Комплексная Фотоакустический Офтальмоскопия и спектрально-домен Оптическая когерентная томография

Резюме

Фотоакустический офтальмологии (PAOM), оптического поглощения на основе изображений модальности, обеспечивает дополнительную оценку сетчатки в настоящее время технологии офтальмологических изображений. Мы сообщаем об использовании PAOM интегрирована с спектральной области оптической когерентной томографии (SD-OCT) для одновременного мультимодального изображения сетчатки у крыс.

Аннотация

Как клинический диагноз и фундаментальные исследования основных заболеваний глазного извлечь большую пользу из различных неинвазивных технологий офтальмологических изображений. Существующие методы визуализации сетчатки, таких как фотографии глазного дна ^1, конфокальной лазерной офтальмоскопии сканирования (cSLO) ² и оптической когерентной томографии (ОКТ) ^3, имеют значительный вклад в мониторинг заболевания приступы и прогрессии, и разработки новых терапевтических стратегий. Тем не менее, они в основном полагаются на задней отраженных фотонов от сетчатки. Как следствие, оптические свойства поглощения сетчатки, которая, как правило, тесно связаны с сетчатки статус патофизиологии, недоступные в традиционных технологий обработки изображений.

Фотоакустический офтальмоскопия (ПАОМ) является новым сетчатки метода визуализации, что позволяет обнаружить оптические контрасты поглощения в глаза с высокой чувствительностью ^4-7. В PAOM нанимпульсов лазерного osecond доставляются через зрачок и сканировать по заднему глаза, чтобы вызвать фотоакустических (PA) сигналы, которые обнаруживаются сфокусировано ультразвуковой датчик крепится к веку. Из-за сильного оптического поглощения гемоглобина и меланина, PAOM способны неинвазивно изображения сетчатки и сосудистой оболочки vasculatures и пигментного эпителия сетчатки (ПЭС) меланина при высоких контрастах ^6,7. Что еще более важно, основанные на хорошо развитую спектроскопических изображений фотоакустических ^5,8, PAOM имеет потенциал, чтобы отобразить насыщения гемоглобина кислородом в сосуды сетчатки, которая может иметь решающее значение в изучении физиологии и патологии несколько ослепительно заболеваний ⁹ таких как диабетическая ретинопатия и неоваскулярной возрастной макулярной дегенерации.

Кроме того, являясь единственным существующим оптического поглощения на основе метода визуализации офтальмологические, PAOM может быть интегрирована с хорошо известными клинических офтальмологических изображений тэchniques для достижения более полной анатомической и функциональной оценки глазу на основе нескольких оптических контрастов ^6,10. В этой работе, мы интегрируем PAOM и спектрально-домен октября (SD-OCT) для одновременного в естественных условиях изображения сетчатки крысы, где и оптического поглощения и рассеяния свойства сетчатки выявлено. Конфигурации системы, системы выравнивания изображений и приобретение представлены.

протокол

1. Конфигурация системы

1. Подсистема PAOM
   1. Освещение источник: Nd: YAG-лазер (SPOT-10-100, Elforlight Ltd, UK: 20 мкДж / импульс, 2 нс длительность импульса; 30 кГц максимальная частота повторения импульсов).
   2. Мощность лазера на длине волны 1064 нм с удвоенной частотой до 532 нм бета-бората бария (ВВО) кристалл (CasTech, San Jose, CA). После дальнейшего раскола в зеркале лазерной линии, 532 нм свет поступает через одномодового оптического волокна (P1-460A-FC-5, Thorlabs) и 1064 нм лазер, записанные на фотодиод (DET10A, Thorlabs), который вызывает PA сигнал приобретения.
   3. Лазерный луч выходит из одномодового оптического волокна подается на сетчатку с помощью гальванометра (GM, QS-7, Nutfield Technology) и телескоп конфигурации (f1 = 75 мм и f2 = 14 мм, Эдмунд оптики) ^6.
   4. Сфокусировано датчик иглы (40-МГц центральная частота, 16-МГц, 0,4 × 0,4 мм ² размер активного элемента, NIH ресурсов Centeг для ультразвуковой технологии преобразователя, Университет Южной Калифорнии) находится в контакте с веко, чтобы обнаружить PA сигналы от сетчатки. Ультразвуковой гель (Sonotech) применяется между наконечником датчика и животных века для хорошего акустического контакта.
   5. Сигнал PA усиливается двумя усилителями (ZFL-500LN +, Mini-Circuits, и 5073PR, Olympus) и оцифровывается платы сбора данных (CS14200, Гейдж прикладной).
2. SD-OCT Subsystem
   1. Температура источника света согласованности: широкополосный супер-люминесцентными диод (IPSDD0804, InPhenix; центр длине волны: 840 нм; 6-дБ полоса пропускания: 50 нм), которая определяет осевое разрешение 6 мкм.
   2. Ближнего инфракрасного света разделяется ссылаться на руку и образцы руку от 50 × 50 настроенной одномодовый волоконный ответвитель (OZ Optics).
   3. После объединения с легкой PAOM освещающей по горячим зеркало (FM02, Thorlabs), октябрь образца руку разделяет те же проверки и доставки оптики Wiго PAOM ^6.
   4. Самодельный спектрометр используется для записи SD-OCT сигналы помех, где линия сканирования CCD камера (Aviiva SM2, e2v) позволяет линии ставке 24 кГц. Дизайн типичных спектрометры могут быть найдены из нескольких ранее опубликованной литературы ¹¹ и волоконно-связанных SD-OCT-спектрометров в настоящее время коммерчески доступны. SD-OCT чувствительности измеряется быть лучше, чем 90 дБ.
3. Сканирование схеме
   1. Быстро 2-D растровые сканирования гальванометра контролируется аналоге выхода платы (PCI-6731, National Instruments), который также вызывает как стрельба PAOM лазерных и сигнал приобретение октября спектрометра. В результате данных приобретений в PAOM и октябре подсистем синхронизированы.
   2. Приобретение PAOM данных вызвана фотодиод записи PAOM лазерных последовательности (см. 1.1.2).
   3. 3-D объемных изображений или 2-D изображение глазного дна строятся из 256 B-сканов (256-линий на BСканирование изображения).

