Methodenartikel

Fotoakoestische cystography

13.3K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/50340

⸱

11 juni 2013

 ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, University at Buffalo, The State University of New York, 2Department of Creative IT Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH) , 3School of Electrical Engineering and Computer Science, Kyungpook National University

In dit artikel

Samenvatting

Fotoakoestische cystography (PAC) heeft een groot potentieel om urineblazen, een straling gevoelige intern orgaan bij pediatrische patiënten, in kaart zonder gebruik van ioniserende straling of giftige contrastmiddel. Hier laten we zien het gebruik van PAC voor het in kaart brengen urineblazen met een injectie van optische-opake tracers bij ratten In vivo.

Samenvatting

Conventionele pediatrische cystography, gebaseerd op diagnostische X-ray met een radio-opake kleurstof, lijdt het gebruik van schadelijke ioniserende straling. Het risico op blaaskanker bij kinderen als gevolg van blootstelling aan straling is belangrijker dan veel andere vormen van kanker. Hier laten we de uitvoerbaarheid van niet ioniserende en niet-invasieve fotoakoestische (PA) beeldvorming van urineblazen, genaamd fotoakoestische cystography (PAC), met nabij-infrarood (NIR) optische absorptiemiddelen (bijvoorbeeld methyleenblauw, goud plasmonische nanostructuren of enkelwandige koolstofnanobuizen ) als een optische-troebele tracer. We hebben met succes belicht een rat blaas gevuld met de optische absorberende agenten met behulp van een donker-veld confocale PAC systeem. Na transurethrale injectie van de contrastmiddelen, blazen de rat waren photoacoustically gevisualiseerd door het bereiken van aanzienlijke PA verbetering van het signaal. De accumulatie werd gevalideerd door spectroscopische PA beeldvorming. Verder, door slechts een laserpulsenergievan minder dan 1 mJ / cm 2 (1/20 van de veiligheidsgrens), kan het actuele beeldvormingssysteem de methyleenblauw-gevulde blaas-rat-kaart op een diepte van meer dan 1 cm in biologische weefsels in vivo. Zowel in vivo en ex vivo PA beeldvorming resultaten te valideren dat de contrastmiddelen natuurlijk werden uitgescheiden via urineren. Dus, er is geen bezorgdheid over toxisch middel lange termijn accumulatie, die klinische vertaling zal vergemakkelijken.

Inleiding

X-ray cystography 1 is een beeldvormende proces blaas-gerelateerde ziekten, zoals blaaskanker, vesicoureteral reflux, stagnatie van ureters, neurogene blaas, enz. identificeren. 2-5 Gewoonlijk urine worden geannuleerd en een radiopaak middel wordt geïnjecteerd door een catheter. Vervolgens worden fluoroscopische röntgenbeelden verworven urineblazen bakenen. De belangrijkste veiligheidskwestie is dat schadelijke ioniserende straling wordt gebruikt in deze procedure. Het percentage cumulatieve risico kanker leeftijd 75 jaar als gevolg van diagnostische röntgenstraling varieert 0,6-1,8%. 6 Bovendien carcinogene dreiging significant bij pediatrische patiënten. Een Britse studie toonde aan dat bij 9 belangrijkste interne organen, de gemiddelde jaarlijkse stralingsdosis van diagnostische röntgenstralen was het hoogst in de blazen in vrouwelijke kinderen jonger dan 4 en de tweede hoogste in mannelijke kinderen jonger dan 4. 7 Dit geeft aan dat het risico van blaaskanker het grootst is bij pediatrische patiënten. Although pediatrische radiologen trachten de blootstelling aan straling te verminderen tarief zo ​​laag als redelijkerwijs mogelijk is, ioniserende straling niet volledig kunnen worden uitgesloten. Daarom is de beperking creëert een behoefte aan een volledig straling vrij, gevoelig, kosteneffectieve en hoge-resolutie beeldvormende modaliteit met radioactieve contrastmiddelen in cystography.

