Name: 光音響膀胱造影 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-06-11T12:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 49 s
Description: 学ぶ光音響膀胱造影法によるラットの膀胱イメージング。非イオン化放射線と非毒性光学トレーサーを用い、放射線被曝なしで高解像度の膀胱マッピングを実現する安全な生体内イメージング技術です。

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この作品は、IT知の統合クリエイティブプログラム、バッファロー臨床およびトランスレーショナルリサーチセンターの大学のパイロット研究プログラムからの助成金とバッファロートランスレーコンソーシアム、ロズウェルパークアライアンス財団からの助成金、大学バッファロー校からスタートアップ資金によって部分的にサポートされていましたMKE、とNIPA（C1515-1121から0003）とMESTのNRF助成（2012から0009249）の。

1。深い反射モード光音響膀胱造影（PAC）システム<ol><li>システムコンフィギュレーション17,18 <ol><li> Q-スイッチNd：YAGレーザー（SLII-10;連続、532 nm）をポンプ波長可変レーザー（Surelite OPO PLUS;連続、波長チューニング範囲：680〜2,500 nm）を。 </li><li>各レーザショットのパルス持続時間は、約5ナノ秒であり、レーザの繰返しレートは10Hzである。 </li><li>波長が使用される造影剤の光吸収ピークに依存する。メチレンブルーは、造影剤として作用する場合に吸収ピークがあり、667 nmでの光波長が使用される。プラズモン金ナノ構造は、それらの物理的および化学的特性に基づいて、NIRスペクトル領域における可変局在表面プラズモン共鳴を有することができる。また、単層カーボンナノチューブの広い吸収スペクトルは、波長選択のための広い選択肢を提供することができる。 </li><li>波長可変レーザから出てくる光は、球面円錐レンズトンに配信されますhrough直角プリズム（PS908、ソーラボ）。 </li><li>光は球面円錐レンズを通過した後にドーナツ状の光ビームパターンが生成される。ホームメイドの円錐レンズがBK7レンズから作られ、円錐角は152°です。レンズの直径は、2.5 cmである。 </li><li>発散ドーナツ状の光ビームは透明なアクリル系シートからなる光学コンデンサを介して 、リダイレクトされる。上面および底面の直径は、それぞれ6.1〜4.8センチメートルである。凝縮器の厚さは、2.5 cmである。リダイレクトされたリング状の光ビームは、組織表面に暗い中心とドーナツ状を形成する。 </li><li>音響結合を高めるために小さな水容器を利用する。水容器は、光学的および音響的に透明で明確な薄いポリエチレンフィルムで包まれた下部開口部を有する。小動物は、水容器の下に位置している。 </li><li>生成されたPA波は球面集束超音波トランスデューサ（V308によって検出される。オリンパスNDT、5 MHzの中​​心周波数）、光凝縮器の中央に取り付けられている。素子直径とトランスデューサの焦点距離はそれぞれ1.9と2.5センチメートルである。従って、トランスデューサのFナンバーは1.3〜ある。 </li><li>横方向と軸方向の解像度はそれぞれ590と144μmである。 </li><li>検出されたPA波は最初のブロードバンド超音波パルサー/レシーバー（;オリンパスNDT; 5072PR 35 MHzの帯域幅と59デシベルのRFゲイン）で増幅された後、オシロスコープ（TDS5054;テクトロニクス）で取得しました。 </li><li> PA波の到達時間を測定することにより、一次元時間分解画像（Aラインと呼ばれる）を取得します。現在、PA波の速度は、全体の画像取得上で1480メートル/秒であると仮定される。二（B-スキャンと呼ばれる）と、三次元PA像が機械的に直線状のラスター走査ステージ（;ダナハードーバーXY6060）を移動させることにより得ることができる。 </li><li>撮像時間はと1体積単一波長のPAイメージのため約25分でxyzの面で2.5のx 2.4倍1.5センチメートル3のビュー（FOV）の分野。我々は、0.4mmでステップサイズとy方向に沿った60のサンプル、0.2mmのステップサイズをx方向に125のサンプルを取得した。 50MHzのサンプリングレートで500データポイントは、z方向に沿って得られた。メカニカルスキャンは自家製NI LabVIEWソフトウェアシステムによって制御される。 </li><li>ボリュメトリックデータは、MathWorksのMATLABソフトウェアシステムを使用して、最大振幅突起（MAP）で表される。 </li></ol></li><li>システムアラインメント<ol><li>球状​​円錐レンズ後、ビームパターンは完璧なリング状であることを確認してください。