Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

एकीकृत Photoacoustic Ophthalmoscopy और वर्णक्रमीय डोमेन ऑप्टिकल जुटना टोमोग्राफी

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

Photoacoustic (PAOM) नेत्र विज्ञान, एक ऑप्टिकल अवशोषण आधारित इमेजिंग साधन है, वर्तमान में उपलब्ध नेत्र इमेजिंग तकनीकों के लिए रेटिना के पूरक मूल्यांकन प्रदान करता है. हम एक साथ चूहों में बहुविध रेटिना इमेजिंग के लिए वर्णक्रमीय डोमेन ऑप्टिकल जुटना tomography (एसडी - अक्टूबर) के साथ एकीकृत PAOM का उपयोग कर रिपोर्ट.

Protocol

1. System Configuration

  1. PAOM सबसिस्टम
    1. रोशनी स्रोत: एन डी: YAG लेजर (स्पॉट 10-100, Elforlight लिमिटेड, ब्रिटेन: 20 μJ / नाड़ी, 2 nsec स्पंद अवधि, 30 kHz अधिकतम नाड़ी पुनरावृत्ति दर).
    2. 1064 एनएम पर उत्पादन लेजर एक बीटा बेरियम borate 532 एनएम आवृत्ति दोगुनी (BBO) क्रिस्टल (Castech, सैन जोस, CA). एक लेजर लाइन दर्पण से आगे विभाजन के बाद, 532 एनएम प्रकाश एक एकल मोड ऑप्टिकल फाइबर (P1-460A-FC-5, Thorlabs) के माध्यम से वितरित किया जाता है, और 1064 एनएम लेजर एक (DET10A, Thorlabs) photodiode, जो चलाता है के द्वारा दर्ज की गई है PA संकेत अधिग्रहण.
    3. लेजर एकल मोड ऑप्टिकल फाइबर के बाहर से आने वाले प्रकाश रेटिना पर एक गैल्वेनोमीटर (जीएम, QS-7, Nutfield प्रौद्योगिकी) और एक दूरबीन विन्यास के द्वारा दिया जाता है (F1 = 75 मिमी और = 14 मिमी, एडमंड प्रकाशिकी f2) 6.
    4. एक अनफोकस्ड सुई transducer (40-मेगाहर्ट्ज केंद्रीय आवृत्ति, 16-मेगाहर्ट्ज बैंडविड्थ, 0.4 × 0.4 मिमी 2 सक्रिय तत्व आकार, एनआईएच संसाधन Center अल्ट्रासोनिक transducer टेक्नोलॉजीज, दक्षिणी कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय) के लिए संपर्क में पलक PA रेटिना से उत्पन्न संकेतों का पता लगाने के साथ रखा गया है. अल्ट्रासोनिक जेल (Sonotech) transducer और अच्छा ध्वनिक युग्मन के लिए पशु पलक टिप के बीच लागू किया जाता है.
    5. पीए संकेत दो एम्पलीफायरों (+, मिनी सर्किट ZFL 500LN, और 5073PR, ओलिंप) से परिलक्षित होता है, और एक डाटा अधिग्रहण बोर्ड द्वारा डिजीटल (CS14200, पण लागू).
  2. एसडी - अक्टूबर सबसिस्टम
    1. कम जुटना प्रकाश स्रोत: एक ब्रॉडबैंड सुपर luminescent डायोड (IPSDD0804, InPhenix, केंद्र तरंगदैर्ध्य: 840 एनएम,: 6-डीबी बैंडविड्थ 50 एनएम), जो 6 सुक्ष्ममापी की axial संकल्प निर्धारित.
    2. निकट अवरक्त प्रकाश करने के लिए एक 50 हाथ और नमूना हाथ संदर्भ विभाजित है × 50 अनुकूलित एकल मोड फाइबर युग्मक (औज़ प्रकाशिकी).
    3. एक गर्म दर्पण (FM02, Thorlabs) द्वारा PAOM रोशन प्रकाश के साथ संयोजन के बाद, अक्टूबर नमूना हाथ ही स्कैनिंग और वितरण प्रकाशिकी वाई के शेयरोंवें PAOM 6.
    4. एक घर में निर्मित स्पेक्ट्रोमीटर एसडी अक्टूबर हस्तक्षेप का संकेत है, जहां एक पंक्ति स्कैन सीसीडी कैमरा (Aviiva SM2, e2v) 24 kHz के एक एक लाइन की दर की अनुमति देता है रिकॉर्ड करने के लिए प्रयोग किया जाता है. ठेठ स्पेक्ट्रोमीटर के डिजाइन कई पहले प्रकाशित 11 साहित्य और फाइबर युग्मित एसडी अक्टूबर स्पेक्ट्रोमीटर से पाया जा सकता है अब व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं. एसडी अक्टूबर संवेदनशीलता 90 डीबी से बेहतर हो मापा जाता है.
  3. योजना स्कैन
    1. फास्ट 2-D गैल्वेनोमीटर की स्कैनिंग रेखापुंज एक अनुरूप उत्पादन (पीसीआई 6731, नेशनल इंस्ट्रूमेंट्स) बोर्ड, जो भी दोनों PAOM लेजर फायरिंग और अक्टूबर स्पेक्ट्रोमीटर के संकेत अधिग्रहण से चलाता है के द्वारा नियंत्रित किया जाता है. नतीजतन, डेटा अधिग्रहण में PAOM और अक्टूबर subsystems सिंक्रनाइज़ कर रहे हैं.
    2. डेटा PAOM अधिग्रहण एक photodiode रिकॉर्डिंग PAOM लेजर अनुक्रम (1.1.2 देखें) से शुरू हो रहा है.
    3. 3-D बड़ा छवियों या 2-D बुध्न छवियों 256 बी छवियों स्कैन से निर्माण कर रहे हैं (256 बी प्रति लाइनोंछवि स्कैन).

