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Bioengineering

통합 Photoacoustic Ophthalmoscopy 및 스펙트럼 도메인 광 결맞음 단층 촬영 장치

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 안과 (PAOM), 광 - 흡수 기반 이미징 양상은 현재 안과 이미징 기술로 망막의 보완 평가를 제공합니다. 우리는 쥐의 동시 multimodal 망막 이미징을위한 스펙트럼 영역 광 간섭 단층 촬영의 (SD -10 월)와 통합 PAOM의 사용을보고합니다.

Abstract

임상 진단 및 주요 안구 질환의 근본적인 조사 모두 크게 다양한 비 침습적 안과 이미징 기술의 혜택을 누리 실 수 있습니다. 망막 영상 등 fundus 사진 1, 공 촛점 스캐닝 레이저 ophthalmoscopy (cSLO) 2, 광학 일관성의 단층 촬영 (OCT) 3와 같은 modalities, 질병 onsets 및 progressions를 모니터링하고, 새로운 치료 전략을 개발에 큰 기여를합니다. 기존 그러나, 그들은 주로 망막에서 백 반영 광자에 의존하고 있습니다. 결과적으로, 보통 강한 망막 pathophysiology 상태와 관련된 망막의 광 흡수 특성은 기존의 이미징 기술에 의해 액세스 할 수 없습니다.

Photoacoustic ophthalmoscopy (PAOM)는 높은 감도 4-7로 눈 광학 흡수 대조의 감지를 허용 신흥 망막 이미징 양상이다. PAOM 앤에osecond 레이저 펄스는 학생을 통해 전달하고 눈꺼풀에 부착 산만 초음파 변환기에 의해 감지 photoacoustic (PA) 신호를 유도 할 수있는 뒤쪽 눈에서 스캔합니다. 때문에 헤모글로빈과 멜라닌의 강한 광 흡수, PAOM은 비 invasively 이미징 망막과 choroidal vasculatures을, 고 대비 6,7에서 망막 색소 상피 (RPE) 멜라닌 할 수 있습니다. 더 중요한 것은, 잘 발달 spectroscopic photoacoustic 이미징 5,8에 따라, PAOM는 당뇨병 성 망막증과 같은 몇 가지 실명을 야기하는 안구 질환을 치료 9 생리와 병리를 공부에 중요 할 수 있습니다 망막 혈관에서 헤모글로빈 산소 포화도를 매핑 할 수있는 잠재력을 보유하고 neovascular 연령 관련 황반 변성.

또한, 유일한 기존의 광 - 흡수 기반 안과 이미징 양상되고, PAOM가 잘 구축 된 임상 안과 영상 테와 통합 할 수 있습니다chniques는 여러 광학 대비 6,10에 따라 눈의보다 포괄적 인 해부학 및 기능 평가를 얻을 수 있습니다. 이 작품에서 우리는 광학 흡수와 망막의 분산 특성이 모두 공개 아르 쥐의 생체 망막 영상에서 동시에에 PAOM 및 스펙트럼 도메인 10월 (SD 10 월)를 통합 할 수 있습니다. 시스템 구성, 시스템 정렬 및 이미징 인수는 표시됩니다.

