光声膀胱造影术

摘要

光声膀胱造影术（PAC）在无需使用电离辐射或有毒对比剂的情况下，具有对儿童患者这一辐射敏感的内部器官——膀胱进行成像的广阔潜力。本文展示了在大鼠中通过注射光学不透性示踪剂，利用PAC对膀胱进行成像的方法。 体内.

摘要

传统的儿科膀胱造影术依赖于使用放射性造影剂的诊断性X射线，存在有害电离辐射的使用问题。儿童因辐射暴露导致膀胱癌的风险较其他多种癌症更为显著。本文展示了利用近红外（NIR）光吸收剂进行无电离辐射、无创的光声（PA）膀胱成像（称为光声膀胱造影术，PAC）的可行性即 亚甲蓝、等离子金纳米结构或单壁碳纳米管）作为光学散射示踪剂。我们已成功利用暗场共聚焦光声成像系统对充满光学吸收剂的大鼠膀胱进行成像。经尿道注射对比剂后，大鼠膀胱通过显著增强的光声信号实现了光声可视化。通过光谱光声成像验证了对比剂的聚集。此外，仅使用低于1 mJ/cm²的激光脉冲能量即可实现成像² （安全限值的1/20），我们当前的成像系统能够在生物组织深度超过1厘米处对亚甲蓝填充的大鼠膀胱进行成像定位 体内两者均 体内 和 离体 光声成像结果证实，对比剂通过尿液自然排泄。因此，无需担心长期毒性物质蓄积，这将有助于临床转化。

引言

X射线膀胱造影术¹ 是一种用于识别膀胱相关疾病（如膀胱癌、膀胱输尿管反流、输尿管阻塞、神经源性膀胱）的影像学检查方法， 等等.^2-5 通常，通过导管注入放射性不透光造影剂后收集尿液。随后获取荧光透视X射线图像以显示膀胱轮廓。然而，该操作的关键安全问题是使用了有害的电离辐射。因诊断性X射线检查导致至75岁累积癌症风险的比例介于0.6%至1.8%之间。⁶ 此外，致癌风险在儿科患者中尤为显著。一项英国研究显示，在9个主要内脏器官中，诊断性X射线所致的年均辐射剂量在4岁以下女童的膀胱中最高，在4岁以下男童中次之。⁷ 这表明膀胱癌风险在儿科患者中最为显著。尽管儿科放射科医师致力于将辐射暴露水平尽可能降低，但电离辐射仍无法完全避免。因此，这一局限性促使人们需要一种完全无辐射、高灵敏度、成本效益高且具有高分辨率的膀胱成像方法，并在膀胱造影中使用非放射性对比剂。

近年来，光声断层成像（PAT）已成为一种先进的生物医学成像技术，因为PAT能够在生物组织中提供强烈的光吸收对比度和高超声空间分辨率。⁸ PAT 的原理是，目标物吸收光能后因热弹性膨胀而产生超声波。通过检测随时间变化的传播声波 通过 在介质中形成二维或三维光声（PA）图像。由于超声（US）在组织中的散射远低于光（通常低两到三个数量级），光声成像技术（PAT）的成像深度可达组织内约8 cm，同时空间分辨率可保持为成像深度的1/200。⁹ PAT用于膀胱造影应用的主要优势包括：（1）PAT完全无需使用电离辐射；（2）临床超声成像系统可轻松改造以实现光声与超声双模态成像功能。因此，光声/超声双模态成像系统具有相对便携、成本效益高和成像速度快等特点，符合快速临床转化的关键标准。通过利用内源性和外源性对比机制，PAT已实现对组织的高分辨率形态学、功能及分子成像，可用于肿瘤病理生理学、脑血流动力学、内脏器官、眼科、血管造影等领域的研究。 等等. ^10-16

本文中，我们展示了使用近红外（NIR）光吸收剂进行非电离光声膀胱造影（PAC）的实验方案即 亚甲蓝、金纳米笼或单壁碳纳米管）作为无毒的光学散射示踪剂。含有这些对比剂的大鼠膀胱通过光声成像和光谱学方法被清晰界定。 体内未发现任何试剂在大鼠的膀胱和肾脏中持续蓄积。因此，可排除因试剂蓄积所导致的长期毒性。该结果表明，结合光学吸收剂的光声断层成像技术（PAC）有望成为一种真正无害的儿科膀胱成像方法。系统配置、系统校准以及 体内 / 离体 本文讨论了成像操作步骤。

