Нова фотоакустична микроскопия и оптична кохерентна томография Двойна модалност Хориоретинално изображение

Обобщение

Този ръкопис описва новата структура и действие на фотоакустична микроскопия и оптична кохерентна томография система с двойна модалност за неинвазивно, без етикет хориоретинално изобразяване на по-големи животни като зайци.

Резюме

Въведение

През последните няколко десетилетия се наблюдава експлозивно развитие в областта на биомедицинските фотоакустични изображения 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7., 8-ми. Въз основа на енергийното преобразуване на светлината в звук, нововъзникващите фотоакустични изображения визуализират биологични образци в мащаби на органели, клетки, тъкани, органи, цели тела на малки животни и могат да разкрият неговата анатомична, функционална, молекулярна, генетична и метаболитна информация 1, 2, 9, 10, 11, 12. Фотоакустичното изобразяване е намерило уникални приложения в редица биомедицински области, клетъчна биология 13, 14, съдова биология 15, 16, неврология 17, 18., Онкология 19, 20, 21, 22, Дерматология 23, Фармакология 24 и Хематология 25, 26. Приложението му в офталмологията, d. H. фотоакустичното очно изображение привлече значителен интерес от учени и клиницисти и в момента се проучва активно.

За тази цел наскоро съобщихме за неинвазивно, без етикети хориоретинално изобразяване при живи зайци, използващо интегрирана фотоакустична микроскопия (PAM) и спектрален домейн OCT (SD-OCT) 38. Системата има отлична производителност и успя да визуализира ретината и хориоидеята на очите на по-големи животни въз основа на ендогенна абсорбция и разсейващ контраст на очната тъкан. Предварителните резултати при зайци показват, че PAM може да неинвазивно диференцира отделни ретинални и хориоидални кръвоносни съдове с доза на лазерна експозиция (

80 nJ) доста под безопасността на Американския национален институт по стандартизация (ANSI) (160 nJ) при 570 nm- 39; и Office Fitting Tool може ясно да разреши различни слоеве на ретината, хориоидеята и склерата. Това е първата демонстрация на изображения на задните сегменти на по-големи животни с PAM и вероятно важна стъпка към клиничен превод, като се има предвид, че размерът на очните ябълки при зайци (18,1 mm) 40 е почти 80% от аксиалната дължина на технологичните хора (23, 9 мм).

В тази дипломна работа предоставяме подробно описание на системата за образна визуализация с двойна модалност и експериментални протоколи, използвани за неинвазивно, без етикети хориоретинално изобразяване при живи зайци, и демонстрираме ефективността на системата чрез представителни резултати от изображения на ретината и хориоидеи.

Необходим е абонамент. Моля, препоръчайте JoVE на вашия библиотекар.

Протокол

Зайците са покрити от вид на Министерството на земеделието на САЩ (USDA). Използването му при биомедицински изследвания трябва да бъде строго регламентирано. Всички експерименти със зайци са извършени съгласно ARVO (Асоциацията за изследвания в областта на зрението и офталмологията) Декларация за използване на животни в офталмологични и зрителни изследвания, след одобрение на протокола от лабораторията за животни от университета. Комитет по използване и грижи за животните в Мичиганския университет (UCUCA) (протокол PRO00006486, PI Yannis Paulus).

  1. След като изследвате очното дъно, използвайте камерата на очното дъно, за да отделите V-гела, ако е свързан. Изплакнете окото с измиване на очите, нанесете офталмологично флурбипрофен и неомицин и полимиксин В сулфати и офталмологичен мехлем дексаметазон и затворете очи.
  2. Прехвърлете заека с одеялото с вода, циркулираща в камерата за възстановяване. Защитете съдържанието на кутията от светлина и изчакайте, докато заекът се събуди естествено. През това време наблюдавайте вътрешностите на животните на всеки 15 минути и пазете отново архива и съоръжението за животни копие за архивиране.
  3. След като заекът се събуди и е активен, нащрек и ходи нормално, ги транспортирайте обратно до съоръжението за животни. Ако се планира остър експеримент, евтаназирайте животното с разтвор за евтаназия (напр. Beuthanasia, 0,22 mL/kg, интравенозно инжектиране в пределната ушна вена) и изхвърлете трупа.
  4. Включете софтуера и лазерите. Почистете оптичната пейка.

Необходим е абонамент. Моля, препоръчайте JoVE на вашия библиотекар.

Представителни резултати

Системата за визуализация с двойна модалност и експерименталният протокол бяха успешно тествани в лабораторията на авторите с четири новозеландски бели зайци. По-долу са показани някои представителни резултати.

илюстрация 1 показва схемата на PAM и SD-OCT двойномодална система за изображения. Състои се от следните модули: фотоакустичен източник на светлина, променлив лазерен атенюатор, лъчев колиматор, измервател на енергия, сканираща глава, фотоакустичен модул за откриване и улавяне, OCT устройство и синхронизираща електроника. Подробните конфигурации на системата са описани в раздел 1.1.

Фигура 2 показва типични резултати от изображенията на хориоидални съдове на заек, придобити с помощта на двойномодалната система за изображения. Фигура 2 а) е снимка на очното дъно, показваща, че хориоидалните съдове са разпределени в по-голямата част от дъното на заека, докато ретиналните съдове са затворени в медуларния лъч. Фигура 2 б) е типично PAM изображение, показващо хориоидеалната васкулатура в рамките на снимката на очното дъно. Хориоидалните съдове са разграничени до висока странична резолюция. Фигура 2 (° С) е OCT B-сканирано изображение, получено, за да ви позволи да погледнете анатомията на очното дъно и потвърждава наличието на хороидалните съдове. Ретината, хороидеята и склерата могат да се визуализират с висока аксиална разделителна способност с хориоидалните съдове под слоя за рисуване на пигментния епител на ретината (RPE).

