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Bioengineering

Integrierte Photoakustische Ophthalmoskopie und Spectral-Domain Optical Coherence Tomography

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

Photoakustischen Ophthalmologie (PAOM), eine optische Absorption-basierenden Bildgebungsmodalität, bietet der ergänzenden Bewertung der Netzhaut zu den derzeit verfügbaren ophthalmische Imaging-Technologien. Wir berichten über die Verwendung von PAOM mit spektraler-Domain Optischen Kohärenztomographie (SD-OCT) zur gleichzeitigen multimodalen Netzhaut bei Ratten integriert.

Abstract

Sowohl die klinische Diagnose und grundlegende Untersuchung der wichtigsten Augenkrankheiten stark von verschiedenen nicht-invasive ophthalmologische Bildgebung Technologien profitieren. Bestehende Netzhaut Modalitäten wie Fundusfotografie 1, konfokale Laser-Scanning-Ophthalmoskopie (cSLO) 2, und die optische Kohärenztomographie (OCT) 3 haben wesentliche Beiträge bei der Überwachung Krankheit Einsätze und Progressionen, und die Entwicklung neuer therapeutischer Strategien. Jedoch verlassen sie überwiegend auf den Back-reflektierten Photonen von der Netzhaut. Als Folge sind die optischen Absorptionseigenschaften der Netzhaut, die üblicherweise stark mit retinalen Pathophysiologie Status verbunden, unzugänglich durch die traditionellen Imaging-Technologien.

Photoakustische Ophthalmoskopie (PAOM) ist eine aufstrebende Netzhaut Modalität, die den Nachweis der optischen Absorption Kontraste im Auge ermöglicht mit einer hohen Empfindlichkeit 4-7. In PAOM nanosecond Laserpulse durch die Pupille geliefert und abgetastet über den hinteren Auge photoakustischen (PA) Signalen, die durch einen unfokussierten Ultraschall-Wandler an dem Augenlid erkannt werden induzieren. Wegen der starken optischen Absorption von Hämoglobin und Melanin ist PAOM fähig nichtinvasiv Bildgebung die retinale und choroidale Blutgefäßverteilungen und dem retinalen Pigmentepithel (RPE) Melanin bei hohen Kontrasten 6,7. Noch wichtiger ist, basierend auf dem gut ausgebauten spektroskopische photoakustische Bildgebung 5,8 hat PAOM das Potenzial, die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins in retinalen Gefäßen, die entscheidend sein Studium der Physiologie und Pathologie von mehreren blendenden Krankheiten 9 wie diabetische Retinopathie kann abzubilden und neovaskulärem altersbedingter Makula-Degeneration.

Darüber hinaus ist das einzig existierende optische Absorption basierenden Augenheilkunde Bildgebungsverfahren können PAOM mit etablierten klinischen ophthalmologische Bildgebung te integriert werdenchniques zu erreichen umfassendere anatomische und funktionelle Auswertungen des Auges auf mehreren optischen Kontrast 6,10 berechnet. In dieser Arbeit, integrieren wir PAOM und Spektral-Domain-OCT (SD-OCT), um gleichzeitig in vivo Netzhaut von Ratten, bei denen sowohl optische Absorption und Streuung Eigenschaften der Netzhaut enthüllt. Die Konfiguration des Systems, System-Ausrichtung und Imaging Acquisition dargestellt.

