Microscopie fotoacustică nouă și tomografie de coerență optică Imagerie corioretinală dual-modalitate

rezumat

Acest manuscris descrie noua structură și funcționarea unei microscopii fotoacustice și a unui sistem dual-modal cu tomografie cu coerență optică pentru imagistica corioretiniană neinvazivă, fără markeri, a animalelor mai mari, cum ar fi iepurii.

Abstract

Introducere

Ultimele decenii au cunoscut dezvoltarea explozivă în domeniul imagisticii fotoacustice biomedicale 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7., A 8-a. Bazat pe conversia energiei luminii în sunet, imaginea fotoacustică emergentă vizualizează specimene biologice la scări de organite, celule, țesuturi, organe, corpuri întregi de animale mici și poate dezvălui informațiile sale anatomice, funcționale, moleculare, genetice și metabolice 1, 2, 9, 10, 11, 12. Imaginea fotoacustică a găsit utilizări unice în mai multe domenii biomedicale, biologie celulară 13, 14, biologie vasculară 15, 16, neurologie 17, 18., Oncologie 19, 20, 21, 22, Dermatologie 23, Farmacologie 24 și Hematologie 25, 26. Aplicarea sa în oftalmologie, d. H. imagistica oculară fotoacustică a atras un interes semnificativ din partea oamenilor de știință și a clinicienilor și este în prezent în curs de studiu activ.

În acest scop, am raportat recent imagistica corioretinală neinvazivă, fără etichete, la iepuri vii, utilizând microscopie fotoacustică integrată (PAM) și domeniu spectral OCT (SD-OCT) 38. Sistemul are o performanță excelentă și a fost capabil să vizualizeze retina și coroida ochilor animalelor mai mari pe baza absorbției endogene și a contrastului de împrăștiere a țesutului ocular. Rezultatele preliminare la iepuri arată că PAM ar putea distinge neinvaziv vasele de sânge retiniene și coroidiene individuale cu o doză de expunere la laser (

80 nJ) mult sub siguranța Institutului Național de Standardizare American (ANSI) (160 nJ) la 570 nm- 39; iar instrumentul de montare a biroului ar putea rezolva în mod clar diferite straturi ale retinei, coroidei și sclerei. Este prima demonstrație de imagistică pe segmentul posterior al animalelor mai mari cu PAM și, probabil, un pas important către traducerea clinică, având în vedere că dimensiunea globului ocular al iepurilor (18,1 mm) 40 reprezintă aproape 80% din lungimea axială a oamenilor cu tehnologie (23, 9 mm).

În această teză, oferim o descriere detaliată a sistemului de imagistică dual-modalitate și a protocoalelor experimentale utilizate pentru imagistica corioretinală neinvazivă, fără etichete la iepuri vii, și demonstrăm performanța sistemului prin rezultate reprezentative ale imaginii retiniene și coroidiene.

Abonament necesar. Vă rugăm să recomandați JoVE bibliotecarului dvs.

Protocol

Iepurii sunt acoperiți de o specie a Departamentului Agriculturii al Statelor Unite (USDA). Utilizarea sa în cercetarea biomedicală trebuie să fie strict reglementată. Toate experimentele de iepure au fost efectuate în conformitate cu declarația ARVO (Asociația pentru Cercetare în Viziune și Oftalmologie) Declarație pentru utilizarea animalelor în cercetarea oftalmică și vizuală, după aprobarea protocolului de laborator pentru animale de către universitate. Comitetul pentru Utilizarea și Îngrijirea Animalelor al Universității Michigan (UCUCA) (Protocol PRO00006486, PI Yannis Paulus).