Фигура 3 показва типични резултати от изображения на заешка ретинална васкулатура, придобити с помощта на система за образна диагностика с двойна модалност. Фигури 3 буква а и Номер 3 буква b 2D MIP и 3D обемно представяне на ретиналните съдове се получават съответно чрез PAM. Фигура 3 (° С) показва ортогонални срезове на 3D изображението. Резултатите показват, че PAM може също да визуализира отделни съдове на ретината, които се намират над нивото на RPE, и да потвърди, че ретиналните съдове и хориоидалните съдове са на различни дълбочини. Фигура 3 (д) показва съответно OCT B изображение, показва напречни сечения на отделните съдове на ретината и слоя на нервните влакна (NFL).

фотоакустична

илюстрация 1. Схема на интегрираната фотоакустична микроскопия и оптична кохерентна томография с двойна модалност на образната система. OPO: Оптичен параметричен осцилатор; BS: сплитер за лъчи; PD: фотодиод; М: огледало; DM: дихроични огледала; SL: обект на сканиране; OL: офталмологична леща; SMF: едномодово влакно; DCG: стъкло за компенсация на дисперсията; CCD: зарядно - свързано. Моля, кликнете тук за по-голяма версия на тази фигура.

нова

Фигура 2. Двойно модално изобразяване на PAM и OCT на кръвоносните съдове на хориоидеята в заека. (а) Снимката на фундуса показва, че целият фундикален хориоидален съд (CV) е разпръснат, докато ретиналните съдове (RV) са затворени в медуларния лъч, тъй като зайците са мерангиотични животни. (b) PAM C изображение на автобиографии, показващо, че PAM може да ограничи CV до висока странична разделителна способност. (c) OCT B-изображение показва анатомичната структура на дъното на заека и аксиалното положение на хороидалните съдове. GCL: ганглиозен клетъчен слой; INL: вътрешен ядрен слой; IPL: вътрешен плексиформен слой; ONL: ядрен външен слой; OPL: външен плексиформен слой; OLM: външна ограничаваща мембрана; EZ: Елипсоидна зона; MZ: миоидна зона; ОС: външен сегмент; BM, мембрана на Bruch; IZ: интердигитационна зона 38. Моля, кликнете тук за по-голяма версия на тази фигура.

фотоакустична

Фигура 3. Двойно модално изобразяване на PAM и OCT на ретиналните съдове при зайци. (а) PAM C изображение на RV и CV. (б) 3D обемно изобразяване на PAM изображението. (c) 2D ортогонални срезове на PAM изображението показват RV и CV на различни дълбочини. (d) OCT B изображение, показващо RV, NFL и склера 38. Моля, кликнете тук за по-голяма версия на тази фигура.

Необходим е абонамент. Моля, препоръчайте JoVE на вашия библиотекар.

Дискусия

Един непокътнат и редовен сълзотворен филм е от съществено значение за висококачествените изображения на фундуса. Нередовните и влошени разкъсващи се филми могат значително да повлияят на качеството на изображението 42. За да се избегне целостта на слъзния филм и повърхностната точковидна кератопатия на роговицата, е важно да се смазва роговицата с измиване на очите много често, приблизително на всеки две минути. Ако има някакви притеснения относно непрозрачността на окото, използвайте цепка лампа и флуоресцеинови ленти, за да проверите състоянието на роговицата.

Няколко трудности могат да съществуват при изобразяване на задни сегменти на очите на по-големи животни, включително затихване на фотоакустичния сигнал с разстояние, особено за високочестотни компоненти, дехидратация на роговицата и оптични аберации. Амплитудата на фотоакустичния сигнал обикновено изпитва значително затихване, преди да бъде открита от игленовидния ултразвуков преобразувател. Колкото по-голяма е очната ябълка, толкова по-голямо е затихването. Размерът на очната ябълка на заека (

18,1 mm) е около три пъти по-голяма от тази на плъховете и шест пъти по-голяма от тази на мишките, което прави заснемането на заешко око особено трудно. За разумно качество на изображението се предпочита лазерен лъч с малък диаметър (2 mm след колиматорния лъч в това проучване) и колимиран фронт на вълната (в идеалния случай плосък фронт на вълната), тъй като той ще бъде минимално засегнат от присъщите оптични отклонения на роговицата и може да повлияе на ретината бъдете фокусирани. Този момент е от решаващо значение по отношение на намаляването на дозата на лазерно излагане и подобряването на разделителната способност на изображението. В допълнение, ултразвуков преобразувател с централна честота 27 MHz, а не с по-висока централна честота въз основа на експериментални резултати показва, че това е максималният ултразвуков сигнал на това разстояние.

Необходим е абонамент. Моля, препоръчайте JoVE на вашия библиотекар.

Разкриване

Авторите не са разкрили нищо.

Благодарности

Тази работа беше подкрепена от щедрата подкрепа на Националния очен институт 4K12EY022299 (YMP), Международната фондация за изследване на ретината „Борба за зрение“ FFS GIA16002 (YMP), пълната подкрепа на отделите от изследвания за превенция на слепотата и Университета в Мичиган, катедра по офталмология и визуални науки. Тази работа използва Core Center за визията на изследването P30 EY007003, финансирано от Националния очен институт.