Protocol

1. 시스템 구성

  1. PAOM 서브 시스템
    1. 조명 출처 : ND : YAG 레이저 (SPOT-10-100, Elforlight (주), 영국 : 20 μJ / 펄스, 2 nsec 펄스 지속 시간, 30 kHz에서 최대 펄스 반복 속도).
    2. 베타 바륨-borate에 의해 532 nm의에 주파수를 두 배로 1064 nm의에서 출력 레이저가 있습니다 (BBO) 크리스탈 (CasTech, 산호세, CA). 레이저 선 거울로 더 분할 한 후, 532 nm의 광은 단일 모드 광섬유 (P1-460A-FC-5, Thorlabs)를 통해 전달하고 있으며, 1064 nm의 레이저가 트리거 포토 다이오드 (DET10A, Thorlabs)에 의해 기록됩니다 PA 신호 획득.
    3. 단일 모드 광섬유에서 나오는 레이저 빛이 검류계 (GM, QS-7, Nutfield 기술)과 망원경을 구성하여 망막에 전달됩니다 (F1 = 75 mm와 F2 = 14mm, 에드먼드 광학) 6.
    4. 산만 바늘 변환기 (40 MHz의 중심 주파수, 16 MHz의 대역폭, 0.4 × 0.4 mm 2 개 활성 요소의 크기, NIH 자원 Cente초음파 변환기 기술, 남부 캘리포니아 대학)에 대한 연구는 망막에서 생성 PA 신호를 감지 할 수 눈꺼풀과 접촉에 배치되어 있습니다. 초음파 젤 (Sonotech)는 좋은 음향 커플 링에 대한 변환기 팁과 동물 눈꺼풀 사이에 적용됩니다.
    5. PA 신호는 두 앰프 (ZFL-500LN +, 미니 회로, 그리고 5073PR, 올림푸스)에 의해 증폭되고, (CS14200, 게이지가 적용) 데이터 수집 보드가 디지털화되어 있습니다.
  2. SD 10 월 서브 시스템
    1. 낮은 일관성 광원 : 광대역 초 발광 다이오드 (IPSDD0804, InPhenix, 센터 파장 :; : 50 nm의 6 dB 대역폭 840 nm의) 6 μm의 축 해상도를 결정합니다.
    2. 가까운 적외선 빛이 (50)에 의해 팔과 샘플 팔을 참조하도록 분할되어 × 50 사용자 정의 단일 모드 광섬유 커플러 (OZ 광학).
    3. 뜨거운 거울 (FM02, Thorlabs)에 의해 PAOM 조명의 빛으로 결합 후, 10 월 샘플 팔이 동일한 검사 및 배달 광학 무선 인터넷 접속을 공유일 PAOM 6.
    4. 집에서 내장 분석기는 라인 스캔 CCD 카메라 (Aviiva SM2, e2v)는 24 kHz에서의 A-라인 속도를 수있는 SD 10 월의 간섭 신호를 기록하는 데 사용됩니다. 전형적인 분석기의 설계는 몇 가지 이전에 다음 ID로 출판 인쇄물 11 섬유 결합 SD 10 월 분석기에서 찾을 수 있습니다하는 것은 현재 상업적으로 사용할 수 있습니다. SD 10 월 감도는 90dB보다 더 나은 것으로 측정됩니다.
  3. 계획을 스캔
    1. 검류계의 검색 빠른 2-D 래스터도 PAOM 레이저 발사와 10월 분석기의 신호 인수를 모두 실행 아날로그 출력 보드 (PCI-6731, 내쇼날 인스트루먼트)에 의해 제어됩니다. 그 결과, PAOM 및 10월 서브 시스템에있는 데이터 인수가 동기화됩니다.
    2. PAOM 데이터 수집은 포토 다이오드 기록 PAOM 레이저 순서 (1.1.2 참조)에 의해 실행됩니다.
    3. 3-D 입체 이미지 또는 2-D fundus 이미지는 (256 256 B-스캔 이미지에서 제작 B 당 A-라인) 이미지를 스캔합니다.

2. 시스템 정렬

  1. BBO 크리스탈의 주파수 복제 효율과 단일 모드 광섬유의 커플 링 효율을 극대화 할 수 있습니다. PAOM 조명의 빛을 최적화 할 때 인사 눈 보호를 위해 LG3 고글 (Thorlabs)을 착용하십시오.
  2. 직경 2.0 mm에 PAOM의 섬유 출력 레이저를 Collimate.
  3. 동축 할 PAOM 및 SD 10 월의 결합 조명 조명을 맞 춥니 다.
  4. ~ 0.8 MW의 빛을 프로빙 ~ 40 뉴저지 / 펄스 및 SD 10 월의 PAOM 여기 빛을 설정 둘 다 6,12 안전 눈으로보고됩니다.

