Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Engineering

Romanen Photoacoustic mikroskopi og Optical Coherence tomografi Dual-modalitet Chorioretinal Imaging i levende kaninøyne

doi: 10.3791/57135 Published: February 8, 2018

Summary

Dette manuskriptet beskriver romanen oppsettet og opererer prosedyren av en photoacoustic mikroskopi og optical coherence tomografi dual-modalitet system for noninvasive, etikett-fri chorioretinal imaging større dyr, som kaniner.

Abstract

Photoacoustic okulær imaging er en voksende ophthalmica bildeteknologi som noninvasively kan visualisere okulær vev ved å konvertere lysenergi til lydbølger og er under intensiv etterforskning. Men de fleste rapportert arbeid er fokusert på avbilding av bakre segmentet i øynene til små dyr, som rotter og mus, som gir utfordringer for klinisk human oversettelse på grunn av liten øyeeplet størrelser. Dette manuskriptet beskriver en roman photoacoustic mikroskopi (PAM) og optical coherence tomografi (OCT) dual-modalitet system for bakre segmentet bildebehandling i øynene større dyr, som kaniner. Av Systemkonfigurasjon, systemet justering, dyr forberedelse og dual-modalitet eksperimentelle protokoller for i vivo, noninvasive, etikett-fri chorioretinal imaging i kaniner er detaljerte. Effektiviteten av metoden demonstrert ved representant eksperimentelle resultater, inkludert netthinnen og choroidal blodkar innhentet av PAM og OCT. Dette manuskriptet gir en praktisk guide til gjengivelse tenkelig resultatene i kaniner og fremme photoacoustic okulær imaging i større dyrene.

Introduction

De siste tiårene har sett eksplosive utviklingen av feltet biomedisinsk photoacoustic tenkelig1,2,3,4,5,6,7 ,8. Basert på energi konvertering av lys i lyd, den nye photoacoustic bildebehandling kan visualisere biologiske prøver på skalerer fra organeller, celler, vev, organer til liten-dyr hele kroppen og kan avsløre dens anatomiske, funksjonell, molekylær, genetiske, og metabolske informasjon1,2,9,10,11,12. Photoacoustic bildebehandling har funnet unike programmer i en rekke biomedisinsk felt, for eksempel celle biologi13,14, vaskulære biologi15,16, nevrologi17,18 , onkologi19,20,21,22, Dermatologi23, farmakologi24og hematologi25,26. Anvendelsen i Oftalmologi, dvs photoacoustic okulær imaging og har tiltrukket seg betydelige interesser fra både forskere og klinikere er nå aktiv.

I motsetning til brukes rutinemessig okulær bildebehandling teknologier27, som fluorescein angiography (FA) og indocyanine grønne angiography (ICGA) (basert på fluorescens kontrast), optical coherence tomografi (OCT) (basert på optiske spredning kontrast) , og dens avledede OCT angiography (basert på bevegelse kontrast av røde blodlegemer), photoacoustic okulær imaging bruker optisk absorpsjon som kontrast mekanismen. Dette er forskjellig fra konvensjonelle okulær bildeteknologi og gir et unikt verktøy for å studere optisk absorpsjonen egenskaper øyet, som vanligvis er assosiert med statusen patofysiologiske okulær vev28. Dato betydelig har utmerket arbeid blitt gjort i photoacoustic okulær imaging29,30,31,32,33,34,35, 36,37, men disse studiene fokuserer på den bakre delen av øynene til små dyr, som rotter og mus. Banebrytende studier viser også muligheten for photoacoustic imaging i Oftalmologi, men det er fortsatt en lang vei å gå mot klinisk oversettelse av teknologien siden øyeeplet størrelser av rotter og mus er mye mindre (mindre enn en tredjedel) enn av mennesker. På grunn av spredning av ultralyd bølger over en betydelig lengre avstander, kan signalet intensitet og bildekvalitet sterkt lide når teknikken brukes for imaging den bakre delen av større øyne.

