Cystographie Photoacoustique

L'objectif général de cette procédure est de démontrer une cystographie photoacoustique in vivo non ionisante utilisant l'absorbance optique dans le proche infrarouge comme traceurs optiques non toxiques et diffusants. Cette méthode est réalisée en anesthésiant tout d'abord l'animal d'expérience. La deuxième étape consiste à préparer l'animal pour l'imagerie en éliminant les poils de la région abdominale, en positionnant le rat sur un support pour animal sur mesure, en insérant un cathéter et en appliquant un gel échographique sur la zone d'imagerie.

Les images suivantes de la région abdominale sont obtenues à l'aide d'un système de cystographie photoacoustique avant et après l'injection d'un agent absorbant optiquement dans la vessie. En fin de compte, ce processus permet l'imagerie de la vessie d'un rat à l'aide d'un système de cystographie photoacoustique non ionisant et non invasif, n'entraînant aucune exposition aux rayonnements et aucun cumul à long terme d'agent lourd. La tomographie acoustique est devenue une modalité d'imagerie biomédicale de premier plan en raison d'un fort contraste d'absorption optique et d'une haute résolution spatiale en ultrasons dans les tissus biologiques. Le principal avantage de la tomographie photoacoustique est qu'elle est entièrement dépourvue de rayonnement ionisant, que l'agent injecté n'est pas accumulé dans la vessie, et qu'elle est rapide et rentable.

Pour cette procédure, utilisez un laser à néodyme dopé à l'yttrium, à l'aluminium et au grenat, à commutation de qualité, dont la fréquence a été doublée afin de produire une lumière à 532 nanomètres. Le faisceau laser traverse un oscillateur paramétrique optique ou OPO dont la plage de longueurs d'onde accordable s'étend de 680 à 2 500 nanomètres. Commencez par régler la durée d'impulsion de l'OPO à cinq nanosecondes par tir laser et fixez la fréquence de répétition à 10 hertz.

Ensuite, régler la longueur d'onde optique à 667 nanomètres pour une utilisation avec l'agent de contraste bleu de méthylène. Cette longueur d'onde pourrait nécessiter une modification si un autre agent de contraste est utilisé. Diriger la lumière sortant de l'OPO à travers un prisme à angle droit vers une lentille conique sphérique fabriquée maison.

La lentille conique est fabriquée à partir d'une lentille BK7 de 2,5 centimètres de diamètre et d'un angle de cône de 152 degrés. Ensuite, redirigez le faisceau lumineux divergent en forme d'anneau à travers un condenseur optimal de 2,5 centimètres d'épaisseur, fabriqué en acrylique transparent. Les diamètres des surfaces supérieure et inférieure sont respectivement de 6,1 et 4,8 centimètres.

Veillez à ce que le motif du faisceau ait une forme circulaire parfaite. Si le motif du faisceau en forme de beignet n'est pas correctement généré, les signaux photoacoustiques provenant de la surface de la peau seront dominants. Par conséquent, il sera difficile d'obtenir une imagerie des tissus profonds.

Ensuite, préparez un petit récipient d'eau afin d'améliorer le couplage acoustique entre l'animal et le laser. L'ouverture inférieure est recouverte d'un film de polyéthylène transparent et fin, qui est optiquement et acoustiquement transparent. À l'aide d'un morceau de ruban adhésif électrique noir, alignez coaxialement la lumière en forme de ligne avec la zone focale des ultrasons.

Si ces éléments ne sont pas bien alignés, le système souffrira d'un faible rapport signal sur bruit. Ensuite, monter un transducteur ultrasonore focalisé sphériquement pour détecter les ondes photoacoustiques. Pour cela, un transducteur d'immersion Olympus NDT V 3 0 8 est utilisé.

Il collecte des données à cinq mégahertz et possède des résolutions transversale et axiale de 590 et 144 micromètres respectivement. Ensuite, reliez le transducteur à une impulsion ou un récepteur ultrasonore large bande, qui amplifiera les ondes photoacoustiques, puis connectez-le à un oscilloscope. Une fois le système configuré, obtenez des images unidimensionnelles résolues en temps, appelées images ALINE, en mesurant les temps d'arrivée des ondes photoacoustiques via l'oscilloscope.

Ensuite, contrôler mécaniquement une platine raster linéaire à l'aide de LabVIEW afin d'acquérir des balayages B bidimensionnels et des images photoacoustiques tridimensionnelles. L'imagerie tridimensionnelle prend environ 25 minutes par échantillon pour un champ de 2,5 centimètres sur 2,4 centimètres sur 1,5 centimètre afin d'acquérir des images 3D. Configurer le programme LabVIEW pour piloter la platine.