3. 생체 Multimodal 망막 영상에서

  1. 투명 폴리 프로필렌 상자에 쥐를 전송하고, isoflurane (피닉스 제약 주식회사)와 일반 1.5 %의 농도의 공기와 2.0 리터 / 10 분에 분의 유량의 혼합물에 의해 동물을 마취.
  2. homema에 anesthetized 쥐를 구속드 다섯 축 조절 자유 (그림 1) 및 가열 패드 (Repti 칼로리, 확대 실험실, 주식회사)에 의해 ~ 37 ° C에서의 체온을 유지와 홀더. 실험을하는 동안 1.0 % 농도와 1.5 리터 / 분 유량과 혼합 isoflurane과 정상적인 공기의 흡입 가스로 마취를 유지합니다.
  3. , 외과 가위를 사용하여 속눈썹을 잘라 1 % Tropicamide의 안과 솔루션 동공을 팽창하고, 0.5 % Tetracaine 하이드로 클로라이드의 안과 솔루션을 사용하여 홍채 괄약근 근육을 마비. 쥐 눈 각막 탈수 및 백내장 형성을 방지하기 위해 다른 모든 분에게 인공 눈물 물방울 (Systane, 앨콘 연구소 주식회사)을 적용합니다. 이미징 동안 펄스 산소 농도계 (8,600 V, Nonin 의료, MN)에 의해 동물 심장 박동, 호흡, 혈액의 산소를 모니터링합니다.
  4. SD 10 월 조명 라이트를 켜고 ~ 0.8 MW 될 수있는 프로빙 빛을 확인합니다.
  5. 검류계 검사를 활성화합니다. SD 10 월의 조사 광 전송을 정렬쥐 망막로하고, 5 축 동물 소유자를 조정하여 관심있는 망막 지역 (ROI)을 식별합니다. 투자 수익 (ROI)은 다른 연구 요구 사항에 따라 선택해야하는 동안 여기 광 디스크가 의도적으로, 시야의 중앙에 배치됩니다.
  6. 또한 최고의 광학 초점에 도달 할 때까지 모두 스캔 방향 (래스터 스캐닝 방향을 전환하여)에서 망막 단면의 SD 10 월 이미징 품질을 최적화하기 위해 동물 소유자를 조정합니다.
  7. 다섯 축 조절 플랫폼에서 바늘 변환기를 준비 변환기 팁에 초음파 젤 한 방울을 적용하고, 부드럽게 동물의 눈꺼풀에 변환기 팁에 문의하십시오.
  8. 외부 - 트리거 모드로 PAOM 레이저를 설정, 검류계 검사를 시작하고 동물 망막의 PAOM 단면 이미지를 실시간으로 디스플레이를 활성화합니다. PAOM 이미지 동안, 최고의 신호 대 잡음 비율 (SNR)를 보유하고 때까지 조심스럽게 변환기의 방향을 조정 골고루 지구 보여줍니다모두 스캔 방향으로 PA의 진폭 패턴을 ributed.
  9. 검색 매개 변수를 설정하고 SD 10 월과 PAOM의 동시 망막 이미징을 실시합니다. SD 10 월과 PAOM 오프 라인의 3 차원 이미지를 재구성. 우리 재건 코드는 MATLAB에 기록 된 및 3 차원 시각화는 (Volview, Kitware) 프리웨어를 uing 달성했다. SD 10 월 재건을위한 알고리즘은 11. 심판에서 발견 할 수 있으며, PAOM 재건을위한 알고리즘은 참조에서 찾을 수 있습니다. 6 참조가. 13. 필요한 경우) 3.7 절차) -3.9를 반복합니다.
  10. 실험 후, SD 10 월 프로빙 빛을 해제 즉시 홀더에서 동물을 제거하고 자연스럽게 깨어날 때까지 따뜻하게. 복구 할 눈에 대한 추가 시간 동안 어두운 환경에서 동물을 유지. 동물 마취 및 이미징 획득을 포함하여 전체 실험 기간은, 경험 교환을위한 미만 30 분입니다.

