Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Entegre Photoacoustic Oftalmoskopi ve Spektral-domain optik koherens tomografi

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 oftalmoloji (PAOM), optik-soğurma tabanlı görüntüleme yöntemi, şu anda mevcut oftalmik görüntüleme teknolojileri retinanın tamamlayıcı değerlendirilmesini sağlar. Biz sıçanlarda eşzamanlı multimodal retina görüntüleme için spektral domain optik koherens tomografi (SD-OCT) ile entegre PAOM kullanılarak rapor.

Abstract

Klinik tanı ve majör oküler hastalıkların temel soruşturma Hem büyük ölçüde çeşitli non-invaziv oftalmik görüntüleme teknolojilerinden yararlanmak. Retina görüntüleme gibi fundus fotoğraflarında 1, konfokal tarayıcı laser oftalmoskopi (cSLO) 2, ve optik koherens tomografi (OCT) 3 gibi yöntemleri, hastalık sergilenir ve ilerlemeler, izleme ve yeni tedavi stratejilerinin geliştirilmesine önemli katkıları var. Mevcut Ancak, ağırlıklı retinadan geri yansıyan fotonlar güveniyor. Bunun bir sonucu olarak, genellikle kuvvetle retina patofizyolojisi ile ilişkili olan statü retina optik emme özellikleri, geleneksel bir görüntüleme teknolojisi ile erişilemez.

Photoacoustic oftalmoskopi (PAOM) yüksek hassasiyet 4-7 ile göz optik soğurma karşıtlıklar algılama izin yükselen bir retina görüntüleme yöntemidir. PAOM nan yılındaosecond lazer darbeleri öğrenci ile teslim ve göz kapağına iliştirilmiş bir odaklanmamış ultrasonik sensör tarafından algılanır photoacoustic (PA) sinyalleri, ikna etmek için posterior göz genelinde taranır. Çünkü hemoglobin ve melanin güçlü optik absorpsiyon, PAOM non-invaziv görüntüleme retinal ve koroidal vasculatures ve yüksek kontrastlı 6,7 de retina pigment epiteli (RPE) melanin yeteneğine sahiptir. Daha da önemlisi, iyi gelişmiş spektroskopik photoacoustic görüntüleme 5,8 dayanan, PAOM, diyabetik retinopati gibi birçok kör hastalıkların 9 fizyolojisi ve patolojisi okuyan kritik olabilir retina damarlarında hemoglobin oksijen satürasyonu, eşlemek için bir potansiyele sahiptir ve neovasküler yaşa bağlı makula dejenerasyonu.

Dahası, mevcut tek optik soğurma tabanlı oftalmik görüntüleme yöntemi olmanın, PAOM köklü klinik oftalmik görüntüleme te ile entegre edilebilirchniques birden fazla optik zıtlıklar 6,10 göre gözün daha kapsamlı anatomik ve fonksiyonel değerlendirmeler elde etmek için. Bu çalışmada, optik soğurma ve retinanın saçılma özelliklerini hem de ortaya çıkar sıçan, in vivo retina görüntüleme eşzamanlı için PAOM ve spectral-domain OCT (SD-OCT) entegre. Sistem yapılandırması, sistem uyumu ve görüntüleme edinimi sunulmaktadır.

