Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Ophthalmoscopy photoacoustic משולב וטומוגרפיה אופטית קוהרנטיות Spectral-תחום

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

רפואת עיני photoacoustic (PAOM), שיטת הדמיה אופטית המבוססת על קליטה, מספקת את ההערכה המשלימה של הרשתית לטכנולוגיות ההדמיה לרפואת העיניים הזמינים כיום. אנו מדווחים על השימוש של PAOM משולב עם טומוגרפיה רפאים-תחום קוהרנטיות אופטית (SD-אוקטובר) להדמית רשתית multimodal סימולטני בחולדות.

Abstract

שניהם אבחנה הקלינית וחקירה יסודית של מחלות עיניים עיקריות להפיק תועלת רבה מטכנולוגיות הדמיה שונות אינן פולשניים לרפואת עיניים. קיימים שיטות הדמית רשתית, כגון fundus 1 צילום, ophthalmoscopy confocal סריקת הליזר (cSLO) 2, וטומוגרפיה קוהרנטיות אופטית (אוקטובר) 3, יש תרומות משמעותיות בניטור onsets מחלה ומהלכים, ופיתוח אסטרטגיות טיפוליות חדשות. עם זאת, הם בעיקר מסתמכים על פוטוני הגב משתקפים מהרשתית. כתוצאה מכך, התכונות האופטיות הקליטה של ​​הרשתית, אשר בדרך כלל משויכות חזקה עם מעמד פתופיזיולוגיה רשתית, שאינן נגישות על ידי טכנולוגיות ההדמיה המסורתיות.

ophthalmoscopy photoacoustic (PAOM) היא שיטת הדמית רשתית מתפתחת המאפשרת זיהוי של ניגודי הקליטה האופטיים בעין עם רגישות גבוהה 4-7. בPAOM נאןפעימות ליזר osecond מועברות דרך האישון ולסרוק על העין האחורית כדי לגרום אותות photoacoustic (הרשות הפלסטינית), אשר זוהו על ידי מתמר קולי ממוקד המחוברים לעפעף. בגלל הספיגה האופטית החזקה של המוגלובין ומלנין, PAOM הוא מסוגל הדמיה הלא פולשני את vasculatures הרשתית וכורוידאלית, ואפיתל רשתית פיגמנט (רשתית) המלנין בניגודים גבוהים 6,7. וחשוב יותר, המבוסס על הדמית photoacoustic ספקטרוסקופיות המפותחת 5,8, PAOM יש את הפוטנציאל כדי למפות את הרוויה של המוגלובין בחמצן כלי רשתית, שיכול להיות קריטי בלימוד הפיסיולוגיה והפתולוגיה של מחלות שונות מסנוורות 9 כגון רטינופתיה סוכרתית ו ניוון מקולרים הקשור לגיל neovascular.

יתר על כן, בהיותו שיטת ההדמיה היחידה הקיימת אופטית קליטה המבוססת העינים, PAOM יכול להיות משולב עם עיניים קליניים ההדמיה te מבוסס היטבchniques להשיג הערכות אנטומיים ופונקציונליות מקיפות יותר של העין מבוססת על ניגודים מרובים אופטיים 6,10. בעבודה זו, אנו משלבים PAOM וספקטרלי-תחום אוקטובר (SD-אוקטובר) בו זמנית בהדמית רשתית vivo של חולדה, שם גם קליטה אופטית ומאפייני פיזור של הרשתית מתגלות. תצורת המערכת, היישור ורכישת מערכת הדמיה מוצגים.