Mot dette målet, vi nylig rapportert noninvasive, etikett-fri chorioretinal imaging i levende kanin med integrert photoacoustic mikroskopi (PAM) og spectral domener OCT (SD-oktober)38. Systemet har utmerket ytelse og kan visualisere netthinnen og akkord i øynene til større dyrene basert på endogene absorpsjon og spredning kontrast av okulære vev. Foreløpige resultatene i kaniner viser at PAM noninvasively kunne skille personlige netthinnen og choroidal blodkar benytter en laser eksponering dose (~ 80 nJ) betydelig under American National Standards Institute (ANSI) sikkerhet grensen (160 nJ) på 570 NM39; og Tilpasningsverktøy kan tydelig løse ulike retinal lag, akkord og sclera. Det er den aller første demonstrasjonen av bakre segmentet avbilding av større dyrene med PAM og kan være et stort skritt mot klinisk oversettelse av teknologien vurderer at øyeeplet kanin (18.1 mm)40 er nesten 80% av aksial lengde mennesker (23.9 mm).

I dette arbeidet vi gi en detaljert beskrivelse av dual-modalitet tenkelig system og eksperimentelle protokollsettet for noninvasive, etikett-fri chorioretinal imaging i levende kaniner og demonstrere systemytelse gjennom representant retinal og choroidal imaging resultater.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Kanin er en United States Department of Agriculture (USDA) dekket arter. Bruk i biomedisinsk forskning må følge strenge regler. Alle kanin eksperimentene ble utført i samsvar med ARVO (foreningen visjon og Oftalmologi) erklæringen for bruk av dyr i Ophthalmic og visjon forskning, etter godkjenning av laboratoriet dyr protokollen ved Universitetet Komiteen på bruk og omsorg for dyr (UCUCA) av University of Michigan (protokollen PRO00006486, PI Yannis Paulus).

1. system konfigurasjonen

  1. Photoacoustic mikroskopi (PAM)
    1. Bruk en optisk parametrisk oscillator (OPO) laser pumpes av en diode-pumpet solid-state laser som lyskilde PAM. Velg riktig tekniske spesifikasjoner, som puls repetisjon rate 1 kHz puls varighet 3-6 ns og tunable bølgelengdeområde 405-2600 nm.
    2. Gjenspeiler kommer bjelken fra laseren på 570 nm ved to speil (M1 og M2), deretter passere gjennom en halv-bølge plate demperen montert på et motorisert rotasjon scenen, og til slutt fokus, filter og collimate det av en bjelke collimator (figur 1). Optimaliser utformingen av bjelke-collimator. En eksempel-konfigurasjon av bjelke-collimator inkluderer en fokus linse L1 (brennvidde 250 mm), et pinhole (diameter 50 µm) og en collomating linse L2 (brennvidde 30 mm).
    3. Del collimated strålen av en bjelke splitter (BS1) med en del av 90/10 (refleksjon/overføring). Posten overføres delen av en photodiode for puls-til-pulse laser energi overvåking. Suksessivt avlede delen gjenspeiles av et speil (M3) og en dichroic speil (DM) og raster-avsøke den med en todimensjonal galvanometer. Galvanometer er en delt komponent med spektral domene (SD)-OCT system (beskrevet nedenfor).
    4. Levere skannede strålen gjennom et teleskop består av en skannelinsen (brennvidde 36 mm) og en ophthalmica linse (OL, brennvidde 10 mm) og til slutt fokusere det på fundus av kanin øye optikk.
    5. Velg en p-formet ultralyd svinger med riktig tekniske spesifikasjoner, for eksempel senterfrekvensen 27 MHz, toveis −6 dB båndbredde 60%. Plass den i kontakt med Konjunktiva av den sentrale visuelle aksen å fange glade photoacoustic signal.
    6. Forsterke signalet ved hjelp av en ultralyd forsterker (for eksempel få 57 dB), filtrere den av en low pass-filteret (for eksempel cutoff frekvens 32 MHz), og Digitalisere det av en høyhastighets digitaliserer på en samplingsfrekvens på 200 MS/s.
    7. Sted en makt meter over kaninen øye og måle laser puls energien på kanin hornhinnen å holde det under ANSI sikkerheten begrense 160 nJ på 570 nm38. Blokkere strålen for å unngå laser overeksponering ved hjelp av en laser lukker styrt fra Matlab gjennom en synkronisering elektronikk.
    8. Synkronisere laser, galvanometer og digitaliseringsenhet gjennom en data oppkjøp (DAQ) bord. Programmet programvaren for systemet kontroll og datafangst i Matlab.
  2. Spectral domener optical coherence tomografi (SD-oktober)
    1. Tilpasse SD-oktober systemet basert på et kommersielt tilgjengelig system ved å legge en ophthalmica linse (OL) etter skannelinsen (SL) og et stykke av spredning kompensasjon glass (DCG) i referanse armen (figur 1). Endringen gjør at OCT systemet kan bildet den bakre delen av kaninøyne.
    2. Bruk en zoom boliger rør til å justere referanse armen å sikre sin kamp med den optiske bane lengden av prøven armen. Bruk en blender til å kontrollere intensiteten av retro-reflekterte referanse lys til å sikre sin kamp med tilbake-spredt lysintensiteten fra kanin fundus å oppnå høyeste kontrast.
    3. Ansette en kostnad - sammen enhet (CCD) kamera innkapslet i Skannerhodet for sanntids visualisering av kanin fundus med en lys lys emitting diode (LED) som en ekstern belysning.

