Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Engineering

Roman Photoacoustic mikroskopi og optisk kohærens tomografi Dual-modalitet Chorioretinal Imaging i levende kanin øjne

doi: 10.3791/57135 Published: February 8, 2018

Summary

Dette manuskript beskriver det nye setup og betjening af en photoacoustic mikroskopi og optisk kohærens tomografi dual-modalitet system for noninvasive, etiket-fri chorioretinal billeddannelse af større dyr som kaniner.

Abstract

Photoacoustic okulær imaging er en spirende oftalmologiske imaging-teknologi, der kan noninvasively visualisere øjenvæv ved at konvertere lysenergi til lydbølger og er i øjeblikket under intensiv efterforskning. Men de fleste rapporterede hidtidige arbejde er fokuseret på billeddannelse af bageste segment af øjnene af små dyr, som rotter og mus, som udgør en udfordring for kliniske menneskelig oversættelse på grund af små øjeæblet størrelser. Dette manuskript beskriver en roman photoacoustic mikroskopi (PAM) og optisk kohærens tomografi (OCT) dual-modalitet system for bageste segment billeddannelse af øjnene af større dyr som kaniner. Systemkonfiguration, system justering, animalsk forberedelse og dual-modalitet eksperimentelle protokoller for in vivo, noninvasive, etiket-fri chorioretinal imaging i kaniner er detaljerede. Effektiviteten af metoden, der er påvist gennem repræsentative eksperimentelle resultater, herunder retinal og choroidal Vaskulaturen fremstillet ved PAM og OCT. Håndskriftet indeholder en praktisk vejledning til at gengive de imaging resultater i kaniner og fremme photoacoustic okulær imaging i større dyr.

Introduction

De seneste årtier har været vidne til den eksplosive udvikling af inden for biomedicinsk photoacoustic billeddannelse1,2,3,4,5,6,7 ,8. Baseret på energi konverteringen af lys til lyd, den nye photoacoustic imaging kan visualisere biologiske prøver på skalaer fra organeller, celler, væv, organer til små dyr hele kroppen og kan afsløre sin anatomiske, funktionelle, molekylære, genetiske, og metaboliske oplysninger1,2,9,10,11,12. Photoacoustic imaging har fundet unikke applikationer i en række biomedicinsk områder, såsom celle biologi13,14, vaskulære biologi15,16, neurologi17,18 , onkologi19,20,21,22, dermatologi23, farmakologi24og hæmatologi25,26. Dens anvendelse i oftalmologi, dvs photoacoustic okulær imaging, har tiltrukket betydelig interesse fra både forskere og klinikere og er i øjeblikket under aktiv efterforskning.

I modsætning til anvendes rutinemæssigt okulær tænkelig teknologier27, såsom fluorescein angiografi (FA) og indocyanine grønne angiografi (ICGA) (baseret på fluorescens kontrast), optisk kohærens tomografi (OCT) (baseret på optiske spredning kontrast) , og dens afledte OCT angiografi (baseret på bevægelse kontrast af røde blodlegemer), photoacoustic okulær imaging bruger optisk absorption som kontrast mekanisme. Dette adskiller sig fra konventionelle okulær billeddannelsesteknologier og giver et unikt værktøj til at studere optisk absorption egenskaber i øjet, hvilket som regel er forbundet med den patofysiologiske status af øjenvæv28. Til dato har betydelige er fremragende arbejde blevet gjort i photoacoustic okulær imaging29,30,31,32,33,34,35, 36,37, men disse undersøgelser fokuserer på det bageste segment af øjnene af små dyr, som rotter og mus. De banebrydende studier godt demonstrere mulighederne for photoacoustic billeddannelse i oftalmologi, men der er stadig lang vej at gå mod kliniske oversættelse af teknologi siden øjeæblet størrelser af rotter og mus er meget mindre (mindre end en tredjedel) end af mennesker. På grund af udbredelsen af ultralyd bølger over et væsentligt længere afstande lider signalet intensitet og billedkvalitet høj grad når teknikken bruges til billeddannelse den bageste segment af større øjne.

