og OLT delsystemer synkroniseret.
   2. Den PAOM dataopsamling er udløst af en fotodiode indspilning PAOM laser sekvens (se 1.1.2).
   3. 3-D volumetriske billeder eller 2-D fundus billeder er konstrueret af 256 B-scan billeder (256 A-linjer pr B-Scan billede).

2. System Alignment

1. Maksimere frekvens-fordobling effektivitet BBO krystal og koblingseffektiviteten af ​​den optiske single-mode fiber. Bær LG3 beskyttelsesbriller (Thorlabs) for personale øjenbeskyttelse ved optimering af PAOM belysende lys.
2. Kollimere fiber output laser af PAOM til 2,0 mm i diameter.
3. Juster de kombinerede belysning lys PAOM og SD-OLT at være koaksiale.
4. Indstil PAOM excitationslys på ~ 40 NJ / puls og SD-OLT sondering lys på ~ 0,8 mW, som begge er rapporteret at være øjet sikker ^6,12.

3. In vivo Multimodal Retinal Imaging

1. Overfør rotte til en gennemsigtig polypropylen boks, og bedøve dyret med en blanding af isofluran (Phoenix Pharmaceutical, Inc.) og normal luft i en koncentration på 1,5% og en strømningshastighed på 2,0 liter / min i 10 min.
2. Begrænse den bedøvet rotte i en homemade holder med fem-akset indstillelig fri (fig. 1), og holde sin kropstemperatur ved ~ 37 ° C ved en varmepude (Repti therm, Zoomed Laboratories, Inc.). Opretholde anæstesi ved inhalation gas blandet isofluran og normal luft med 1,0% koncentration og 1,5 liter / min strømningshastighed under hele forsøget.
3. Skær øjenvipper med en kirurgisk saks, spile eleverne med 1% tropicamid øjendråber, og lamme iris lukkemuskel anvendelse af 0,5% tetracainhydrochlorid øjendråber. Anvende kunstige tårepræparater dråber (Systane, Alcon Laboratories, Inc.) til rotte øjet hvert andet minut for at forhindre hornhinden dehydrering og kataraktdannelse. Følge dyrets puls, respiration, og blodets iltning af et pulsoximeter (8600 V, Nonin Medical, MN) under billedbehandling.
4. Tænd SD-OLT belysende lys og tjek tast-lys til at være ~ 0,8 mW.
5. Aktiver galvanometer scanning. Juster SD-OLT-bestråling lys leveringpå rotte-retina og identificere det retinale område af interesse (ROI) ved at justere fem-akset dyr holder. Her er den optiske disk forsætligt placeret i midten af ​​synsfeltet, mens ROI bør vælges baseret på forskellige forskningsbehov.
6. Yderligere justere dyret indehaveren at optimere de SD-okt billeddannelse kvaliteter retinal tværsnit i begge scanning retninger (ved at skifte raster scanning retning), indtil den bedste optiske fokus er nået.
7. Forbered nålen transduceren på en fem-akset justerbar platform, anvende en dråbe af ultralyd gel til transduceren spids, og forsigtigt kontakte transducerspidsen til dyret øjenlåg.
8. Sæt PAOM laser til den eksterne trigger mode, starter galvanometer scanning, og aktivere real-time visning af PAOM tværgående billede af dyret nethinden. Afstemme transduceren retning indtil PAOM billedet har det bedste signal-til-støj-forhold (SNR), og i mellemtiden, viser en jævnt distributed PA amplitude mønstre i begge scanning retninger.
9. Indstil scanningsparametre og udføre den samtidige retinal imaging af SD-OLT og PAOM. Rekonstruere de tredimensionale billeder af SD-OLT og PAOM off-line. Vores genopbygning koder blev skrevet i Matlab og tredimensional visualisering blev opnået uing en freeware (Volview, Kitware). Algoritmen til SD-oktober genopbygningen kan findes i ref. ¹¹ og algoritmen for PAOM genopbygning kan findes i ref. ⁶ og ref. ^13. Gentag om nødvendigt procedurer 3,7) -3,9).
10. Efter eksperiment, skal du slukke for SD-OLT sondering lys, skal du fjerne dyret fra indehaveren heraf straks, og hold den varm, indtil det vågner naturligt. Hold dyret i mørke omgivelser for en ekstra time for øjnene at komme sig. Hele eksperimentelle varighed, herunder dyret anæstesi og billedbehandling erhvervelse, er mindre end 30 min for en erfaren operatør.

