הדמיה Chorioretinal כפול-מודאליות מיקרוסקופ Photoacoustic הרומן ו טומוגרפיה אופטית קוהרנטית בעיניים הארנב חי
Summary
כתב יד זה מתאר את הרומן ההתקנה והפעלת הליך של מיקרוסקופ photoacoustic וכן מערכת כפולה-מודאליות טומוגרפיה אופטית קוהרנטית עבור הדמיה לא פולשנית, ללא תווית chorioretinal בעלי חיים גדולים יותר, כמו ארנבים.
Abstract
הדמיה עינית Photoacoustic הוא המתעוררים אופטלמולוגיות הדמיה טכנולוגיה יכולה לדמיין noninvasively רקמות עינית על-ידי המרת אנרגיית האור גלי קול נמצא כעת תחת חקירה אינטנסיבית. עם זאת, רוב דיווח מתמקדות עבודות לצאת ההדמיה של המקטע האחורי של העיניים של חיות קטנות, כגון חולדות ועכברים, אשר מציב אתגרים עבור תרגום אנושי קליניים עקב גלגל העין קטן מידות. כתב יד זה מתאר של photoacoustic הרומן מיקרוסקופ (פאם) ומערכת אופטית קוהרנטית טומוגרפיה (אוקטובר) כפול-מודאליות עבור המקטע האחורי הדמיה של העיניים של בעלי חיים גדולים, כגון ארנבות. תצורת המערכת, מערכת יישור, הכנת בעלי חיים, והפרוטוקולים כפול-מודאליות ניסיוני עבור vivo ב, לא פולשנית, ללא תווית chorioretinal הדמיה בארנבים מפורטים. יעילותה של השיטה הוא הפגין דרך נציג תוצאות ניסויית, כולל להערכת ברשתית, חיבור שהושג על ידי פאם OCT. כתב יד זה מספק מדריך מעשי כדי לשחזר את תוצאות הדמיה בארנבים וקידום הדמיה עינית photoacoustic בבעלי חיים גדולים יותר.
Introduction
העשורים האחרונים עדים פיתוח נפץ של השדה של ביו photoacoustic הדמיה1,2,3,4,5,6,7 ,8. בהתבסס על המרה האנרגיה של האור לצליל, ההדמיה photoacoustic המתעוררים יכולה לדמיין דגימות ביולוגיות-סולמות מן organelles, תאים, רקמות, איברים לגוף כל חיית-קטן, יכול לחשוף שלה אנטומי פונקציונלי, מולקולרית, גנטית, מידע מטבולית1,2,9,10,11,12. הדמיה Photoacoustic מצא יישומים ייחודי במגוון של השדות הביו-רפואית, כגון תאים בביולוגיה13,14,15,לביולוגיה16, נוירולוגיה17,18 , אונקולוגיה19,20,21,22, דרמטולוגיה23, פרמקולוגיה24ו-25,המטולוגיה26. היישום שלה עיניים, כלומר, photoacoustic עינית הדמיה, משכה האינטרסים ניכר של מדענים והן קלינאים, נמצא כעת בשלבי חקירה פעילה.
בניגוד ל שימוש שגרתי עינית הדמיה טכנולוגיות27, כגון fluorescein מסתמים (FA) ו indocyanine ירוק מסתמים (ICGA) (מבוסס על קרינה פלואורסצנטית חדות), טומוגרפיה אופטית קוהרנטית (אוקטובר) (מבוסס על פיזור אופטי ניגודיות) , ו שלה נגזרות OCT מסתמים (מבוסס על תנועה החדות של כדוריות דם אדומות), את העינים photoacoustic הדמיה הקליטה אופטי שימושים כמו מנגנון הניגודיות. זה שונה קונבנציונאלי עינית טכנולוגיות הדמיה, ומספק כלי ייחודי לימוד מאפייני הקליטה האופטי של העין, אשר קשורות לרוב עם המצב pathophysiological של רקמות עינית28. עד כה, משמעותי עבודה מעולה נעשה תוך עינית הדמיה29,30,31,32,33,34,35, photoacoustic 36,37, אך מחקרים אלה להתמקד על החלק האחורי של העיניים של חיות קטנות, כגון חולדות ועכברים. המחקרים חלוצית טוב להפגין את הכדאיות של הדמיה photoacoustic עיניים, אבל יש עדיין דרך ארוכה ללכת לכיוון תרגום קליני של הטכנולוגיה מאז גלגל העין בגדלים של חולדות ועכברים הם הרבה יותר קטן (פחות משליש) מזה של בני אדם. עקב התפשטות גלי אולטרסאונד במרחקים באופן משמעותי יותר, עוצמת אות ואיכות תמונה עלולים לסבול באופן משמעותי כאשר הטכניקה משמשת הדמיה המקטע האחורי של עיניים גדולות יותר.