Protocol

1. Sistem Yapılandırması

  1. PAOM Subsystem
    1. Aydınlatma kaynağı: Nd: YAG lazer (SPOT-10-100, Elforlight Ltd, UK: 20 μJ / pulse; 2 nsec darbe süresi; 30 kHz maksimum darbe tekrarlama oranı).
    2. Bir beta-baryum-borat ile 532 nm frekans iki katına 1064 nm'de çıkış lazer edilir (BBO) kristal (CasTech, San Jose, CA). Bir lazer hattı ayna tarafından daha fazla bölünmüş sonra, 532 nm ışık tek modlu fiber optik (P1-460A-FC-5, Thorlabs) aracılığıyla teslim edilir ve 1064 nm lazer tetikleyen bir fotodiyot (DET10A, Thorlabs) tarafından kaydedilen PA sinyal alımı.
    3. Tek modlu fiber optik üzerinden gelen lazer ışığı bir galvanometre (GM, QS-7, Nutfield Teknolojisi) ve bir teleskop yapılandırması tarafından retina üzerine teslim edilir (f1 = 75 mm ve f2 = 14 mm, Edmund Optik) 6.
    4. Bir odaklanmamış iğne dönüştürücü (40 MHz merkez frekanslı, 16 MHz bant genişliği, 0.4 × 0.4 mm 2 aktif elemanın büyüklüğü, NIH Kaynak centeUltrasonik Dönüştürücü Teknolojileri, Southern California Üniversitesi) için r retinanın oluşturulan PA sinyalleri algılamak için göz kapağı ile temas ettirilir. Ultrasonik jel (Sonotech) iyi akustik kuplaj için dönüştürücü ucu ve hayvan gözkapağı arasına uygulanır.
    5. PA sinyali iki amplifikatör (ZFL-500LN +, Mini-devreleri ve 5073PR, Olympus) ile amplifiye edilir ve (CS14200, Gage Uygulamalı) bir veri toplama kurulu tarafından sayısallaştırılmıştır.
  2. SD-OCT Subsystem
    1. Düşük tutarlılık ışık kaynağı: Bir genişbant süper-Işıklı diyot (IPSDD0804, InPhenix; merkez dalgaboyu:;: 50 nm 6-dB bant genişliği 840 nm) 6 mikron aksiyal çözünürlük belirler.
    2. Yakın kızılötesi ışığı 50 ile kol ve doku kolundan başvurmak için ayrılmıştır × 50 özelleştirilmiş single-mode fiber bağlantı elemanı (OZ Optics).
    3. Sıcak bir ayna (FM02, Thorlabs) tarafından PAOM aydınlatıcı ışığı ile birleştirerek sonra OCT örnek kol aynı tarama ve teslimat optik wi paylaşmaktadırinci PAOM 6.
    4. Bir ev inşa spektrometre line-scan CCD kamera (Aviiva SM2, E2V) 24 kHz A-line oranı sağlayan SD-OCT parazit sinyalleri kaydetmek için kullanılır. Tipik bir spektrometre tasarımı önceden çeşitli yayınlar, 11 ve lif çiftli SD-OCT spektrometre elde edilebilen şu anda ticari olarak temin edilebilir. SD-OCT hassasiyeti 90 dB daha iyi olduğu ölçülür.
  3. Şema Tarama
    1. Galvanometre tarama Hızlı 2-D raster de PAOM lazer atış ve OCT spektrometre sinyal edinimi hem tetikleyen bir analog çıkış kartı (PCI-6731, National Instruments) tarafından kontrol edilir. Sonuç olarak, PAOM ve OCT içinde alt veri toplama senkronize edilir.
    2. PAOM veri toplama bir fotodiyot kayıt PAOM lazer dizisi (1.1.2 bakınız) tarafından tetiklenir.
    3. 3-D volümetrik görüntüler veya 2-D fundus görüntüleri (256 256 B-tarama görüntüleri inşa edilir B başına A-hatları) Görüntü tarayın.

2. Sistem Yerleşimi

  1. BBO kristal frekans çiftleme verim ve tek modlu fiber optik bağlantı verimliliğini en üst düzeye. PAOM aydınlatıcı ışığı optimize ederken personel göz koruması için LG3 gözlüğü (Thorlabs) giyin.
  2. Çap olarak 2.0 mm kadar bir elyaf PAOM çıkış lazer paralelleştirmek.
  3. Koaksiyel olmak PAOM ve SD-OCT kombine aydınlatma ışıkları hizalayın.
  4. ~ 0.8 mW ışık sondalama ~ 40 nJ / darbe ve SD-OCT de PAOM ikaz ışığı ayarlayın, her ikisi de 6,12 güvenli göz olduğu bildirilmektedir.