2. system justering

  1. Initialiser plasseringen av galvanometer og justere OCT systemet ved å justere skruer på fiber collimator fjellet og beamsplitter kuben.
    Merk: De trinnvise fremgangsmåtene finnes i manualen for kommersielt ervervet OCT systemet og vil ikke bli dekket her. Dette trinnet er hovedsakelig for å sikre riktig justeringer av fiber collimator, referanse armen og skannelinsen å maksimere ytelsen til OCT systemet.
  2. Juster x, yog z posisjon av pinhole rundt fokus fokus linsen romlig filtrere ut laserstrålen og overføre maksimalt laser energi. Sjekk høydene av laserstrålen før og etter hullet med et høyde måleverktøy slik at de er de samme.
  3. Justere tilt, decenter, og z -posisjonen til collomating linsen L2 collimate filtrert strålen. Sikre at strålen har omtrent samme størrelse og høyde når observert i nær-feltet og feltet langt.
  4. Co-aksialt kombinere laserstrålen PAM og OCT lysstrålen av innstiller vippes speilet og DM. Etter dette trinnet er PAM laser og OCT lys skal fullt ut sammenfallende og skanning områder på kanin fundus er de samme.
  5. Hellingen og decenter av OL linsen riktig justere det i den optiske banen. Når gjort, er dual-modalitet systemet klart til avbilding.
    Merk: Kan man bruke metoden auto-kollimasjon for å oppnå dette, dvs. ser lyset tilbake-reflektert av OL linsens overflate å sørge for at det går tilbake langs samme måte som hendelsen lyset.

3. kanin forberedelse

  1. Ta en New Zealand White rabbit fra dyr anlegg og registrere personlige informasjon, for eksempel kroppen vekt og dyr.
  2. Montere kanin plattformer, inkludert kroppen støtte og hodet støtte på optisk bordet under tenkelig systemet. Sette en sirkulerende vann oppvarming teppe på kroppen støtte og satt temperaturen i sirkulerende vann til 38 ° C for å holde kroppstemperaturen av kaninen varme for varigheten av eksperimentet og utvinning.
  3. Registrere den før prosedyren vitals, inkludert total dyr tilstand, slimhinnene farge, hjertefrekvens, pustefrekvens og endetarms kroppstemperatur. Bedøve kaninen med en blanding av ketamin (40 mg/kg) og xylazine (5 mg/kg) gjennom intramuscular (IM) injeksjon og registrere forbruket av ketamin (tidsplan III kontrollert stoff). Bekreft anestesi nivået ved å sjekke sin hjertefrekvens, pustefrekvens, og generelle tilstanden.
  4. Dilate kanin elevene bruker en dråpe hver Tropicamide 1% ophthalmica og phenylephrine hydroklorid 2,5% ophthalmica.
  5. Bruk et spekulum hold øyelokkene ut av veien og Påfør en dråpe øye smøremiddel til å fukte hornhinnen. Innpode en dråpe aktuell Tetracaine 0,5% i øyet før tenkelig prosedyren.
    Merk: For lengre prosedyrer eller prosedyrer med mulig ubehag til dyret, gi kaninen en subcutaneous injeksjon av har meloksikam før å sikre dyr komfort.