לעבר המטרה הזו, לאחרונה דיווחנו על לא פולשנית, ללא תווית chorioretinal הדמיה חיה בארנבים באמצעות משולב photoacoustic מיקרוסקופ (פאם) ו בתחום ספקטרלי OCT (SD-אוקטובר)38. המערכת כולל ביצועים מעולים, יכלו לחזות את הרשתית ואת דמית העין של העיניים של חיות גדולות בהתבסס על הקליטה אנדוגני והחדות פיזור של רקמות עינית. תוצאות ראשוניות בארנבים להראות פאם noninvasively יכול היה להבחין בודדים כלי הדם ברשתית, חיבור באמצעות מנה חשיפה לייזר (~ 80 nJ) באופן משמעותי מתחת לגבול הבטיחות האמריקאי הלאומי תקני מכון (ANSI) (160 nJ)-570 nm39; ולפתור OCT יכול בבירור שכבות הרשתית דמית העין, את sclera. ההפגנה הראשונה של המקטע האחורי הדמיה של חיות גדולות באמצעות פאם, עשוי להיות צעד חשוב לקראת תרגום קליני של הטכנולוגיה בהתחשב בעובדה בגודל גלגל העין של ארנבים (18.1 מ מ)40 היא כמעט 80% של אורך צירית בני אדם (23.9 מ מ).
בעבודה זו, אנו לספק תיאור מפורט של מערכת הדמיה כפולה-מודאליות ופרוטוקולים ניסיוני המשמש הדמיה לא פולשנית, ללא תווית chorioretinal חי בארנבים, להדגים את ביצועי המערכת באמצעות נציג רשתית ו חיבור תוצאות הדמיה.
Protocol
Representative Results
Discussion
סרט שלם ורגיל מדמיע חיוני באיכות גבוהה הפונדוס בתמונות. סרטים דמעה בלתי סדיר ובלתי הורע לקיבולת באופן משמעותי באיכות התמונה42. כדי לשמור על השלמות של הסרט מדמיע ולמנוע הקרנית keratopathy punctate שטחית, חיוני כדי לשמן את הקרנית באמצעות eyewash לעיתים קרובות מאוד, כ כל שתי דקות. אם כל חששות ל…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי לתמיכתה הנדיבה של 4K12EY022299 עין לאומי (YMP), הקרב על הראייה-בינלאומי רשתית מחקר קרן FFS GIA16002 (YMP), תמיכה בלתי מוגבלת בחוג ממחקרים כדי למנוע עיוורון, ו מחלקת עיניים באוניברסיטת מישיגן ומדעי חזותי. עבודה זו מנוצל במרכז הליבה למחקר חזון במימון P30 EY007003 מן העין המכון הלאומי.
Materials
| 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 |
References
- Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic tomography: in vivo imaging from organelles to organs. Science. 335 (6075), 1458-1462 (2012).
- Beard, P. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus. , (2011).
- Taruttis, A., Ntziachristos, V. Advances in real-time multispectral optoacoustic imaging and its applications. Nat Photonics. 9 (4), 219-227 (2015).
- 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).
- Tian, C., et al. Dual-pulse nonlinear photoacoustic technique: a practical investigation. Biomed Opt Express. 6 (8), 2923-2933 (2015).
- Tian, C., et al. Non-Contact Photoacoustic Imaging Using a Commercial Heterodyne Interferometer. IEEE Sens J. 16 (23), 8381-8388 (2016).