Mod dette mål, vi for nylig rapporteret noninvasive, etiket-fri chorioretinal imaging i levende kaniner ved hjælp af integreret photoacoustic mikroskopi (PAM) og spektral-domæne OCT (SD-OCT)38. Systemet har fremragende ydeevne og kunne visualisere nethinden og årehinden i øjnene af større dyr baseret på endogene absorption og spredning kontrast af øjenvæv. Foreløbige resultater i kaniner viser at PAM noninvasively kunne skelne enkelte retinal og choroidal blodkar ved hjælp af en laser eksponering dosis (~ 80 nJ) betydeligt under den amerikanske nationale standarder Institute (ANSI) sikkerhed grænse (160 nJ) på 570 nm39; og OLT kunne klart løse forskellige retinal lag, årehinden og sclera. Det er den første demonstration af bageste segment billeddannelse af større dyr ved hjælp af PAM og kan være et stort skridt mod kliniske oversættelse af den teknologi, der overvejer at øjeæblet størrelsen af kaniner (18,1 mm)40 er næsten 80% af aksial længde mennesker (23,9 mm).

I dette arbejde, vi leverer en detaljeret beskrivelse af dual-modalitet billedbehandlingssystem og eksperimenterende protokoller bruges til noninvasive, etiket-fri chorioretinal imaging i levende kaniner og demonstrere ordning arbejdsindsats gennem repræsentative retinal og choroidal imaging resultater.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Kaniner er en United States Department of Agriculture (USDA) dækket arter. Dets anvendelse i biomedicinsk forskning skal følge strenge regler. Alle kanin eksperimenter blev udført i overensstemmelse med sætningen ARVO (Foreningen for forskning i Vision og oftalmologi) for brug af dyr i Ophthalmic og Vision forskning, efter godkendelse af laboratorium animalsk protokollen universitetet Udvalget om brug og pleje af dyr (UCUCA) på University of Michigan (protokol PRO00006486, PI Yannis Paulus).