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Representative Results

그림 2는 SD 10 월과 PAOM는 흰둥이 쥐 (A와 B) 각각 색소 쥐 (C와 D)에 동시에 획득의 2-D fundus 이미지를 보여줍니다. SD 10 월 fundus 이미지 (그림 2A와 2C)에서, 망막 혈관은 빛을 프로빙의 헤모글로빈 흡수로 인해 어두운 모습을 갖추고 있습니다. 망막 혈관 (그림 2B의 RV)뿐만 아니라, PAOM 때문에 부족한 RPE의 멜라닌의 흰둥이 눈 choroidal vasculatures (그림 2B의 CV) 시각화. 색소 눈이 높은 멜라닌 농도, 망막 혈관뿐만 아니라 고 대비와 PAOM 이미지 RPE (그림 2D)이 때문입니다. 모든 망막 영상에서 최대 스캔 각도는 26도이며, 이미징 인수 ~ 2.7 초 정도 소요됩니다. PAOM의 3 차원 이미징 능력을 입증하기 위해 그림 2B에 표시된 데이터의 체적 렌더링이 Figur에 있습니다E 3.

그림 1
그림 1.의 5 축 동물 소유자의 사진. 1-5 화살표는 다섯 조절 자유와 화살표 여섯 하이라이트 동물 restrainer를 강조 표시합니다.

그림 2
그림 2. 동시에 SD 10 월 (A와 C)과 PAOM (B와 D) fundus 이미지를 인수했다. A)와 B) 흰둥이 쥐에서 획득되며, C)와 D) 색소 쥐에서 찾았습니다. RV : 망막 혈관, CV : choroidal 선박, RPE : 망막 색소 상피. 바 : 500 μm.

그림 3
<STRONG> 그림 3. 흰둥이 쥐 망막에서 PAOM의 체적 시각화.

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Discussion

여기, 우리는 SD 10 월과 함께 PAOM를 사용하여 쥐의 눈의 망막 생체 이미징에 동시에 대한 자세한 지침을 제시한다. 광 산란 기반의 SD 10 월은 아마도 망막 영상 3에 대한 임상 "금 표준"입니다, 그러나,이 망막에서 광 흡수를 감지 할 문자를 구분하지 않습니다. 새로 개발 PAOM이 망막 6 광 흡수 특성을 제공하는 유일한 광 - 흡수 기반 안과 이미징 양상이다. 헤모글로빈과 멜라닌이 endogenously 강한 광 흡수 색소 때문에 PAOM 추가 대비 에이전트에 의존하지 않고 망막 / choroidal 선박 및 RPE의 해부학 적 구조와 기능을 조사 할 수 있습니다.

PAOM에서 산만 초음파 변환기는 (~ 2.8 × 2.8 mm 2) t 방향으로 PA 신호의 부패한 검출 감도를 발생의 유한 요소 활성으로 인해 10 제한된 감도 영역이보기 (FOV)의 분야의 그는 주변. 따라서, 변환기의 틸팅 각도는 신중하게 균일 한 망막 FOV을 달성하기 위해 조정해야합니다. 기존의 압전 변환기에 대한 잠재적 인 대체는 낮은 소음 상응하는 압력 값과 PAOM 더 나은 SNR과 더 균일 한 망막 이미지를 제공 할 수 있습니다 넓은 감지 지향성 14,이 공진기 마이크로 링을 적용하는 것입니다. SD 10 월과 비교, PAOM 비슷한 측면 해상도 (~ 20 μm)하지만, 훨씬 더 축 해상도 (~ 23 μm) 현재 제한된 초음파 대역폭 6에 의한 수 있습니다. PAOM의 축 해상도는 잠재적으로뿐만 아니라 소설 초음파 감지기를 채용하여 향상시킬 수 있습니다. PAOM 해상도의 교정 방법은 이전에는 6,15을보고했다.

요약, 통합 PAOM 및 SD 10 월 이미징 시스템은보다 포괄적 인 해부학과 망막의 기능 평가를 제공하며, 따라서에 큰 약속을 보유하고미래의 임상 진단 및 다양한 안구 질환의 managements.

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Disclosures

모든 실험 동물의 절차는 노스 웨스턴 대학의 기관 동물 케어 및 사용위원회에 의해 승인되었습니다.

Acknowledgments

우리는 국립 과학 재단 (National Science Foundation) (경력 CBET-1055379)과 국립 보건원 (1RC4EY021357, 1R01EY019951)에서 관대 한 지원을 감사합니다. 우리는 또한 중국 장학위원회에서 웨이의 노래를 지원을 인정합니다.

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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).

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