Protocol

1. לקביעת תצורת מערכת

  1. PAOM משנה
    1. מקור תאורה: Nd: YAG ליזר (SPOT-10-100, Elforlight בע"מ, בריטניה: 20 μJ / דופק; 2 NSEC דופק משך; 30 שיעור החזרת דופק מרבי קילוהרץ).
    2. ליזר התפוקה ב 1064 ננומטר הוא תדר הוכפל ל 532 ננומטר ידי בטא בריום borate (BBO) גביש (CasTech, סן חוזה, קליפורניה). לאחר פיצול נוסף על ידי מראה קו ליזר, אור ננומטר 532 מועבר באמצעות סיב אופטי במצב היחיד (P1-460A-FC-5, Thorlabs), וליזר ננומטר 1064 נרשם על ידי photodiode (DET10A, Thorlabs), אשר מפעיל רכישת אות הרשות הפלסטינית.
    3. אור הליזר שיוצא מהסיב האופטי במצב היחיד אליו מועבר אל הרשתית על ידי גלונומטר (GM, QS-7, Nutfield טכנולוגיה) ותצורת טלסקופ (F1 = 75 מ"מ וf2 = 14 מ"מ, אופטיקה אדמונד) 6.
    4. מתמר מחט לא ממוקד (40 MHz המרכזי תדר, רוחב פס 16-MHz, 0.4 × 0.4 גודל אלמנט המ"מ 2 פעיל, NIH המשאבים CenteR עבור טכנולוגיות Ultrasonic מתמר, אוניברסיטת דרום קליפורניה) ממוקם במגע עם העפעף כדי לזהות את אותות הרשות הפלסטיניות שנוצרו מהרשתית. ג'ל הקולי (Sonotech) מוחל בין קצה המתמר ועפעף חיה לצימוד אקוסטי טוב.
    5. אות הרשות מוגברת על ידי שני מגברים (ZFL-500LN +, מיני מעגלים, ו5073PR, אולימפוס), והוא דיגיטציה על ידי לוח רכישת נתונים (CS14200, גייג' יישומית).
  2. SD-אוקטובר משנה
    1. מקור אור קוהרנטיות נמוך: דיודה פס רחבה סופר זורחת (IPSDD0804, InPhenix; מרכז גל: 840 ננומטר, רוחב פס 6-dB: 50 ננומטר), אשר קובעה את הרזולוציה הצירית של 6 מיקרומטר.
    2. אור אינפרא אדום הקרוב מפוצל להפנית זרוע וזרוע מדגם על ידי 50 × 50 מצמד במצב יחיד סיבים מותאם אישית (אופטיקה OZ).
    3. לאחר שילוב עם אור המאיר PAOM על ידי מראה חם (FM02, Thorlabs), זרוע מדגם אוקטובר חולקת את אותה הסריקה והמשלוח אופטיקה wiה 6 PAOM.
    4. ספקטרומטר בית בנוי משמש כדי להקליט את אותות הפרעות SD-אוקטובר, שבו קו סריקת מצלמת CCD (Aviiva SM2, e2v) מאפשרת קצב קו של 24 קילוהרץ. עיצוב של ספקטרומטרים טיפוסיים ניתן למצוא כמה מספרות שפורסמה בעבר 11 ו סיבי מצמידי ספקטרומטרים SD-אוקטובר זמינים מסחרי עכשיו. רגישות SD-אוקטובר נמדדת להיות טובים יותר מ 90 דציבל.
  3. סריקת תכנית
    1. המהירה 2-D סריקת סריקה של גלונומטר נשלטת על ידי לוח אנלוגי פלט (PCI-6731, המכשירים הלאומיים), שגם מפעיל גם את ירי PAOM הליזר ורכישת האות באוקטובר ספקטרומטר. כתוצאה מכך, רכישות הנתונים בתת אוקטובר PAOM ומסונכרנות.
    2. רכישת נתוני PAOM מופעלת על ידי רצף photodiode הקלטת PAOM ליזר (ראה 1.1.2).
    3. תמונות 3-D או נפח 2-D תמונות fundus בנויות מ256 תמונות ב-סריקה (256 A-שורות לBלסרוק תמונה).

2. יישור מערכת

  1. מקסם את יעילות הכפלת תדר של גביש BBO ויעילות הצימוד של הסיב האופטי במצב היחיד. תלבש LG3 משקפים (Thorlabs) להגנה על עין עובדים בעת אופטימיזציה אור מאיר PAOM.
  2. Collimate ליזר סיב הפלט של PAOM עד 2.0 מ"מ קוטר.
  3. יישר את אורות התאורה המשולבות של PAOM ו SD-אוקטובר להיות קואקסיאלי.
  4. הגדר את אור עירור PAOM ב~ 40 NJ / דופק ו SD-אוקטובר חיטוט אור ב ~ 0.8 mW, שניהם דיווחו להיות עין 6,12 בטוחה.