1. ordning konfiguration

  1. Photoacoustic mikroskopi (PAM)
    1. Brug et optisk parametrisk oscillator (OPO) laser pumpes af en diode-pumpet solid-state laser som lyskilde PAM. Vælg passende tekniske specifikationer, såsom puls gentagelse sats 1 kHz, pulse varighed 3-6 ns og afstemmelige bølgelængdeområdet 405-2600 nm.
    2. Afspejle emanating bjælken fra laseren på 570 nm af to spejle (M1 og M2), derefter passere et halvt-bølge plade Lyddæmper monteret på en motoriseret rotation fase, og endelig fokus, filter, og collimate det af en stråle kollimator (figur 1). Optimere udformningen af beam kollimator. En eksempel konfiguration af beam kollimator omfatter en fokusering linse L1 (focal længde 250 mm), et hul (diameter 50 µm), og en kolliminerende linsen L2 (focal længde 30 mm).
    3. Divider den kollimeres stråle med en stråledeler (BS1) med en split forholdet 90/10 (refleksion/transmission). Optage den overførte del af en fotodiode til puls til pulse laser energi overvågning. Successivt aflede delen afspejles af et spejl (M3) og en dichroic spejl (DM) og raster-scanning ved hjælp af en to-dimensionel Drejespoleinstrument. Drejespoleinstrument er en fælles komponent med den spektrale domæne (SD)-OCT system (beskrevet nedenfor).
    4. Levere den scannede stråle gennem et teleskop bestående af en scanning linse (focal længde 36 mm) og en oftalmologiske linse (OL, brændvidde 10 mm) og endelig fokuserer det på fundus af kanin eye optik.
    5. Vælg en kanyle-formet ultralyds transducer med passende tekniske specifikationer, f.eks center frekvens 27 MHz, to-vejs −6 dB båndbredde 60%. Placere den i kontakt med conjunctiva off den centrale visuelle akse at fange spændt photoacoustic signal.
    6. Forstærke signalet ved hjælp af en ultralyds forstærker (for eksempel få 57 dB), filtrere den ved et low-pass filter (f.eks cutoff frekvens 32 MHz), og digitalisere det. af en højhastigheds digitizer på en samplingfrekvens på 200 MS/s.
    7. Sted en ovenfor wattmeteret kanin øje og måle laser puls energi på kanin hornhinden at holde det under ANSI sikkerhed begrænse 160 nJ på 570 nm38. Blokere stråle for at undgå laser overeksponering ved hjælp af en laser shutter styres fra Matlab gennem en synkronisering elektronik.
    8. Synkronisere laser, galvanometer og digitizer gennem en data erhvervelse (DAQ) bestyrelse. Programmet software til system kontrol og dataopsamling i Matlab.
  2. Røde-domæne optisk kohærens tomografi (SD-okt)
    1. Tilpasse den SD-okt system baseret på et kommercielt tilgængelige system ved at tilføje en oftalmologiske linse (OL) efter scanning linse (SL) og et stykke af dispersion kompensation glas (DCG) i reference arm (figur 1). Ændringen muliggør at OCT system kan billedet det bageste segment af kaninøjne.
    2. Bruge en zoom boliger rør til at justere længden af reference arm til at sikre sin kamp med lysvej af prøven arm. Brug en iris til at styre intensiteten af retro-afspejles reference lys til at sikre sin kamp med back-spredt lysintensitet fra kanin fundus at opnå maksimal billedets kontrast.
    3. Ansætte en afgift - sammen enhed (CCD) kamera indkapslet i scanningen hovedet til real-time visualisering af kanin fundus med en belysningsstyrke lysemitterende diode (LED) som en ekstern belysning kilde.

2. systemet justering

  1. Initialisere Drejespoleinstrument stilling og justere OCT ordningen ved at justere skruer af fiber kollimator mount og beamsplitter kuben.
    Bemærk: De trinvise procedurer findes i manualen om den kommercielt erhvervede OCT system og vil ikke blive dækket her. Dette trin er primært at sikre korrekte alignments af fiber kollimator, reference arm og scan linsen at maksimere OCT systemets ydeevne.
  2. Justere pinhole omkring fokus for den fokus linse til rumligt bortfiltrere laserstrålen og maksimalt overføre laser energi x, yog z stilling. Kontrollere højder af laserstrålen, før og efter pinhole ved hjælp af en højde måling værktøj til at sikre, at de er den samme.
  3. Justere tilt, decenter, og z position af kolliminerende linsen L2 til collimate den filtrerede stråle. Sikre, at bjælken har cirka den samme størrelse og højde når observeret i langt og i nærheden af feltet.
  4. Co-aksialt kombinere PAM laserstråle og OCT lysstråle ved tuning hælder i spejlet og DM. Efter dette trin, PAM laser og OCT lys bør være fuldt sammenfaldende og scanning regioner på kanin fundus er de samme.
  5. Justere tilt og decenter OL linse til korrekt tilpasse det i den optiske bane. Når først gennemstegt, er dual-modalitet system klar til billedbehandling.
    Bemærk: Man kan bruge auto-collimation metode til at opnå dette, dvs., der kontrollere lyset tilbage-reflekteres af OL objektivets overflade for at sikre, at det går tilbage langs på samme måde som den indfaldende lys.

