Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Engineering

Roman Photoacoustic mikroskopi och optisk koherenstomografi Dual-modalitet korioretinal Imaging i levande kanin ögon

doi: 10.3791/57135 Published: February 8, 2018

Summary

Detta manuskript beskriver romanen setup och handhavande av en photoacoustic mikroskopi och optisk koherens tomografi dual-modalitet system för noninvasiv, etikett-fri korioretinal avbildning av större djur såsom kaniner.

Abstract

Photoacoustic okulär bildbehandling är en framväxande oftalmologiska bildteknik som noninvasivt kan visualisera okulär vävnad genom att omvandla ljusenergi till ljudvågor och är för närvarande under intensiv undersökning. De flesta rapporterade dock hittills är inriktad på avbildning av bakre segment ögonen på små djur, som råttor och möss, som innebär utmaningar för kliniska mänsklig översättning på grund av små ögongloben storlekar. Detta manuskript beskriver en roman photoacoustic mikroskopi (PAM) och optisk koherens tomografi (ULT) dual-modalitet system för bakre segment avbildning av ögonen av större djur såsom kaniner. Systemkonfiguration, system justering, djur förberedelse och dual-modalitet experimentella protokoll för i vivo, icke-invasiv, etikett-fri korioretinal imaging hos kaniner är detaljerade. Effektiviteten i metoden demonstreras genom representativa experimentella resultat, inklusive näthinnan och koroidal vaskulatur erhålls av PAM och OCT. Detta manuskript ger en praktisk guide till reproducera de bildbehandling resultat hos kaniner och främja photoacoustic okulär imaging i större djur.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Senaste decennierna har bevittnat den explosiva utvecklingen av området för biomedicinsk photoacoustic imaging1,2,3,4,5,6,7 ,8. Baserat på energi omvandlingen av ljus till ljud, den framväxande photoacoustic imaging kan visualisera biologiska prover på skalor från organeller, celler, vävnader och organ till små djur hela kroppen och kan avslöja dess anatomiska, funktionella, molekylär, genetisk, och metaboliska information1,2,9,10,11,12. Photoacoustic imaging har funnit unika tillämpningar i en rad biomedicinska forskningsområden, exempelvis cellbiologi13,14, vaskulärbiologi15,16, neurologi17,18 , onkologi19,20,21,22, dermatologi23, farmakologi24och hematologi25,26. Dess tillämpning i oftalmologi, d.v.s. photoacoustic okulär imaging, har rönt betydande intressen från både forskare och kliniker och är för tillfället under aktiv utredning.

I kontrast till används rutinmässigt okulär imaging teknik27, såsom fluoresceinangiografi (FA) och indocyaningrönt angiografi (ICGA) (baserat på fluorescens kontrast), optisk koherenstomografi (OCT) (baserat på optisk scattering kontrast) , och dess derivat OCT angiografi (baserat på rörelse kontrast av röda blodkroppar), photoacoustic okulär imaging använder optisk absorption som mekanismen för kontrast. Detta skiljer sig från konventionella okulär avbildningstekniker och ger ett unikt verktyg för att studera optisk absorption boenden i ögat, som vanligtvis förknippas med okulär vävnad28patofysiologisk status. Hittills har betydande har utmärkta arbete gjorts i photoacoustic okulär imaging29,30,31,32,33,34,35, 36,37, men dessa studier fokuserar på det bakre segmentet ögonen på små djur, som råttor och möss. De banbrytande studierna väl demonstrera genomförbarheten av photoacoustic imaging i oftalmologi men det finns fortfarande en lång väg att gå mot kliniska översättning av tekniken sedan ögongloben storlekar av möss och råttor är mycket mindre (mindre än en tredjedel) än som av människor. På grund av förökningen av ultraljudsvågor en betydligt längre sträckor, kan signalens intensitet och bild kvalitet kraftigt lida när tekniken används för imaging bakre segment av större ögon.

Mot detta mål, vi nyligen rapporterade den noninvasiv, etikett-fri korioretinal imaging i levande kaniner med hjälp av integrerade photoacoustic mikroskopi (PAM) och spektral-domän okt (SD-okt)38. Systemet har utmärkta prestanda och kan visualisera näthinnan och åderhinnan ögonen på större djur baserat på endogena absorption och spridning kontrasten i okulära vävnader. Preliminära resultat i kaniner visar att PAM noninvasivt kunde urskilja enskilda blodkärl på näthinnan och koroidal som använder en laser exponeringsdos (~ 80 nJ) betydligt under ANSI American National Standards Institute () säkerhet gräns (160 nJ) på 570 nm39; och ULT kunde tydligt lösa olika retinala lagren, åderhinnan och sklera. Det är den första demonstrationen av bakre segment avbildning av större djur med PAM och kan vara ett stort steg mot klinisk översättning av tekniken med tanke på att ögongloben storleken på kaniner (18,1 mm)40 är nästan 80% av axiell längd människor (23,9 mm).

