集成光声眼底镜检查和谱域光学相干断层扫描

摘要

光声眼科（PAOM）的，一个基于光学吸收的成像模态，提供了互补的评价的视网膜的当前可用的眼科成像技术。我们报告的使用PAOM集成与谱域光学相干断层扫描（SD-OCT），同时多式联运大鼠视网膜成像。

摘要

极大地受益于各种非侵入性的眼科成像技术的重大眼部疾病的临床诊断和基本的调查。现有的视网膜成像方式，如共焦激光扫描眼底镜检查^{（CSLO）2，}眼底照相，光学相干断层扫描（OCT），有显着贡献，监测疾病的起始和级数，并开发新的治疗策略。然而，它们主要依靠的背面反射的光子从视网膜。因此，在视网膜的光吸收特性，这通常是紧密联系在一起的视网膜病理生理状态，是无法由传统的成像技术。

“光声眼底镜检查（PAOM）是一种新兴的的视网膜成像方式，允许在眼内的光吸收对比检测，具有灵敏度高^4-7。在PAOM南交付osecond激光脉冲通过瞳孔扫过的眼后诱导光声（PA）检测到的信号，这是由一个未聚焦的超声波换能器连接到眼睑。因为强烈的光吸收的血红蛋白和黑色素，PAOM是能够非侵入性成像视网膜和脉络膜vasculatures的，而视网膜色素上皮细胞（RPE）在高对比度的黑色素^6,7。更重要的是，发达的光声光谱成像^5,8的基础上，PAOM有可能映射在视网膜新生血管中的血红蛋白氧饱和度，它可以致盲性疾病，如糖 ​​尿病性视网膜病变的生理和病理研究的关键和新生血管性年龄相关性黄斑变性。

此外，现有的光学吸收为基础的眼科影像学检查方法，PAOM可以集成完善的临床眼科成像TEchniques实现多个光学对比^6,10基础上的眼睛，更全面的解剖和功能的评价。在这项工作中，我们整合PAOM和谱域OCT（SD-OCT），用于同时在体内视网膜成像大鼠，其中揭示的视网膜的光的吸收和散射特性。的系统配置，系统校准和图像采集。

研究方案

1。系统配置

1. PAOM子系统
   1. 照明光源：Nd：YAG激光（SPOT-10-100，UK：Elforlight有限公司，20μJ/脉冲; 2纳秒脉冲持续时间; 30 kHz的最大脉冲重复频率）。
   2. 输出激光波长为1064 nm倍频532 nm的β- - 硼酸钡（BBO）晶体（福建福晶科技，圣何塞，CA）。进一步分割通过激光线镜像后，交付532 nm的光通过单模光纤（P1-460A-FC-5，Thorlabs公司），和1064 nm激光记录由一个光电二极管（DET10A，Thorlabs公司），这将触发PA信号的采集。
   3. 出来的单模光纤的激光光被传递到由检流计（GM，QS-7，Nutfield的技术）和一个望远镜配置视网膜抑制（f1 = 75毫米和f2 = 14毫米，爱特蒙特光学^）6。
   4. 未聚焦的针换能器（40-MHz的中心频率16 MHz的带宽，0.4×0.4 mm ^2的有源元件的大小，NIH资源Center为超声换能器技术，美国南加州大学）被放置在接触眼睑的检测PA产生的信号从视网膜。超声波的硅胶（SONOTECH）之间施加良好的声学耦合的换能器的塞尖和动物眼睑。
   5. PA信号被放大由两个放大器ZFL-500LN +，Mini-Circuits公司，和5073PR，奥林巴斯，数字化的数据采集板（CS14200，测控应用）。
2. SD-OCT子系统的
   1. 低相干光源：一个宽带超发光二极管（IPSDD0804，InPhenix中心波长：840 nm的6 dB带宽为50nm），这就决定了轴向分辨率为6微米。
   2. 的近红外光被分割的参考臂和样品臂由一个50×50定制的单模光纤耦合器（OZ光学）。
   3. 由热镜（FM02，Thorlabs公司）的结合PAOM照明灯后，华侨城的样品臂共享相同的扫描和交付光学无线网络日PAOM ^6。
   4. 一个自制的光谱仪是用来记录的SD-OCT干扰信号，行扫描CCD相机，E2V（AVIIVA SM2）允许一个A线率24千赫。典型的光谱仪的设计可以从几个原样文献¹¹和光纤耦合的SD-OCT光谱仪发现现在市售。 SD-OCT灵敏度的测量是更好的超过90分贝。
3. 扫描计划
   1. 极速的2-D的光栅扫描的检流计控制由一个模拟输出板（PCI-6731，美国国家仪器公司），这也同时触发PAOM的激光发射和华侨城光谱仪的信号采集。其结果是，数据采集在PAOM和OCT子系统是同步的。
   2. 收购的PAOM数据所引发的光电二极管的记录PAOM激光序列（见1.1.2）。
   3. 3-D的容积图像或2-D眼底图像构造256 B-扫描图像（256线每个B扫描图像）。