3. Vivo Multimodaller Retina Imaging'de

  1. Bir saydam polipropilen kutu için sıçan aktarın ve izofluran (Phoenix Pharmaceutical, Inc) ve normal% 1.5 'lik bir konsantrasyonda, hava ve 2.0 litre / 10 dk için dak' lık bir akış oranı ile bir karışım hayvan anestetize.
  2. Bir homema yılında anestezi sıçan dizginlemekde beş-eksenli ayarlanabilir serbestlik (Şekil 1) ve bir ısıtma pedi (Repti term, Zoomed Laboratories, Inc) ile ~ 37 ° C 'de vücut sıcaklığını tutmak ile tutucu. Deney boyunca% 1.0 konsantrasyonda ve 1.5 litre / dk debi ile karışık izofluran ve normal hava teneffüs gaz ile anestezi koruyun.
  3. Bir cerrahi makas kullanarak kirpik Kes 1% Tropikamid oftalmik solüsyonu ile öğrenciler dilate ve% 0.5 Tetrakain hidroklorür oftalmik solüsyon kullanarak iris sfinkter kas felç. Sıçan gözün kornea dehidratasyon ve katarakt oluşumunu önlemek için her dakika için yapay gözyaşı damlaları (Systane, Alcon Laboratories, Inc) uygulayın. Görüntüleme sırasında pulse oksimetre (8.600 V, Nonin Medical, MN) tarafından hayvan kalp hızı, solunum ve kan oksijenlenme izleyin.
  4. SD-OCT aydınlatıcı ışığı açın ve ~ 0.8 mW olmak problama ışığı denetleyin.
  5. Galvanometre tarama etkinleştirin. SD-OCT ışınlama ışık dağıtım hizalayınsıçan retina üzerine ve beş eksenli hayvan sahibi ayarlayarak ilgi retina bölgesi (ROI) belirlemek. ROI farklı araştırma ihtiyaçlarına göre seçilmelidir ederken Burada, optik disk kasıtlı, görüş alanının merkezinde yer alıyor.
  6. Ayrıca en iyi optik odaklama elde edilene kadar her ikisi de tarama yönü (raster tarama yönünü değiştirerek) retina kesitinin SD-OCT görüntüleme özellikleri optimize etmek için hayvan sahibi ayarlayın.
  7. Beş eksenli ayarlanabilir platform üzerinde iğne dönüştürücü hazırlayın, dönüştürücü ucu ultrasonik jel bir damla uygulayın ve nazikçe hayvan gözkapağı Dönüştürücü ucu başvurun.
  8. Harici tetikleme moduna PAOM lazer ayarlayın, galvanometre tarama başlatın ve hayvan retinanın PAOM kesitsel görüntü gerçek zamanlı görüntü etkinleştirin. PAOM görüntü arada, en iyi sinyal-gürültü oranı (SNR) var ve kadar dikkatlice dönüştürücü yönünü ayarlamak, bir eşit dist gösterirHer iki tarama yönde Pensilvanya genlik desenleri ributed.
  9. Tarama parametrelerini ayarlayın, ve SD-OCT ve PAOM aynı anda retina görüntüleme yapmak. SD-OCT ile PAOM off-line üç boyutlu görüntüleri yeniden. Bizim yeniden kodlar Matlab yazılmış ve üç boyutlu görselleştirme (Volview, Kitware) ücretsiz bir uing sağlandı. SD-OCT rekonstrüksiyon algoritması 11. Ref bulunabilir ve PAOM rekonstrüksiyon algoritması Ref bulunabilir. 6 ve Ref. 13. Gerekirse) 3.7 prosedürleri) -3.9 tekrarlayın.
  10. Deneyden sonra, SD-OCT sondalama ışığını kapatmak derhal tutucudan hayvan çıkarın ve doğal uyanana kadar sıcak tutun. Kurtarmak için gözler için ekstra bir saat karanlık bir ortamda hayvan tutun. Hayvan anestezi ve görüntüleme edinilmesi dahil bütün deney süresince, deneyimli bir operatör için en az 30 dk.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Şekil 2 SD-OCT ve PAOM bir albino sıçanlar (A ve B) ve sırasıyla bir pigmente sıçan (C ve D) 'de elde edilen ve eş zamanlı olarak 2-D fundus görüntüler gösterir. SD-OCT fundus görüntüleri (Şekil 2A ve 2C) ise, retina damarlarında ışık problama hemoglobin emilimi nedeniyle koyu bir görünüme sahip. Retinal damar (Şekil 2B içinde RV) ek olarak, PAOM çünkü eksik RPE melanin albino göz içinde koroidal vasculatures (Şekil 2B CV) görselleştirir. Pigmentli göz yüksek melanin konsantrasyonu, retina damarlarında ek olarak yüksek kontrastlı PAOM görüntüleri RPE (Şekil 2B) olduğundan. Tüm retina görüntülemede, maksimum tarama açısı 26 derecedir ve görüntüleme edinimi ~ 2.7 sn sürer. PAOM üç-boyutlu görüntü kapasitesi göstermek için, Şekil 2b'de gösterilen bir veri işleme volumetrik Figür 'de verilmiştire 3.