Acquérir 125 échantillons dans la direction X avec un pas de 0,2 millimètre, 60 échantillons dans la direction Y avec un pas de 0,4 millimètre et 500 points de données avec une fréquence d'échantillonnage de 50 mégahertz dans la direction Z. Enfin, configurer un système logiciel MathWorks MATLAB pour acquérir, convertir et traiter les données brutes en une séquence d'images transversales bcan représentant les données volumétriques. Les images enregistrées sont ensuite affichées sous forme d'images de projection d'amplitude maximale en 2D.

Pour préparer les rats à l'imagerie, anesthésiez un rat femelle Sprague Dawley d'un poids compris entre 200 et 250 grammes par injection intrapéritonéale d'un mélange de kétamine et de xylazine. Ensuite, retirez les poils dans un carré de cinq centimètres autour de la région abdominale à l'aide d'une lotion dépilatoire. Puis, positionnez le rat sur un support pour animal sur mesure.

Ensuite, préparez un cathéter de calibre 22 pour l'insertion en l'enduisant d'un lubrifiant et insérez l'extrémité distale du cathéter horizontalement dans l'urètre jusqu'à ce que le moyeu du cathéter atteigne l'orifice et que l'urine commence à s'écouler par le cathéter. Enfin, positionnez le rat au-dessus du support pour animal et sous le récipient d'eau du système de cystographie photoacoustique. Pour commencer l'imagerie, anesthésiez complètement le rat à l'aide d'isoflurane vaporisé pendant les expériences d'imagerie photoacoustique in vivo.

Appliquez ensuite un gel échographique entre la surface de la peau de l'animal et la membrane plastique afin d'améliorer le couplage acoustique. Ensuite, exécutez le programme MATLAB préparé de MathWorks pour obtenir une image photoacoustique tridimensionnelle de contrôle avant l'injection d'agents de contraste. Une fois l'image de contrôle obtenue, utilisez une seringue d'un millilitre pour introduire une solution aqueuse de bleu de méthylène dans la vessie par l'intermédiaire du cathéter, après l'injection de bleu de méthylène.

Acquérir une série d'images photoacoustiques in vivo toutes les 12 heures jusqu'à 48 heures après l'injection. Ensuite, sacrifier le rat en injectant une surdose de pentobarbital à raison de 150 milligrammes par kilogramme. Puis prélever la vessie et le rein et les placer sur une plaque de verre.

La vessie et le rein d'un animal non injecté doivent être utilisés comme témoin pour l'imagerie ex vivo. Placez la plaque de verre sous le récipient d'eau dans le système de cystographie photoacoustique et appliquez du gel à ultrasons entre les organes excisés et la membrane plastique afin d'améliorer le couplage acoustique pendant l'imagerie. L'image présentée ici est une coupe abdominale bidimensionnelle en XY d'un rat imagé avec une lumière laser de 667 nanomètres avant l'injection de bleu de méthylène.

Ici, les vaisseaux sanguins peuvent être facilement observés car le sang absorbe la lumière pour générer un signal photoacoustique, mais aucune vessie n'est visible en raison de l'absence d'agent de contraste. Lorsqu'on effectue l'imagerie 12 heures après l'injection de l'agent de contraste au bleu de méthylène, la vessie devient clairement visible avec une amplitude très forte dans toute sa structure. Lors de nouvelles mesures effectuées à 24 et 48 heures, l'agent de contraste a quitté l'organisme et n'est plus détectable ; en modifiant la longueur d'onde optique à 850 nanomètres à l'aide de l'oscillateur paramétrique optique, le bleu de méthylène n'absorbe plus l'énergie et devient invisible.

Cela fait disparaître efficacement la vessie et agit comme un autre contrôle négatif pour le système. Les images résolues en profondeur obtenues à partir du plan Z le long des lignes pointillées indiquées ici fournissent des données supplémentaires de profondeur selon des zones d'intérêt telles que montrées ici, ou peuvent être réalisées sur l'ensemble de l'image afin de décrire la zone en trois dimensions. Dans cette vidéo, nous avons démontré la possibilité physiologique d'un processus non ionisant et sans utilisation de no pour l'imagerie de la vessie in vivo appelée photoacoustique.

À l'aide de notre système d'imagerie photoacoustique, nous avons réussi à imager notre vessie gauche remplie d'une injection de traceur à effet optique au plomb à l'avenir. Cette technique pourrait également être appliquée au suivi de problèmes urologiques tels que le reflux vésico-urétéral chez les patients pédiatriques, avec une faible dose de rayonnement. La portabilité et le faible coût de cette procédure en font une solution optimale pour ce type d'application.