3. ברשתית הדמית multimodal vivo

  1. להעביר את החולדה לתיבת פוליפרופילן שקופה, ולהרדים את החיה על ידי תערובת של אוויר isoflurane (פניקס תרופות, Inc) והנורמלי בריכוז של 1.5% וקצב זרימה של 2.0 ליטר / דקה למשך 10 דקות.
  2. לרסן את העכברוש הרדים בhomemaדה מחזיק בחופש החמישה הציר מתכוונן (איור 1), ולשמור על טמפרטורת הגוף שלו ב ~ 37 ° C על ידי כרית חימום (Repti תר, מעבדות זום, Inc). לשמור על ההרדמה בגז איפה של אוויר isoflurane והנורמלי מעורב בריכוז 1.0% ו -1.5 ליטר / קצב זרימת דקות לאורך הניסוי.
  3. חותך את הריסים באמצעות מספרי כירורגיות, מרחיב את האישונים עם 1% פתרון העינים Tropicamide, ולשתק את שריר סוגר הקשתית באמצעות 0.5% פתרון העינים הידרוכלוריד Tetracaine. החל טיפי דמעות מלאכותיות (Systane, Alcon Laboratories, Inc) לעין העכברוש כל שתי דקות כדי למנוע התייבשות קרנית והיווצרות קטרקט. לנטר את קצב חי לב, נשימה, וחמצון דם על ידי דופק oximeter (8600 V, Nonin רפואי, מינסוטה) במהלך ההדמיה.
  4. הפעל אור מאיר SD-אוקטובר ולבדוק את אור החיטוט להיות ~ 0.8 mW.
  5. הפעל סריקת גלונומטר. יישר משלוח אור הקרנת SD-אוקטוברעל רשתית החולדה ולזהות את האזור ברשתית של עניין (ROI) על ידי התאמת בעל החיים חמישה הציר. הנה, הדיסק האופטי ממוקם במכוון במרכז שדה הראייה, בעוד יש לבחור את ההחזר על ההשקעה על סמך דרישות מחקר שונות.
  6. בהמשך להתאים את בעל חיים כדי לייעל את האיכויות של חתך רשתית הדמית SD-אוקטובר בשני הכיוונים (סריקה על ידי החלפת כיוון סריקת רסטר) עד שהמיקוד האופטי הטוב ביותר הוא הגיע.
  7. הכן מתמר המחט על פלטפורמה מתכווננת חמישה ציר, חל ירידה של ג'ל הקולי לקצה המתמר, ולפנות בעדינות את קצה המתמר לעפעף בעלי החיים.
  8. הגדר ליזר PAOM למצב חיצוני-הדק, להתחיל סריקת גלונומטר, ולהפעיל את התצוגה בזמן אמת של תמונת חתך PAOM של הרשתית של בעלי החיים. להתאים את כיוון המתמר בזהירות עד שתמונת PAOM יש יחס אות לרעש הטוב ביותר (יחס אות לרעש), ובינתיים, מציג באופן שווה distributed דפוסים משרעת הרשות פלסטינית בשני כיווני הסריקה.
  9. הגדר את פרמטרי סריקה, ולערוך הדמית הרשתית סימולטני של SD-אוקטובר וPAOM. לשחזר את התמונות תלת הממדיות של SD-אוקטובר וPAOM מצב לא מקוון. קודי השחזור שלנו נכתבו בMatlab והדמיה תלת ממדית הושגה uing freeware (Volview, Kitware). האלגוריתם לSD-אוקטובר שחזור ניתן למצוא במס. 11 והאלגוריתם לPAOM שחזור ניתן למצוא במס. 6 ומס. 13. אם יש צורך, חזור על נהלים של 3.7) -3.9).
  10. לאחר ניסוי, כבה את SD-אוקטובר אור החיטוט, להסיר את החיה מהמחזיק באופן מיידי, ולשמור אותו חם עד שהוא מתעורר באופן טבעי. שמור על בעלי החיים בסביבה חשוכה לשעה אחת נוספת לעיניים כדי להתאושש. כל משך הניסוי, כולל הרדמת בעלי החיים ורכישת הדמיה, הוא פחות מ 30 דקות למפעיל מנוסה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 2 מראה את התמונות של SD-אוקטובר וPAOM רכשו במקביל בחולדה לבקן (A ו-B) וחולדת פיגמנט (C ו-D), בהתאמה fundus 2-D. בתמונות fundus SD-אוקטובר (איורים 2 א ו 2 ג), כלי רשתית יש מראה כהה בשל ספיגת המוגלובין של חיטוט אור. בנוסף לכלי רשתית (מ"א באיור 2 ב '), PAOM visualizes את vasculatures כורוידאלית (CV באיור 2 ב') בעין בקן בגלל מלנין הרשתית החסרה. בגלל עיני פיגמנט המלנין יש ריכוז גבוה, PAOM תמונות רשתית (האיור 2D) עם ניגודיות גבוהה, בנוסף לכלי הרשתית. בכל הדמית הרשתית, זווית הסריקה המרבית היא 26 מעלות ורכישת ההדמיה לוקחת ~ 2.7 שניות. כדי להדגים את יכולת ההדמיה תלת הממדית של PAOM, טיוח נפחית מהנתונים המוצגים באיור 2b ניתן בFigurדואר 3.