2. सिस्टम संरेखण

  1. BBO क्रिस्टल की दक्षता आवृत्ति दोहरीकरण और एकल मोड ऑप्टिकल फाइबर के युग्मन दक्षता अधिकतम. कर्मियों नेत्र सुरक्षा के लिए पहनें LG3 चश्मे (Thorlabs) जब PAOM रोशन प्रकाश के अनुकूलन के.
  2. संधानिक PAOM फाइबर उत्पादन व्यास में 2.0 मिमी लेजर.
  3. PAOM और एसडी अक्टूबर के संयुक्त रोशनी रोशनी संरेखित समाक्षीय.
  4. ~ 40 NJ / नाड़ी और एसडी अक्टूबर में PAOM उत्तेजना प्रकाश सेट ~ 0.8 मेगावाट प्रकाश की जांच है, जो दोनों के लिए 6,12 सुरक्षित आँख होने की सूचना है.

3 vivo मल्टीमॉडल रेटिना इमेजिंग

  1. एक पारदर्शी polypropylene बॉक्स चूहे स्थानांतरण, और 1.5% की एकाग्रता पर isoflurane (फीनिक्स दवा इंक,) और सामान्य हवा और 2.0 लीटर / 10 मिनट के लिए मिनट की एक प्रवाह दर का एक मिश्रण द्वारा पशु anesthetize.
  2. एक homema में anesthetized चूहे सीमित रखेंपांच अक्ष समायोज्य (1 चित्रा), स्वतंत्रता और ~ सी ° 37 पर एक हीटिंग पैड (Repti थेर्म, Zoomed प्रयोगशालाओं, इंक) के द्वारा अपने शरीर के तापमान को रखने के साथ धारक. 1.0% और प्रयोग भर में 1.5 लीटर / मिनट प्रवाह दर एकाग्रता के साथ मिश्रित isoflurane और सामान्य हवा की साँस लेना गैस द्वारा संज्ञाहरण बनाए रखें.
  3. शल्य कैंची का उपयोग बरौनी कट, 1% Tropicamide नेत्र समाधान के साथ विद्यार्थियों चौड़ा करना, और आईरिस दबानेवाला यंत्र 0.5% tetracaine हाइड्रोक्लोराइड नेत्र समाधान का उपयोग मांसपेशियों को पंगु बना. चूहा आँख कॉर्निया निर्जलीकरण और मोतियाबिंद गठन को रोकने के लिए हर दूसरे मिनट कृत्रिम आंसू की बूँदें (Systane, Alcon प्रयोगशालाओं, Inc) लागू करें. मॉनिटर पशु दिल की दर, श्वसन, इमेजिंग के दौरान एक नाड़ी oximeter (8600 वी, Nonin मेडिकल, MN) और रक्त oxygenation.
  4. एसडी अक्टूबर रोशन प्रकाश पर मुड़ें और जांच ~ 0.8 मेगावाट हो प्रकाश की जाँच करें.
  5. गैल्वेनोमीटर स्कैनिंग सक्रिय करें. एसडी अक्टूबर विकिरण प्रकाश वितरण पंक्तिचूहा रेटिना पर और पशु पांच अक्ष धारक का समायोजन करके ब्याज की रेटिना क्षेत्र (आरओआई) की पहचान. यहाँ, अक्षिबिम्ब जानबूझकर देखने के क्षेत्र के केंद्र में रखा गया है, जबकि ROI ज़्यादा से ज़्यादा विभिन्न अनुसंधान की आवश्यकताओं के आधार पर चयन किया जाना चाहिए.
  6. इसके अलावा पशु धारक को समायोजित करने के लिए दोनों दिशाओं स्कैनिंग (रेखापुंज स्कैनिंग दिशा स्विचन) में एसडी अक्टूबर रेटिना क्रॉस सेक्शन की इमेजिंग गुणों का अनुकूलन जब तक सबसे अच्छा ऑप्टिकल ध्यान तक पहुँच जाता है.
  7. एक पांच अक्ष समायोज्य मंच पर सुई transducer तैयार करने के लिए, अल्ट्रासोनिक जेल की एक transducer टिप के लिए ड्रॉप लागू है, और धीरे पशु पलक के transducer टिप से संपर्क करें.