- Kim, K. H., et al. Air-coupled ultrasound detection using capillary-based optical ring resonators. Sci Rep. 7, 1 (2017).
- Feng, T., et al. Bone assessment via thermal photo-acoustic measurements. Opt Lett. 40 (8), 1721-1724 (2015).
- 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).
- 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).
- Galanzha, E. I., et al. In vivo magnetic enrichment and multiplex photoacoustic detection of circulating tumour cells. Nat Nanotechnol. 4 (12), 855-860 (2009).
- Xiang, L., Wang, B., Ji, L., Jiang, H. 4-D photoacoustic tomography. Sci Rep. 3, (2013).
- Tian, C., et al. Plasmonic nanoparticles with quantitatively controlled bioconjugation for photoacoustic imaging of live cancer cells. Adv Sci. 3 (12), (2016).
- 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).
- 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).
- Hu, S., Maslov, K., Wang, L. V. Three-dimensional Optical-resolution Photoacoustic Microscopy. J Vis Exp. (51), e2729 (2011).
- Yao, J., et al. High-speed label-free functional photoacoustic microscopy of mouse brain in action. Nat Methods. 12 (5), 407-410 (2015).
- 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).
- Agarwal, A., et al. Targeted gold nanorod contrast agent for prostate cancer detection by photoacoustic imaging. J Appl Phys. 102 (6), 064701 (2007).
- 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).
- Ermilov, S. A., et al. Laser optoacoustic imaging system for detection of breast cancer. J Biomed Opt. 14 (2), 024007 (2009).
- Mallidi, S., Luke, G. P., Emelianov, S. Photoacoustic imaging in cancer detection, diagnosis, and treatment guidance. Trends Biotechnol. 29 (5), 213-221 (2011).
- 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).
- Keswani, R. K., et al. Repositioning Clofazimine as a Macrophage-Targeting Photoacoustic Contrast Agent. Sci Rep. 6, 23528 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Keane, P., Sadda, S. Imaging chorioretinal vascular disease. Eye. 24 (3), 422-427 (2010).
- Jiao, S., et al. Photoacoustic ophthalmoscopy for in vivo retinal imaging. Opt Express. 18 (4), 3967-3972 (2010).
- Liu, T., et al. Near-infrared light photoacoustic ophthalmoscopy. Biomed Opt Express. 3 (4), 792-799 (2012).
- 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).
- Liu, W., Zhang, H. F. Photoacoustic imaging of the eye: a mini review. Photoacoustics. 4 (3), 112-123 (2016).
- de La Zerda, A., et al. Photoacoustic ocular imaging. Opt Lett. 35 (3), 270-272 (2010).
- Hu, S., Rao, B., Maslov, K., Wang, L. V. Label-free photoacoustic ophthalmic angiography. Opt Lett. 35 (1), 1-3 (2010).
- Silverman, R. H., et al. High-resolution photoacoustic imaging of ocular tissues. Ultrasound Med Biol. 36 (5), 733-742 (2010).
- Wu, N., Ye, S., Ren, Q., Li, C. High-resolution dual-modality photoacoustic ocular imaging. Opt Lett. 39 (8), 2451-2454 (2014).
- 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).
- 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).
- Laser Institute of America. American National Standard for Safe Use of Lasers ANSI Z136.1 – 2007. American National Standards Institute, Inc. , (2007).
- Hughes, A. A schematic eye for the rabbit. Vision Res. 12 (1), 123 (1972).
- Ma, T., et al. Systematic study of high-frequency ultrasonic transducer design for laser-scanning photoacoustic ophthalmoscopy. J Biomed Opt. 19 (1), 016015 (2014).
- Song, W., Wei, Q., Jiao, S., Zhang, H. F. Integrated photoacoustic ophthalmoscopy and spectral-domain optical coherence tomography. J Vis Exp. (71), (2013).
- Mattison, S., Kim, W., Park, J., Applegate, B. Molecular Imaging in Optical Coherence Tomography. Curr Mol Imaging. 3 (2), 88-105 (2014).