4. SD-oktober bildebehandling

  1. Overføre kanin til tenkelig plattformen for et klinisk fundus kamera og ta 50 graders fundus, rød gratis og autofluorescence bilder før Tilpasningsverktøy imaging økten. Dette hjelper når optisk åpenhet i øyet og gjenkjenne fundus fartøy morfologi og landemerker, som synsnerven og medullær ray retinal blodkar.
  2. Overføre kanin til plattformen for OCT systemet og justere sin stilling for å plassere omtrent ett av øynene under OL. Belyse øyet bruker LED-lys.
    Merk: For å lette klinisk oversettelsen av teknikken, kanin øynene er ikke stabilisert med noen andre metoder og kanin hodet har akkurat satt på hodet støtte uten noen fiksering.
  3. Åpne programmet OCT og sjekk først CCD kamerabildet av fundus. Fint justere høyden og vinkelen på hodet støtte hvis det er nødvendig for å sikre regionen interesser (ROIs), som choroidal fartøy og retinal fartøyer, ligger innen synsfelt (FOV) på kameraet.
    Merk: Hvis kaninen er under en god anestesi nivå, en sekvensiell tenkelig økt kan vare så lenge som 10 min uten behov for å justere kanin hodet.
  4. Tegne en rett linje for å representere OCT B-skanningen av interesse og starte skanning. Justere arm referanse for å visualisere OCT bildet og optimalisere den spredning kompensasjon faktoren i OCT-programvare for å få de skarpeste bildene.
    Merk: Når du justerer referanse arm lengde, to speilet OCT bildene vises etter hverandre. Riktig bildet kan skilles basert på tidligere kunnskap om fundus anatomien.
  5. Angi data oppkjøpet parametere, for eksempel antall piksler og gjennomsnittene, og lagre bilder.
  6. Observere respirasjonsfrekvens og hjertefrekvens kaninen til å beregne anestesi nivå og dyr komfort. For lengre økter, kan en tredjedel dose av supplerende ketamin eller inhalert isoflurane vurderes med endotracheal intubasjon, en V-gel eller en ansiktsmaske å opprettholde flyet bedøvelse når det er nødvendig.
  7. Skyll kanin hornhinnen med eyewash hver 2 min under eksperimentet å hindre hornhinnen overflate dehydrering og hornhinnen overfladisk vises punctate epitel keratopathy. Overvåke og registrere dyr vitals hvert 15 min.

5. PAM imaging

  1. Bruk riktig laser vernebriller og aktivere OPO laser.
  2. Start PAM kontroll programvare, tune laser bølgelengden til en av absorpsjon topper de målrettede chromophores (f.eks 570 nm for hemoglobin), initialisere plasseringen av galvanometer og skjermen laser energi før kanin hornhinnen å sikre at det er under grensen på ANSI-sikkerhet.
  3. Montere ultralyd svingeren på en tredimensjonal (3D) oversettelse scene og plasser svinger spissen i kontakt med kanin Konjunktiva peker til fundus. Bruk en dråpe øye smøremiddel bedre par svinger tips og kanin Konjunktiva.
  4. Slå på LED lys lys og visualisere kanin fundus i Matlab-programvaren.
  5. Sett skanning Avkastningen (retinal fartøy eller choroidal fartøy), inkludert sentrum og den fysiske størrelsen. Åpne laser skodde og starte B-skanning av bjelken. Ved å justere omtrent svingeren, bør man kunne se oppdaget photoacoustic signal på oscilloskop. Hvis ikke, finjustere øyet posisjon for å skanne en annen region av hornhinnen eller bytte til andre øyet og gjenta prosessene ovenfor.
  6. Observere den oppdaget photoacoustic signal på oscilloskop og fininnstille svinger posisjon for å maksimere signal intensitet langs hele B-skanningen.
    Merk: På grunn av begrenset stråle bredde, ultralyd svinger vanligvis har en liten FOV41. Dette trinnet bestemmer bakgrunn modulering av endelige PAM bilder. Avvik vil føre til PAM bilder med heterogene bakgrunn og nedverdige image kvalitet sterkt.
  7. Angir dataparametrene oppkjøpet. Dette inkluderer antall piksler (f.eks., 256 × 256 piksler), samplingsfrekvens (f.eks., 200 MS/s), og forsinkelse tid. Starte datainnsamling. Matlab programvaren vil automatisk åpne skodde å passere laserstrålen når startet og lukke lukkeren til å blokkere bjelken når ferdig for å unngå laser overeksponering.
    Merk: Begrenset av repetisjon puls (1 kHz) av laser, tar det ca 1 min til slutt datainnsamling i et bilde med 256 × 256 piksler.
  8. Behandle rådata og visualisere PAM bildet i to dimensjoner (2D) gjennom maksimale intensitet projeksjon (MIP)13 eller 3D gjennom volumetriske gjengivelse38.
  9. Demonter ultralyd svingeren, skyll spissen bruker deionisert vann og legg den tilbake til lagring sak.
  10. Overføre kanin til fundus kameraet og revurdere fundus. Dette trinnet bidrar til å kontrollere om det finnes morfologiske endringer av fundus etter tenkelig økten.
  11. Skyll kanin hornhinnen med eyewash hvert to min under eksperimentet å hindre hornhinnen overflate dehydrering og keratopathy. Overvåke og registrere dyr vitals hvert 15 min.
    Merk: PAM, oktober, og fundus imaging økter tar ca 1 time.