  8. PAOM बाहरी ट्रिगर मोड के लिए लेजर सेट, गैल्वेनोमीटर स्कैनिंग शुरू, और PAOM जानवरों की रेटिना के पार के अनुभागीय छवि के प्रदर्शन वास्तविक समय सक्रिय. सावधानी के transducer उन्मुखीकरण समायोजित तक PAOM छवि सबसे अच्छा संकेत करने वाली शोर अनुपात (SNR) है और इस बीच में, एक समान रूप से जिले से पता चलता हैदोनों स्कैनिंग दिशाओं में पीए आयाम पैटर्न ributed.
  9. स्कैनिंग मापदंडों सेट, और SD अक्टूबर और PAOM के एक साथ रेटिना इमेजिंग आचरण. एसडी अक्टूबर और बंद लाइन PAOM के तीन आयामी छवियों का पुनर्निर्माण किया. हमारे पुनर्निर्माण कोड Matlab में लिखा गया था और तीन आयामी दृश्य एक फ्रीवेयर uing हासिल की थी (Volview, Kitware). एसडी अक्टूबर पुनर्निर्माण के लिए एल्गोरिथ्म रेफरी में पाया जा सकता है 11 और PAOM पुनर्निर्माण के लिए एल्गोरिथ्म रेफरी में पाया जा सकता है. 6 और रेफरी. 13. यदि आवश्यक हो, 3.7 की प्रक्रिया) -3.9 दोहराने).
  10. प्रयोग के बाद, एसडी अक्टूबर जांच कर रही प्रकाश बारी, धारक से पशु तुरंत हटाने के लिए, और यह गर्म रखें जब तक यह स्वाभाविक रूप से उठता है. एक अंधेरे वातावरण में ठीक करने के लिए आंखों के लिए एक अतिरिक्त घंटे के लिए पशु रखें. पूरे पशु संज्ञाहरण और इमेजिंग अधिग्रहण सहित प्रयोगात्मक अवधि, एक अनुभवी ऑपरेटर के लिए कम से कम 30 मिनट है.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

चित्रा 2 2-D SD अक्टूबर और PAOM एक सूरजमुखी मनुष्य (ए और बी) चूहा और एक pigmented (सी और डी) चूहे, क्रमशः में एक साथ अधिग्रहण के बुध्न छवियों से पता चलता है. एसडी अक्टूबर बुध्न छवियों (आंकड़े 2A और 2C), रेटिनल वाहिकाओं अंधेरे प्रकाश जांच के हीमोग्लोबिन के अवशोषण के कारण उपस्थिति है. रेटिनल वाहिकाओं (चित्रा 2B में आर.वी.) के अलावा, सूरजमुखी मनुष्य की आंखों में PAOM choroidal (चित्रा 2B में CV) RPE मेलेनिन की कमी की वजह से vasculatures visualizes. क्योंकि pigmented आंख उच्च मेलेनिन एकाग्रता, रेटिनल वाहिकाओं के अलावा उच्च विपरीत के साथ PAOM छवियों RPE (चित्रा 2 डी). सभी रेटिना इमेजिंग, अधिकतम स्कैनिंग कोण 26 डिग्री और इमेजिंग अधिग्रहण ~ 2.7 सेकंड लेता है. तीन आयामी PAOM इमेजिंग क्षमता का प्रदर्शन करने के लिए, चित्रा 2b में दिखाया आंकड़ों का एक बड़ा प्रतिपादन Figur में दी गई है3 ए.

चित्रा 1
चित्रा 1 पशु पांच अक्ष धारक की तस्वीर. तीर 1-5 पाँच समायोज्य स्वतंत्रता और तीर 6 पर प्रकाश डाला गया पशु restrainer पर प्रकाश डाला.

चित्रा 2
चित्रा 2. इसके साथ ही एसडी अक्टूबर (ए और सी) और (बी और डी) PAOM बुध्न छवियों का अधिग्रहण किया. ) ए और बी) एक सूरजमुखी मनुष्य चूहे से अर्जित कर रहे हैं, और) सी और डी) एक pigmented चूहे से अर्जित कर रहे हैं. आर.वी.: रेटिना पोत, CV choroidal पोत, RPE: रेटिना वर्णक उपकला. मधुशाला: 500 सुक्ष्ममापी.