ドーナツ型ビームパターンが正しく生成されない場合、皮膚表面に由来するPA信号が支配的である。これにより、深部組織イメージングを達成することは困難である。 </li><li>水中でライン状の光の焦点が同軸音波焦点ゾーンに合わせなければならない。それらが同軸に整列されていない場合、システムは低い信号対苦しん雑音比。 </li><li> 2波長が680〜1000nmでのチューニングされているMJ / cm 2で、それぞれ-皮膚表面に照射されたレーザパルスエネルギーは、約1まで変化させた。これらのレーザーパルスエネルギーは、それぞれスペクトル領域にわたって20〜80 MJ / cm 2とから様々な、米国規格協会の安全限界よりもはるかに低くなっています。 </li></ol></li></ol> 2 生体内と生体外イメージングの手順で <ol><li>動物の準備<ol><li>すべてのPAイメージング実験で250グラム - 200の重量の女性Spraque-Dawleyラットを使用します。 </li><li>まず、ケタミン（85 mg / kg体重）およびキシラジン（15 mg / kg体重）の混合物の腹腔内注射によってラットを麻酔。 </li><li>腹部に毛を脱毛。 </li><li>カスタムメイドの動物のホルダーの上にネズミを置きます。 </li><li>コー​​トのカテーテル挿入を向上させるために潤滑剤を22ゲージのカテーテル。 </li><li>カテーテルVerticaはホールドLLY尿道開口部に。カテーテルのハブがようやく口に達するまで、次に、尿道に、水平に、カテーテルの先端を挿入します。 </li><li>膀胱に尿がカテーテルを介して無効になります。 </li></ol></li><li> 生体 PAC イメージング <ol><li> PACシステム内の水容器下の動物のホルダーの上に位置ラットを、置きます。 </li><li>音響結合を改善するために、動物の皮膚表面とプラスチック膜との間の超音波ゲル（Sonotech）を適用する。 </li><li>完全に生体 PAイメージング実験で中イソフルラン気化を（1L /分の酸素と0.75％イソフルラン）を使用してラットを麻酔。 </li><li>前の造影剤の注入制御PA像を得る。 </li><li>メチレンブルー（30mMの濃度の0.8グラム/μlの体重）、金ナノケージ（2 nMの濃度の1.2グラム/μlの体重）、または単層カーボンナノチューブ（0.8μlの/ gの体の水溶液を導入する重量カテーテルを介して膀胱〜0.3μMの濃度）。 22ゲージのカテーテルを1 mlのシリンジを使用してください。 </li><li> PA一連の画像を取得する。 </li></ol></li><li> ex vivoで PACイメージング<ol><li>ペントバルビタールの過剰摂取を注入することにより、 生体内 PAC イメージング後にラットを生け贄に捧げる。 </li><li> 2つの主要な器官、膀胱、腎臓を除去体内分布を調査し、ガラス板上に。 </li><li> PACシステム内の水容器下にガラス板を置きます。 </li><li>摘出臓器や音響結合を改善するためのプラスチック製の膜の間に超音波ゲル（Sonotech）を適用します。 </li><li> PAの画像を取得する。 </li><li> Photoacoustically画像制御などの健康ラットから取り出し臓器。 </li></ol></li></ol>

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<li>Kim, C., Song, K. H., Gao, F., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sentinel+lymph+nodes+and+lymphatic+vessels%3A+noninvasive+dual-modality+in+vivo+mapping+by+using+indocyanine+green+in+rats--volumetric+spectroscopic+photoacoustic+imaging+and+planar+fluorescence+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Radiology%22%5BJournal%5D)">Sentinel lymph nodes and lymphatic vessels: noninvasive dual-modality in vivo mapping by using indocyanine green in rats--volumetric spectroscopic photoacoustic imaging and planar fluorescence imaging.</a> Radiology. 255 (2), 442-450 (2010).</li>
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</ol>