2. Система выравнивания

1. Максимально удвоения частоты эффективность кристалла ВВО и связи эффективности одномодового оптического волокна. Носите защитные очки LG3 (Thorlabs) для защиты глаз персонала при оптимизации свет освещает PAOM.
2. Наведитесь волоконного лазера выход PAOM до 2,0 мм в диаметре.
3. Совместите комбинированные фары освещения PAOM и SD-OCT быть коаксиальными.
4. Установить PAOM возбуждении светом при ~ 40 NJ / пульс и SD-OCT зондирующего света на ~ 0,8 мВт, оба из которых, как сообщается, безопасен для глаз ^6,12.

3. В естественных условиях Мультимодальные изображения сетчатки

1. Передача крысы прозрачной коробке полипропилена и обезболивать животных смесью изофлурана (Phoenix фармацевтической, Inc) и нормальным воздухом в концентрации 1,5% и расходе 2,0 л / мин в течение 10 мин.
2. Сдерживать наркозом крыса в homemaде-держатель с пяти осям регулируемые свободы (рис. 1), и держать температуру тела при температуре ~ 37 ° C на грелку (Repti Therm, Увеличенный Laboratories, Inc). Поддержание анестезии при вдыхании газа смешанной изофлурана и обычный воздух с концентрацией 1,0% и 1,5 л / мин скорость потока в течение всего эксперимента.
3. Вырезать ресниц помощью хирургических ножниц, расширяются зрачки с 1% офтальмологического раствора Тропикамид, и парализовать мышцы радужной оболочки сфинктера с использованием 0,5% Тетракаин офтальмологического раствора гидрохлорида. Применение капель искусственной слезы (Systane, Alcon Laboratories, Inc) для крыс глаза каждую минуту, чтобы предотвратить обезвоживание роговицы и катаракты. Следите за скоростью животных сердца, дыхание и насыщение крови кислородом с помощью пульсоксиметра (8600 V, Nonin медицинская, MN) во время съемки.
4. Включите SD-OCT свет, освещающий и проверить зондирующего света, чтобы быть ~ 0,8 мВт.
5. Активировать гальванометра сканирования. Совместите SD-OCT облучения светом доставкойна сетчатке крыс и определить сетчатки области интереса (ROI) путем корректировки пять оси животного владельцу. Здесь, диск зрительного нерва намеренно помещают в центр поля зрения, в то время как рентабельность должна быть выбрана на основе различных требований исследований.
6. Дальнейшие настройки животное держатель для оптимизации SD-OCT изображений качеств сетчатки сечения в обоих направлениях сканирования (путем переключения направления растрового сканирования) пока лучший оптический фокус будет достигнута.
7. Подготовка иглы преобразователя на пять оси регулируемые платформы, нанесите каплю ультразвукового геля на кончике датчик и аккуратно обращаться преобразователя наконечник для животных века.
8. Установить PAOM лазер с внешним триггером режиме, запустить сканирование гальванометр, и активировать отображение в реальном времени из PAOM поперечного сечения образ животного сетчатки. Тщательно отрегулируйте датчик ориентации, пока изображение не PAOM имеет лучшее отношение сигнал-шум (SNR) и, в то же время, показывает, равномерное расстояниеributed модели PA амплитуды в обоих направлениях сканирования.
9. Установите параметры сканирования, а также проводить одновременно сетчатке изображений SD-OCT и PAOM. Реконструкция трехмерного изображения SD-OCT и PAOM офф-лайн. Наши коды реконструкции были написаны в Matlab и трехмерной визуализации была достигнута uing бесплатный (Volview, Kitware). Алгоритм для SD-OCT реконструкции можно найти в работе. ¹¹ и алгоритма реконструкции PAOM можно найти в работе. ⁶ и Ref. ^13. Если необходимо, повторите процедуры 3,7) -3,9).
10. После эксперимента, отключить SD-OCT зондирующего света, удалить животное из держателя сразу, и он оставался в тепле, пока она проснется естественным образом. Держать животных в темном помещении в течение дополнительного часа для глаз, чтобы восстановиться. Весь экспериментальный продолжительности, в том числе анестезии животных и визуализации приобретения, составляет менее 30 мин для опытного оператора.

Результаты

На рисунке 2 показан 2-D изображение глазного дна SD-OCT и PAOM приобрела одновременно в белых крыс (А и В) и пигментированные крысы (C и D), соответственно. В SD-OCT изображение глазного дна (рис. 2А и 2В), сосуды сетчатки имеют темно появление связано с гемоглобин?...

Обсуждение

Здесь мы приводим подробную инструкцию по одновременной в естественных условиях изображения сетчатки глаза крысы использованием PAOM в сочетании с SD-октябре Оптический рассеяние на основе SD-OCT является, пожалуй, клинические «золотой стандарт» для изображения сетчатки ^3, одна...