Photoakustische Zystographie

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, in vivo die nichtionisierende photoakustische Zystographie unter Verwendung der optischen Absorption im nahen Infrarot als ungiftige optische trübe Tracer zu demonstrieren. Dies wird erreicht, indem das Versuchstier zunächst betäubt wird. Der zweite Schritt besteht darin, das Tier auf die Bildgebung vorzubereiten, indem die Haare im Bauchbereich entfernt, die Ratte auf einen speziell angefertigten Tierhalter gelegt, ein Katheter eingeführt und Ultraschallgel auf die Bildgebungsregion aufgetragen wird.

Als nächstes werden Bilder des Bauchbereichs mit einem photoakustischen Zystographiesystem vor und nach der Injektion der optischen Absorption in die Blase aufgenommen. Letztendlich ermöglicht dieses Verfahren die Bildgebung einer Rattenblase mit einem nichtionisierenden und nicht-invasiven photoakustischen Zystographiesystem, das keine Strahlenbelastung und keine langfristige Ansammlung schwerer Wirkstoffe bietet. Denn die akustische Tomographie hat sich aufgrund eines starken optischen Absorptionskontrasts und einer hohen räumlichen Ultraschallauflösung in biologischem Gewebe zu einer führenden biomedizinischen Bildgebungsmethode entwickelt. Der entscheidende Vorteil der Phototomographie besteht darin, dass sie völlig frei von ionisierender Strahlung ist, das injizierte Mittel sich nicht in der Blase ansammelt und schnell und kostengünstig effektiv ist.

Verwenden Sie für dieses Verfahren einen gütegeschalteten Neodym-Dope-Atrium-Aluminium-Granat-Laser, der frequenzverdoppelt wurde, um Licht bei 532 Nanometern zu erzeugen. Die Laserausgabe wird durch einen optisch-parametrischen Oszillator oder OPO mit einem einstellbaren Wellenlängenbereich von 680 bis 2.500 Nanometern geleitet. Stellen Sie zunächst die OPO-Pulsdauer für jeden Laserschuss auf fünf Nanosekunden ein und stellen Sie die Wiederholungsrate auf 10 Hertz ein.

Stellen Sie dann die optische Wellenlänge auf 667 Nanometer für die Verwendung mit dem Kontrastmittel Methylenblau ein. Diese Wellenlänge muss möglicherweise geändert werden, wenn ein anderes Kontrastmittel verwendet wird. Geben Sie das aus dem OPO kommende Licht durch ein rechtwinkliges Prisma auf eine selbstgemachte sphärische konische Linse.

Die konische Linse besteht aus einer BK seven Linse mit einem Durchmesser von 2,5 Zentimetern und einem Kegelwinkel von 152 Grad. Als nächstes lenken Sie den divergierenden Donut-förmigen Lichtstrahl durch einen 2,5 Zentimeter dicken, optimalen Kondensator aus transparentem Acryl um. Die Durchmesser der Ober- und Unterseite betragen 6,1 bzw. 4,8 Zentimeter.

Stellen Sie sicher, dass das Balkenmuster eine perfekte Ringform hat. Wenn das Donut-förmige Strahlmuster nicht richtig erzeugt wird, sind die photoakustischen Signale, die von der Hautoberfläche ausgehen, dominant. Daher wird es schwierig sein, eine tiefe Gewebebildgebung zu erreichen.

Bereiten Sie dann einen kleinen Wasserbehälter vor, um die akustische Kopplung zwischen dem Tier und dem Laser zu verstärken. Die untere Öffnung ist mit einer durchsichtigen, dünnen Polyethylenfolie umwickelt, die optisch und akustisch transparent ist. Richten Sie das linienförmige Licht mit einem Stück schwarzem Isolierband koaxial auf die Ultraschall-Fokuszone aus.

Wenn diese nicht gut ausgerichtet sind, leidet das System unter einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis. Als nächstes montieren Sie einen sphärisch fokussierten Ultraschallwandler, um die photoakustischen Wellen zu detektieren. Hierfür wird ein Tauchschallkopf V 3 0 8 Olympus NDT verwendet.

Er sammelt Daten bei fünf Megahertz und hat eine transversale und axiale Auflösung von 590 bzw. 144 Mikrometern. Schließen Sie dann den Wandler an einen Breitband-Ultraschallimpuls oder -empfänger an, der die photoakustischen Wellen verstärkt, und verbinden Sie diesen mit einem Oszilloskop. Sobald das System eingerichtet ist, erhalten Sie eindimensionale zeitaufgelöste Bilder, die als ALINE-Bilder bezeichnet werden, indem Sie die Ankunftszeiten der photoakustischen Wellen durch das Oszilloskop messen.

Steuern Sie dann mechanisch einen linearen Rastertisch mit der Laboransicht, um zweidimensionale B-Scans und dreidimensionale photoakustische Bilder aufzunehmen. Die dreidimensionale Bildgebung dauert etwa 25 Minuten pro Probe für ein Feld von 2,5 Zentimetern x 2,4 Zentimeter x 1,5 Zentimeter Größe, um 3D-Bilder aufzunehmen. Richten Sie das Lab-Ansichtsprogramm ein, um die Phase zu steuern.