3. kanin forberedelse

  1. Tage en New Zealand White rabbit fra dyr facilitet og individuelle Postoplysninger, som kroppen vægt og dyr.
  2. Montere kanin platforme, herunder body støtte og hovedstøtte på optiske tabellen nedenfor imaging systemet. Sætte en vand-cirkulerende varme tæppe på body støtte og Indstil temperaturen på det cirkulerende vand til 38 ° C til at holde kropstemperaturen kanin varm for varigheden af forsøget og nyttiggørelse.
  3. Registrere før proceduren vitals, herunder samlede animalske stat, slimhinderne farve, hjertefrekvens, respirationsfrekvens og rektal kropstemperatur. Bedøver kanin med en blanding af ketamin (40 mg/kg) og xylazin (5 mg/kg) ved intramuskulær (IM) injektion og registrerer brugen af ketamin (tidsplan III kontrolleret stof). Bekræfte anæstesi niveau ved at kontrollere sin puls, respirationsfrekvens og overordnede tilstand.
  4. Spile kanin eleverne ved hjælp af en dråbe hvert tropicamid 1% oftalmologiske og phenylephrin hydrochlorid 2,5% oftalmologiske.
  5. Brug et speculum at holde øjenlågene ud af vejen og Påfør en dråbe af øjet smøremiddel til at fugte hornhinden. Indgyde en dråbe af aktuel tetracain 0,5% i øjnene før proceduren billeddannelse.
    Bemærk: For længere procedurer eller procedurer med muligt ubehag til dyret, give kaninen en subkutan injektion af meloxicam før forsøget at sikre dyrenes komfort.

4. SD-okt imaging

  1. Overføre kaninen til de billeddiagnostiske platform af en klinisk fundus kamera og tage 50 graders fundus, rød gratis og autofluorescence billeder før OLT imaging session. Dette hjælper med at kontrollere optisk gennemsigtighed i øjet og genkende fundus fartøj morfologi og vartegn, såsom synsnerven og medullær ray retinal Vaskulaturen.
  2. Overføre kaninen til platformen af OCT system og justere sin kropsholdning for at groft placere en af øjne under OL. Belyse øjet ved hjælp af LED-lys.
    Bemærk: For at lette den kliniske oversættelse af teknikken, kanin øjnene er ikke stabiliseret ved hjælp af andre metoder og kanin hoved er bare sætte på hovedstøtte uden nogen fiksering.
  3. Åbn OCT software og først kontrollere CCD kamerabillede af fundus. Fint justere højde og vinkel af hovedstøtte hvis bør sikres region af interesse (ROIs), som choroidal fartøjer og retinal fartøjer, er kun field of view (FOV) af kameraet.
    Bemærk: Hvis kaninen er under en god anæstesi niveau, en sekventiel imaging session kan vare så længe 10 min uden savn i re justering kanin hoved.
  4. Trække en lige linje til at repræsentere OCT B-scanning af interesse og start scanning. Justere reference arm længde for at visualisere OCT billede og optimere dispersion kompensation faktor i OCT software du får de skarpeste billeder.
    Bemærk: Når du justerer referencen arm længde, to spejlede OCT billeder vises efter hinanden. Det rigtige billede kunne skelnes baseret på forudgående kendskab til fundus anatomi.
  5. Angive data erhvervelse parametre, såsom antal pixels og gennemsnit, og gemme billeder.
  6. Observere respirationsfrekvens og puls på kanin til at anslå anæstesi niveau og dyr komfort. Længere sessioner, kunne en tredjedel dosis af supplerende ketamin eller inhaleret isofluran anses med endotracheal intubation, en V-gel eller en ansigtsmaske at bevare flyet i anæstesi når det er nødvendigt.
  7. Skyl kanin hornhinden med øjenskyller hver 2 min. under eksperimentet at forhindre hornhindens overflade dehydrering og cornea overfladiske punktformet epitelial keratopati. Overvåge og registrere dyr vitals hver 15 min.