全ての動物実験では、バッファローインスティテューア​​ニマルケアのニューヨーク州立大学および使用委員会を遵守していました。 著者らは、開示することは何もありません。

結論として、我々は、in vivoでラットモデルにおいて無毒光吸収剤を使用してPACを電離する可能性を示している。我々は正常に我々の非電離及び非侵襲PACシステムを用いた光吸収剤を充填したラット膀胱をイメージしました。 2つの重要な安全性の問題は、我々のアプローチで解決されました：（1）cystographicアプリケーションや体内の造影剤の（2）のない蓄積非電離放射線の使用。 我々の臨床の関心は、小児患者で膀胱尿管逆流症（VUR）を監視が含まれています。米国の子供たちの約3％が尿路感染症の影響を受け19、及びこれらの患者の約1.5％がVUR苦しむされる。現在の臨床診療において、すべてのこれらの患者に直接電離X線透視撮影を受ける。米国泌尿器科学会小児VUR臨床ガイドラインパネルは強く小児パットに電離放射線の使用を最小限に抑えることをお勧めしますients。20我々の長期的な目標は、PACを使用して、毒性のない光学的コントラスト剤の組み合わせでVURを監視することである。患者でVURがあればこのように、私たちは、注入された...

X線膀胱造影1は、膀胱癌、膀胱尿管逆流、尿管の閉塞、神経因性膀胱などのような膀胱関連疾患を識別するためのイメージングプロセスです。2-5は一般的には、尿が排泄され、放射線不透過剤がを通して注入されカテーテル。その後、X線透視画像は、膀胱を記述するために取得される。しかし、キー安全性の問題は、有害な電離放射線は、この手順で使用されることである。さらに0.6〜1.8％へ診断用X線の範囲に75歳の年齢により、図6の累積癌のリスクの割合は、発がん性の脅威は、小児患者で有意である。英国の研究では、9つの主要臓器の中で、X線診断からの平均年間放射線量が4未満女児における膀胱で最高だったと4未満の男性の子供で2番目に高いことが明らかになった。7これはその膀胱癌のリスクを示している小児患者の中で最も重要である。 Altキーハフ小児放射線科医は、合理的に達成可能な、電離放射線を完全に排除することはできないという低い放射線被ばく量を低減するために努めています。したがって、制限は膀胱造影における非放射性造影剤と完全に放射線フリー、敏感な、費用対効果の高い、高分解能イメージングモダリティの必要性を作成する。 PATは強い光吸収コントラストと生体組織において高い音波空間分解能を提供することができるので、最近では、光音響トモグラフィー（PAT）は、最初の生物医学イメージング·モダリティとなっています。PATの8原則は、超音波を対象物の熱弾性膨張により誘発されるということです光吸収が続く。媒体検出することにより、2次元または3次元音響（PA）の画像を介して進行する音波を時間分解が形成されている。超音波（US）は、はるかに少ない散乱光（典型​​的には2桁又は3桁）に比べて組織中であるため、。空間分解能イメージング深さの1/200に維持しつつ、PATの撮像深さは、組織中〜8センチメートルまで達することができるcystographicアプリケーションのPATの9主な利点は、（1）PAT、電離から完全に自由である放射線。 （2）ClinicalUSimagingシステムは容易にデュアルモーダルPA、米国イメージング機能を供給するように適合させることができる。したがって、デュアルモーダルPA /米国イメージングシステムは、高速臨床翻訳のための重要な基準である、費用対効果の高い、高速、相対的に移植できることができます。内因性および外因性のコントラストの両方を使用して、PATは、腫瘍生理病理学、脳の血行動態、内臓、眼科、血管造影、および等を研究するために組織の高解像度、形態的、機能、分子イメージングを提供してきました。10-16 本稿では、近赤外（NIR）光学吸収（ すなわちメチレンブルー、行く使用非電離光音響膀胱造影の実験プロトコル（PAC）を実証無毒光濁っトレーサーとしてのldナノケージ、または単層カーボンナノチューブ）。造影剤で満たされたラットの膀胱はphotoacousticallyと分光in vivoで線引きされた。いいえエージェントは、永続的にラットの膀胱や腎臓に蓄積されていません。したがって、エージェントの蓄積によって引き起こされるかもしれない。長期毒性を排除することができる。この結果は、光吸収体の組み合わせでPACが潜在的に小児患者のために本当に無害cystographicモダリティであることを意味します。システム構成、システムの配置、およびin vivo / ex vivoでの撮像法では、この資料に記載されている。