I detta arbete, vi ger en detaljerad beskrivning av dual-modalitet bildsystem och experimentella protokoll som används för icke-invasiv, etikett-fri korioretinal imaging i levande kaniner och visar systemets prestanda genom representativa retinal och koroidal bildbehandling resultat.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Kaniner är en United States Department of Agriculture (USDA) omfattas arter. Dess användning i biomedicinsk forskning måste följa strikta regler. Alla kanin experimenten utfördes i enlighet med programsatsen ARVO (Association for Research i Vision och oftalmologi) för användning av djur i oftalmologiska och Vision Research, efter godkännande av protokollet laboratorium djur av universitetet Utskottet för användning och skötsel av djur (UCUCA) från University of Michigan (protokoll PRO00006486, PI Yannis Paulus).

1. systemkonfiguration

  1. Photoacoustic mikroskopi (PAM)
    1. Använd en optisk parametrisk oscillator (OPO) laser pumpas av en diod-pumpade solid-state laser som ljuskälla till PAM. Välj rätt tekniska specifikationer, såsom puls upprepning Betygsätt 1 kHz, puls varaktighet 3-6 ns och avstämbara våglängdsområdet 405-2600 nm.
    2. Speglar som härrör strålen från lasern på 570 nm av två speglar (M1 och M2), sedan passera den genom en halv-wave plattan ljuddämpare monterad på en motoriserad rotation scenen, och slutligen fokus, filter och collimate det av en strålen kollimator (figur 1). Optimera utformningen av den strålen kollimator. Ett exempelkonfiguration av den strålen kollimator inkluderar en fokuserande lins L1 (brännvidd 250 mm), ett hål (diameter 50 µm) och en kollimerande lins L2 (brännvidd 30 mm).
    3. Dela den kollimerad strålen av en stråldelare (BS1) med en split-förhållandet av 90/10 (reflektion/överföring). Registrera den överförda delen av en fotodiod för puls-till-pulse laser energiövervakning. Successivt avleda reflekterade portion av en spegel (M3) och en dichroic spegel (DM) och raster scan den med en tvådimensionell galvanometer. Galvanometer är en delad komponent med spektrala domänen (SD)-OCT system (beskrivs nedan).
    4. Leverera skannade strålen genom ett teleskop som består av en scan-objektiv (brännvidd 36 mm) och en ophthalmic lens (OL, brännvidd 10 mm) och slutligen fokuserar det på ögonbotten genom kanin ögat optik.
    5. Välj en nål-formade ultraljud givare med ordentlig tekniska specifikationer, till exempel center frekvens 27 MHz, tvåvägs −6 dB bandbredd 60%. Placera den i kontakt med bindhinnan utanför den centrala visuella axeln att fånga glada photoacoustic signal.
    6. Förstärka signalen med hjälp av en ultraljud förstärkare (exempelvis få 57 dB), filtrera den genom ett lågpassfilter (exempelvis cutoff frekvens 32 MHz), och digitalisera det av en höghastighets digitizer vid en samplingsfrekvens på 200 MS/s.
    7. Plats en kraftmätare ovan kaninen öga och mäta laser puls energi på kanin hornhinnan att hålla det under ANSI säkerheten Begränsa 160 nJ vid 570 nm38. Blockera balken för att undvika laser överexponering med hjälp av en laser slutare styrs från Matlab genom en synkronisering elektronik.
    8. Synkronisera laser, galvanometer och digitizer genom en data förvärv (DAQ) styrelse. Program programvaran för systemet kontroll och datainskaffning i Matlab.
  2. Spectral-domän optisk koherenstomografi (SD-okt)
    1. Anpassa SD-okt systemet baserat på ett kommersiellt tillgängliga system genom att lägga till en oftalmologiska lins (OL) efter skanningslinsen (SL) och en bit av dispersion ersättning glas (DCG) i referens armen (figur 1). Ändringen gör att systemets OCT kan bilden bakre segmentet av ögat kanin.
    2. Använd en zoomning bostäder tube för att justera längden på referens armen att säkerställa sin match med den optiska ljuspassagelängden av provet armen. Använd en iris för att styra ljusintensiteten retro-återspeglas referens att säkerställa sin match med bakåtspritt ljus intensitet från kanin fundus till uppnå maximal bildens kontrast.
    3. Anställa en avgift – tillsammans enhet (CCD) kamera inkapslade i genomsökningen huvudet för realtid visualisering av kanin fundus med en belysning lysdiod (LED) som en extern belysning källa.