  1. După examinarea fundusului, utilizați camera fundus pentru a separa V-Gel, dacă este conectat. Clătiți ochiul cu spălare de ochi, aplicați flurbiprofen oftalmic și neomicină și sulfati de polimixină B și unguent oftalmic dexametazonă și închideți ochii.
  2. Transferați iepurele cu pătura de apă care circulă într-o cameră de recuperare. Protejați conținutul cutiei de lumină și așteptați până când iepurele se trezește natural. În acest timp, monitorizați viscerele animalelor la fiecare 15 minute și păstrați din nou evidența și instalația pentru animale o copie pentru arhivare.
  3. Odată ce iepurele se trezește și este activ, alert și mergând normal, transportați-l înapoi la unitatea pentru animale. Dacă este planificat un experiment acut, eutanasiați animalul cu soluție de eutanasie (de exemplu, Beuthanasia, 0,22 ml/kg, injecție intravenoasă în vena urechii marginale) și aruncați carcasa.
  4. Porniți software-ul și laserele. Curățați banca optică.

Abonament necesar. Vă rugăm să recomandați JoVE bibliotecarului dvs.

Rezultate reprezentative

Sistemul de imagistică dual-modalitate și protocolul experimental au fost testate cu succes în laboratorul autorilor cu patru iepuri albi din Noua Zeelandă. Următoarele arată câteva rezultate reprezentative.

ilustrația 1 prezintă schema sistemului de imagistică dual-modalitate PAM și SD-OCT. Se compune din următoarele module: sursă de lumină fotoacustică, atenuator laser variabil, colimator de fascicul, contor de energie, cap de scanare, modul de detecție și achiziție fotoacustică, dispozitiv OCT și electronică de sincronizare. Configurațiile detaliate ale sistemului sunt detaliate în secțiunea 1.1.

Figura 2 prezintă rezultatele tipice imagistice ale vaselor coroidale de iepure dobândite utilizând sistemul de imagistică dual-modalitate. Figura 2 (A) este o fotografie de fund care arată că vasele coroidale sunt distribuite pe majoritatea fundului de iepure, în timp ce vasele retiniene sunt limitate în raza medulară. Figura 2 (b) este o imagine tipică PAM care prezintă vasculatura coroidă în fotografia fundului. Vasele coroidale au fost delimitate la rezoluție laterală ridicată. Figura 2 (c) este o imagine de scanare B OCT dobândită pentru a vă permite să priviți anatomia fundului și confirmă prezența vaselor coroidale. Retina, coroida și sclera ar putea fi vizualizate cu o rezoluție axială ridicată, cu vasele coroidale sub stratul de vopsire epiteliu pigmentar retinian (RPE).

Figura 3 prezintă rezultatele tipice de imagistică ale vasculaturii retiniene de iepure dobândite utilizând sistemul de imagistică cu modalitate duală. Figurile 3 litera a și Numărul 3 litera b Reprezentarea volumetrică 2D MIP și 3D a vaselor retiniene sunt obținute prin PAM, respectiv. Figura 3 (c) afișează felii ortogonale imaginea 3D. Rezultatele arată că PAM ar putea vizualiza, de asemenea, vasele retiniene individuale care se află deasupra nivelului RPE și ar confirma că vasele retiniene și vasele coroidale sunt la adâncimi diferite. Figura 3 (d) prezintă o imagine OCT B corespunzătoare, prezintă secțiuni transversale ale vaselor retiniene individuale și ale stratului de fibre nervoase (NFL).

fotoacustică

ilustrația 1. Schema sistemului de imagistică integrată cu microscopie fotoacustică și tomografie cu coerență optică cu dublă modalitate. OPO: Oscilator parametric optic; BS: separator de fascicul; PD: fotodiodă; M: oglindă; DM: oglinzi dicroice; SL: obiectiv de scanare; OL: lentilă oftalmică; SMF: fibra monomod; DCG: sticlă de compensare a dispersiei; CCD: încărcător - cuplat. Faceți clic aici pentru o versiune mai mare a acestei figuri.