Protocol

Ein. System Configuration

  1. PAOM Subsystem
    1. Beleuchtungsquelle: ein Nd: YAG-Laser (SPOT-10-100, Elforlight Ltd, UK: 20 uJ / Puls; 2 nsec Pulsdauer; 30 kHz maximalen Impulswiederholungsrate).
    2. Der Ausgang Lasers bei 1064 nm wird frequenzverdoppelten bis 532 nm durch ein Beta-Barium-Borat (BBO)-Kristall (Castech, San Jose, CA). Nach weiteren Spaltung durch eine Laserlinie Spiegel, wird 532 nm Licht durch eine Single-Mode-Lichtleitfaser (P1-460A-FC-5, Thorlabs) geliefert und 1064 nm-Laser wird durch eine Photodiode (DET10A, Thorlabs), die aufgezeichnet auslöst PA Signalerfassung.
    3. Der Laser kommende Licht aus der Monomode-Lichtleitfaser wird auf der Netzhaut durch ein Galvanometer (GM, QS-7, Nutfield Technology) und ein Teleskop Konfiguration geliefert (f1 = 75 mm und f2 = 14 mm, Edmund Optics) 6.
    4. Ein unkonzentriert Nadel Wandler (40-MHz Mittenfrequenz, 16-MHz-Bandbreite, 0,4 × 0,4 mm 2 aktive Element Größe, NIH Ressource Center für Ultraschall-Transducer Technologies, The University of Southern California) in Kontakt mit dem Augenlid platziert, um die PA-Signale von der Netzhaut erzeugt erkennen. Ultraschallgel (Sonotech) zwischen dem Wandler Spitze Augenlid und tierischer für gute akustische Kopplung angewendet wird.
    5. Das PA-Signal wird von zwei Verstärkern (ZFL-500LN +, Mini-Schaltungen und 5073PR, Olympus) verstärkt, und wird durch eine Datenerfassungsplatine digitalisiert (CS14200, Gage Applied).
  2. SD-OCT Subsystem
    1. Geringer Kohärenz Lichtquelle: eine breitbandige Superlumineszenzdiode (IPSDD0804, InPhenix; Mittenwellenlänge: 840 nm; 6-dB-Bandbreite: 50 nm), die die axiale Auflösung von 6 um bestimmt.
    2. Die Nah-Infrarot-Licht wird Aufgeteilt Arm und Probenarm durch einen 50 × 50 referenzieren angepassten Einmodenfaser Koppler (OZ Optics).
    3. Nach Kombination mit PAOM Beleuchtungslicht von einem heißen Spiegel (FM02, Thorlabs), Aktien Oktober Probenarm die gleiche Scan-und Lieferbedingungen Optik with PAOM 6.
    4. Ein selbstgebauten Spektrometer verwendet, um die SD-OCT Störsignalen, wo eine Zeilenkamera CCD-Kamera (Aviiva SM2, e2v) ermöglicht eine A-Zeilenfrequenz von 24 kHz erfassen. Design von typischen Spektrometer können aus mehreren bereits veröffentlichten Literatur 11 und fasergekoppelten SD-OCT-Spektrometer zu finden sind ab sofort im Handel erhältlich. Die SD-OCT-Empfindlichkeit wird gemessen, um besser als 90 dB.
  3. Abtastschema
    1. Fast 2-D Rasterabtastung des Galvanometers wird von einem Analog-Ausgabe-Karte (PCI-6731, National Instruments), die ebenfalls löst sowohl das PAOM Laseransteuerung und die Signalerfassung der OCT-Spektrometer gesteuert. Als Ergebnis werden die Daten Akquisitionen PAOM und OCT Subsysteme synchronisiert.
    2. Die PAOM Datenerfassung von einer Fotodiode Aufnahme PAOM Laser-Sequenz (siehe 1.1.2) ausgelöst.
    3. 3-D volumetrischen Bildern oder 2-D Fundusbilder von 256 B-Scan-Bilder konstruiert (256 A-Linien pro BScannen Bild).

2. System Alignment

  1. Maximieren des frequenzverdoppelnden Wirkungsgrad der BBO-Kristall und die Kopplungseffizienz des Einmoden-Lichtleitfaser ist. Tragen LG3 Schutzbrille (Thorlabs) für Personal Augenschutz bei der Optimierung der PAOM Beleuchtungslichts.
  2. Kollimieren Faserausgang Laser nach PAOM bis 2,0 mm im Durchmesser.
  3. Richten Sie die kombinierte Beleuchtung Lichter PAOM und SD-OCT zu sein koaxial.
  4. Stellen Sie die PAOM Anregungslicht bei ~ 40 nJ / Impuls und SD-OCT Sondieren Licht bei ~ 0,8 mW, welche beide berichtet augensicher 6,12 sein.