<table><tbody><tr><td>QスイッチNd:YAG</td><td>レーザーContinuum</td><td>SLII-10</td><td>ポンプ</td></tr><tr><td>レーザーOPO</td><td>レーザーContinuum</td><td>Surelite OPO</td><td>PLUSチューナブルレーザー</td></tr><tr><td>プリズム</td><td>Thorlabs</td><td>PS908</td><td>光は、</td></tr><tr><td>超音波トランスデューサ</td>オ<td>リンパスNDT</td><td>V308</td><td>5 MHz</td></tr><tr><td>ウルトラウンドパルサー/レシーバー</td><td>オリンパスNDT</td><td>5072PR</td><td>アンプ</td></tr>を提供します<tr><td>オシロスコープ</td><td>テクトロニクス</td><td>TDS5054</td><td>データ収集</td></tr><tr><td>スキャンステージ</td><td>ダナハー ドーバー</td><td>XY6060</td><td>ラスター スキャン</td></tr><tr><td>メチレンブルー</td><td>シグマ・アルドリッチ</td><td>M9140-25G</td><td>造影剤</td></tr><tr><td>ラット</td><td>ハーラン</td>・<td>スパグ・ドーリー</td><td>動物被験者</td></tr><tr><td>イソフレン気化器</td><td>安楽死</td>剤 <td>EZ-155</td><td>麻酔</td></tr><tr><td>超音波ゲル</td><td>Sonotech</td><td>クリアイメージシングル</td><td>音響カップリング</td></tr></tbody></table>

光音響膀胱造影

Photoacoustic Cystography

放射線不透過性の染料を用いて診断用X線に基づいている従来の小児膀胱造影は、有害な電離放射線の使用に苦しんでいる。放射線被ばくに起因する小児の膀胱がんのリスクは、他の多くの癌よりも重要である。ここでは、近赤外（NIR）の光吸収（ すなわちメチレンブルー、プラズモニック金ナノ構造体、または単層カーボンナノチューブ使って、光音響膀胱造影（PAC）と呼ばれる膀胱の非電離及び非侵襲的光音響（PA）イメージングの実現可能性を実証）光濁っトレーサーとして。我々は正常暗視野共焦点PAC方式を用いた光吸収剤を充填したラットの膀胱をイメージしている。造影剤の経尿道投与後、ラットの膀胱は重要PA信号増強を達成することにより、photoacoustically可視化した。蓄積は分光PAイメージングによって検証された。さらに、唯一のレーザパルスエネルギーを用いて未満1 MJ / cm 2と （安全限度の1/20）で、私たちの現在のイメージングシステムは、in vivoでの生体組織における越え1cmの深さでメチレン青塗りつぶさラット膀胱をマッピングすることができます。双方は、in vivoおよびex vivoで PAイメージング結果に造影剤が自然排尿を介して排泄されたことを検証します。したがって、臨床翻訳を容易にする、長期毒性剤の蓄積に関する心配がない。

図1は、光学的に濁ったメチレンブルー（MB）を用いたin vivo非電離及び非侵襲PAC で示しています。制御PA像がMB（ 図1A）のピーク光吸収で、667 nmで得た。 FOV内の血管がはっきりと可視化されるが、それはこの波長で光学的に透明であるので、ブラダーは見えない。 図1Bに示すように、ブラダーは明らかにMBの0.2時間後、注射PAで取得された画像において明らかにされる。膀胱におけるMBの蓄積を確認するために、我々は周囲の構造からMBで埋め​​膀胱を区別するために2つの光の波長（667〜850 nm）を用いた。 850 nmでMBの光吸収係数がほぼ0であるので、 図1（c）に示すように、膀胱内のPA振幅が表示されません。従って、この結果は膀胱MBで満たされていることを示している。その結果、分光ことを示しているPAのイメージは明らかに異なった内因性および外因性choromophoresを区別することができます。1Dと<str...

