Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Комплексная Фотоакустический Офтальмоскопия и спектрально-домен Оптическая когерентная томография

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

Фотоакустический офтальмологии (PAOM), оптического поглощения на основе изображений модальности, обеспечивает дополнительную оценку сетчатки в настоящее время технологии офтальмологических изображений. Мы сообщаем об использовании PAOM интегрирована с спектральной области оптической когерентной томографии (SD-OCT) для одновременного мультимодального изображения сетчатки у крыс.

Abstract

Как клинический диагноз и фундаментальные исследования основных заболеваний глазного извлечь большую пользу из различных неинвазивных технологий офтальмологических изображений. Существующие методы визуализации сетчатки, таких как фотографии глазного дна 1, конфокальной лазерной офтальмоскопии сканирования (cSLO) 2 и оптической когерентной томографии (ОКТ) 3, имеют значительный вклад в мониторинг заболевания приступы и прогрессии, и разработки новых терапевтических стратегий. Тем не менее, они в основном полагаются на задней отраженных фотонов от сетчатки. Как следствие, оптические свойства поглощения сетчатки, которая, как правило, тесно связаны с сетчатки статус патофизиологии, недоступные в традиционных технологий обработки изображений.

Фотоакустический офтальмоскопия (ПАОМ) является новым сетчатки метода визуализации, что позволяет обнаружить оптические контрасты поглощения в глаза с высокой чувствительностью 4-7. В PAOM нанимпульсов лазерного osecond доставляются через зрачок и сканировать по заднему глаза, чтобы вызвать фотоакустических (PA) сигналы, которые обнаруживаются сфокусировано ультразвуковой датчик крепится к веку. Из-за сильного оптического поглощения гемоглобина и меланина, PAOM способны неинвазивно изображения сетчатки и сосудистой оболочки vasculatures и пигментного эпителия сетчатки (ПЭС) меланина при высоких контрастах 6,7. Что еще более важно, основанные на хорошо развитую спектроскопических изображений фотоакустических 5,8, PAOM имеет потенциал, чтобы отобразить насыщения гемоглобина кислородом в сосуды сетчатки, которая может иметь решающее значение в изучении физиологии и патологии несколько ослепительно заболеваний 9 таких как диабетическая ретинопатия и неоваскулярной возрастной макулярной дегенерации.

Кроме того, являясь единственным существующим оптического поглощения на основе метода визуализации офтальмологические, PAOM может быть интегрирована с хорошо известными клинических офтальмологических изображений тэchniques для достижения более полной анатомической и функциональной оценки глазу на основе нескольких оптических контрастов 6,10. В этой работе, мы интегрируем PAOM и спектрально-домен октября (SD-OCT) для одновременного в естественных условиях изображения сетчатки крысы, где и оптического поглощения и рассеяния свойства сетчатки выявлено. Конфигурации системы, системы выравнивания изображений и приобретение представлены.

Protocol

1. Конфигурация системы

  1. Подсистема PAOM
    1. Освещение источник: Nd: YAG-лазер (SPOT-10-100, Elforlight Ltd, UK: 20 мкДж / импульс, 2 нс длительность импульса; 30 кГц максимальная частота повторения импульсов).
    2. Мощность лазера на длине волны 1064 нм с удвоенной частотой до 532 нм бета-бората бария (ВВО) кристалл (CasTech, San Jose, CA). После дальнейшего раскола в зеркале лазерной линии, 532 нм свет поступает через одномодового оптического волокна (P1-460A-FC-5, Thorlabs) и 1064 нм лазер, записанные на фотодиод (DET10A, Thorlabs), который вызывает PA сигнал приобретения.
    3. Лазерный луч выходит из одномодового оптического волокна подается на сетчатку с помощью гальванометра (GM, QS-7, Nutfield Technology) и телескоп конфигурации (f1 = 75 мм и f2 = 14 мм, Эдмунд оптики) 6.
    4. Сфокусировано датчик иглы (40-МГц центральная частота, 16-МГц, 0,4 × 0,4 мм 2 размер активного элемента, NIH ресурсов Centeг для ультразвуковой технологии преобразователя, Университет Южной Калифорнии) находится в контакте с веко, чтобы обнаружить PA сигналы от сетчатки. Ультразвуковой гель (Sonotech) применяется между наконечником датчика и животных века для хорошего акустического контакта.
    5. Сигнал PA усиливается двумя усилителями (ZFL-500LN +, Mini-Circuits, и 5073PR, Olympus) и оцифровывается платы сбора данных (CS14200, Гейдж прикладной).
  2. SD-OCT Subsystem
    1. Температура источника света согласованности: широкополосный супер-люминесцентными диод (IPSDD0804, InPhenix; центр длине волны: 840 нм; 6-дБ полоса пропускания: 50 нм), которая определяет осевое разрешение 6 мкм.
    2. Ближнего инфракрасного света разделяется ссылаться на руку и образцы руку от 50 × 50 настроенной одномодовый волоконный ответвитель (OZ Optics).
    3. После объединения с легкой PAOM освещающей по горячим зеркало (FM02, Thorlabs), октябрь образца руку разделяет те же проверки и доставки оптики Wiго PAOM 6.
    4. Самодельный спектрометр используется для записи SD-OCT сигналы помех, где линия сканирования CCD камера (Aviiva SM2, e2v) позволяет линии ставке 24 кГц. Дизайн типичных спектрометры могут быть найдены из нескольких ранее опубликованной литературы 11 и волоконно-связанных SD-OCT-спектрометров в настоящее время коммерчески доступны. SD-OCT чувствительности измеряется быть лучше, чем 90 дБ.
  3. Сканирование схеме
    1. Быстро 2-D растровые сканирования гальванометра контролируется аналоге выхода платы (PCI-6731, National Instruments), который также вызывает как стрельба PAOM лазерных и сигнал приобретение октября спектрометра. В результате данных приобретений в PAOM и октябре подсистем синхронизированы.
    2. Приобретение PAOM данных вызвана фотодиод записи PAOM лазерных последовательности (см. 1.1.2).
    3. 3-D объемных изображений или 2-D изображение глазного дна строятся из 256 B-сканов (256-линий на BСканирование изображения).

