Waiting
Elaborazione accesso...

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

Bioengineering

Geïntegreerde Fotoakoestische oftalmoscopie en Spectral-domein Optical Coherence Tomography

Published: January 15, 2013 doi: 10.3791/4390
Automatic Translation
*1,2, *1, 3, 1,4
1Department of Biomedical Engineering, Northwestern University, 2Department of Physics, Harbin Institute of Technology, 3Department of Ophthalmology, University of Southern California, 4Department of Ophthalmology, Northwestern University
* These authors contributed equally

Summary

Fotoakoestische oogheelkunde (PAOM), een optische-absorptie-gebaseerde beeldvormende modaliteit, biedt de aanvullende evaluatie van het netvlies aan de op dat moment beschikbare oogheelkundige imaging technologieën. Wij rapporteren het gebruiken van PAOM geïntegreerd met spectrale-domein optische coherentie tomografie (SD-OCT) voor gelijktijdige multimodale netvlies imaging bij ratten.

Abstract

Zowel de klinische diagnose en fundamenteel onderzoek van belangrijke oogziekten veel baat verschillende niet-invasieve beeldvorming oftalmische. Bestaande netvlies imaging modaliteiten, zoals fundusfotografie 1, confocale scanning laser oftalmoscopie (cSLO) 2, en optische coherentie tomografie (OCT) 3, hebben een belangrijke bijdrage bij het ​​toezicht op de ziekte aanzetten en progressies, en het ontwikkelen van nieuwe therapeutische strategieën. Maar ze voornamelijk afhankelijk van de back-gereflecteerde fotonen van het netvlies. Bijgevolg de optische absorptie eigenschappen van de retina, die gewoonlijk sterk geassocieerd met retinale pathofysiologie status, ontoegankelijk zijn voor de traditionele beeldvorming.

Photoacoustische oftalmoscopie (PAOM) is een opkomende retinale beeldvormingsmodaliteit dat de detectie van de optische absorptie contrasten in het oog maakt met een hoge gevoeligheid 4-7. In PAOM nanosecond laser pulsen worden via de pupil en gescand over het achterste oog fotoakoestische (PA) signalen, die worden gedetecteerd door een ongericht ultrasone transducer aan het ooglid induceren. Door de sterke optische absorptie van hemoglobine en melanine, PAOM kan niet-invasief imaging de retinale en choroïdale vasculatures en het retinale pigmentepitheel (RPE) melanine bij hoge contrasten 6,7. Vooral gebaseerd op de goed ontwikkelde spectroscopische imaging fotoakoestische 5,8, PAOM heeft de potentie om de hemoglobine zuurstofverzadiging in retinale vaten, die kritisch in de fysiologie en pathologie van verscheidene ziekten 9 verblindende zoals diabetische retinopathie kaart en neovasculaire leeftijdsgebonden maculaire degeneratie.

Bovendien is de enige bestaande optische-absorptie-based oogheelkundige beeldvormende modaliteit, kan PAOM worden geïntegreerd met gevestigde klinische oogheelkundige beeldvorming techniques om uitgebreidere anatomische en functionele evaluaties van het oog op basis van meerdere optische contrasten 6,10 te bereiken. In dit werk hebben we integreren PAOM en spectrale-domein OCT (SD-OCT) voor het gelijktijdig in vivo netvlies beeldvorming van de rat, waarbij zowel optische absorptie en verstrooiing eigenschappen van het netvlies worden onthuld. Het systeem configuratie, systeem uitlijning en imaging overname worden gepresenteerd.