2。系统调整

1. 最大化的BBO晶体的倍频效率和单模光纤的耦合效率。优化时，PAOM的照明光，穿LG3人员保护眼睛的护目镜（Thorlabs公司）。
2. 照准光纤输出的激光的PAOM至2.0毫米的直径。
3. 对齐合并的PAOM和SD-OCT同轴照明灯。
4. 〜40 NJ /脉冲和SD-OCT设置PAOM激发光探测光〜0.8兆瓦，这两个据报道，人眼安全^6,12。

3， 在体内多模态视网膜成像

1. 大鼠转移到透明聚丙烯框，和异氟醚（凤凰制药公司）和正常空气中在1.5％的浓度，流速为2.0升/分钟和10分钟的混合物麻醉动物。
2. 抑制麻醉大鼠在homema五轴可调自由（ 图1），并保持它的体温通过加热的垫（Repti千卡，缩放的实验室，公司）在〜37℃的保持器与。整个实验过程中的浓度为1.0％和1.5升/分钟的流速与混合的异氟醚和正常的空气通过吸入气体维持麻醉。
3. 剪切的睫毛，用手术剪，1％托品滴眼液扩瞳，用0.5％盐酸丁卡因滴眼液虹膜括约肌瘫痪。的人工泪液下降（Systane，爱尔康公司），鼠眼每隔一分钟，防止角膜脱水和白内障的形成。监测动物的心率，呼吸和血氧脉搏血氧仪（8,600 V，燕牌医疗，MN）在成像过程中。
4. 打开SD-OCT照明灯和检查探测光〜0.8毫瓦。
5. 激活振镜扫描。对准SD-OCT照射的光传输大鼠视网膜上，视网膜的感兴趣区域（ROI），并确定调整的五轴动物持有人。这里，视盘是故意的视场的中心放置在，而的ROI的选择应基于不同的研究要求。
6. 进一步调整的动物保持器，直至达到最佳的光学聚焦在两个扫描方向（通过切换的光栅扫描方向），以优化的SD-OCT成像质量的视网膜截面。
7. 准备针换能器上的5轴的调节平台，应用超声波凝胶下降到换能器的前端，并轻轻地接触的振子的动物眼睑的小费。
8. 设置外部触发模式PAOM激光，开始检流计扫描，和激活的PAOM剖动物视网膜图像的实时显示。仔细调整换能器的方向，直到PAOM图像具有最佳的信号 - 噪声比（SNR），并在此期间，显示了一个均匀DISTributed PA振幅模式在两个扫描方向。
9. 设置扫描参数，并同时进行视网膜SD-OCT和PAOM的成像。重构三维图像SD-OCT和PAOM的离线。我们的重建代码写在Matlab和三维可视化实现uing一个免费的（Volview，Kitware）的。 SD-OCT重建算法，可以在文献中找到^，11和在参考文献中可以找到为PAOM重建算法^。6和号^13。如果需要，重复步骤3.7）-3.9）。
10. 实验结束后，关闭SD-OCT探测光的，持有人立即将该动物，并保持温暖，直到它自然唤醒。动物保持在黑暗的环境为眼睛恢复加床小时。整个实验持续时间，包括动物麻醉和图像采集，是一个有经验的运营商不到30分钟。

结果

图2示出的2-D SD-OCT和PAOM白化病大鼠（A和B）和着色大鼠（C和D），分别在同时获得的眼底图像。在SD-OCT的眼底图像（ 图2A和2C），视网膜血管有深色的外观，由于探测光的血红蛋白吸收。 PAOM除了视网膜血管（ 图2B中的RV），可视化的的脉络膜vasculatures（CV在图2B）在白化病眼，因为缺乏RPE黑色素。由于色素的眼睛具有高黑?...

讨论

在这里，我们提出了一个详细的说明同时在体内视网膜大鼠的用眼PAOM结合SD-OCT成像。 ，或许，基于光散射SD-OCT视网膜成像³临床“金标准”，但是，这是不敏感的检测在视网膜上的光吸收。新开发的PAOM是基于光学吸收的唯一的眼科成像方式，提供的光吸收特性的视网膜^6。 ，因为血红蛋白和黑色素是内生性较强的光吸收色素，PAOM使调查的解剖和功能的视网膜RPE /脉络膜血管...