6. innlegget bildebehandling

  1. Etter fundus revurdering bruker fundus kameraet, kobler du fra V-gel hvis koblet. Skyll øynene med eyewash, bruke flurbiprofen ophthalmica og neomycin og polymyxin B sulfates og deksametason ophthalmica salve og Lukk øynene.
  2. Overføre kanin med vann sirkulerende teppet til en gjenopprette kammer. Skjerme boksen fra lys og vent til kaninen naturlig våkner. I denne perioden, overvåke dyr vitals hvert 15 min opptegnelsen og returnere en kopi til dyr anlegg for arkivering.
  3. Når kaninen våkner og er aktiv, varsling og gå normalt, transportere den til dyr anlegget. Hvis et akutt eksperiment er planlagt, euthanize dyret bruker euthanasia løsning (f.eks., Beuthanasia, 0.22 mL/kg, intravenøs injeksjon i marginale øret blodåre) og kast i carcass.
  4. Slå av programvaren og laser. Rengjør optisk benken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Dual-modalitet tenkelig og eksperimentelle protokollen har blitt vellykket testet i forfatternes laboratorium bruker fire New Zealand hvit kanin. Følgende viser noen representant resultater.

Figur 1 viser skjematisk av PAM og SD-oktober dual-modalitet tenkelig system. Det består av følgende moduler: photoacoustic lys kilde, variabel laser attenuator, strålen collimator, energi meter, Skannerhodet, photoacoustic gjenkjenning og oppkjøp modul, OCT enhet og synkronisering elektronikk. Detaljert systemkonfigurasjoner er spesifisert i del 1.1.

Figur 2 viser typisk imaging resultater av kanin choroidal blodkar ervervet ved hjelp av dual-modalitet tenkelig system. Figur 2 (a) er et fundus bilde viser at choroidal fartøy spredt over de fleste deler av kanin fundus mens retinal fartøy er begrenset i den medullær ray. Figur 2 (b) er et typisk PAM bilde viser er choroidal blodkar innen fotografiet i fundus. Choroidal blodkar ble avgrenset på lateral høyoppløselig. Figur 2 (c) er et OCT B-scan bilde for å se på fundus anatomi og bekrefter tilstedeværelsen av choroidal fartøyene. Netthinnen, akkord og sclera kan visualiseres med en aksial høyoppløselig med choroidal fartøyene under netthinnens pigment epitel (RPE) laget.

Figur 3 viser typisk imaging resultater av kanin retinal blodkar ervervet ved hjelp av dual-modalitet tenkelig system. Tallene 3(a) og 3(b) er 2D MIP og 3D volumetriske gjengivelse av netthinnen innhentet av PAM, henholdsvis. Figur 3 (c) viser ortogonale skiver av det 3D image. Resultatene viser at PAM kunne også visualisere enkelte retinal skip, som ligger over RPE laget, og bekrefter at retinal fartøy og choroidal fartøy på ulike dyp. Figur 3 (d) illustrerer en tilsvarende OCT B-scan bilde, viser tverrsnitt av personlige retinal fartøy og nerve fiber laget (NFL).

Figure 1
Figur 1. Skjematisk av integrert photoacoustic mikroskopi og optical coherence tomografi dual-modalitet tenkelig system. OPO: Optisk parametrisk oscillator; BS: bjelke splitter; PD: photodiode; M: speil. DM: dichroic speil. SL: skannelinsen; OL: ophthalmica linsen; SMF: single-modus fiber; DCG: spredning kompensasjon glass; CCD: kostnad - sammen enhet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2. PAM og OCT dual-modalitet bildebehandling av choroidal blodkar i kaniner. (a) fundus bilde viser at choroidal fartøy (CVs) spredt over hele fundus mens retinal fartøy (RVs) er begrenset i den medullær ray siden kanin er merangiotic dyr. (b) PAM C-scan bilde av CVs viser at PAM kan avgrense CVs på lateral høyoppløselig. (c) OCT B-scan bilde viser anatomiske strukturen av kanin fundus og aksial plasseringen av choroidal fartøy. GCL: Ganglion celle laget. INL: indre kjernefysiske laget. IPL: indre plexiform laget. BARE: ytre kjernefysiske laget. OPL: ytre plexiform laget. OLM: ytre begrensende membran; EZ: ellipsoid sone. MZ: myoid sone. OS: ytre segmentet; BM, Bruchs membran; IZ: interdigitation sonen38. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3PAM og OCT dual-modalitet bildebehandling av netthinnen blodårer i kaniner. (a) PAM C-scan bilde av RVs og CVs (b) 3D-volum gjengivelse av PAM bildet. (c) 2D ortogonale skiver av PAM bildet viser at RVs og CVs er på ulike dyp. (d) oktober B-scan bilde illustrerer RVs, NFL og sclera38. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