2. system justering

  1. Initiera galvanometer position och justera OCT systemet genom att justera skruvarna på fiber kollimator fästet och beamsplitter kuben.
    Obs: Stegvisa anvisningar finns i handboken till kommersiellt förvärvade OCT systemet och kommer inte att omfattas här. Detta steg är främst att säkerställa rätt anpassningar av den fiber kollimator, referens armen och skanningslinsen att maximera prestanda i OCT systemet.
  2. Justera x, yoch z position av pinhole runt fokus för fokuserande linsen att rumsligt filtrera ut laserstrålen och maximally överföra laser energi. Kontrollera höjderna av laserstrålen före och efter hål med en höjd mätverktyg för att säkerställa att de är samma.
  3. Justera tilt, decenter, och z position av kollimerande linsen L2 till collimate filtrerade balken. Se till att balken har ungefär samma storlek och höjd när observerats i närfält och fältet långt.
  4. Co-axiellt kombinera PAM laserstrålen och OCT ljusstrålen genom att trimma vippar av spegeln och DM. Efter detta steg, PAM laser och OCT ljus bör vara fullt överensstämmande och skanning regioner på kanin fundus är desamma.
  5. Justera lutningen och decenter OL linsen att korrekt anpassa det i den optiska vägen. En gång gjort, är dual-modalitet systemet redo för avbildning.
    Obs: Man kan använda auto-kollimering metoden för att uppnå detta, dvs, kontrollera ljuset tillbaka-reflekteras av OL objektivets yta att se till att det går tillbaka längs samma sätt som infallande ljus.

3. kanin förberedelse

  1. Ta en nya Zeeland White rabbit från djuranläggningen och spela in enskilda information, till exempel kropp vikt och djur.
  2. Montera kanin plattformar, inklusive kroppsstöd och huvudet stöd i optiska tabellen nedan bildsystem. Sätta en vatten-cirkulerande värme filt på kroppsstöd och temperaturen på det cirkulerande vattnet till 38 ° C för att hålla kroppstemperaturen hos kanin varm för varaktigheten av experiment och återhämtning.
  3. Spela in de före proceduren vitals, inklusive övergripande djurens tillstånd, slemhinnan färg, puls, andningsfrekvens och rektal kroppstemperatur. Söva kaninen med en blandning av ketamin (40 mg/kg) och xylazin (5 mg/kg) genom intramuskulär (I.M.) injektion och registrera användningen av ketamin (schema III kontrollerade ämnen). Bekräfta den anestesi nivån genom att kontrollera dess puls, andningsfrekvens och övergripande statligt.
  4. Vidgas kanin eleverna använder en droppe varje Tropikamid 1% oftalmologiska och fenylefrin hydroklorid 2,5% oftalmologiska.
  5. Använda ett spekulum och Håll ögonlocken ur vägen som du kan tillämpa en droppe öga smörjmedel att fukta hornhinnan. Ingjuta en droppe av aktuell tetrakain 0.5% i ögat innan imaging förfarandet.
    Obs: För längre förfaranden eller förfaranden möjligt obehag för djuret, ger kaninen en subkutan injektion av meloxikam innan experimentet djur behagligt.

4. SD-okt imaging

  1. Överföra kaninen till imaging plattformen av en klinisk fundus kamera och ta 50 graders fundus, red gratis och autofluorescens bilder före ULT imaging session. Detta hjälper kontrollera optisk transparens i ögat och erkänna fundus fartyget morfologi och sevärdheter, till exempel synnerven och medullär ray retinala blodkärlen.
  2. Överföra kaninen till plattformen av OCT systemet och justera dess hållning för att ungefär placera en av ögonen under OL. Belysa ögat med hjälp av LED-ljus.
    Obs: För att underlätta klinisk översättningen av tekniken, kanin ögon stabiliseras inte med hjälp av andra metoder och kanin huvudet är bara sätta på huvudet stöd utan någon fixering.
  3. Öppna programvaran OCT och kontrollera först CCD kamerabilden av fundus. Fint justera höjd och vinkel av huvudet stöd om det är nödvändigt att säkerställa regionen intressen (ROIs), såsom koroidala kärl och retinala kärl, är inom synfältet (FOV) av kameran.
    Obs: Om kaninen är under en bra anestesi nivå, en sekventiell bildsession kan pågå så länge som 10 min utan behov av att justera kanin huvudet.
  4. Rita en rak linje för att representera den OCT B-scan av intresse och börja skanna. Justera referens armlängd för att visualisera OCT bilden och optimera den spridning ersättning faktorn i den OCT programvaran för att få de skarpaste bilderna.
    Obs: När du justerar referens Armlängd, två speglade OCT bilder kommer att visas efter varandra. Rätt bild kan särskiljas beroende på förkunskaper i fundus anatomi.
  5. Ange data förvärv parametrar, såsom antal pixlar och medelvärden, och spara bilder.
  6. Följ andningsfrekvens och puls för kaninen att uppskatta anestesi nivå och djur komfort. För längre sessioner övervägas en tredjedel dos av kompletterande ketamin eller inhalerade isofluran med endotrakeal intubering, en V-gel eller en ansiktsmask att upprätthålla planet av anestesi vid behov.
  7. Skölj kanin hornhinnan med ögondusch varje 2 min under experimentet att förhindra hornhinnans yta uttorkning och korneal ytlig punktat epitelial keratopati. Övervaka och registrera djur vitals varje 15 min.