Protocol

1. Systeemconfiguratie

  1. PAOM Subsystem
    1. Verlichting bron: een Nd: YAG laser (SPOT-10-100, Elforlight Ltd, UK: 20 uJ / puls, 2 nsec pulsduur; 30 kHz maximale pulsherhalingssnelheid).
    2. De uitgang laser bij 1064 nm frequentie verdubbelde tot 532 nm door een beta-barium-boraat (BBO) crystal (CasTech, San Jose, CA). Na verdere splitsing door een laserlijn spiegel is 532 nm licht geleverd door een single-mode optische vezel (P1-460A-FC-5, Thorlabs) en 1064 nm laser wordt geregistreerd door een fotodiode (DET10A, Thorlabs), die triggers PA-signaal overname.
    3. De laser licht uit de single-mode optische vezel wordt afgegeven op de retina door een galvanometer (GM, QS-7, Nutfield Technology) en een telescoop configuratie (f1 = 75 mm en f2 = 14 mm, Edmund Optics) 6.
    4. Een ongericht naald transducer (40-MHz centrale frequentie, 16-MHz bandbreedte, 0,4 × 0,4 mm 2 actief element grootte, NIH Resource Center voor Ultrasonic Transducer Technologies, The University of Southern California) wordt in contact gebracht met het ooglid de PA signalen van het netvlies detecteren. Ultrasone gel (Sonotech) wordt aangebracht tussen de transducer tip en dierlijke ooglid goede akoestische koppeling.
    5. De PA signaal wordt versterkt door twee versterkers (ZFL-500LN +, Mini-circuits, en 5073PR, Olympus), en wordt gedigitaliseerd door een data-acquisitie board (CS14200, Gage Applied).
  2. SD-OCT-subsysteem
    1. Laag samenhang lichtbron: een breedband super-luminescerende diode (IPSDD0804, InPhenix; centrale golflengte: 840 nm; 6 dB bandbreedte: 50 nm), die de axiale resolutie van 6 urn bepaalt.
    2. De nabij-infrarood licht wordt gesplitst om de arm en sample arm verwijzen door een 50 × 50 op maat gemaakte single-mode fiber koppeling (OZ Optics).
    3. Na combineren met PAOM verhelderend licht door een hete spiegel (FM02, Thorlabs), OCT monster arm heeft dezelfde scannen en levering optiek wie PAOM 6.
    4. Een zelfgebouwde spectrometer wordt gebruikt om de SD-OCT stoorsignalen, waar een lijn scan CCD camera (Aviiva SM2, e2v) kan een A-lijnsnelheid van 24 kHz opnemen. Ontwerp van typische spectrometers kan worden gevonden uit verschillende eerder gepubliceerde literatuur 11 en fiber-gekoppelde SD-OKT spectrometers zijn nu commercieel beschikbaar. De SD-OCT gevoeligheid gemeten beter dan 90 dB.
  3. Scannen Scheme
    1. Snelle 2-D raster aftasting van de galvanometer wordt bestuurd door een analoge output board (PCI-6731, National Instruments) Deze zal ook zowel de laser PAOM vuren en de signaalacquisitie van OCT spectrometer. Daardoor worden de gegevens acquisities in PAOM en LGO subsystemen gesynchroniseerd.
    2. De PAOM data acquisitie wordt getriggerd door een fotodiode opname PAOM laser volgorde (zie 1.1.2).
    3. 3-D volumetrische beelden of 2-D fundus beelden zijn opgebouwd uit 256 B-scan beelden (256 A-lijnen per B-Scan beeld).

2. Systeem Alignment

  1. Maximaliseren frequentieverdubbeling efficiëntie van de BBO kristal en de koppelingsefficiëntie van de single-mode optische vezel. Draag LG3 veiligheidsbril (Thorlabs) voor personeel oogbescherming bij het optimaliseren van de PAOM verhelderend licht.
  2. Collimeren de vezel uitvoer van laser PAOM tot 2,0 mm in diameter.
  3. Lijn de gecombineerde verlichting lichten van PAOM en SD-OCT te zijn coaxiaal.
  4. Stel de PAOM excitatie licht op ~ 40 nJ / puls en SD-OCT indringende licht aan ~ 0,8 mW, zijn die beide gemeld in oog veilige 6,12 te zijn.