En intakt og vanlig rive film er viktig for høykvalitets fundus bilder. En uregelmessig og forverret tåre-filmer kan betydelig redusere bildet kvalitet42. For å opprettholde dataintegriteten tåre filmen og hindre hornhinnen overfladisk vises punctate keratopathy, er det avgjørende å smøre hornhinnen bruker eyewash veldig ofte, omtrent hvert to min. Hvis det er spørsmål angående ugjennomsiktigheten av øyet, bruk en slit lampe og fluorescein strimler Undersøk hornhinnen betingelsene.

Flere problemer er tilstede i bakre segmentet bildebehandling i øynene til større dyr, inkludert photoacoustic signal attenuation med avstanden spesielt for høy frekvens komponenter, hornhinnen dehydrering og optisk avvik. Photoacoustic signalet amplituden typisk erfaringer betydelig demping før å bli oppdaget av p-formet ultralyd svingeren. Jo større øyeeplet størrelse, jo større demping. Øyeeplet er kanin (~18.1mm) omtrent tre ganger større enn rotter og seks ganger større enn mus, som gjør kanin øye imaging spesielt utfordrende. For å oppnå rimelig imaging kvalitet, en laserstråle med liten diameter (2 mm etter strålen collimator i denne studien) og collimated wavefront (ideelt planar wavefront) foretrekkes fordi det minimalt vil påvirkes av indre optisk avvik på den hornhinnen og være godt fokusert på netthinnen. Dette er av avgjørende betydning i å redusere laser eksponering dosen og forbedre bildeoppløsningen. I tillegg en ultralyd svinger med et senter frekvens på 27 MHz i stedet for en høyere senter frekvens på grunn av eksperimentelle resultater som viser maksimal ultralyd signalet på denne avstanden.

Mens OCT og OCTA er veletablert teknologier som brukes i klinikken for anatomiske og funksjonelle bildebehandling av øyet, deres molekylær bildebehandling evne er begrenset på grunn av den kontrasten mekanismer43. PAM er en voksende øye tenkelig modalitet basert på optiske absorpsjon kontrast av okulære vev. Det er følsom for endogene og ytre chromophores, som hemoglobin, melanin og eksternt administreres kontrast agenter. Visualisere Vaskulær struktur i dette arbeidet er en av de mange programmene i PAM. Andre viktige programmer inkluderer funksjonelle og molekylære bildebehandling, som blodet flyt hastighet gjenkjenning, hemoglobin konsentrasjon kvantifisering, oksygen metning kartlegging og biomarkør visualisering, som er viktig å studere i Patofysiologien ved et mylder av netthinnen vascular sykdommer, inkludert diabetisk retinopati, makuladegenerasjon, retinal vene occlusions, retinal arterie occlusions, sigd celle retinopati og antatte okulær histoplasmosis, for å nevne noen. Videre har PAM penetrasjon større enn oktober, som gjør den egnet for studier av noen choroidal sykdommer, for eksempel polypoidal choroidal vasculopathy, sentrale serous chorioretinopathy, pachychoroid sykdommer og choroidal neovascularization. Fra disse perspektiver, PAM kunne gi nyttig utfyllende informasjon til OCT og OCTA å gi en mer omfattende evaluering av øyet sykdommer i fremtiden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av sjenerøs støtte fra National Eye Institute-4K12EY022299 (YMP), kampen for Sight-International Retinal Research Foundation FFS GIA16002 (YMP), ubegrenset avdelinger støtte fra forskning til forhindre blindhet, og University of Michigan Department of Ophthalmology og Visual Sciences. Dette arbeidet utnyttet kjernen sentrum for visjon forskning finansiert av 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).
Romanen Photoacoustic mikroskopi og Optical Coherence tomografi Dual-modalitet Chorioretinal Imaging i levende kaninøyne
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