5. PAM imaging

  1. Bär lämplig laser skyddsglasögon och slå på OPO lasern.
  2. Starta programvaran PAM kontroll, tune laser våglängd till en absorption toppar i de riktade chromophores (t.ex. 570 nm för hemoglobin), initiera ståndpunkten av galvanometer och övervaka laser energi innan kanin hornhinnan att säkerställa att det är under ANSI säkerhet gräns.
  3. Montera ultraljud givaren på en tredimensionell (3D) översättning scen och placera givaren spetsen i kontakt med kanin bindhinnan pekar till fundus. Använd en droppe öga smörjmedel till bättre par givaren spets och kanin bindhinnan.
  4. Slå på LED belysning ljus och visualisera kanin fundus via programmet Matlab.
  5. Uppsättning skanning ROI (retinala kärl eller koroidala kärl), inklusive center och fysiska storlek. Öppna laser slutaren och börja B-scan av balken. Av ungefär anpassa givaren, borde man kunna se upptäckta photoacoustic signal på oscilloskopet. Om inte, justera något öga position för att skanna en annan region i hornhinnan eller växla till det andra ögat och upprepa ovanstående processer.
  6. Observera den upptäckta photoacoustic signal på oscilloskopet och fint finjustera positionen givaren för att maximera signalintensitet längs hela B-scan.
    Obs: På grund av begränsad strålbredd, ultraljud givare oftast har en liten FOV41. Detta steg bestämmer bakgrunden moduleringen av slutliga PAM bilder. Feljustering leder till PAM bilder med heterogena bakgrund och försämra bildkvaliteten avsevärt.
  7. Ange parametrar för förvärv av data. Detta inkluderar antalet pixlar (t.ex., 256 × 256 pixlar), samplingsfrekvens (t.ex., 200 MS/s), och fördröja tiden. Starta datainsamling. Programvaran Matlab öppnas automatiskt slutaren för att passera laserstrålen när började och stänga slutaren för att blockera strålen när du är klar för att undvika laser överexponering.
    Obs: Begränsad av upprepning pulsfrekvensen (1 kHz) av laser, tar det ca 1 min till slut dataförvärv av en bild med 256 × 256 pixlar.
  8. Bearbeta raw-data och visualisera PAM bilden i två dimensioner (2D) genom maximal intensitet projektion (MIP)13 eller i 3D via volymetrisk rendering38.
  9. Demontera ultraljud givaren, skölj spetsen med hjälp av avjoniserat vatten och sätta tillbaka den till förvaringsväska.
  10. Överföra kaninen till fundus kameran och ompröva fundus. Detta steg hjälper till att kontrollera om det finns någon morfologiska förändringar av fundus efter bildsession.
  11. Skölj kanin hornhinnan med ögondusch varje två min under experimentet att förhindra hornhinnans yta uttorkning och keratopati. Övervaka och registrera djur vitals varje 15 min.
    Obs: Den PAM, okt, och fundus imaging sessioner ta ungefär 1 timme.

6. inlägg imaging

  1. Koppla från V-gelen om ansluten efter fundus omprövningen kameran fundus. Skölj ögat med ögondusch, tillämpa flurbiprofen oftalmologiska och neomycin och polymyxin B sulfater och dexametason oftalmologiska salva och stänga ögat.
  2. Överföra kaninen med vatten-cirkulerande filten till en återvinna kammare. Skydda boxen från ljus och vänta tills kaninen vaknar naturligt. Under denna period övervaka djur vitals varje 15 min och bokföra och återvända en kopia till djuranläggningen för arkivering.
  3. När kaninen vaknar och är aktiv, alert och gå normalt, transportera den tillbaka till djuranläggningen. Om ett akut experiment är planerad, avliva djuret med dödshjälp lösning (t.ex., Beuthanasia, 0,22 mL/kg, intravenös injektion i den marginella öra ven) och avyttra kadavret.
  4. Stäng av programvaran och laser. Ren den optisk bänken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Den dubbla-modalitet bildsystem och experimentellt protokoll har framgångsrikt testats i författarnas laboratorium med fyra nya Zeeland vita kaniner. Följande visar upp några representativa resultat.