方案

1. 深层反射模式光声膀胱造影（PAC）系统

1. 系统配置^{17, 18}
   1. 一台倍频Q开关Nd:YAG激光器（SLII-10；Continuum；532 nm）泵浦一台波长可调谐激光器（Surelite OPO PLUS；Continuum；波长调谐范围：680 至 2,500 nm）。
   2. 每个激光脉冲的持续时间约为5纳秒，激光重复频率为10赫兹。
   3. 波长取决于所用对比剂的光学吸收峰。若以亚甲蓝作为对比剂，则采用667 nm的光学波长，此波长对应其吸收峰。等离子体金纳米结构可根据其物理和化学性质，在近红外光谱区域实现可调的局域表面等离子体共振。此外，单壁碳纳米管具有宽广的吸收光谱，可为波长选择提供广泛的范围。
   4. 来自可调谐激光器的光通过直角棱镜（PS908，Thorlabs）传输至球面锥形透镜。
   5. 光束通过球面锥形透镜后形成环形光斑图案。该自制锥形透镜由BK7透镜加工而成，锥角为152°，透镜直径为2.5 cm。
   6. 发散的环形光束被重新定向 通过 一个由透明亚克力板制成的光学聚光器，其顶面和底面直径分别为6.1和4.8 cm，聚光器厚度为2.5 cm。经重定向的环形光束在组织表面形成中心为暗区的环状光斑。
   7. 使用小型水容器以增强声学耦合。该水容器底部开口处包裹一层透明的薄聚乙烯膜，该膜在光学和声学上均具有通透性。小型动物置于水容器下方。
   8. 生成的光声波由一个球面聚焦超声换能器（V308；Olympus NDT；中心频率5 MHz）探测，该换能器安装在光学聚光镜的中心位置。换能器的元件直径和焦距分别为1.9 cm和2.5 cm，因此其f数约为1.3。
   9. 横向和轴向分辨率分别为 590 和 144 μm。
   10. 检测到的光声波首先由宽带超声脉冲发射/接收器（5072PR；Olympus NDT；35 MHz 带宽，59 dB 射频增益）放大，然后由示波器（TDS5054；Tektronix）采集。
   11. 通过测量光声波的到达时间，获得一维时间分辨图像（称为A线）。目前，假设在整个图像采集过程中光声波的传播速度为1,480 m/s。通过机械移动线性光栅扫描平台（XY6060；Danaher Dover），可获取二维（称为B扫描）和三维光声图像。
   12. 成像时间为约25分钟，用于获取视场（FOV）为2.5 × 2.4 × 1.5 cm的单波长光声三维图像³ 在x-y-z平面内，沿x方向以0.2 mm步长采集125个样本，沿y方向以0.4 mm步长采集60个样本，沿z方向以50 MHz采样率获取500个数据点。机械扫描由自主开发的NI LabVIEW软件系统控制。
   13. 体积数据通过 MathWorks MATLAB 软件系统以最大振幅投影（MAP）形式呈现。
2. 系统校准
   1. 在球面锥形透镜之后，应确保光束模式呈完美的环形。如果未正确生成环状光束模式，则来自皮肤表面的光声信号将占主导地位，从而难以实现深层组织成像。
   2. 水中的线状光焦点应与超声焦点区域同轴对齐。若二者未实现同轴对齐，系统将出现信噪比降低的问题。
   3. 皮肤表面的激光脉冲辐照能量在约1 - 2 mJ/cm²范围内变化² 当波长分别从680 nm调节至1,000 nm时，这些激光脉冲能量远低于美国国家标准协会的安全限值，范围为20至80 mJ/cm² 在各自的光谱区域。