2. Система выравнивания

  1. Максимально удвоения частоты эффективность кристалла ВВО и связи эффективности одномодового оптического волокна. Носите защитные очки LG3 (Thorlabs) для защиты глаз персонала при оптимизации свет освещает PAOM.
  2. Наведитесь волоконного лазера выход PAOM до 2,0 мм в диаметре.
  3. Совместите комбинированные фары освещения PAOM и SD-OCT быть коаксиальными.
  4. Установить PAOM возбуждении светом при ~ 40 NJ / пульс и SD-OCT зондирующего света на ~ 0,8 мВт, оба из которых, как сообщается, безопасен для глаз 6,12.

3. В естественных условиях Мультимодальные изображения сетчатки

  1. Передача крысы прозрачной коробке полипропилена и обезболивать животных смесью изофлурана (Phoenix фармацевтической, Inc) и нормальным воздухом в концентрации 1,5% и расходе 2,0 л / мин в течение 10 мин.
  2. Сдерживать наркозом крыса в homemaде-держатель с пяти осям регулируемые свободы (рис. 1), и держать температуру тела при температуре ~ 37 ° C на грелку (Repti Therm, Увеличенный Laboratories, Inc). Поддержание анестезии при вдыхании газа смешанной изофлурана и обычный воздух с концентрацией 1,0% и 1,5 л / мин скорость потока в течение всего эксперимента.
  3. Вырезать ресниц помощью хирургических ножниц, расширяются зрачки с 1% офтальмологического раствора Тропикамид, и парализовать мышцы радужной оболочки сфинктера с использованием 0,5% Тетракаин офтальмологического раствора гидрохлорида. Применение капель искусственной слезы (Systane, Alcon Laboratories, Inc) для крыс глаза каждую минуту, чтобы предотвратить обезвоживание роговицы и катаракты. Следите за скоростью животных сердца, дыхание и насыщение крови кислородом с помощью пульсоксиметра (8600 V, Nonin медицинская, MN) во время съемки.
  4. Включите SD-OCT свет, освещающий и проверить зондирующего света, чтобы быть ~ 0,8 мВт.
  5. Активировать гальванометра сканирования. Совместите SD-OCT облучения светом доставкойна сетчатке крыс и определить сетчатки области интереса (ROI) путем корректировки пять оси животного владельцу. Здесь, диск зрительного нерва намеренно помещают в центр поля зрения, в то время как рентабельность должна быть выбрана на основе различных требований исследований.
  6. Дальнейшие настройки животное держатель для оптимизации SD-OCT изображений качеств сетчатки сечения в обоих направлениях сканирования (путем переключения направления растрового сканирования) пока лучший оптический фокус будет достигнута.
  7. Подготовка иглы преобразователя на пять оси регулируемые платформы, нанесите каплю ультразвукового геля на кончике датчик и аккуратно обращаться преобразователя наконечник для животных века.
  8. Установить PAOM лазер с внешним триггером режиме, запустить сканирование гальванометр, и активировать отображение в реальном времени из PAOM поперечного сечения образ животного сетчатки. Тщательно отрегулируйте датчик ориентации, пока изображение не PAOM имеет лучшее отношение сигнал-шум (SNR) и, в то же время, показывает, равномерное расстояниеributed модели PA амплитуды в обоих направлениях сканирования.
  9. Установите параметры сканирования, а также проводить одновременно сетчатке изображений SD-OCT и PAOM. Реконструкция трехмерного изображения SD-OCT и PAOM офф-лайн. Наши коды реконструкции были написаны в Matlab и трехмерной визуализации была достигнута uing бесплатный (Volview, Kitware). Алгоритм для SD-OCT реконструкции можно найти в работе. 11 и алгоритма реконструкции PAOM можно найти в работе. 6 и Ref. 13. Если необходимо, повторите процедуры 3,7) -3,9).
  10. После эксперимента, отключить SD-OCT зондирующего света, удалить животное из держателя сразу, и он оставался в тепле, пока она проснется естественным образом. Держать животных в темном помещении в течение дополнительного часа для глаз, чтобы восстановиться. Весь экспериментальный продолжительности, в том числе анестезии животных и визуализации приобретения, составляет менее 30 мин для опытного оператора.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