Figur 1 visar schematiskt av PAM och SD-okt dual-modalitet imaging system. Den består av följande moduler: photoacoustic ljus källa, variabel laser dämparen, strålen kollimator, energimätare, scan huvud, photoacoustic upptäckt och förvärvet modul, OCT enhet och synkronisering elektronik. Detaljerade systemkonfigurationer är specificerade i avsnitt 1.1.

Figur 2 visar typiska bildbehandling resultat av kanin koroidal vaskulatur förvärvade använder dual-modalitet imaging system. Figur 2 (a) är en fundus foto visar att koroidala kärl sprids över de flesta delar av kanin fundus medan retinala kärl är begränsade inom den medullära ray. Figur 2 (b) är en typisk PAM bild visar den koroidala kärl inom fundus fotografiet. Koroidal blodkärlen var avgränsad vid laterala högupplöst. Figur 2 (c) är en OCT B-scan bild förvärvats för att titta på ögonbotten anatomi och bekräftar närvaron av de koroidala kärl. Näthinnan och åderhinnan sklera kan visualiseras med en hög axiell upplösning med de koroidala kärl under retinal pigment epitel (RPE) lagret.

Figur 3 visar typiska bildbehandling resultat av kanin retinal vaskulatur förvärvade använder dual-modalitet imaging system. Siffrorna 3 a och 3 b är 2D MIP och 3D-volymetrisk rendering av retinala kärl erhålls genom PAM, respektive. Figur 3 (c) visar ortogonala skivor av 3D-bilden. Resultaten visar att PAM kan också visualisera enskilda retinala kärl, som ligger över RPE-skiktet, och bekräftar att retinala kärl och koroidala kärl är på olika djup. Figur 3 (d) illustrerar en motsvarande OCT B-scan bild, som visar tvärsnitt av enskilda retinala kärl och nerv fiber lagret (NFL).

Figure 1
Figur 1. Schematisk av integrerade photoacoustic mikroskopi och optisk koherens tomografi dual-modalitet bildsystem. OPO: Optisk parametrisk oscillator; BS: stråldelare; PD: fotodiod; M: spegel; DM: dichroic spegel; SL: skanningslinsen; OL: oftalmologiska lins; SMF: single-mode fiber; DCG: dispersion ersättning glas; CCD: kostnad – tillsammans enhet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2. PAM och ULT dual-modalitet imaging av koroidal blodkärl i kaniner. (a) fundus fotografi visar att koroidala kärl (CVs) sprids över hela fundus medan retinala kärl (RVs) är begränsade inom den medullära ray eftersom kaniner är merangiotic djur. (b) PAM C-scan bild av CVs som visar att PAM kan avgränsa CVs på laterala högupplöst. (c) OCT B-scan bilden visar kanin anatomiska struktur fundus och axiell position av koroidala kärl. GCL: Ganglion celllagrar; INL: inre nukleära lagret; IPL: inre plexiform lagret; Onlinekanaler: yttre nukleära lagret; OPL: yttre plexiform lagret; OLM: yttre begränsande membranet; EZ: ellipsoid zon; MZ: myoid zon; OS: yttre segmentet; BM, Bruchs membran; IZ: interdigitation zon38. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3PAM och ULT dual-modalitet imaging av retinala blodkärl i kaniner. (a) PAM C-scan bild av RVs och CVs. b 3D-volymetrisk rendering av PAM bilden. (c) 2D ortogonala skivor av PAM bilden visar att RVs och CVs är på olika djup. (d) okt B-scan bilden illustrera RVs, NFL och sklera38. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

En intakt och regelbundna tårfilmen är nödvändig för hög kvalitet fundus bilder. En oregelbunden och försämrade tår filmer kan avsevärt försämra bilden kvalitet42. För att bevara integriteten i tårfilmen och förebygga korneal ytlig punktat keratopati, är det viktigt att smörja hornhinnan med ögondusch mycket ofta, ungefär varje två min. Om det finns någon oro opaciteten för ögat, använder en spaltlampa och fluorescein remsor för att kontrollera hornhinnan villkoren.

Flera svårigheter kan förekomma för bakre segmentet imaging ögonen på större djur, inklusive photoacoustic signal dämpning med avstånd särskilt för hög frekvens komponenter, korneal uttorkning och optiska aberrationer. Photoacoustic signalens amplitud upplevelser vanligtvis betydande dämpning innan upptäcks av nål-formade ultraljud givaren. Ju större ögongloben storlek, desto större dämpning. Kaniner (~18.1mm) är ögongloben ungefär tre gånger större än hos råttor och sex gånger större än hos möss, vilket gör rabbit eye imaging särskilt utmanande. För att uppnå skälig imaging kvalitet, en laserstråle med liten diameter (2 mm efter den strålen kollimator i denna studie) och kollimerad wavefront (idealiskt planar wavefront) är att föredra eftersom det påverkas minimalt av inneboende optiska avvikelser av den hornhinnan och kan vara väl fokuserad på näthinnan. Denna punkt är av avgörande betydelse när det gäller att minska laser exponering dosen och förbättra bildens upplösning. Dessutom signalerar ett ultraljud givare med en center frekvens för 27 MHz i stället för en högre center frekvens på grund av experimentella resultat som visar att detta är maximal Ultraljudet på detta avstånd.