光音響膀胱造影（PAC）は、任意の電離放射線や有毒な造影剤を使用せずに膀胱、小児患者における放射線感受性の臓器を、マップする大きな可能性を秘めている。ここでは、ラットの光不透明なトレーサーの注射で膀胱をマッピングするためにPACを使用する方法を示す<em生体内で&gt;</em&gt;。

Conventional pediatric cystography, which is based on diagnostic X-ray using a radio-opaque dye, suffers from the use of harmful ionizing radiation. The ...

本手順の目的は、非毒性の光学的濁度トレーサーとして近赤外光吸収を利用し、生体内での非電離光音響膀胱造影法を実証することです。まず、実験動物に麻酔を施します。次に、腹部の除毛を行い、特製の動物ホルダーの上にラットを配置し、カテーテルを挿入し、イメージング領域に超音波ゼリーを塗布することで、イメージングに向けた準備を整えます。次に、光吸収剤を膀胱に注入する前と後で、光音響膀胱造影システムを用いて腹部領域の画像を取得します。最終的に、このプロセスにより、電離放射線曝露がなく、造影剤の長期的な蓄積もない、非電離かつ非侵襲的な光音響膀胱造影システムを用いたラット膀胱のイメージングが可能になります。音響トモグラフィーは、強力な光吸収コントラストと、生物学的組織における高い超音波空間分解能を持つため、主要な生物医学的イメージング手法となっています。光トモグラフィーの主な利点は、電離放射線が完全に排除されていること、注入された薬剤が膀胱内に蓄積しないこと、そして迅速かつ費用対効果が高いことです。本手順では、532 nmの光を発生させるために波長変換（第2高調波発生）を行ったQスイッチNd:YAGレーザーを使用します。レーザー出力は、波長可変範囲が680 nmから2,500 nmである光パラメトリック発振器（OPO）を通過させます。まず、OPOのパルス幅をレーザーショットあたり5 nsに設定し、繰り返し周波数を10 Hzに設定します。次に、メチレンブルー造影剤に使用するため、光学波長を667 nanometersに設定します。別の造影剤を使用する場合は、この波長を変更する必要があるかもしれません。OPOから出射される光を直角プリズム経由で、自作の球面円錐レンズに導入します。円錐レンズは、直径2.5 centimeterのBK7レンズを用いて、円錐角152度で製作します。次に、拡散したドーナツ状の光ビームを、透明アクリル製の厚さ2.5 centimeterの最適コンデンサーに通して方向を変えます。コンデンサーの上面および底面の直径は、それぞれ6.1 centimeterおよび4.8 centimeterです。ビームパターンが完全なリング状であることを確認してください。ドーナツ状のビームパターンが適切に生成されていない場合、皮膚表面から発生する光音響信号が支配的になります。その結果、深部組織のイメージングを達成することが困難になります。次に、動物とレーザー間の音響結合を強化するための小型の水容器を準備します。底部の開口部は、光学的におよび音響的に透過性のある、透明で薄いポリエチレンフィルムで覆われています。黒色の絶縁テープを使用して、線状の光を超音波の焦点領域に同軸上に合わせます。これらが適切に整合されていない場合、システムの信号対雑音比（S/N比）が低下します。次に、光音響波を検出するために、球面集束超音波トランスデューサを取り付けます。ここでは、Olympus NDT社製 V 3 0 8 浸漬トランスデューサを使用します。データ収集は5 MHzで行われ、横方向および軸方向の分解能はそれぞれ590 µmおよび144 µmです。次に、トランスデューサを広帯域超音波パルス受信機に接続して光音響波を増幅させ、これをオシロスコープに接続します。システムのセットアップが完了したら、オシロスコープで光音響波の到達時間を測定することにより、ALINE画像と呼ばれる1次元時間分解画像を取得します。次に、LabVIEWを用いてリニアラスターステージを機械的に制御し、2次元Bスキャンおよび3次元光音響画像を取得します。2.5 cm × 2.4 cm × 1.5 cmの領域で3D画像を取得する場合、3次元イメージングには1サンプルあたり約25分かかります。ステージを制御するためのLabVIEWプログラムをセットアップしてください。X方向にステップサイズ 0.2 millimeters で125サンプル、Y方向にステップサイズ 0.4 millimeters で60サンプル、そしてZ方向にサンプリングレート 50 megahertz で500データポイントを取得します。