Representative Results

Figur 2 viser de 2-D fundus billeder af SD-OLT PAOM erhverves samtidig i en albinorotter (A og B) og en pigmenteret rotte (C og D) hhv. I SD-oktober fundus billeder (figur 2A og 2C), har retinale kar mørkt udseende på grund af hæmoglobin absorptionen af tast-lys. Ud over retinale kar (RV i figur 2B), visualiserer PAOM de koroidale vasculatures (CV i figur 2B) i albino øje på grund af den manglende RPE melanin. Fordi pigmenteret øje har høj melanin koncentration, PAOM billeder RPE (figur 2D) med høj kontrast i tillæg til de retinale kar. I alle retinal imaging, er den maksimale scanning vinkel 26 grader, og den billeddannende overtagelsen finder ~ 2,7 sek. For at demonstrere den tredimensionelle billeddannelse evne PAOM, er en volumetrisk rendering af dataene vist i figur 2b vist i Figure 3.

Figur 1. Foto af fem-akset dyr holder. Pilene 1-5 fremhæve de fem justerbare friheder og pil 6 fremhæver dyret harpiksstopperen.

Figur 2. Samtidig erhvervet SD-OCT (A og C) og PAOM (B og D) fundus billeder. A) og B) er anskaffet fra en albinorotter, og C) og D) erhverves fra en pigmenteret rotte. RV: nethindekar, CV: choroidal fartøj RPE: retinale pigmentepitel. Bar: 500 um.

<strong> Figur 3. Volumetrisk visualisering af PAOM i en albino rotte nethinden.

Discussion

Her præsenterer vi en detaljeret instruktion om samtidig in vivo retinal imaging af rotte øjnene ved hjælp af PAOM kombineret med SD-okt. Optisk spredning baseret SD-oktober er måske det kliniske "gold standard" for retinal imaging ^3, men det er ikke følsom til at påvise den optiske absorption i nethinden. Den nyudviklede PAOM er det eneste optiske absorption-baserede ophthalmiske afbildningsmodalitet, der tilvejebringer optiske absorptionsegenskaber af nethinden ^6. Fordi hæmoglobin og melanin er endogent kraftige optiske absorberende pigmenter, PAOM muliggør den behandlende af anatomi og funktioner af de retinale / choroidal fartøjer og RPE uden at ty til yderligere kontrastmidler.

I PAOM har ufokuserede ultralydstransducer en begrænset følsomhed region (~ 2,8 x 2,8 mm ^{2) 10} på grund af sin begrænsede aktivt element, som forårsager en henfaldet detektionsfølsomhed af PA-signaler mod tHan periferi af synsfelt (FOV). Således bør vippevinkel af transduceren justeres omhyggeligt for at opnå en homogen retinal FOV. En potentiel erstatning for den traditionelle piezoelektrisk transducer er at anvende mikro-ring resonator, der har lavere støj ækvivalente trykværdier og bredere detektering directivity ^14, som kan tilvejebringe et mere homogent nethindebillede med bedre SNR i PAOM. Sammenligning med SD-OLT PAOM har lignende lateral opløsning (~ 20 pm), men meget værre aksial opløsning (~ 23 um) på grund af den nuværende begrænsede ultralyd båndbredde ^6. Den aksiale opløsning på PAOM potentielt kan forbedres ved at anvende nye ultralyds detektor så godt. Kalibreringen metode PAOM resolutioner blev tidligere rapporteret ^6,15.

Sammenfattende giver det integrerede PAOM og SD-oktober billeddannelsessystem mere omfattende anatomiske og funktionelle evaluering af nethinden, og derfor besidder store løfter iden fremtidige kliniske diagnose og ledelserne i mange øjensygdomme.