Medan OCT och OCTA är väletablerade tekniker som används i kliniken för anatomiska och funktionella imaging av ögat, deras molekylär imaging kapacitet är begränsad på grund av den kontrast mekanismer43. PAM är en framväxande ögat bildgivande modalitet baserat på optisk absorption kontrasten i okulära vävnader. Det är känsligt för endogena och exogena chromophores, som hemoglobin, melanin och externt förmodade kontrastmedel. Visualisera vaskulär struktur visat i detta arbete är en av många tillämpningar av PAM. Andra viktiga tillämpningar inkluderar funktionella och molekylär imaging, såsom blod flöde hastighet detection, hemoglobin koncentrationen kvantifiering, syre mättnad kartläggning och biomarkör visualisering, som är viktiga att studera patofysiologin bakom en myriad av retinala vaskulära sjukdomar, inklusive diabetesretinopati, makuladegeneration, retinal ven ocklusion, retinal artär ocklusion, sickle cell retinopati och förmodad okulär histoplasmos, för att nämna några. PAM har dessutom större genomträngningsdjupet än okt, vilket gör den lämplig för studier av vissa koroidala sjukdomar, såsom polypoidal koroidal vaskulopati, central serös korioretinopati, pachychoroid sjukdomar och koroidal kärlnybildning. Från dessa perspektiv, PAM skulle kunna ge användbar kompletterande information till OCT och OCTA att ge en mer omfattande utvärdering av okulär sjukdomar i framtiden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete stöds av generöst stöd av den National Eye Institute 4K12EY022299 (YMP), kampen för syn-International Retinal forskning stiftelsen FFS GIA16002 (YMP), obegränsad avdelnings stöd från forskning till förhindra blindhet, och den University of Michigan Department of Ophthalmology och Visual Sciences. Detta arbete utnyttjas stadens kärna för Vision forskning finansieras av P30 EY007003 från National Eye Institute.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Dual-modality imaging system
OPO laser Ekspla (Vilnius, Lithuania) NT-242
Beam attenuator Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) AHWP10M-600
Motorized rotation stage Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) PRM1/MZ8
Motorized rotation stage controller Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) TDC001
Focusing lens Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) AC254-250-B
Pinhole Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) P50S
Collimating lens Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) AC127-030-B
Photodiode Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) PDA36A 
Laser shutter Vincent Associates Inc. (Toronto, Canada) LS6S2T0
Laser shutter driver Vincent Associates Inc. (Toronto, Canada) VCM-D1
Dichroic mirror Semrock, Inc. (Rochester, NY, USA) Di03-R785-t3-25×36
Scan lens Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) OCT-LK3-BB
Ophthalmic lens Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) AC080-010-B-ML
Ultrasonic transducer Optosonic Inc. (Arcadia, CA, USA) Custom
Amplifier L3 Narda-MITEQ (Hauppauge, NY, USA) AU-1647
Band-pass filter Mini-Circuits (Brooklyn, NY, USA) BLP-30+
Digitizer DynamicSignals LLC (Lockport, IL, USA) PX1500-4 
Synchronization electronics National Instruments Corporation (Austin, TX, USA) USB-6353
OCT module Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) Ganymede-II-HR
Dispersion compensation glass Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) LSM03DC
Illumination LED light Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) MCWHF2 
Power meter Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) S121C 
Power meter interface Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) PM100USB 
Height measurement tool  Thorlabs, Inc. (Newton, NJ, USA) BHM1
Fundus camera Topcon Corporation (Tokyo, Japan)  TRC 50EX
Matlab MathWorks (Natick, MA, USA) 2017a
Oscilloscope Teledyne LeCroy (Chestnut Ridge, NY, USA) WaveJet 354T
Animal experiment
Water-circulating blanket Stryker Corporation (Kalamazoo, MI, USA) TP-700
Ketamine hydrochloride injection Par pharmaceutical, Inc. (Woodcliff Lake, NJ, USA) NDC code 42023-115-10
Xylazine hydrochloride VetOne (Boise, ID, USA) NDC code 13985-704-10
Tropicamide ophthalmic Akorn Pharmaceuticals Inc. (Lake Forest, IL, USA) NDC code 17478-102-12
Phenylephrine hydrochloride ophthalmic Paragon BioTeck, Inc. (Portland, OR, USA) NDC code 42702-102-15
Eye lubricant Hub Pharmaceuticals LLC (Rancho Cucamonga, CA, USA) NDC code 17238-610-15
Eyewash Altaire Pharmaceuticals, Inc. (Aquebogue, NY, USA) NDC code 59390-175-18
Tetracaine hydrochloride ophthalmic solution Bausch & Lomb, Inc. (Rochester, NY, USA) NDC code 24208-920-64
Flurbiprofen sodium ophthalmic solution Bausch & Lomb, Inc. (Rochester, NY, USA) NDC code 24208-314-25
Neomycin and Polymyxin B Sulfates and Dexamethasone Ophthalmic Ointment Bausch & Lomb, Inc. (Rochester, NY, USA) NDC code 24208-795-35
Meloxicam injection Henry Schein Inc. (Queens, NY, USA) NDC code 11695-6925-1