5. PAM imaging

  1. Bære passende laser beskyttelsesbriller og tænde OPO laser.
  2. Start PAM kontrol software, tune laser bølgelængde til en af absorption toppene af de målrettede lysopfangende (f.eks. 570 nm for hæmoglobin), initialisere galvanometer og monitor laser energi før kanin hornhinden at sikre holdning at det er under ANSI sikkerhed grænse.
  3. Montere de ultralyds transducer på en tre-dimensionelle (3D) Oversættelse scenen og placere transduceren tip i kontakt med kanin conjunctiva peger på fundus. Brug en dråbe af øjet smøremiddel til bedre par transducer tip og kanin conjunctiva.
  4. Tænde belysningen lysdioder og visualisere kanin fundus gennem Matlab software.
  5. Sæt den scanning ROI (enten retinal fartøjer eller choroidal fartøjer), herunder centrum og den fysiske størrelse. Åbn laser lukkeren og starte B-scanning af strålen. Af groft Juster transduceren, burde man kunne se fundne photoacoustic signal på oscilloskopet. Hvis ikke, lidt justere øjenhøjde for at scanne en anden region i hornhinden eller Skift til andet øje og Gentag de ovenstående processer.
  6. Observere den fundne photoacoustic signal på oscilloskopet og fint tune transducer position for at maksimere signal intensitet langs hele B-scanningen.
    Bemærk: På grund af begrænset stråle bredde, ultralyds transducer har normalt en lille FOV41. Dette trin bestemmer baggrunden graduering af endelige PAM billeder. Forskydning vil føre til PAM billeder med heterogene baggrund og forringe billedkvaliteten betydeligt.
  7. Angive data erhvervelse parametre. Dette omfatter antallet af pixels (fx., 256 × 256 pixels), samplingsfrekvens (fx., 200 MS/s), og forsinke tid. Start dataopsamling. Matlab software vil automatisk åbne lukkeren at passere laserstråle når startet og lukke lukkeren for at blokere strålen når færdig for at undgå laser overeksponering.
    Bemærk: Begrænset af den gentagelse puls (1 kHz) af laser, tager det ca 1 min til slut dataopsamling i et billede med 256 × 256 pixels.
  8. Behandle raw-data og visualisere PAM billedet i to dimensioner (2D) gennem maksimal intensitet projektion (MIP)13 eller i 3D gennem volumetriske rendering38.
  9. Unmount den ultralyds transducer, skyl spidsen ved hjælp af deioniseret vand og sætte det tilbage til opbevaring sag.
  10. Overføre kaninen til fundus kamera og genvurdere fundus. Dette trin hjælper til at kontrollere, om der er nogen morfologiske ændringer af fundus efter imaging-session.
  11. Skyl kanin hornhinden med øjenskyller hver to min under eksperimentet at forhindre hornhindens overflade dehydrering og keratopati. Overvåge og registrere dyr vitals hver 15 min.
    Bemærk: PAM, OLT, og fundus imaging sessioner tager ca 1 time.

6. post imaging

  1. Efter fundus reeksamination ved hjælp af fundus kamera, afbryde V-gel hvis forbundet. Skyl øjet ved hjælp af blår i øjnene, anvende flurbiprofen oftalmologiske og neomycin og polymyxin B sulfater og dexamethason oftalmologiske salve, og luk øjet.
  2. Overføre kanin med vand-cirkulerende tæppe til en inddrive kammer. Skjold boksen fra lys og vente, indtil kaninen naturligt vågner. I denne periode, overvåge dyrs vitals hver 15 min og holde posten og vende tilbage en kopi til det animalsk facilitet for recordkeeping.
  3. Når kaninen vågner op og er aktiv, transportere alarm og gå normalt, den tilbage til det animalske facilitet. Hvis et akut eksperiment er planlagt, aflive dyret ved hjælp af aktiv dødshjælp løsning (fx., Beuthanasia, 0,22 mL/kg, intravenøs injektion i marginale øre vene) og bortskaffe slagtekroppen.
  4. Slukke for softwaren og laser. Ren den optiske bænk.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Dual-modalitet billedbehandlingssystem og eksperimentel protokol er testet med succes i forfatternes laboratorium ved hjælp af fire newzealandske hvide kaniner. Følgende montrer nogle repræsentative resultater.