3. In vivo Multimodal Retinal Imaging

  1. Breng de rat een transparant polypropyleen box en verdoven van het dier door een mengsel van isofluraan (Phoenix Pharmaceutical, Inc) en normale lucht met een concentratie van 1,5% en een stroomsnelheid van 2,0 liter / min gedurende 10 minuten.
  2. Beperk de verdoofde rat in een homemade houder met vijf assen verstelbare vrijheid (figuur 1), en houdt de lichaamstemperatuur bij ~ 37 ° C door een verwarmingselement (Repti therm, ingezoomd Laboratories, Inc). Handhaven verdoving door inhalatie van gemengde gas isofluraan en normale lucht met 1,0% concentratie en 1,5 liter / min debiet gedurende het experiment.
  3. Snijd de wimper met behulp van een chirurgische schaar, verwijden de pupillen met 1% tropicamide oogdruppels, en verlammen de iris sluitspier met 0,5% Tetracainum Hydrochloride oogdruppels. Pas kunstmatige tranen (Systane, Alcon Laboratories, Inc) aan de rat oog om de minuut cornea uitdroging en cataract te voorkomen. Toezicht houden op de dieren hartslag, ademhaling en bloed oxygenatie door een pulsoximeter (8.600 V, Nonin Medical, MN) tijdens beeldvorming.
  4. Zet op SD-OKT verhelderend licht en controleer de indringende licht ~ 0,8 mW zijn.
  5. Activeer de galvanometer scannen. Lijn de SD-OCT stralingslicht leveringop de rat netvlies en identificeren van de retinale regio van belang (ROI) door aanpassing van de vijfassige dier houder. Hier wordt de optische schijf opzettelijk geplaatst in het midden van het gezichtsveld, terwijl de ROI worden gekozen op basis van verschillende onderzoeksgroepen eisen.
  6. Verder aanpassen dier houder de SD-OCT imaging kwaliteiten van retinale dwarsdoorsnede optimaliseren voor zowel aftastrichtingen (uit door de raster scanrichting) tot de beste optische focus is bereikt.
  7. Bereid de naald transducer op een vijf-assige verstelbare platform, breng dan een druppel ultrasone gel op de transducer tip, en voorzichtig de transducer tip contact op te nemen om het dier ooglid.
  8. Stel PAOM laser om de externe-trigger mode, start u de galvanometer scannen, en activeer real-time weergave van PAOM dwarsdoorsnede beeld van het dier netvlies. Zorgvuldig aanpassen transducer oriëntatie tot de PAOM beeld het beste signaal-ruisverhouding (SNR), en in de tussentijd toont een gelijkmatig distributed PA amplitude patronen in beide scan-richtingen.
  9. Stel de scaninstellingen en het gedrag van de gelijktijdige retinale beeldvorming van SD-LGO en PAOM. Reconstrueren de drie-dimensionale beelden van SD-LGO en PAOM off-line. Onze reconstructie codes werden geschreven in Matlab en driedimensionale visualisatie werd bereikt uing een freeware (Volview, Kitware). Het algoritme voor SD-OCT reconstructie vindt in Ref. 11 en de algoritme voor PAOM reconstructie vindt in Ref. 6 en Ref. 13. Indien nodig, herhaal de procedures van 3,7) -3,9).
  10. Na experiment, schakelt u de SD-OCT indringende licht, verwijder het dier uit de houder onmiddellijk, en houd het warm totdat het wakker wordt op natuurlijke wijze. Houd het dier in een donkere omgeving voor een extra uur voor de ogen te herstellen. De gehele experimentele periode, inclusief de dieren anesthesie en imaging acquisitie minder dan 30 minuten voor een ervaren operator.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figuur 2 de 2-D beelden fundus van SD-OCT en PAOM verkregen gelijktijdig in een albino rat (A en B) en een gepigmenteerde rat (C en D) respectievelijk. In de SD-OCT fundus beelden (Figuren 2A en 2C), retinale vaten hebben een donkere uitstraling door de hemoglobine absorptie van indringende licht. Naast de retinale vaten (RV in figuur 2B), PAOM visualiseert de choroïdale vasculatures (CV in figuur 2B) in albino oog als gevolg van het ontbreken RPE melanine. Omdat gepigmenteerd oog heeft een hoge concentratie melanine, PAOM beelden RPE (Figuur 2D) met hoog contrast naast de retinale vaten. In alle retinale beeldvorming, de maximale scannen hoek is 26 graden en de beeldvorming acquisitie neemt ~ 2,7 sec. De drie-dimensionale beeldkwaliteit van PAOM tonen, wordt een volumetrische weergave van de gegevens getoond in figuur 2b gegeven in Figure 3.