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic tomography: in vivo imaging from organelles to organs. Science. 335, (6075), 1458-1462 (2012).
  2. Beard, P. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus. rsfs20110028 (2011).
  3. Taruttis, A., Ntziachristos, V. Advances in real-time multispectral optoacoustic imaging and its applications. Nat Photonics. 9, (4), 219-227 (2015).
  4. Tian, C., Xie, Z., Fabiilli, M. L., Wang, X. Imaging and sensing based on dual-pulse nonlinear photoacoustic contrast: a preliminary study on fatty liver. Opt Lett. 40, (10), 2253-2256 (2015).
  5. Tian, C., et al. Dual-pulse nonlinear photoacoustic technique: a practical investigation. Biomed Opt Express. 6, (8), 2923-2933 (2015).
  6. Tian, C., et al. Non-Contact Photoacoustic Imaging Using a Commercial Heterodyne Interferometer. IEEE Sens J. 16, (23), 8381-8388 (2016).
  7. Kim, K. H., et al. Air-coupled ultrasound detection using capillary-based optical ring resonators. Sci Rep. 7, 1 (2017).
  8. Feng, T., et al. Bone assessment via thermal photo-acoustic measurements. Opt Lett. 40, (8), 1721-1724 (2015).
  9. Chen, S. -L., Xie, Z., Carson, P. L., Wang, X., Guo, L. J. In vivo flow speed measurement of capillaries by photoacoustic correlation spectroscopy. Opt Lett. 36, (20), 4017-4019 (2011).
  10. Dean-Ben, X., Fehm, T. F., Razansky, D. Universal Hand-held Three-dimensional Optoacoustic Imaging Probe for Deep Tissue Human Angiography and Functional Preclinical Studies in Real Time. J Vis Exp. (93), e51864 (2014).
  11. Galanzha, E. I., et al. In vivo magnetic enrichment and multiplex photoacoustic detection of circulating tumour cells. Nat Nanotechnol. 4, (12), 855-860 (2009).
  12. Xiang, L., Wang, B., Ji, L., Jiang, H. 4-D photoacoustic tomography. Sci Rep. 3, (2013).
  13. Tian, C., et al. Plasmonic nanoparticles with quantitatively controlled bioconjugation for photoacoustic imaging of live cancer cells. Adv Sci. 3, (12), (2016).
  14. Zhou, F., Wu, S., Yuan, Y., Chen, W. R., Xing, D. Mitochondria-Targeting Photoacoustic Therapy Using Single-Walled Carbon Nanotubes. Small. 8, (10), 1543-1550 (2012).
  15. Maslov, K., Zhang, H. F., Hu, S., Wang, L. V. Optical-resolution photoacoustic microscopy for in vivo imaging of single capillaries. Opt Lett. 33, (9), 929-931 (2008).
  16. Hu, S., Maslov, K., Wang, L. V. Three-dimensional Optical-resolution Photoacoustic Microscopy. J Vis Exp. (51), e2729 (2011).
  17. Yao, J., et al. High-speed label-free functional photoacoustic microscopy of mouse brain in action. Nat Methods. 12, (5), 407-410 (2015).
  18. Yang, X., Skrabalak, S. E., Li, Z. -Y., Xia, Y., Wang, L. V. Photoacoustic tomography of a rat cerebral cortex in vivo with au nanocages as an optical contrast agent. Nano Lett. 7, (12), 3798-3802 (2007).
  19. Agarwal, A., et al. Targeted gold nanorod contrast agent for prostate cancer detection by photoacoustic imaging. J Appl Phys. 102, (6), 064701 (2007).
  20. Zackrisson, S., van de Ven, S., Gambhir, S. Light in and sound out: emerging translational strategies for photoacoustic imaging. Cancer Res. 74, (4), 979-1004 (2014).
  21. Ermilov, S. A., et al. Laser optoacoustic imaging system for detection of breast cancer. J Biomed Opt. 14, (2), 024007 (2009).
  22. Mallidi, S., Luke, G. P., Emelianov, S. Photoacoustic imaging in cancer detection, diagnosis, and treatment guidance. Trends Biotechnol. 29, (5), 213-221 (2011).
  23. Zhang, H. F., Maslov, K., Stoica, G., Wang, L. V. Functional photoacoustic microscopy for high-resolution and noninvasive in vivo imaging. Nat Biotechnol. 24, (7), 848 (2006).
