광 음향 Cystography

본 절차의 전반적인 목표는 독성이 없는 광학적 혼탁 추적자로서 근적외선 광흡수를 이용한 생체 내 비전리 광음향 방광조영술을 시연하는 것입니다. 이는 먼저 실험 동물을 마취함으로써 수행됩니다. 두 번째 단계는 복부 부위의 털을 제거하고, 맞춤 제작된 동물 홀더 위에 쥐를 배치하며, 카테터를 삽입하고 촬영 부위에 초음파 젤을 도포하여 동물을 영상 촬영 준비 상태로 만드는 것입니다.

다음으로, 방광 내에 광흡수제를 주입하기 전과 후에 광음향 방광조영술 시스템을 사용하여 복부 영역의 이미지를 얻습니다. 결과적으로, 이 과정은 방사선 노출이 없고 조영제의 장기적인 축적이 없는 비전리 및 비침습적 광음향 방광조영술 시스템을 이용해 쥐의 방광을 영상화할 수 있게 합니다. 음향 단층 촬영은 강한 광흡수 대비와 생체 조직 내에서의 높은 초음파 공간 분해능 덕분에 주요한 생의학 영상 기법이 되었습니다. 광단층 촬영의 핵심적인 장점은 전리 방사선이 전혀 없으며, 주입된 조영제가 방광에 축적되지 않고, 처리 속도가 빠르며 비용 효율적이라는 점입니다.

본 절차에서는 532 nm의 빛을 생성하기 위해 주파수가 두 배로 증가된 Q-스위치 네오디뮴 도프 이트륨 알루미늄 가넷(Nd:YAG) 레이저를 사용하십시오. 레이저 출력은 680 nm에서 2,500 nm까지 파장 조절이 가능한 광파라메트릭 발진기(OPO)를 통과합니다. 우선 각 레이저 샷의 OPO 펄스 지속 시간을 5 ns로 설정하고 반복률을 10 Hz로 설정하십시오.

그런 다음 메틸렌 블루 조영제 사용에 맞추어 광학 파장을 667 nanometers로 설정합니다. 다른 조영제를 사용하는 경우 이 파장을 수정해야 할 수도 있습니다. OPO에서 나오는 빛을 직각 프리즘을 통해 수제 구면 원추 렌즈로 전달합니다.

원추형 렌즈는 원추각이 152도인 직경 2.5 centimeter의 BK7 렌즈로 제작되었습니다. 다음으로, 발산하는 도넛 모양의 광선을 투명 아크릴로 제작된 두께 2.5 centimeter의 최적 응축기를 통해 다시 유도합니다. 상단 및 하단 표면의 직경은 각각 6.1 및 4.8 centimeter입니다.

빔 패턴이 완전한 링 형태인지 확인하십시오. 도넛 모양의 빔 패턴이 제대로 생성되지 않으면 피부 표면에서 발생하는 광음향 신호가 지배적이게 됩니다. 따라서 심부 조직 영상을 얻기가 어려워집니다.

그 다음, 동물과 레이저 사이의 음향 결합(acoustic coupling)을 강화하기 위해 작은 수조를 준비합니다. 수조의 바닥 개구부는 광학적 및 음향적으로 투명한 얇고 투명한 폴리에틸렌 필름으로 감쌉니다. 검은색 전기 테이프를 사용하여 선형 광원을 초음파 초점 영역과 동심원상으로 정렬합니다.

이들이 제대로 정렬되지 않으면 시스템의 신호 대 잡음비가 낮아집니다. 다음으로, 광음향파를 검출하기 위해 구면 집속 초음파 트랜스듀서를 장착합니다. 이를 위해 V 3 0 8 Olympus NDT 침전 트랜스듀서가 사용됩니다.

이 장치는 5 MHz의 주파수로 데이터를 수집하며, 횡방향 및 축방향 분해능은 각각 590 µm와 144 µm입니다. 그다지 트랜스듀서를 광음향 파동을 증폭시키는 광대역 초음파 펄스 수신기(broadband ultrasonic pulse receiver)에 연결하고, 이를 다시 오실로스코프에 연결하십시오. 시스템 설정이 완료되면, 오실로스코프를 통해 광음향 파동의 도달 시간을 측정하여 ALINE 이미지라고 불리는 1차원 시간 분해 영상을 획득하십시오.

그 다음, LabVIEW를 사용하여 선형 래스터 스테이지를 기계적으로 제어함으로써 2차원 B-스캔 및 3차원 광음향 영상을 획득합니다. 2.5 cm × 2.4 cm × 1.5 cm 크기의 영역에 대해 3D 영상을 획득하는 데 시료당 약 25분이 소요됩니다. 스테이지 제어를 위해 LabVIEW 프로그램을 설정하십시오.