3. In vivo Multimodal Retinal Imaging

  1. Übertragen der Ratte auf eine transparente Polypropylen-Feld, und das Tier zu betäuben durch eine Mischung von Isofluran (Phoenix pharmazeutische, Inc.) und normaler Luft bei einer Konzentration von 1,5% und mit einer Fließgeschwindigkeit von 2,0 l / min für 10 min.
  2. Begrenze die narkotisierten Ratte in einem geficktde-Halter mit Fünf-Achs-verstellbare Freiheit (Abbildung 1), und halten ihre Körpertemperatur bei ~ 37 ° C durch ein Heizkissen (Repti therm, Zoomed Labors, Inc.). Pflegen Sie die Narkose durch Einatmen Gas gemischten Isofluran und normale Luft mit 1,0% iger Konzentration und 1,5 l / min Volumenstrom während des gesamten Experiments.
  3. Schneiden Sie die Wimpern mit einer chirurgischen Schere, erweitern die Schüler mit 1% Tropicamide ophthalmische Lösung, und lähmen die Iris Schließmuskel mit 0,5% Tetracainhydrochlorid ophthalmische Lösung. , Künstliche Tränenflüssigkeit (Systane, Alcon Laboratories, Inc.) mit dem Auge Ratte alle zwei Minuten, um Cornea Dehydratisierung und Kataraktbildung verhindern. Überwachen Sie den tierischen Herzfrequenz, Atmung und Blutoxygenierung von einem Pulsoximeter (8.600 V, Nonin Medical, MN) während der Bildgebung.
  4. Schalten Sie SD-OCT Beleuchtungslicht und überprüfen Sie die Sondierung Licht ~ 0,8 mW sein.
  5. Aktivieren Sie das Galvanometer Scannen. Richten Sie die SD-OCT Bestrahlungslichts Lieferungauf die Rattenretina und Identifizierung der retinalen Bereich von Interesse (ROI) durch Einstellen der Fünf-Achsen Tierhalter. Hierbei wird die Papille absichtlich in der Mitte des Sichtfeldes plaziert, während der ROI basierend auf verschiedenen Forschungsarbeiten Anforderungen gewählt werden sollte.
  6. Weitere einstellen Tierhalter, die SD-OCT-Bildgebung Qualitäten Netzhaut Querschnitt in beiden Scan-Richtung (durch Umschalten der Rasterabtastung Richtung) zu optimieren, bis die besten optischen Schwerpunkt erreicht wird.
  7. Bereiten Sie die Nadel Wandler auf einer Fünf-Achs-verstellbare Plattform, einen Tropfen von Ultraschall-Gel auf den Schallkopf Spitze und sanft an den Wandler Spitze des Tieres Augenlid.
  8. Set PAOM Laser an den externen Trigger-Modus, starten Sie den Galvanometer Scannen, und aktivieren Sie Echtzeit-Anzeige der PAOM Querschnitt Bild des Tieres Netzhaut. Sorgfältig einstellen Schallkopforientierung bis die PAOM Bild hat das beste Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und in der Zwischenzeit, zeigt eine gleichmäßig distributed PA Amplitudenmuster in beiden Scan-Richtungen.
  9. Stellen Sie die Scan-Parameter, und führen die gleichzeitige Netzhaut der SD-OCT und PAOM. Rekonstruieren dreidimensionale Bilder von SD-OCT und PAOM off-line. Unsere Rekonstruktion Codes wurden in Matlab geschrieben und dreidimensionale Visualisierung erreicht uing ein Freeware (Volview, Kitware). Der Algorithmus für die SD-OCT Rekonstruktion kann in Ref gefunden werden. 11 und der Algorithmus für PAOM Rekonstruktion kann in Ref gefunden werden. 6 und Nr. 13. Wenn nötig, wiederholen Verfahren 3.7) -3,9).
  10. Nach Experiment, schalten Sie die SD-OCT Sondieren Licht, entfernen Sie das Tier aus der Halterung sofort und warm halten, bis er aufwacht natürlich. Halten Sie das Tier in einer dunklen Umgebung für eine zusätzliche Stunde für die Augen zu erholen. Das gesamte Versuchsdauer einschließlich des Tieres Anästhesie und bildgebenden Erfassung, weniger als 30 min für einen erfahrenen Bediener.

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Representative Results

Abbildung 2 zeigt die 2-D Fundus Bilder von SD-OCT und PAOM erworbenen gleichzeitig in einem Albino-Ratte (A und B) und einer pigmentierten Ratte (C und D), jeweils. In den SD-OCT Fundus Bilder (2A und 2C), haben Netzhautgefäße dunkles Aussehen aufgrund der Hämoglobinabsorption der Sondierung Licht. Neben Netzhautgefäße (RV in 2B), visualisiert PAOM die Aderhaut Blutgefäßverteilungen (CV in 2B) in albino Auge wegen der fehlenden RPE Melanin. Da pigmentierte Auge weist eine hohe Konzentration Melanin, PAOM Bilder RPE (2D) mit hohem Kontrast zusätzlich zu den retinalen Gefäße. Beim gesamten Netzhaut, der maximale Abtastwinkel 26 Grad und die Abbildungsvorrichtung Akquisition ca 2,7 Sekunden. Um die dreidimensionale Abbildung Fähigkeit PAOM demonstrieren, wird ein volumetrischen Darstellung der Daten in 2b gezeigt in Figur gegebenene 3.