Figuur 1
Figuur 1. Foto van de vijf-assige dier houder. De pijlen een-vijf benadrukken de vijf instelbare vrijheden en de pijl 6 hoogtepunten van het dier restrainer.

Figuur 2
Figuur 2. Tegelijkertijd verkregen SD-OCT (A en C) en PAOM (B en D) fundus beelden. A) en B) worden verkregen van een albino rat en C) en D) worden verkregen van een gepigmenteerde rat. RV: retinale vaartuig; CV: choroïdale vaartuig; RPE: retinale pigment epitheel. Bar: 500 urn.

Figuur 3
<strong> Figuur 3. Volumetrische visualisatie van PAOM in een albino rat netvlies.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Hier presenteren we een gedetailleerde instructie over gelijktijdige in vivo netvlies beeldvorming van rat ogen met behulp van PAOM in combinatie met SD-okt. Optische verstrooiing gebaseerde SD-OCT is misschien het klinische "gouden standaard" voor retinale imaging 3, maar is niet gevoelig voor de optische absorptie te detecteren in de retina. De nieuw ontwikkelde PAOM is de enige optische-absorptie-based oogheelkundige beeldvormende modaliteit die optische absorptie-eigenschappen van het netvlies 6 biedt. Omdat hemoglobine en melanine endogeen sterke optische absorberende pigmenten, PAOM maakt het onderzoeken van de anatomie en functies van de retinale / choroïdale vaten en RPE zonder gebruik van extra contrastmiddelen.

In PAOM, de ongerichte ultrasone transducer heeft een beperkte gevoeligheid gebied (~ 2,8 x 2,8 mm 2) 10 vanwege de eindige actieve element, dat een vergaan detectiegevoeligheid van PA signalen naar T veroorzaakthij periferie van het gezichtsveld (FOV). Daarom moet de kantelhoek van de transducer zorgvuldig worden aangepast om een ​​homogene retinale FOV bereiken. Een mogelijke vervanging van de traditionele piëzo-elektrische transducer toepassing micro-ring resonator, die lagere noise equivalent drukwaarden en grotere detectie richtingsgevoeligheid 14, die een homogener retinabeeld betere SNR in PAOM kunnen bepalen heeft. Vergeleken met SD-OCT, PAOM heeft vergelijkbare laterale resolutie (~ 20 micrometer), maar veel erger axiale resolutie (~ 23 micrometer) als gevolg van de momenteel beperkte ultrasone bandbreedte 6. De axiale resolutie van PAOM kan mogelijk worden verbeterd door nieuwe ultrasone detector ook. De kalibratie methode van PAOM resoluties werd vorige gemeld 6,15.

In samenvatting, de geïntegreerde PAOM en SD-OCT beeldvormingssysteem uitgebreidere anatomische en functionele beoordeling van het netvlies heeft en derhalve heeft grote beloften inde toekomstige klinische diagnose en management van vele oogaandoeningen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Alle proefdier procedures werden goedgekeurd door de Institutional Animal Care en gebruik Comite van de Northwestern University.

Acknowledgments

Wij danken de gulle steun van de National Science Foundation (CARRIÈRE CBET-1055379) en de National Institutes of Health (1RC4EY021357, 1R01EY019951). We erkennen ook de steun van de China Scholarship Council te Wei Song.