Figur 1 viser skematisk af PAM og SD-okt dual-modalitet imaging systemet. Det er sammensat af følgende moduler: photoacoustic lys kilde, variabel laser lyddæmper, beam kollimator, energimåler, scan hoved, photoacoustic påvisning og erhvervelse modul, OCT enhed og synkronisering elektronik. Detaljerede systemkonfigurationer er inddelt i afsnit 1.1.

Figur 2 viser typiske imaging resultater af kanin choroidal Vaskulaturen anskaffes ved hjælp af dual-modalitet imaging system. Figur 2 (a) er en fundus fotografi viser at choroidal fartøjer spredt over de fleste dele af kanin fundus mens retinal fartøjer er begrænset inden for den medullære stråle. Figur 2 (b) er en typisk PAM billede viser choroidal Vaskulaturen i fundus fotografi. Choroidal blodkarrene, der var afgrænset sideværts med høj opløsning. Figur 2 (c) er et OCT B-scan billede erhvervet for at kigge på fundus anatomi og bekræfter tilstedeværelsen af de choroidal fartøjer. Nethinden, årehinden og sclera kunne visualiseres med en aksial opløsning med de choroidal fartøjer under det retinale pigment epitel (ÅV) lag.

Figur 3 viser typiske imaging resultater af kanin retinal Vaskulaturen anskaffes ved hjælp af dual-modalitet imaging system. Tal 3.a og 3.b er 2D MIP og 3D-volumetriske gengivelse af retinale fartøjer fremstillet af PAM, henholdsvis. Figur 3 (c) viser ortogonale skiver af 3D-billede. Resultaterne viser at PAM kunne også visualisere individuelle retinal fartøjer, der ligger over ÅV lag, og bekræfter, at fartøjer, retinal og choroidal fartøjer er på forskellige dybder. Figur 3 (d) illustrerer en tilsvarende OCT B-scan billede, viser tværsnit af individuelle retinal fartøjer og nerve fiber lag (NFL).

Figure 1
Figur 1. Skematisk af integrerede photoacoustic mikroskopi og optisk kohærens tomografi dual-modalitet billedbehandlingssystem. OPO: Optisk parametrisk oscillator; BS: stråledeler; PD: fotodiode; M: spejl; DM: dichroic spejl; SL: scan linse; OL: oftalmologiske linse; SMF: single-mode fiber; DCG: dispersion kompensation glas; CCD: charge - sammen enhed. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2. PAM og OCT dual-modalitet billeddannelse af choroidal blodkar i kaniner. (a) fundus fotografi viser at choroidal fartøjer (CVs) spredt over hele fundus mens retinal fartøjer (RVs) er begrænset inden for den medullære stråle da kaniner er merangiotic dyr. b PAM C-scan billede af CVs viser at PAM kan afgrænse CVs på høj lateral opløsning. c OCT B-scan billede viser den anatomiske struktur af kanin fundus og aksial position af choroidal fartøjer. GCL: Ganglion cellelag; INL: nukleare inderst; IPL: inderste plexiform lag; GER.: ydre nukleare lag; OPL: ydre plexiform lag; OLM: ydre begrænsende membran; EZ: ellipsoide zone; MZ: myoid zone; OS: ydre segment; BM, Bruchs membran; IZ: interdigitation zone38. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3PAM og OCT dual-modalitet billeddannelse af retinale blodkar i kaniner. a PAM C-scan billede af campingvogne og CVs. b 3D volumetriske gengivelse af PAM billede. (c) 2D ortogonale skiver af PAM billedet viser, at RVs og CVs er på forskellige dybder. (d) OLT B-scan billede illustrerer autocampere, NFL og sclera38. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