איור 1
איור 1. תצלום של בעל החיים חמישה הציר. החיצים 1-5 לסמן חמש החירויות מתכווננת והחצים 6 המדגיש עוצר בעלי החיים.

איור 2
איור 2. רכש במקביל SD-אוקטובר (A ו-C) וPAOM (B ו-D) תמונות fundus. ) וארוחת בוקר) רכש מעכברוש לבקן, ו-C) ו-D) נרכשים מעכברוש פיגמנט. RV: כלי רשתית; קורות חיים: כלי כורוידאלית; רשתית: אפיתל הפיגמנט ברשתית. בר: 500 מיקרומטר.

איור 3
<חזק> איור 3. הדמית נפחית של PAOM ברשתית חולדה לבקן.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

כאן, אנו מציגים הדרכה מפורטת על סימולטני בתחום הדמית vivo של רשתית עיני חולדות באמצעות PAOM שילוב עם SD-אוקטובר אופטי פיזור מבוסס SD-אוקטובר הוא, אולי, "תקן הזהב" הקליני להדמית רשתית 3, עם זאת, זה לא רגיש כדי לזהות את הספיגה האופטית ברשתית. PAOM חדש שפותח הוא השיטה היחידה אופטית קליטה מבוססת ההדמיה האופטית המספקת תכונות קליטה אופטיות של הרשתית 6. בגלל ההמוגלובין והמלנין הם פיגמנטים אופטיים חזקים endogenously קליט, PAOM מאפשר החקירה של האנטומיה והתפקוד של כלי רשתית / כורוידאלית וRPE בלי להזדקק לסוכנים בניגוד נוספים.

בPAOM, מתמר הקולי הממוקד יש רגישות אזור מוגבל (~ 2.8 × 2.8 מ"מ 2) 10 בשל המרכיב הפעיל שלה הסופי, מה שגורם רגישות זיהוי הרקוב של אותות הרשות הפלסטינית לכיוון tהוא הפריפריה של שדה הראייה (FOV). לכן, זווית ההטיה של המתמר צריכה להיות מותאמת בקפידה כדי להשיג FOV רשתית הומוגנית. החלפת פוטנציאל למתמר פיזואלקטריים המסורתי היא להחיל טבעת מייקרו מהוד, שבה יש ערכים נמוכים יותר רעש שווים ערך לחץ וכווניות רחבה איתור 14, אשר עשוי לספק תמונת רשתית הומוגנית יותר טוב עם יחס אות לרעש בPAOM. השוואה עם SD-אוקטובר, PAOM יש רזולוציה דומה לרוחב (~ 20 מיקרומטר) אבל רזולוציה צירית הרבה יותר גרועה (~ 23 מיקרומטר) עקב רוחב הפס המוגבל כרגע הקולי 6. הרזולוציה הצירית של PAOM פוטנציאלי ניתן לשפר על ידי העסקת גלאי קולי רומן גם כן. שיטת הכיול של החלטות PAOM הייתה קודם דיווחה 6,15.

לסיכום, PAOM ו SD-אוקטובר מערכת ההדמיה המשולבת מציעה אנטומי מקיף יותר והערכה תפקודית של הרשתית, ולכן מחזיק בהבטחות גדולותעתיד האבחון הקליני והנהלות של הפרעות עיניות רבות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

כל נהלי בעלי החיים הניסיוניים אושרו על ידי בעלי החיים והטיפול המוסדי הוועדה השתמש באוניברסיטת נורת'ווסטרן.

Acknowledgments

אנו מודים לתמיכה הנדיבה מהקרן הלאומי למדע (קריירת CBET-1055379) והמכונים הלאומיים לבריאות (1RC4EY021357, 1R01EY019951). אנחנו גם מכירים בתמיכה מסין מלגות המועצה לשיר ווים.

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

הנדסה ביו רפואית גיליון 71 Bioengineering רפואה אנטומיה פיזיולוגיה Opthalmology פיסיקה ביופיסיקה רפואת עיני photoacoustic ophthalmoscopy טומוגרפיה קוהרנטיות אופטית הדמית רשתית תחומי רפאים טומוגרפיה חולדה מודל חיה הדמיה
Ophthalmoscopy photoacoustic משולב וטומוגרפיה אופטית קוהרנטיות Spectral-תחום
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