Abbildung 1
Abbildung 1. Photograph der Fünf-Achs-Tierhalter. Die Pfeile 1-5 markieren die fünf einstellbaren Freiheiten und den Pfeil 6 Highlights das Tier restrainer.

Abbildung 2
Abbildung 2. Gleichzeitig erwarb SD-OCT (A und C) und PAOM (B und D) Fundusbilder. A) und B) aus einem Albinoratte erworben, und C) und D) aus einem pigmentierten Ratte erworben. RV: Netzhautgefäße, CV: choroidalen Gefäß; RPE: Pigmentepithel. Bar: 500 um.

Abbildung 3
<strong> Abbildung 3. Volumetrische Visualisierung PAOM in einer Albino-Ratte Netzhaut.

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Discussion

Hier präsentieren wir eine detaillierte Anleitung bei gleichzeitiger in vivo Netzhaut von Ratten Augen mit PAOM mit SD-OCT kombiniert. Optical-Streuung auf SD-OCT ist vielleicht die klinische "Goldstandard" für die Netzhaut 3, jedoch ist es nicht empfindlich auf die optische Absorption in der Netzhaut zu erkennen. Der neu entwickelte PAOM ist das einzige optische Absorption basierende ophthalmische Bildgebungsmodalität die optischen Absorptionseigenschaften der Netzhaut 6 bietet. Da Hämoglobin und Melanin endogen starke optische absorbierende Pigmente sind, ermöglicht PAOM die Untersuchung der Anatomie und Funktion der Netzhaut / Aderhaut Schiffe und die RPE ohne Rückgriff auf zusätzliche Kontrastmittel.

In PAOM weist der unfokussierten Ultraschall-Wandler eine begrenzte Empfindlichkeit Bereich (~ 2,8 × 2,8 mm 2) 10 aufgrund seiner endlichen aktiven Element, das eine abgeklungen Erfassungsempfindlichkeit PA Signale in Richtung t bewirkter Peripherie des Sichtfelds (FOV). Somit sollte der Neigungswinkel des Wandlers sorgfältig eingestellt werden, um eine homogene retinalen FOV erreichen. Ein potentieller Ersatz für die herkömmliche piezoelektrische Wandler zu Mikro-Ringresonator, der niedriger rauschäquivalente Druckwerte und breiter Detektion Richtwirkung 14, die eine homogenere Netzhautbild mit besseren SNR in PAOM vorsehen unterhält. Im Vergleich mit SD-OCT hat PAOM ähnliche laterale Auflösung (~ 20 um), aber viel schlimmer axiale Auflösung (~ 23 um) aufgrund der derzeit begrenzten Ultraschall Bandbreite 6. Die axiale Auflösung von PAOM kann möglicherweise durch den Einsatz von neuartigen Ultraschall-Detektor sowie verbessert werden. Verfahren zur Kalibrierung von PAOM Auflösungen wurde berichtet vorherigen 6,15.

Zusammenfassend ist die integrierte PAOM und SD-OCT-Bildgebungssystem umfassender anatomischen und funktionellen Auswertung der Netzhaut bietet, und deshalb hält große Versprechungen indie Zukunft der klinischen Diagnose und Management von vielen Augenerkrankungen.

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Disclosures

Alle tierexperimentellen Verfahren wurden vom Institutional Animal Care und Use Committee der Northwestern University zugelassen.

Acknowledgments

Wir danken für die großzügige Unterstützung durch die National Science Foundation (CAREER CBET-1.055.379) und den National Institutes of Health (1RC4EY021357, 1R01EY019951). Wir erkennen auch die Unterstützung aus dem China Scholarship Council Wei Song.

References

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Biomedical Engineering Bioengineering Medizin Anatomie Physiologie Augenheilkunde Physik Biophysik Photoakustische Augenheilkunde Ophthalmoskopie optische Kohärenztomographie Netzhaut Spektral-Domain-Tomographie Ratte Tiermodell Imaging
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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).

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