  24. Keswani, R. K., et al. Repositioning Clofazimine as a Macrophage-Targeting Photoacoustic Contrast Agent. Sci Rep. 6, 23528 (2016).
  25. Strohm, E. M., Berndl, E. S., Kolios, M. C. Probing red blood cell morphology using high-frequency photoacoustics. Biophys J. 105, (1), 59-67 (2013).
  26. Nguyen, V. P., Kim, J., Ha, K. -l, Oh, J., Kang, H. W. Feasibility study on photoacoustic guidance for high-intensity focused ultrasound-induced hemostasis. J Biomed Opt. 19, (10), 105010 (2014).
  27. Keane, P. A., Sadda, S. R. Retinal imaging in the twenty-first century: state of the art and future directions. Ophthalmology. 121, (12), 2489-2500 (2014).
  28. Keane, P., Sadda, S. Imaging chorioretinal vascular disease. Eye. 24, (3), 422-427 (2010).
  29. Jiao, S., et al. Photoacoustic ophthalmoscopy for in vivo retinal imaging. Opt Express. 18, (4), 3967-3972 (2010).
  30. Liu, T., et al. Near-infrared light photoacoustic ophthalmoscopy. Biomed Opt Express. 3, (4), 792-799 (2012).
  31. Song, W., et al. A combined method to quantify the retinal metabolic rate of oxygen using photoacoustic ophthalmoscopy and optical coherence tomography. Sci Rep. 4, 6525 (2014).
  32. Liu, W., Zhang, H. F. Photoacoustic imaging of the eye: a mini review. Photoacoustics. 4, (3), 112-123 (2016).
  33. de La Zerda, A., et al. Photoacoustic ocular imaging. Opt Lett. 35, (3), 270-272 (2010).
  34. Hu, S., Rao, B., Maslov, K., Wang, L. V. Label-free photoacoustic ophthalmic angiography. Opt Lett. 35, (1), 1-3 (2010).
  35. Silverman, R. H., et al. High-resolution photoacoustic imaging of ocular tissues. Ultrasound Med Biol. 36, (5), 733-742 (2010).
  36. Wu, N., Ye, S., Ren, Q., Li, C. High-resolution dual-modality photoacoustic ocular imaging. Opt Lett. 39, (8), 2451-2454 (2014).
  37. Hennen, S. N., et al. Photoacoustic tomography imaging and estimation of oxygen saturation of hemoglobin in ocular tissue of rabbits. Exp Eye Res. 138, 153-158 (2015).
  38. Tian, C., Zhang, W., Mordovanakis, A., Wang, X., Paulus, Y. M. Noninvasive chorioretinal imaging in living rabbits using integrated photoacoustic microscopy and optical coherence tomography. Opt Express. 25, (14), 15947-15955 (2017).
  39. Laser Institute of America. American National Standard for Safe Use of Lasers ANSI Z136.1 - 2007. American National Standards Institute, Inc. (2007).
  40. Hughes, A. A schematic eye for the rabbit. Vision Res. 12, (1), 123 (1972).
  41. Ma, T., et al. Systematic study of high-frequency ultrasonic transducer design for laser-scanning photoacoustic ophthalmoscopy. J Biomed Opt. 19, (1), 016015 (2014).
  42. Song, W., Wei, Q., Jiao, S., Zhang, H. F. Integrated photoacoustic ophthalmoscopy and spectral-domain optical coherence tomography. J Vis Exp. (71), (2013).
  43. Mattison, S., Kim, W., Park, J., Applegate, B. Molecular Imaging in Optical Coherence Tomography. Curr Mol Imaging. 3, (2), 88-105 (2014).
Roman Photoacoustic mikroskopi och optisk koherenstomografi Dual-modalitet korioretinal Imaging i levande kanin ögon
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Tian, C., Zhang, W., Nguyen, V. P., Wang, X., Paulus, Y. M. Novel Photoacoustic Microscopy and Optical Coherence Tomography Dual-modality Chorioretinal Imaging in Living Rabbit Eyes. J. Vis. Exp. (132), e57135, doi:10.3791/57135 (2018).More

Tian, C., Zhang, W., Nguyen, V. P., Wang, X., Paulus, Y. M. Novel Photoacoustic Microscopy and Optical Coherence Tomography Dual-modality Chorioretinal Imaging in Living Rabbit Eyes. J. Vis. Exp. (132), e57135, doi:10.3791/57135 (2018).

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