На рисунке 2 показан 2-D изображение глазного дна SD-OCT и PAOM приобрела одновременно в белых крыс (А и В) и пигментированные крысы (C и D), соответственно. В SD-OCT изображение глазного дна (рис. 2А и 2В), сосуды сетчатки имеют темно появление связано с гемоглобином поглощения зондирующего света. В дополнение к сосуды сетчатки (RV в рис. 2В), PAOM визуализирует хориоидеи vasculatures (CV в рис. 2В) у белых глаз из-за отсутствия НПП меланина. Потому что пигментированных глаз имеет высокую концентрацию меланина, PAOM изображений ПЭС (рис. 2D) с высокой контрастностью в дополнение к сосуды сетчатки. Во всех изображений сетчатки, максимальный угол сканирования составляет 26 градусов, а изображение приобретение занимает ~ 2,7 сек. Для демонстрации трехмерных изображений Возможность PAOM, объемная визуализация данных показана на рисунке 2б приведены в FigurE 3.

Рисунок 1
Рисунок 1. Фотография из пяти осям животного владельцу. Стрелки 1-5 выделить пять регулируемых свобод и стрелка 6 основных моментов животных фиксатор.

Рисунок 2
Рисунок 2. Одновременно приобрел SD-OCT (А и С) и PAOM (B и D) глазного дна изображений. А) и Б), приобретенные у белых крыс, и C) и D) были приобретены у пигментированных крысы. RV: сетчатки судна; CV: хориоидеи судна; ПЭС: пигментный эпителий сетчатки. Бар: 500 мкм.

Рисунок 3
<сильная> Рисунок 3. Объемная визуализация PAOM в сетчатке крыс альбиносов.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Здесь мы приводим подробную инструкцию по одновременной в естественных условиях изображения сетчатки глаза крысы использованием PAOM в сочетании с SD-октябре Оптический рассеяние на основе SD-OCT является, пожалуй, клинические «золотой стандарт» для изображения сетчатки 3, однако он не чувствителен для обнаружения оптического поглощения в сетчатке. Недавно разработанная PAOM является единственным оптического поглощения на основе офтальмологических изображений методом, который обеспечивает оптические свойства поглощения сетчатки 6. Потому что гемоглобин и меланин являются эндогенно сильные оптические пигменты, поглощающие, PAOM позволяет следственным анатомии и функции сетчатки / хориоидеи суда и ПЭС, не прибегая к дополнительным контрастных веществ.

В PAOM, вне фокуса ультразвуковой датчик имеет ограниченную область чувствительности (~ 2,8 × 2,8 мм 2) 10 благодаря своей конечной активный элемент, который вызывает гнилые чувствительность обнаружения сигналов PA к тОн периферии поля зрения (FOV). Таким образом, угол наклона преобразователя должны быть тщательно доводят до получения однородной сетчатки FOV. Потенциальной замены для традиционных пьезоэлектрических преобразователей заключается в применении микро-кольцевой резонатор, который имеет низкий уровень шума эквивалентные значения давления и широкой направленности обнаружения 14, который может обеспечить более однородное изображение сетчатки с лучшей SNR в PAOM. По сравнению с SD-OCT, PAOM имеет аналогичные боковые разрешение (~ 20 мкм), но гораздо хуже, осевые разрешение (~ 23 мкм) в связи с ограниченным настоящее время ультразвукового пропускной способностью 6. Осевой разрешение PAOM потенциально могут быть улучшены за счет применения новых ультразвуковых детекторов, а также. Метод калибровки резолюций PAOM был предыдущего отчетного 6,15.

Таким образом, интегрированное PAOM и SD-OCT изображений система предлагает более полную анатомическую и функциональную оценку сетчатки, и, следовательно, имеет большие обещания вбудущего клинического диагноза и управления многих заболеваний глаз.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Все экспериментальные процедуры животного были одобрены Институциональные уходу и использованию животных комитета Северо-западного университета.

Acknowledgments

Мы благодарим щедрой поддержке со стороны Национального научного фонда (КАРЬЕРА конбет-1055379) и Национального института здоровья (1RC4EY021357, 1R01EY019951). Мы также отмечаем поддержку со стороны Китая стипендии Совета Песня Вэй.

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

Биомедицинская инженерия выпуск 71 биоинженерии медицине анатомии физиологии офтальмологии физики биофизики Фотоакустический офтальмологии офтальмоскопия оптической когерентной томографии изображения сетчатки спектрально-домен томография крысы животной модели визуализация
Комплексная Фотоакустический Офтальмоскопия и спектрально-домен Оптическая когерентная томография
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