Şekil 1
Şekil 1. Beş-eksenli hayvanın sahibinin Fotoğraf. 1-5 oklar beş ayarlanabilir özgürlükleri ve ok 6 golleri hayvan süzgeç vurgulayın.

Şekil 2,
Şekil 2. Aynı zamanda SD-OCT (A ve C) ve PAOM (B ve D) fundus görüntüleri elde. A) ve B) bir albino sıçan elde edilir, ve C) ve D) pigmente sıçan elde edilir. RV: retinal damar; CV: koroid damar; RPE: Retina pigment epiteli. Bar: 500 mikron.

Şekil 3
<strong> Şekil 3. albino sıçan retina PAOM Hacimsel görselleştirme.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Burada, SD-OCT ile kombine PAOM kullanılarak sıçan gözleri vivo retina görüntüleme eşzamanlı üzerine ayrıntılı bir talimat sunuyoruz. Optik-saçılma tabanlı SD-OCT, belki de, retina görüntüleme 3 klinik "altın standart" olduğunu; ancak, retinada optik soğurma algılamak için duyarlı değildir. Yeni geliştirilen PAOM retinanın 6 optik soğurma özellikleri sağlar sadece optik emme tabanlı oftalmik görüntüleme yöntemidir. Hemoglobin ve melanin endojen güçlü optik soğurma pigmentler olduğundan, PAOM ek kontrast ajanlar başvurmadan retina / koroid damarları ve RPE anatomisi ve fonksiyonları araştıran sağlar.

PAOM olarak, odaklanmamış ultrasonik transdüktör (~ 2.8 x 2.8 mm 2 ') t karşı PA sinyallerinin bir çürümüş tespit duyarlılığı neden olur, sonlu aktif eleman için 10 sınırlı bir bölge vardır duyarlılıkview (FOV) alanının o çevre. Dolayısıyla, transdüktörün eğim açısında dikkatli bir şekilde homojen bir retina FOV elde etmek için ayarlanmalıdır. Geleneksel piezoelektrik transdüseri için potansiyel ikame düşük gürültü eşit basınç değerleri ve PAOM daha iyi SNR ile homojen bir retina görüntü sağlayabilir daha geniş bir algılama yönsel 14 sahiptir rezonatör mikro halka, uygulanmasıdır. SD-OCT ile karşılaştırıldığında, PAOM benzer lateral çözünürlük (~ 20 mikron) ama çok kötü aksiyal çözünürlük (~ 23 mikron) şu anda sınırlı ultrasonik bant genişliği 6 nedeniyle vardır. PAOM ve aksiyal çözünürlük potansiyel yanı romanı ultrasonik dedektör kullanılarak geliştirilebilir. PAOM kararlarının kalibrasyon yöntemi önceki 6,15 bildirildi.

Özet olarak, entegre PAOM ve SD-OCT görüntüleme sisteminde daha kapsamlı anatomik ve retina fonksiyonel değerlendirme sağlar, ve bu nedenle, büyük söz tutanGelecekte klinik tanı ve birçok oküler bozuklukların yönetimleri.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Tüm deney hayvan prosedürleri Northwestern Üniversitesi Kurumsal Hayvan Bakım ve Kullanım Kurulu tarafından onaylanmıştır.

Acknowledgments

Biz Ulusal Bilim Vakfı (KARİYER CBET-1055379) ve Ulusal Sağlık Enstitüleri (1RC4EY021357, 1R01EY019951) gelen cömert destek teşekkür ediyorum. Biz de Çin Burs Konseyi Wei Song destek için minnettarım.

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

Biyomedikal Mühendisliği Sayı 71 Biyomühendislik Tıp Anatomi Fizyoloji oftalmoloji Fizik Biyofizik Photoacoustic oftalmoloji oftalmoskopi optik koherens tomografi retina görüntüleme spektral-etki tomografi sıçan hayvan modeli görüntüleme
Entegre Photoacoustic Oftalmoskopi ve Spektral-domain optik koherens tomografi
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