En intakt og regelmæssig tårefilmen er afgørende for høj kvalitet fundus billeder. En uregelmæssig og forringet tåre film kan betydeligt nedbrydes billed kvalitet42. For at bevare integriteten af tårefilmen og forhindre hornhinde overfladiske punktformet keratopati, er det kritisk at smøre hornhinden ved hjælp af øjenskyller meget ofte, ca hver to min. Hvis der er nogen bekymringer vedrørende opaciteten af øjet, bruge en spaltelampe og fluorescein strips for at kontrollere hornhinden betingelserne.

Flere vanskeligheder kan være til stede for bageste segment billeddannelse af øjnene af større dyr, herunder photoacoustic signal dæmpning med afstand især for high-frequency komponenter, cornea dehydrering og optiske aberrationer. Photoacoustic signal amplitude oplever typisk betydelige dæmpning før at blive opdaget af den kanyle-formet ultralyds transducer. Jo større øjeæblet størrelse, jo større dæmpning. Øjeæblet størrelsen af kaniner (~18.1mm) er omkring tre gange større end for rotter og seks gange større end for mus, hvilket gør kanin øje imaging særligt udfordrende. For at opnå rimelige imaging kvalitet, en laserstråle med en lille diameter (2 mm efter stråle kollimator i denne undersøgelse) og kollimeres wavefront (ideelt planar wavefront) foretrækkes, fordi det vil blive minimalt berørt af iboende optiske aberrationer af den hornhinden og kan godt fokuseret på nethinden. Dette punkt er af afgørende betydning for at mindske laser eksponering dosis og forbedre billedopløsning. Derudover en ultralyds transducer med en center frekvens af 27 MHz i stedet for et højere center frekvens på grund af eksperimentelle resultater indikerer, at dette er den maksimal ultralyd signal på denne afstand.

Mens OCT og OCTA er veletableret teknologier bruges i klinikken til anatomisk og funktionel billeddannelse i øjet, deres molekylære billeddannelse kapacitet er begrænset på grund af kontrast mekanismer43. PAM er en spirende øje imaging modalitet baseret på optiske absorption kontrast af øjenvæv. Det er følsomme over for endogene og eksogene lysopfangende, ligesom hæmoglobin og melanin eksternt administreres kontrastmidler. Visualisere vaskulære struktur demonstreret i dette arbejde er en af de mange anvendelser af PAM. Andre vigtige anvendelser omfatter funktionelle og molekylær imaging, såsom blod flow hastighed påvisning, hæmoglobin koncentration kvantificering, oxygen mætning kortlægning og biomarkør visualisering, som er vigtige at studere Patofysiologi af et utal af retinale Vaskulære sygdomme, herunder diabetisk retinopati, makuladegeneration, retinal vene tillukning, retinal arterie tillukning, seglcelle retinopati og formodede okulær histoplasmosis, at nævne nogle få. PAM har endvidere større indtrængningsdybde end OLT, som gør den velegnet til undersøgelse af nogle choroidal sygdomme, såsom polypoidal choroidal vasculopathy, central serøs chorioretinopathy, pachychoroid sygdomme og choroidal neovascularization. Fra disse perspektiver, PAM muligvis give nyttige supplerende oplysninger for OLT og OCTA at give en mere omfattende evaluering af okulær sygdomme i fremtiden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af den generøse støtte fra National Eye Institute-4K12EY022299 (YMP), kampen for Sight-International Retinal Research Foundation FFS GIA16002 (YMP), ubegrænset afdelings støtte fra forskning til at forebygge blindhed, og den University of Michigan Institut for oftalmologi og Visual Sciences. Dette arbejde udnyttes Core Center for Vision forskning finansieret af P30 EY007003 fra 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 og optisk kohærens tomografi Dual-modalitet Chorioretinal Imaging i levende kanin øjne
Play Video
PDF DOI

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