nouă

Figura 2. Imagistica dual-mod PAM și OCT a vaselor de sânge coroidale la iepure. (a) Fotografia Fundus arată că întregul vas coroidic fundic (CV) este împrăștiat, în timp ce vasele retiniene (RV) sunt limitate în raza medulară, deoarece iepurii sunt animale merangiotice. (b) Imaginea PAM C a CV-urilor care arată că PAM poate delimita CV-urile la rezoluție laterală ridicată. (c) Imaginea B OCT arată structura anatomică a fundului de iepure și poziția axială a vaselor coroidale. GCL: strat de celule ganglionare; INL: strat interior nuclear; IPL: strat interior plexiform; ONL: strat exterior nuclear; OPL: strat plexiform exterior; OLM: membrana limitativă exterioară; EZ: Zona elipsoidă; MZ: zona mioidă; OS: segment exterior; BM, membrana lui Bruch; IZ: zona de interdigitare 38. Faceți clic aici pentru o versiune mai mare a acestei figuri.

nouă

Figura 3. Imagistica cu dublă modalitate PAM și OCT a vaselor retiniene la iepuri. (a) Imagine PAM C a RV-urilor și CV-urilor. (b) Redare volumetrică 3D a imaginii PAM. (c) Feliile ortogonale 2D ale imaginii PAM prezintă RV-uri și CV-uri la diferite adâncimi. (d) Imagine OCT B care prezintă RV-uri, NFL și sclera 38. Faceți clic aici pentru o versiune mai mare a acestei figuri.

Abonament necesar. Vă rugăm să recomandați JoVE bibliotecarului dvs.

Discuţie

Un film lacrimal intact și regulat este esențial pentru imagini de fundus de înaltă calitate. Filmele de rupere neregulate și deteriorate pot afecta în mod semnificativ calitatea imaginii 42. Pentru a evita integritatea filmului lacrimal și a cheratopatiei punctate superficiale a corneei, este important să lubrifiați corneea cu spălarea ochilor foarte frecvent, aproximativ la fiecare două minute. Dacă există vreo îngrijorare cu privire la opacitatea ochiului, utilizați o lampă cu fantă și benzi de fluoresceină pentru a verifica starea corneei.

Pot exista mai multe dificultăți pentru imagistica segmentului posterior al ochilor animalelor mai mari, incluzând atenuarea semnalului fotoacustic cu distanță, în special pentru componentele de înaltă frecvență, deshidratarea corneei și aberații optice. Amplitudinea semnalului fotoacustic are de obicei o atenuare considerabilă înainte de a fi detectată de traductorul cu ultrasunete în formă de ac. Cu cât globul ocular este mai mare, cu atât este mai mare atenuarea. Mărimea globului ocular al iepurelui (

18,1 mm) este de aproximativ trei ori mai mare decât cea a șobolanilor și de șase ori mai mare decât cea a șoarecilor, ceea ce face ca imaginea ochiului de iepure să fie deosebit de dificilă. Pentru o calitate rezonabilă a imaginii, este preferat un fascicul laser cu diametru mic (2 mm după fasciculul colimator din acest studiu) și un front de undă colimat (în mod ideal front de undă plan), deoarece vor fi afectate minim de aberații optice intrinseci ale corneei și pot afecta retina. fii atent. Acest punct este crucial în ceea ce privește reducerea dozei de expunere la laser și îmbunătățirea rezoluției imaginii. În plus, un traductor cu ultrasunete cu o frecvență centrală de 27 MHz mai degrabă decât o frecvență centrală mai mare pe baza rezultatelor experimentale indică faptul că acesta este semnalul ultrasonic maxim la această distanță.

Abonament necesar. Vă rugăm să recomandați JoVE bibliotecarului dvs.

Dezvăluiri

Autorii nu au dezvăluit nimic.

Mulțumiri

Această lucrare a fost susținută de sprijinul generos al National Eye Institute 4K12EY022299 (YMP), Fight for Sight-International Retinal Research Foundation FFS GIA16002 (YMP), sprijin departamental complet din cercetarea privind prevenirea orbirii și Universitatea din Michigan Departamentul de Oftalmologie și științe vizuale. Această lucrare a folosit Centrul de bază pentru viziunea cercetării P30 EY007003 finanțată de National Eye Institute.