تصوير المثانة الضوئي

الهدف العام من هذا الإجراء هو توضيح عملية تصوير المثانة بالصوت الضوئي غير المؤين داخل الجسم الحي باستخدام الامتصاص الضوئي للأشعة تحت الحمراء القريبة كمتتبعات بصرية عكرة غير سامة. يتم تحقيق ذلك أولاً عن طريق تخدير الحيوان التجريبي. وتتمثل الخطوة الثانية في تحضير الحيوان للتصوير من خلال إزالة الشعر في منطقة البطن، ووضع الجرذ فوق حامل حيوانات مصنع خصيصاً، وإدخال قسطرة، ووضع هلام الموجات فوق الصوتية على منطقة التصوير.

يتم الحصول على الصور التالية لمنطقة البطن باستخدام نظام تصوير المثانة بالصوت الضوئي قبل وبعد حقن مادة ممتصة للضوء في المثانة. وفي النهاية، تتيح هذه العملية تصوير مثانة الجرذ باستخدام نظام تصوير مثانة بالصوت الضوئي غير مؤين وغير جراحي، مما يضمن عدم التعرض للإشعاع وعدم تراكم العوامل الثقيلة على المدى الطويل. وقد أصبح التصوير المقطعي الصوتي وسيلة تصوير طبية حيوية رائدة نظراً للتباين القوي في الامتصاص الضوئي والدقة المكانية العالية للموجات فوق الصوتية في الأنسجة البيولوجية. وتتمثل الميزة الرئيسية للتصوير المقطعي الضوئي في خلوه التام من الإشعاعات المؤينة، وعدم تراكم المادة المحقونة في المثانة، بالإضافة إلى كونه سريعاً وفعالاً من حيث التكلفة.

لهذا الإجراء، استخدم ليزر Nd:YAG (نيوديميوم ملقح في غارنيت الألومنيوم) بتبديل Q، والذي تمت مضاعفة تردده لتوليد ضوء بطول موجي 532 نانومتر. يتم تمرير مخرج الليزر عبر مذبذب بارامتري بصري (OPO) بنطاق ضبط للطول الموجي يتراوح من 680 إلى 2,500 نانومتر. ابدأ بضبط مدة نبضة الـ OPO على خمسة نانوسانية لكل ومضة ليزر، واضبط معدل التكرار على 10 هرتز.

بعد ذلك، اضبط الطول الموجي البصري على 667 nanometers لاستخدامه مع عامل التباين ميثيلين الأزرق. قد يتطلب هذا الطول الموجي تعديلاً في حال استخدام عامل تباين آخر. قم بتوجيه الضوء الخارج من OPO عبر منشور قائم الزاوية إلى عدسة مخروطية كروية مُصنعة محلياً.

صُنعت العدسة المخروطية من عدسة BK seven بقطر 2.5 centimeter وبزاوية مخروط قدرها 152 درجة. بعد ذلك، قم بتوجيه حزمة الضوء المتباعدة التي تتخذ شكل حلقة من خلال مكثف مثالي بسماكة 2.5 centimeter مصنوع من الأكريليك الشفاف. ويبلغ قطر السطحين العلوي والسفلي 6.1 و4.8 centimeters على التوالي.

تأكد من أن نمط الشعاع يتخذ شكل حلقة مثالية. فإذا لم يتم توليد نمط الشعاع الذي يشبه قطعة الدونات بشكل صحيح، ستكون الإشارات الصوتية الضوئية المنبعثة من سطح الجلد هي السائدة، وبالتالي سيكون من الصعب تحقيق تصوير عميق للأنسجة.

بعد ذلك، قم بتجهيز حاوية مياه صغيرة لتعزيز الاقتران الصوتي بين الحيوان والليزر. يتم تغليف الفتحة السفلية بفيلم بولي إيثيلين رقيق وشفاف، وهو شفاف بصرياً وصوتياً. وباستخدام قطعة من الشريط الكهربائي الأسود، قم بمحاذاة الضوء الذي يتخذ شكلاً خطياً محورياً مع منطقة التركيز بالموجات فوق الصوتية.

إذا لم تكن هذه المكونات محاذية بشكل جيد، سيعاني النظام من انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء. بعد ذلك، يتم تركيب محول طاقة بالموجات فوق الصوتية بتركيز كروي للكشف عن الموجات الصوتية الضوئية. ولهذا الغرض، يتم استخدام محول طاقة غمر V 3 0 8 Olympus NDT.

يقوم الجهاز بجمع البيانات بتردد 5 ميجاهرتز، وبدقة عرضية ومحورية تبلغ 590 و 144 ميكرومتر على التوالي. ثم يتم توصيل المحول بمرسل أو مستقبل نبضات فوق صوتية واسع النطاق، والذي سيعمل على تضخيم الموجات الضوئية الصوتية، ثم يتم توصيل هذا الأخير بجهاز رسم تذبذبي (oscilloscope). وبمجرد إعداد النظام، يتم الحصول على صور أحادية البعد ذات دقة زمنية تُسمى صور ALINE، وذلك عن طريق قياس أوقات وصول الموجات الضوئية الصوتية عبر جهاز رسم التذبذبات.

ثم يتم التحكم ميكانيكياً في منصة مسح خطية باستخدام برنامج LabVIEW للحصول على مسوحات B ثنائية الأبعاد وصور صوتية ضوئية ثلاثية الأبعاد. يستغرق التصوير ثلاثي الأبعاد حوالي 25 دقيقة لكل عينة لمجال بحجم 2.5 centimeters في 2.4 centimeters في 1.5 centimeter للحصول على الصور ثلاثية الأبعاد. قم بإعداد برنامج LabVIEW للتحكم في المنصة.