Erfassen Sie 125 Proben in X-Richtung mit einer Schrittweite von 0,2 Millimetern, 60 Proben in Y-Richtung mit einer Schrittweite von 0,4 Millimetern und 500 Datenpunkte mit einer Abtastrate von 50 Megahertz in Z-Richtung. Richten Sie schließlich ein MathWorks MATLAB-Softwaresystem ein, um die Rohdaten zu erfassen, zu konvertieren und in eine Sequenz von Querschnittsbildern zu verarbeiten, die die volumetrischen Daten darstellen. Die aufgenommenen Bilder werden dann als 2D-Projektionsbilder mit maximaler Amplitude angezeigt.

Um Ratten für die Bildgebung vorzubereiten, anästhesieren Sie eine weibliche Sprague-Dolly-Ratte mit einem Gewicht zwischen 200 und 250 Gramm durch intraperitoneale Injektion einer Mischung aus Ketamin und Xylazin. Entfernen Sie dann die Haare in einem fünf Zentimeter großen Quadrat um den Bauchbereich mit Haarentfernungslotion. Positionieren Sie als Nächstes die Ratte auf einem speziell angefertigten Tierhalter.

Bereiten Sie dann einen 22-Gauge-Katheter für das Einführen vor, indem Sie ihn mit einem Gleitmittel beschichten, und führen Sie das distale Ende des Katheters horizontal in die Harnröhre ein, bis die Nabe des Katheters die Öffnung erreicht und der Urin über den Katheter zu entleeren beginnt. Positionieren Sie die Ratte abschließend so, dass sie sich auf dem Tierhalter und unter dem Wasserbehälter im photoakustischen Zystographie-System befindet. Um mit der Bildgebung zu beginnen, betäuben Sie die Ratte während der photoakustischen In-vivo-Bildgebungsexperimente mit verdampftem Iso-Fluor.

Tragen Sie dann Ultraschallgel zwischen der Oberfläche der Tierhaut und der Kunststoffmembran auf, um die akustische Kopplung zu verbessern. Führen Sie als Nächstes das vorbereitete MathWorks mat lab-Programm aus, um vor der Injektion von Kontrastmitteln ein dreidimensionales photoakustisches Kontrollbild zu erhalten. Sobald das Kontrollbild erhalten wurde, verwenden Sie eine Ein-Milliliter-Spritze, um eine wässrige Lösung von Methylenblau über den Katheter in die Blase einzuführen, nachdem Sie Methylenblau injiziert haben.

Nehmen Sie alle 12 Stunden bis 48 Stunden nach der Injektion eine Reihe von photoakustischen In-vivo-Bildern auf. Als nächstes opfern Sie die Ratte, indem Sie eine Überdosis mit 150 Milligramm pro Kilogramm Pentobarbital injizieren. Entfernen Sie dann die Blase und die Niere und legen Sie sie auf eine Glasplatte.

Die Blase und die Niere eines nicht injizierten Tieres sollten als Kontrolle für die Ex-vivo-Bildgebung verwendet werden. Positionieren Sie die Glasplatte unter dem Wasserbehälter im photoakustischen Zystographie-System und tragen Sie Ultraschallgel zwischen den herausgeschnittenen Organen und der Kunststoffmembran auf, um die akustische Kopplung während der Bildgebung zu verbessern. Das hier gezeigte Bild ist ein zweidimensionaler XY-Bauchscan einer Ratte, der mit einer 667-Nanometer-Laserlicht-Prem-Methylenblau-Injektion aufgenommen wurde.

Hier sind die Blutgefäße gut zu erkennen, da das Blut Licht absorbiert, um ein photoakustisches Signal zu erzeugen, aber aufgrund des fehlenden Kontrastmittels keine sichtbare Blase zu sehen ist. Wenn die Blase 12 Stunden nach der Injektion des Kontrastmittels Methylenblau aufgenommen wird, wird sie mit einer sehr starken Amplitude in der gesamten Blase gut sichtbar. Bei erneuter Messung nach 24 und 48 Stunden hat das Kontrastmittel den Körper verlassen und ist nicht mehr sichtbar. Durch die Veränderung der optischen Wellenlänge auf 850 Nanometer mit dem optisch-parametrischen Oszillator nimmt das Kontrastmittel Methylenblau die Energie nicht mehr auf und wird unsichtbar.

Dadurch verschwindet die Blase effektiv und wirkt als weitere Negativkontrolle für das System. Tiefenaufgelöste Bilder, die von der Z-Ebene entlang der hier gezeigten gestrichelten Linien aufgenommen wurden, liefern zusätzliche Tiefendaten entlang der hier gezeigten Bereiche von Interesse oder können für das gesamte Bild durchgeführt werden, um den Bereich in drei Dimensionen zu beschreiben. In diesem Video haben wir die physikalische Fähigkeit eines no- und nichtionisierenden Prozesses pro Blasenbildgebung in vivo demonstriert, die als photoakustische Oskopie bezeichnet wird.

Mit unserem photoakustischen Bildgebungssystem haben wir in Zukunft erfolgreich unsere linke Blase abgebildet, die mit einer Injektion von optischem Effekttracer in Blei gefüllt war. Diese Technik kann auch zur Überwachung urologischer Probleme wie Bisco-Reflux bei pädiatrischen Patienten als niedrige Strahlendosis angewendet werden. Die Portabilität und der kostengünstige Charakter dieses Verfahrens sind für diese Art von Anwendung optimal.