最後に、MathWorks MATLAB ソフトウェアシステムを構築し、生データを取得・変換して、体積データを表す一連の断面 bcan 画像へと処理します。記録された画像は、2D 最大振幅投影画像として表示されます。ラットをイメージングの準備にするため、体重200～250 gの雌性Sprague-Dawleyラットにケタミンとキシラジンの混合液を腹腔内投与して麻酔をかけます。次に、除毛クリームを用いて腹部周辺の5 cm四方の被毛を除去します。その後、ラットを特製の動物ホルダーの上に配置します。次に、22ゲージのカテーテルに潤滑剤を塗布して挿入の準備をし、カテーテルのハブが開口部に達し、カテーテルから尿の排出が始まるまで、カテーテルの遠位端を尿道に水平に挿入します。最後に、光音響膀胱造影システムの写真において、動物ホルダーの上かつ水容器の下にラットを配置します。イメージングを開始するため、in vivo光音響イメージング実験の間、気化イソフルランを用いてラットを完全に麻酔します。次に、音響結合を改善するため、動物の皮膚表面とプラスチック膜の間に超音波ジェルを塗布します。続いて、準備したMathWorks MATLABプログラムを実行し、造影剤注入前のコントロール用3次元光音響画像を取得します。コントロール画像の取得後、1 mLシリンジを用いて、カテーテル経由でメチレンブルー水溶液を膀胱内に注入します。投与後48時間まで、12時間ごとに一連のin vivo光音響イメージングを行います。次に、ペントバルビタールを150 mg/kgの過剰量投与してラットを安楽死させます。その後、膀胱と腎臓を取り出し、ガラスプレートの上に置きます。ex vivoイメージングのコントロールとして、未注射個体の膀胱および腎臓を使用してください。光音響膀胱造影システムの水容器の下にガラスプレートを配置し、イメージング中の音響結合を改善するために、摘出した臓器とプラスチック膜の間に超音波用ジェルを塗布します。ここに示されている画像は、メチレンブルー注入前に667 nanometerのレーザー光を用いて撮影した、ラットの腹部の2次元XYスキャン画像です。ここでは、血液が光を吸収して光音響信号を生成するため、血管を容易に観察できますが、造影剤がないため膀胱は視認できません。メチレンブルー造影剤の注入から12時間後に撮像すると、膀胱全体に非常に強い振幅が現れ、膀胱が容易に視認できるようになります。24時間後および48時間後に再度測定すると、造影剤は体外に排出されており、光パラメトリック発振器で光学波長を850 nanometersに変更すると、メチレンブルー造影剤はエネルギーを吸収しなくなり、不可視となります。これにより膀胱を効果的に消失させることができ、システムのもう一つのネガティブコントロールとして機能します。ここに示す点線に沿ったZ平面から得られた深度分解画像は、ここに示すように関心領域に沿った追加の深度データを提供し、あるいは画像全体に対して行うことで、その領域を三次元的に記述することが可能です。本ビデオでは、光音響顕微鏡（Photoacoustic microscopy）と呼ばれる、in vivoでの膀胱イメージングにおける非侵襲的かつ非電離プロセスの実現可能性を実証しました。当社の光音響イメージングシステムを用いて、光学的エフェクトトレーサーを注入し充填させた左膀胱のイメージングに成功しました。将来的には、この技術を小児患者における膀胱尿管逆流などの泌尿器科的問題のモニタリングに、低放射線量で適用できる可能性があります。本手法の携帯性と低コストである点は、この種のアプリケーションに最適です。

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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出典: Kalva, S. K., et al., Pulsed Laser Diode-Based Desktop Photoacoustic Tomography for Monitoring Wash-In and Wash-Out of Dye in Rat Cortical Vasculature.J. Vis. Exp.

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学ぶ光音響膀胱造影法によるラットの膀胱イメージング。非イオン化放射線と非毒性光学トレーサーを用い、放射線被曝なしで高解像度の膀胱マッピングを実現する安全な生体内イメージング技術です。

光音響膀胱造影

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