चित्रा 3
<strong> 3 चित्रा एक सूरजमुखी मनुष्य चूहे रेटिना में PAOM का बड़ा दृश्य.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

यहाँ, हम चूहे एसडी अक्टूबर के साथ संयुक्त PAOM का उपयोग आँखों के रेटिना इमेजिंग vivo में एक साथ पर एक विस्तृत निर्देश उपस्थित थे. एसडी अक्तूबर ऑप्टिकल बिखरने आधारित है, शायद, नैदानिक ​​रेटिना इमेजिंग 3 के लिए "सोने के मानक ', तथापि, यह संवेदनशील रेटिना में ऑप्टिकल अवशोषण का पता लगाने के नहीं है. नव विकसित PAOM केवल नेत्र ऑप्टिकल अवशोषण आधारित इमेजिंग साधन है कि रेटिना के 6 ऑप्टिकल अवशोषण गुण प्रदान करता है. क्योंकि हीमोग्लोबिन और मेलेनिन endogenously मजबूत ऑप्टिकल अवशोषित pigments हैं, PAOM अतिरिक्त विपरीत एजेंटों के लिए सहारा के बिना और रेटिना / choroidal वाहिकाओं और RPE के शरीर रचना विज्ञान के कार्यों की जांच के लिए सक्षम बनाता है.

PAOM, अनफोकस्ड अल्ट्रासोनिक transducer एक सीमित संवेदनशीलता क्षेत्र (~ 2.8 × 2.8 मिमी 2) 10 अपने परिमित सक्रिय तत्व है, जो टी की ओर एक पीए संकेतों के सड़ा हुआ संवेदनशीलता का पता लगाने का कारण बनता है कारणवह दृश्य (FOV) के क्षेत्र के परिधि. इस प्रकार, transducer के झुकाव कोण ध्यान एक सजातीय रेटिना FOV को प्राप्त करने के लिए समायोजित करना चाहिए. पारंपरिक piezoelectric transducer के लिए एक संभावित प्रतिस्थापन गुंजयमान यंत्र सूक्ष्म अंगूठी है, जो कम शोर बराबर दबाव मूल्यों और व्यापक पता लगाने directivity 14 है, जो एक से अधिक सजातीय PAOM में बेहतर SNR के साथ रेटिना छवि प्रदान कर सकता है लागू है. एसडी अक्टूबर के साथ तुलना, PAOM इसी तरह पार्श्व संकल्प (~ 20 सुक्ष्ममापी) लेकिन बहुत बुरा axial संकल्प (~ 23 सुक्ष्ममापी) वर्तमान में सीमित अल्ट्रासोनिक 6 बैंडविड्थ की वजह से है. PAOM axial संकल्प संभावित उपन्यास अल्ट्रासोनिक डिटेक्टर को रोजगार के रूप में अच्छी तरह से सुधार किया जा सकता है. PAOM प्रस्तावों की अंशांकन विधि पिछले 6,15 सूचना मिली थी.

सारांश में, एकीकृत PAOM और एसडी अक्टूबर इमेजिंग प्रणाली अधिक व्यापक संरचनात्मक और रेटिना के कार्यात्मक मूल्यांकन प्रदान करता है, और, इसलिए, में महान वादों धारणभविष्य नैदानिक ​​निदान और कई नेत्र विकारों के प्रबंधन.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

सभी प्रयोगात्मक पशु प्रक्रियाओं संस्थागत पशु की देखभाल और नॉर्थवेस्टर्न विश्वविद्यालय के उपयोग समिति द्वारा अनुमोदित किया गया.

Acknowledgments

हम राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (कैरियर - 1,055,379 CBET) और स्वास्थ्य के राष्ट्रीय संस्थान (1R01EY019951 1RC4EY021357) से उदार सहायता धन्यवाद. हम भी चीन छात्रवृत्ति परिषद से वी गीत समर्थन को स्वीकार करते हैं.

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

बायोमेडिकल इंजीनियरिंग 71 अंक बायोइन्जिनियरिंग चिकित्सा एनाटॉमी फिजियोलॉजी नेत्र विज्ञान भौतिकी बायोफिज़िक्स Photoacoustic नेत्र विज्ञान ophthalmoscopy ऑप्टिकल जुटना tomography रेटिना इमेजिंग वर्णक्रमीय डोमेन टोमोग्राफी चूहे पशु मॉडल इमेजिंग
एकीकृत Photoacoustic Ophthalmoscopy और वर्णक्रमीय डोमेन ऑप्टिकल जुटना टोमोग्राफी
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