References

  1. Kinyoun, J. L., Martin, D. C., Fujimoto, W. Y., Leonetti, D. L. Ophthalmoscopy versus fundus photographs for detecting and grading diabetic retinopathy. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 33 (6), 1888-1893 (1992).
  2. Schuman, J. S., Wollstein, G., Farra, T., Hertzmark, E., Aydin, A., Fujimoto, J. G., Paunescu, L. A. Comparison of optic nerve head measurements obtained by optical coherence tomography and confocal scanning laser ophthalmoscopy. Am. J. Ophthalmol. 135 (4), 504-512 (2003).
  3. Strøm, C., Sander, B., Larsen, N., Larsen, M., Lund-Andersen, H. Diabetic macular edema assessed with optical coherence tomography and stereo fundus photography. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 43 (1), 241-245 (2002).
  4. Hu, S., Maslov, K., Wang, L. V. Three-dimensional Optical-resolution Photoacoustic Microscopy. J. Vis. Exp. (51), e2729 (2011).
  5. Wang, L. V. Multiscale photoacoustic microscopy and computed tomography. Nat. Photonics. 3 (9), 503-509 (2009).
  6. Jiao, S., Jiang, M., Hu, J., Fawzi, A., Zhou, Q., Shung, K. K., Puliafito, C. A., Zhang, H. F. Photoacoustic ophthalmoscopy for in vivo retinal imaging. Opt. Express. 18 (4), 3967-3972 (2010).
  7. Wei, Q., Liu, T., Jiao, S., Zhang, H. F. Image chorioretinal vasculature in albino rats using photoacoustic ophthalmoscopy. J. Mod. Optic. 58 (21), 1997-2001 (2011).
  8. Liu, T., Wei, Q., Wang, J., Jiao, S., Zhang, H.F Combined photoacoustic microscopy and optical coherence tomography can measure metabolic rate of oxygen. Biomed. Opt. Express. 2 (5), 1359-1365 (2011).
  9. Yu, D., Cringle, S. J. Oxygen distribution and consumption within the retina in vascularised and avascular retinas and in animal models of retinal disease. Prog. Retin. Eye Res. 20 (2), 175-208 (2001).
  10. Song, W., Wei, Q., Liu, T., Kuai, D., Burke, J. M., Jiao, S., Zhang, H. F. Integrating photoacoustic ophthalmoscopy with scanning laser ophthalmoscopy, optical coherence tomography, and fluorescein angiography for a multimodal retinal imaging platform. J. Biomed. Opt. 17 (6), 061206 (2012).
  11. Mark, E. Brezinski Optical Coherence Tomography: Principles and Applications. , Academic Press. (2006).
  12. Hu, S., Rao, B., Maslov, K., Wang, L. V. Label-free photoacoustic ophthalmic angiography. Opt. Lett. 35 (1), 1-3 (2010).
  13. Zhang, H. F., Maslov, K., Wang, L. V. In vivo imaging of subcutaneous structures using functional photoacoustic microscopy. Nature protocols. 2, 797-804 (2007).
  14. Ling, T., Chen, S. L., Guo, L. J. High-sensitivity and wide-directivity ultrasound detection using high Q polymer microring resonators. Appl. Phys. Lett. 98 (20), 204103 (2011).
  15. Xie, Z., Jiao, S., Zhang, H. F., Puliafito, C. A. Laser-scanning optical-resolution photoacoustic microscopy. Opt. Lett. 34, 1771-1773 (2009).

Tags

Biomedische Technologie Bioengineering geneeskunde anatomie fysiologie oogheelkunde Natuurkunde Biofysica Fotoakoestisch oogheelkunde oftalmoscopie optische coherentie tomografie retinale beeldvorming spectrale-domein tomografie rat diermodel imaging
Geïntegreerde Fotoakoestische oftalmoscopie en Spectral-domein Optical Coherence Tomography
Play Video
PDF DOI

Cite this Article

Song, W., Wei, Q., Jiao, S., Zhang,… More

Song, W., Wei, Q., Jiao, S., Zhang, H. F. Integrated Photoacoustic Ophthalmoscopy and Spectral-domain Optical Coherence Tomography. J. Vis. Exp. (71), e4390, doi:10.3791/4390 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter