Photoakustische Zystographie

Zusammenfassung

Photoakustische cystography (PAC) hat ein großes Potenzial, um Harnblasen, eine Strahlung empfindlichen inneren Organe bei pädiatrischen Patienten, ohne Verwendung ionisierender Strahlung oder giftige Kontrastmittel abzubilden. Hier zeigen wir die Verwendung von PAC zum Abbilden Harnblasen mit einer Injektion von optisch opaken Tracer in Ratten In vivo.

Zusammenfassung

Konventionelle pädiatrischen cystography, die auf röntgendiagnostischen basiert mit einem radio-opaken Farbstoff, leidet unter der Verwendung von schädlichen ionisierenden Strahlung. Das Risiko von Blasenkrebs bei Kindern aufgrund der Strahlenbelastung ist wichtiger als viele andere Krebsarten. Hier zeigen wir die Machbarkeit und nichtionisierende nichtinvasive photoacoustic (PA)-Bildgebung von Harnblasen, die so genannte photoacoustic cystography (PAC), mit Nah-Infrarot (NIR) optische Absorber (dh Methylenblau, plasmonischen Gold-Nanostrukturen oder einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren ) als optischer Indikator-trübe. Wir haben erfolgreich eine Rattenblase mit den optischen Absorptionsmittel mit einer Dunkelfeld-konfokalen PAC befüllt abgebildet. Nach transurethrale Injektion der Kontrastmittel waren der Ratte Blasen photoakustisch visualisiert Erzielung erheblicher PA Signalverstärkung. Die Akkumulation wurde durch spektroskopische Bildgebung PA validiert. Ferner kann durch Verwendung nur einer Laserpulsenergievon weniger als 1 mJ / cm ² (1/20 der Sicherheitsgrenze) konnte in unserem aktuellen Abbildungssystem die Methylenblau-Voll-Ratte-Blase in einer Tiefe von mehr als 1 cm Karte in biologischen Geweben in vivo. Sowohl in vivo und ex vivo Bildgebung PA Ergebnisse bestätigen, dass die Kontrastmittel waren natürlich über Wasserlassen ausgeschieden. Somit gibt es keine Bedenken hinsichtlich langfristiger toxisches Mittel Akkumulation, die klinische Translation erleichtert wird.

Einleitung

X-ray cystography ¹ ist ein bildgebendes Verfahren zur Blase im Zusammenhang mit Krankheiten wie Blasenkrebs, VUR, Verstopfung der Harnleiter, neurogene Blase, etc. identifizieren. ^2-5 Typischerweise Urin entleert sind und eine radio-opaken Mittel durch eine eingespritzt Katheter. Dann werden fluoroskopischen Röntgenbilder erworben Harnblasen abzugrenzen. Allerdings ist die Frage der Sicherheit Schlüssel, dass schädliche ionisierende Strahlung in diesem Verfahren verwendet wird. Der Prozentsatz der kumulativen Krebsrisiko Alter von 75 Jahren wegen diagnostischen Röntgenstrahlen Bereich von 0,6 bis 1,8%. ^6. Außerdem ist die krebserzeugende Bedrohung wesentlichen bei pädiatrischen Patienten. Eine britische Studie zeigte, dass unter den 9 wichtigsten inneren Organe, die durchschnittliche jährliche Strahlendosis von diagnostischen Röntgenstrahlen höchste war in den Blasen in weibliche Kinder weniger als 4 und zweithöchste in männlichen Kinder weniger als 4. ⁷ Dies deutet darauf hin, dass die Blase Krebsrisiko ist von größter Bedeutung bei pädiatrischen Patienten. Although pädiatrischen Radiologen bemühen, die Strahlenbelastung so gering wie vernünftigerweise erreichbar zu reduzieren, ionisierende Strahlung kann nicht vollständig ausgeschlossen werden. Daher schafft die Begrenzung ein Bedürfnis für eine völlig strahlungsfrei, einfühlsam, kostengünstige und hochauflösende Bildgebungsverfahren mit radioaktiven Kontrastmitteln in cystography.

Vor kurzem hat photoacoustic Tomographie (PAT) zu einem führenden biomedizinischen Bildgebungsmodalität weil PAT starke optische Absorption Kontraste und eine hohe räumliche Auflösung Ultraschall in biologischem Gewebe zur Verfügung stellen kann. ⁸ Das Prinzip der PAT ist, dass Ultraschallwellen durch thermoelastische Expansion eines Ziels induziert werden gefolgt durch Lichtabsorption. Durch Erfassen akustischer Wellen, die sich über ein Medium, zwei-oder dreidimensionalen photoakustischen (PA) Bilder zeitaufgelöste ausgebildet sind. Da Ultraschall (US) ist viel weniger verstreut im Gewebe im Vergleich zu Licht (in der Regel zwei oder drei Größenordnungen), derBildtiefe von PAT kann bis zu ~ 8 cm im Gewebe, während die räumliche Auflösung auf 1/200 der Bildtiefe gehalten wird ⁹ Die wichtigsten Vorteile von PAT für die cystographischen Anwendung gehören: (1). PAT ist völlig frei von ionisierender Strahlung. (2) ClinicalUSimaging Systeme können leicht angepasst werden, um dual-modale PA und US-Imaging-Funktionen liefern. Somit kann der Dual-modal PA / US Abbildungssystem relativ bewegliche, kostengünstig und schnell, was sind entscheidende Kriterien für eine schnelle klinische Umsetzung. Mit sowohl endogene und exogene Kontraste hat PAT hochauflösende morphologische, funktionelle und molekulare Bildgebung von Gewebe des Tumors Arzneimitteltherapie, Gehirn Hämodynamik, innere Organe, Augenheilkunde, Angiographie und etc studieren bereitgestellt. ^10-16

In diesem Artikel zeigen wir die experimentellen Protokolle nichtionisierender photoacoustic cystography (PAC) mit Nah-Infrarot (NIR) optische Absorber (dh Methylenblau, gehenld nanocages oder einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen) als ungiftig optisch trübe Tracer. Rat Blasen mit der Kontrastmittel gefüllt waren photoakustisch und spektroskopisch in vivo abgegrenzt. Keine Agenten beharrlich in den Blasen und Nieren der Ratten angesammelt. So können langfristige Toxizität, die durch Agenten Anhäufung verursacht werden können, ausgeschlossen werden. Dieses Ergebnis impliziert, dass PAC mit Kombination der optischen Absorber kann potenziell ein wirklich harmlos cystographischen Modalität für pädiatrische Patienten. Die Konfiguration des Systems, System-Ausrichtung und in vivo / ex vivo bildgebenden Verfahren werden in diesem Artikel erläutert.

Protokoll

1. Tiefe Spiegelung Modus Photoakustische Zystographie (PAC)-System

1. Systemkonfiguration ^{17, 18}
   1. Ein Q-switched Nd: YAG-Laser (SLII-10; Continuum; 532 nm) Pumpen ein wellenlängenabstimmbare Laser (Surelite OPO PLUS; Continuum; Wellenlängenabstimmbereich: 680 bis 2500 nm).
   2. Die Impulsdauer der einzelnen Laserpuls ist ~ 5 ns, und die Repetitionsrate 10 Hz.
   3. Die Wellenlänge hängt von dem optischen Absorptions-Peak des verwendeten Kontrastmittel. Wenn Methylenblau dient als Kontrastmittel wird eine optische Wellenlänge von 667 nm verwendet wird, wobei der Peak-Absorption ist. Plasmonic Gold-Nanostrukturen können abstimmbare lokalisierten Oberflächen-Plasmon-Resonanz bei der NIR-Spektralbereich haben, auf der Grundlage ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften. Ferner kann die breites Absorptionsspektrum von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren eine breite Möglichkeit zur Wellenlängenselektion.
   4. Licht, das aus dem abstimmbaren Laser mit einem kugelförmigen konische Linse t gelieferturch rechtwinkligen Prismen (PS908, Thorlabs).
   5. Eine ringförmige Lichtstrahl Muster erzeugt wird, nachdem das Licht durch die sphärische konische Linse. Die hausgemachten konische Linse wird aus einem BK7 Objektiv gemacht und der Kegelwinkel 152 °. Der Durchmesser der Linse beträgt 2,5 cm.
   6. Die divergierenden ringförmigen Lichtstrahl über einen optischen Kondensor, einer transparenten Acrylplatte hergestellt umgeleitet. Die Durchmesser der oberen und unteren Flächen sind 6,1 und 4,8 cm. Die Dicke des Kondensators beträgt 2,5 cm. Der umgeleitete ringförmigen Lichtstrahl bildet einen mit einem dunklen Zentrum auf der Gewebeoberfläche ringförmigen.
   7. Nutzen Sie einen kleinen Wasserbehälter auf akustische Kopplung zu erhöhen. Der Wasserbehälter hat eine untere Öffnung mit einem klaren dünnen Polyethylen-Folie, die optisch und akustisch transparent ist gewickelt. Kleine Tiere werden unter dem Wasserbehälter aufgestellt.
   8. Die erzeugten PA Wellen werden von einer sphärisch fokussierten Ultraschall Wandler (V308 erfasst wird;Olympus NDT, 5 MHz Mittenfrequenz), die in der Mitte des optischen Kondensor angebracht ist. Das Element Durchmessers und der Brennweite des Wandlers sind 1,9 und 2,5 cm. Somit ist die f-Zahl des Wandlers ~ 1.3.
   9. Die Quer-und axiale Auflösungen sind 590 und 144 &mgr; m.
   10. Die ermittelten PA Wellen sind zuerst von einer Breitband Ultraschall Impulserzeuger / Empfänger (; Olympus NDT; 5072PR 35 MHz Bandbreite und 59 dB HF-Verstärkung) verstärkt und dann durch ein Oszilloskop erfasst (TDS5054; Tektronix).
   11. Erhalten eindimensionalen zeitaufgelösten Bildern (auch als A-Linie) durch die Messung der Ankunftszeiten der PA Wellen. Derzeit wird die Geschwindigkeit der Wellen PA angenommen bei 1.480 m / s über den gesamten Bildaufnahme sein. Zwei-(auch als B-Bilder) und dreidimensionale Bilder PA kann durch mechanisches Bewegen des linearen Rasterabtastung Stufe (; Danaher Dover XY6060) erworben werden.
   12. Die Aufnahmezeit ist ~ 25 min für eine volumetrische einzigen Wellenlänge PA Bild mit einemSichtfeld (FOV) von 2,5 x 2,4 x 1,5 cm ³ in den xyz Ebenen. Wir erworbenen 125 Proben entlang der x-Richtung mit einer Schrittweite von 0,2 mm, 60 Proben entlang der y-Richtung mit einer Schrittweite von 0,4 mm. 500 Datenpunkte mit einem 50-MHz Abtastrate wurden entlang der z-Richtung erhalten. Die mechanische Abtastung wird durch eine hausgemachte Software NI LabVIEW System gesteuert.
   13. Die volumetrischen Daten werden durch maximale Amplitude Projektion (MAP) mit einem MathWorks MATLAB-Software-System vertreten.
2. System-Ausrichtung
   1. Nach der sphärischen konische Linse, stellen Sie sicher, dass die Abstrahlcharakteristik eine perfekte Ringform ist. Wenn der ringförmige Strahlmuster nicht richtig generiert, die PA-Signale von der Hautoberfläche entstanden dominant. Somit ist es schwierig, tief Gewebebildgebung erreichen.
   2. Die linienförmige Licht Fokus in Wasser sollte koaxial mit dem Ultraschall Fokuszone ausgerichtet werden. Wenn diese nicht koaxial ausgerichtet sind, leidet das System von niedrigen Signal-zu-Rausch-Verhältnis.
   3. 2 mJ / cm ^2, wenn die Wellenlänge von 680 bis 1000 nm eingestellt ist, bzw. - das bestrahlte Laserimpulsenergie auf der Hautoberfläche von ~ 1 variiert. Diese Laserimpulsenergien sind viel niedriger als der American National Standards Institute Sicherheitsgrenze, variierend von 20 bis 80 mJ / cm ² über dem Spektralbereich sind.

2. In vivo und ex vivo Imaging Verfahren

1. Tier Vorbereitung
   1. Verwenden weiblichen Sprague-Dawley-Ratten mit einem Gewicht von 200 - 250 g in allen PA Imaging Experimente.
   2. Zunächst betäuben die Ratten durch intraperitoneale Injektion einer Mischung aus Ketamin (85 mg / kg Körpergewicht) und Xylazin (15 mg / kg).
   3. Enthaarung, die Haare in der Bauchregion.
   4. Positionieren Sie den rat der Spitze eines maßgeschneiderten Tierhalter.
   5. Mantel eine 22-Gauge-Katheter mit Gleitmittel, um den Katheter zu verbessern.
   6. Halten Sie den Katheter vertically über die Harnröhrenöffnung. Dann führen das distale Ende des Katheters, horizontal in die Harnröhre, bis die Nabe des Katheters erreicht schließlich die Öffnung.
   7. Urin in der Blase wird über den Katheter führen.
2. In-vivo-Bildgebung PAC
   1. Positionieren Sie die Ratte, auf der Oberseite der Tierhalter unter dem Wasserbehälter in der PAC-System befindet.
   2. Bewerben Ultraschall-Gel (Sonotech) zwischen dem Tier Hautoberfläche und Kunststoff-Membran, um akustische Kopplung zu verbessern.
   3. Vollständig betäuben die Ratte mit Isofluran verdampft (1 L / min Sauerstoff und 0,75% Isofluran) während der in vivo Bildgebung PA Experimente.
   4. Besorgen Sie sich eine Kontrolle PA Bild vor der Injektion von Kontrastmitteln.
   5. Einführung einer wässrigen Lösung von Methylenblau (0,8 ul / g Körpergewicht mit einer Konzentration von 30 mM), Gold nanocages (1,2 ul / g Körpergewicht mit einer Konzentration von 2 nM) oder einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen (0,8 ul / g Körpergewicht Gewicht miteine Konzentration von 0,3 um) in die Blase über den Katheter. Verwenden Sie eine 1-ml-Spritze mit einer 22-Gauge-Katheter.
   6. Erwerben Sie eine Reihe von PA Bilder.
3. Ex vivo Bildgebung PAC
   1. Sacrifice die Ratte nach in vivo imaging PAC, durch Injektion einer Überdosis Pentobarbital.
   2. Entfernen Sie die beiden wichtigsten Organe, Blasen und Nieren, um Biodistribution untersuchen und auf einer Glasplatte.
   3. Positionieren Sie die Glasplatte unter dem Wasserbehälter in der PAC-System.
   4. Bewerben Ultraschall-Gel (Sonotech) zwischen den Organen ausgeschnitten und Kunststoff Membran akustische Kopplung zu verbessern.
   5. Erwerben PA Bilder.
   6. Photoakustisch Bild die Organe von einem gesunden Ratten als Kontrolle entfernt.

Ergebnisse

Abbildung 1 zeigt die in vivo und nicht-invasive nichtionisierende PAC mit optisch trübe Methylenblau (MB). Die Steuerung PA Bild wurde bei 667 nm erhalten, auf dem Höhepunkt optische Absorption für MB (Abbildung 1A). Obwohl die Blutgefäße im FOV deutlich sichtbar sind, ist die Blase unsichtbar, weil es optisch transparent bei dieser Wellenlänge ist. Wie in 1B gezeigt ist, ist die Blase eindeutig im PA Bild bei 0,2 Stunden nach der Injektion von MB erworben off...

Diskussion

Zusammenfassend haben wir die Möglichkeit, nichtionisierende PAC mit ungiftigen optische Absorber in einem Rattenmodell in vivo gezeigt. Wir haben erfolgreich eine Ratte Blase mit optischen Absorptionsmittel mit unserem nichtionisierende und nicht-invasive PAC-System gefüllt abgebildet. Zwei kritische Fragen der Sicherheit in unserem Ansatz gelöst worden: (1) die Verwendung von nichtionisierender Strahlung für cystographischen Anwendungen und (2) ohne Anreicherung von Kontrastmittel in den Körper.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
gütegeschalteter Nd:YAG-Laser	Kontinuum	SLII-10	Pumplaser
OPO-Laser	Kontinuum	Surelite OPO PLUS	abstimmbarer Laser
Prismen	Thorlabs	PS908	Licht liefern
Ultraschallwandler	Olympus NDT	V308	5 MHz
Ultraoundpulser/Empfänger	Olympus NDT	5072PR	Verstärker
Oszilloskop	Tektronix	TDS5054	Datenerfassung
Abtasttisch	Danaher Dover	XY6060	Raster Abtastung
Methylenblau	Sigma-Aldrich	M9140-25G	Kontrastmittel
Ratten	Harlan	Spague-Dawley	Tier
Isofluoran Verdampfer	Euthanex	EZ-155	Anästhesie
Ultraschallgel	Sonotech	Clear Image singles akustische	Kopplung