قم بالحصول على 125 عينة في اتجاه X بحجم خطوة قدره 0.2 millimeters، و60 عينة على طول اتجاه Y بحجم خطوة قدره 0.4 millimeters، و500 نقطة بيانات بمعدل أخذ عينات قدره 50 megahertz على طول اتجاه Z. وأخيراً، قم بإعداد نظام برمجيات MathWorks MATLAB للحصول على البيانات الخام وتحويلها ومعالجتها إلى تسلسل من صور bcan المقطعية التي تمثل البيانات الحجمية. ثم يتم عرض الصور المسجلة كصور إسقاط السعة القصوى ثنائية الأبعاد 2D.

لتحضير الجرذان للتصوير، يتم تخدير أنثى جرذ من سلالة sprague dolly يتراوح وزنها بين 200 و 250 grams عن طريق الحقن داخل الصفاق بمزيج من ketamine و xylazine. بعد ذلك، تُزال الشعيرات في مربع بمساحة خمسة centimeter حول منطقة البطن باستخدام لوشن لإزالة الشعر. ثم يوضع الجرذ فوق حامل حيوانات مصنع خصيصاً لهذا الغرض.

بعد ذلك، قم بتجهيز قسطرة مقاس 22 gauge للإدخال عن طريق طلائها بمادة مزلقة، وأدخل الطرف القاصي للقسطرة أفقيًا في الإحليل حتى يصل محور القسطرة إلى الفتحة ويبدأ البول في التدفق عبر القسطرة. وأخيرًا، قم بوضع الجرذ بحيث يكون فوق حامل الحيوانات وأسفل حاوية المياه في نظام تصوير المثانة بالصور الصوتية الضوئية. لبدء التصوير، قم بتخدير الجرذ تخديرًا كاملاً باستخدام iso fluorine المتبخر أثناء تجارب التصوير الصوتي الضوئي في الجسم الحي.

بعد ذلك، ضع هلام الموجات فوق الصوتية بين سطح جلد الحيوان والغشاء البلاستيكي لتحسين الاقتران الصوتي. بعد ذلك، قم بتشغيل برنامج MathWorks mat lab المُعد مسبقاً للحصول على صورة صوتية ضوئية ثلاثية الأبعاد كعينة ضابطة قبل حقن عوامل التباين. وبمجرد الحصول على الصورة الضابطة، استخدم حقنة سعة 1 mL لإدخال محلول مائي من methylene blue إلى المثانة عبر القسطرة بعد حقن methylene blue.

قم بالتقاط سلسلة من الصور الصوتية الضوئية داخل الجسم الحي كل 12 ساعة حتى مرور 48 ساعة بعد الحقن. بعد ذلك، يتم التضحية بالجرذ عن طريق حقن جرعة زائدة من البنتوباربيتال بمقدار 150 milligrams per kilogram. ثم استأصل المثانة والكلية وضعهما على لوح زجاجي.

يجب استخدام المثانة والكلية من حيوان غير محقون كعينة ضابطة للتصوير خارج الجسم (ex vivo). ضع اللوح الزجاجي أسفل حاوية الماء في نظام تصوير المثانة بالصوت الضوئي، وقم بوضع هلام الموجات فوق الصوتية بين الأعضاء المستأصلة والغشاء البلاستيكي لتحسين الاقتران الصوتي أثناء التصوير. الصورة المعروضة هنا هي مسح بطني ثنائي الأبعاد XY لجرذ تم تصويره باستخدام ضوء ليزر بطول موجي 667 nanometer قبل الحقن بمادة methylene blue.

هنا، يمكن رؤية الأوعية الدموية بسهولة حيث يمتص الدم الضوء لتوليد إشارة صوتية ضوئية، ولكن لا تظهر المثانة بسبب غياب عامل التباين. وعند التصوير بعد 12 ساعة من حقن عامل التباين ميثيلين الأزرق، تصبح المثانة مرئية بوضوح مع سعة قوية جداً في جميع أنحاء المثانة. وعند القياس مرة أخرى بعد 24 و 48 ساعة، يكون عامل التباين قد غادر الجسم ولم يعد مرئياً؛ فمن خلال تغيير الطول الموجي البصري إلى 850 nanometers باستخدام المذبذب البارامتري البصري، لا يعود عامل التباين ميثيلين الأزرق يمتص الطاقة ويصبح غير مرئي.

يؤدي هذا إلى إخفاء المثانة بشكل فعال، ويعمل كعنصر تحكم سلبي آخر للنظام. توفر الصور ذات الدقة العمقية التي تم الحصول عليها من المستوى Z على طول الخطوط المنقطة الموضحة هنا، بيانات عمق إضافية على طول المناطق ذات الأهمية كما هو موضح هنا، أو يمكن إجراؤها للصورة بأكملها لوصف المنطقة في ثلاثة أبعاد. في هذا الفيديو، استعرضنا الجدوى الفسيولوجية لعملية تصوير غير مؤينة للمثانة في الجسم الحي تسمى التصوير الصوتي الضوئي.

باستخدام نظام التصوير الصوتي الضوئي الخاص بنا، نجحنا في تصوير المثانة اليسرى بعد حقنها بمادة تتبع ذات تأثير بصري. وفي المستقبل، يمكن تطبيق هذه التقنية أيضاً لمراقبة المشكلات البولية، مثل الارتجاع المثاني الحالب في المرضى من الأطفال، وذلك بجرعة إشعاعية منخفضة. وتعد قابلية نقل هذا الإجراء وتكلفته الزهيدة ميزتين مثاليتين لهذا النوع من التطبيقات.