X 방향으로 0.2 millimeters의 스텝 크기로 125개 샘플을, Y 방향으로 0.4 millimeters의 스텝 크기로 60개 샘플을, 그리고 Z 방향으로 50 megahertz의 샘플링 속도로 500개 데이터 포인트를 획득합니다. 마지막으로 MathWorks MATLAB 소프트웨어 시스템을 설정하여 로우 데이터를 획득, 변환 및 처리함으로써 볼륨 데이터를 나타내는 일련의 단면 bcan 이미지로 생성합니다. 기록된 이미지는 2D 최대 진폭 투영 이미지로 표시됩니다.

영상을 촬영하기 위해, 체중 200~250g 사이의 암컷 Sprague Dawley 쥐에게 케타민과 자일라진 혼합액을 복강 내 주사하여 마취시킵니다. 그 다음, 제모제를 사용하여 복부 주변의 5cm 사각형 영역의 털을 제거합니다. 이어서 쥐를 맞춤 제작된 동물 홀더 위에 배치합니다.

그 다음, 22 gauge 카테터에 윤활제를 도포하여 삽입 준비를 하고, 카테터의 허브가 입구에 닿고 카테터를 통해 소변이 배출되기 시작할 때까지 카테터의 원위단을 요도에 수평으로 삽입합니다. 마지막으로, 광음향 방광 조영 시스템의 수조 아래 및 동물 홀더 위에 쥐가 위치하도록 배치합니다. 영상 촬영을 시작하려면, 생체 내 광음향 영상 실험 동안 기화된 iso fluorine을 사용하여 쥐를 완전히 마취시킵니다.

그 다음, 음향 결합을 개선하기 위해 동물 피부 표면과 플라스틱 막 사이에 초음파 젤을 도포합니다. 이어서, 조영제를 주입하기 전 대조군 3차원 광음향 영상을 얻기 위해 준비된 MathWorks mat lab 프로그램을 실행합니다. 대조군 영상을 얻으면, 1 mL 주사기를 사용하여 카테터를 통해 메틸렌 블루 수용액을 방광으로 주입합니다.

주입 후 48시간까지 12시간마다 일련의 in vivo 광음향 영상을 획득합니다. 다음으로, 펜토바르비탈 150 mg/kg을 과량 주입하여 쥐를 안락사시킵니다. 그런 다음 방광과 신장을 적출하여 유리판 위에 놓습니다.

ex vivo 이미징을 위한 대조군으로 주입되지 않은 동물의 방광과 신장을 사용해야 합니다. 광음향 방광 조영술 시스템의 수조 아래에 유리판을 배치하고, 이미징 중 음향 결합을 개선하기 위해 적출된 장기와 플라스틱 막 사이에 초음파 젤을 도포합니다. 여기에 표시된 이미지는 메틸렌 블루 주입 전 667 nanometer 레이저 광으로 촬영한 쥐의 2차원 XY 복부 스캔 영상입니다.

여기서는 혈액이 빛을 흡수하여 광음향 신호를 생성하므로 혈관을 쉽게 확인할 수 있지만, 조영제가 없기 때문에 방광은 보이지 않습니다. 메틸렌 블루 조영제 주입 12시간 후에 영상을 촬영하면, 방광 전체에서 매우 강한 진폭이 나타나 방광을 쉽게 확인할 수 있습니다. 24시간과 48시간 후에 다시 측정했을 때 조영제는 체외로 배출되어 더 이상 보이지 않으며, 광 매개 변수 발진기를 이용해 광 파장을 850 nanometers로 변경하면 메틸렌 블루 조영제가 더 이상 에너지를 흡수하지 않아 보이지 않게 됩니다.

이를 통해 방광을 효과적으로 사라지게 하며, 시스템의 또 다른 음성 대조군으로 작용하게 합니다. 여기에 표시된 점선을 따라 Z 평면에서 얻은 깊이 분해능 영상은 여기에 나타난 것처럼 관심 영역에 대한 추가적인 깊이 데이터를 제공하거나, 전체 영상에 대해 수행하여 해당 영역을 3차원적으로 묘사할 수 있습니다. 본 영상에서 우리는 광음향 내시경(Photoacoustic endoscopy)이라고 불리는, 생체 내 방광 영상화를 위한 비침습적 및 비전리 공정의 가능성을 입증하였습니다.

본 연구팀의 광음향 영상 시스템을 사용하여, 광학 효과 추적자를 주입해 채워진 좌측 방광을 성공적으로 영상화하였습니다. 향후 이 기술은 저선량 방사선 노출로 소아 환자의 방광요관역류와 같은 비뇨기과적 문제를 모니터링하는 데에도 적용될 수 있을 것입니다. 이 절차의 휴대성과 경제성은 이러한 유형의 응용 분야에 최적입니다.