2. 体内 和 离体 成像步骤

1. 动物准备
   1. 在所有光声成像实验中使用体重为200–250 g的雌性Sprague-Dawley大鼠。
   2. 首先，通过腹腔注射氯胺酮（85 mg/kg 体重）和赛拉嗪（15 mg/kg）的混合物使大鼠麻醉。
   3. 去除腹部区域的毛发。
   4. 将大鼠置于定制的动物固定装置上。
   5. 用润滑剂涂抹22号导管，以改善导管插入效果。
   6. 将导管垂直持于尿道口上方。接着，将导管远端水平插入尿道，直至导管接头最终到达尿道口。
   7. 膀胱中的尿液将通过导尿管排出。
2. 体内 PAC 成像
   1. 将位于动物固定装置上的大鼠置于PAC系统水容器的下方。
   2. 在动物皮肤表面与塑料膜之间涂抹超声耦合剂（Sonotech），以改善声学耦合。
   3. 使用气化异氟烷（氧气流速1 L/min，异氟烷浓度0.75%）将大鼠完全麻醉，期间 体内 光声成像实验
   4. 在注射造影剂之前获取对照肺动脉图像。
   5. 向膀胱内引入亚甲蓝的水溶液（0.8 μl/g 体重，浓度为 30 mM）、金纳米笼（1.2 μl/g 体重，浓度为 2 nM）或单壁碳纳米管（0.8 μl/g 体重，浓度为 0.3 μM） 通过 导管。使用1毫升注射器配22号导管。
   6. 获取一系列光声图像。
3. 离体 PAC 成像
   1. 处死大鼠后 体内 通过注射过量戊巴比妥进行PAC成像。
   2. 移除膀胱和肾脏这两个主要器官，以研究其生物分布，并置于玻璃板上。
   3. 将玻璃板置于PAC系统水容器的下方。
   4. 在切除的器官与塑料膜之间涂抹超声耦合剂（Sonotech），以改善声学耦合。
   5. 获取光声图像。
   6. 使用光声成像技术对从健康大鼠体内取出的器官进行成像，作为对照。

结果

图1展示了使用光学混浊的亚甲蓝（MB）进行体内无电离、无创的光声成像（PAC）。在667 nm波长（MB的光吸收峰值）下获取对照光声图像（图1A）。尽管视场内的血管结构清晰可见，但膀胱不可见，因为在此波长下膀胱呈光学透明。如图1B所示，在注射MB后0.2小时获取的光声图像中，膀胱结构清晰显现。为确认MB在膀胱内的聚集，我们采用两个光学波长（667 nm和850 nm）以区分充满MB的膀胱与周围组织。如图1C所示，由于MB在850 nm处的光学吸收系数几乎为0，因此膀胱内的光声信号不可见。该结果表明膀胱内已充满MB。因此，这证明了光谱光声成像能够清晰区分不同的内源性和外源性发色团。图1D和图1E分别显示了沿图1A和图1B中虚线扫描获得的深度分辨光声B型扫描图像。在体内和离体成像中，膀胱的上表面均位于超声换能器的焦点位置...

讨论

总之，我们已在大鼠模型中展示了利用无毒光学吸收剂实现非电离光声成像的可能性 体内我们已成功利用非电离、非侵入性的光声成像（PAC）系统对充满光学吸收剂的大鼠膀胱进行了成像。本方法解决了两个关键的安全问题：（1）采用非电离辐射用于膀胱造影应用；（2）体内无对比剂蓄积。

我们的临床兴趣包括监测小儿患者的膀胱输尿管反流（VUR）。在美国，约有3%的儿童受到尿路感染的影响¹⁹，其中约1.5%的患者患有VUR。在目前的临床实践中，所有这些患者均直接接受电离X射线透视成像检查。美国泌尿协会小儿VUR临床指南专家组强烈建议尽量减少对小儿患者使用电离辐射²⁰。我们的长期目标是结合使用无毒的光学对比剂，通过光声成像（PAC）来监测VUR。因此，如果患者存在VUR，我们预期注射的对比剂将从膀胱逆流回肾脏。与X射线膀胱造影相比，PAC的穿透深度有限。因此，我们的主要临床PAC应用目标人群是小儿患者。尽管当前PAC系统的成像速度由于机械扫描而相对较慢，但现有的实时临床超声系统可轻松改造用于PAC^21-27。因此，该方法有望...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Q开关Nd:YAG激光器	Continuum	SLII-10	泵浦激光器
OPO激光器	Continuum	Surelite OPO PLUS	可调谐激光器
棱镜	Thorlabs	PS908	光传输
超声换能器	Olympus NDT	V308	5 MHz
超声脉冲发生器/接收器	Olympus NDT	5072PR	放大器
示波器	Tektronix	TDS5054	数据采集
扫描平台	Danaher Dover	XY6060	光栅扫描
亚甲蓝	Sigma-Aldrich	M9140-25G	对比剂
大鼠	Harlan	Spague-Dawley	实验动物
异氟烷蒸发器	Euthanex	EZ-155	麻醉
超声耦合凝胶	Sonotech	Clear Image singles	声学耦合