Onlangs, fotoakoestische tomografie (PAT) is uitgegroeid tot een vooraanstaande biomedische beeldvorming modaliteit omdat PAT sterke optische absorptie contrasten en een hoge ultrasone ruimtelijke resolutie in biologische weefsels kunnen leveren. 8 Het principe van PAT is dat ultrasone golven worden veroorzaakt als gevolg van thermo-elastische uitzetting van een doel gevolgd door de absorptie van licht. Door het detecteren tijdopgeloste akoestische golven reizen via een medium, twee-of drie-dimensionale foto-akoestische (PA) beelden worden gevormd. Aangezien ultrageluid (US) veel minder zwaar in weefsels vergeleken licht (gewoonlijk twee of drie orden van grootte), debeeldvorming diepte van PAT kan oplopen tot ~ 8 cm in de weefsels, terwijl de ruimtelijke resolutie wordt gehandhaafd tot 1/200 van de beeldvorming diepte 9 De belangrijkste voordelen van PAT voor de cystographic toepassing zijn:. (1) PAT is volledig vrij van ioniserende straling. (2) ClinicalUSimaging systemen kunnen gemakkelijk worden aangepast aan leveren dual-modale PA en Amerikaanse imaging-mogelijkheden. Aldus kan de dual-modale PA / US beeldvormingssysteem relatief draagbaar, kosteneffectief en snel, die belangrijke criteria voor snelle klinische toepassing. Met behulp van zowel endogene en exogene contrasten, heeft PAT verstrekt hoge-resolutie morfologische, functionele en moleculaire beeldvorming van weefsels te studeren tumor fysiopathologie, hersenen hemodynamiek, interne organen, oogheelkunde, angiografie, en etc. 10-16

In dit artikel tonen we aan de experimentele protocollen van niet ioniserende fotoakoestische cystography (PAC) met behulp van nabij-infrarood (NIR) optisch absorberende stoffen (dwz methyleenblauw, gaanld nanocages, of enkelwandige koolstof nanobuisjes) als niet-toxisch optische-troebele tracers. Rat blazen gevuld met de contrastmiddelen werden photoacoustically en spectroscopisch afgebakend in vivo. Geen middelen voortdurend geaccumuleerd in de blaas en de nieren van de ratten. Aldus kan langdurige toxiciteit die kan worden veroorzaakt door ophoping middel worden uitgesloten. Dit resultaat impliceert dat PAC combinatie van de optische absorbers potentieel werkelijk onschadelijk cystographic modaliteit voor pediatrische patiënten zijn. De systeemconfiguratie, systeem uitlijning, en in vivo / ex vivo beeldvorming procedures worden besproken in dit artikel.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Diep Reflectie Mode Fotoakoestisch cystography (PAC) System

  1. Systeemconfiguratie 17, 18
    1. Een Q-switched Nd: YAG laser (SLII-10; Continuum, 532 nm) pompen een golflengte-afstembare laser (Surelite OPO PLUS, Continuum; golflengte tuning bereik: 680 tot 2500 nm).
    2. De pulsduur van elke laser shot is ~ 5 ns, en de laser herhalingsfrequentie is 10 Hz.
    3. De golflengte hangt af van de optische absorptie piek van de gebruikte contrastmiddel. Als methyleenblauw dient als contrastmiddel, wordt een optische golflengte van 667 nm wordt gebruikt, waarbij de piek absorptie is. Plasmonische goud nanostructuren kunnen tunable gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie hebben bij het NIR spectrale gebied, op basis van hun fysische en chemische eigenschappen. Verder kan het brede absorptiespectrum van enkelwandige koolstofnanobuizen een breed optie voor de golflengte.
    4. Licht uit de afstembare laser wordt geleverd met een bolvormige conische lens through rechte hoek prisma's (PS908, Thorlabs).
    5. Een donut-vormig lichtstraal patroon wordt geproduceerd nadat het licht door de sferische conische lens. De zelfgemaakte conische lens is gemaakt van een BK7 lens en de kegel hoek is 152 °. De diameter van de lens is 2,5 cm.
    6. De divergerende donut-vormige lichtbundel wordt omgeleid via een optische condensor, gemaakt van een transparant acryl plaat. De diameters van de bovenste en onderste oppervlakken 6,1 en 4,8 cm, respectievelijk. De dikte van de condensor is 2,5 cm. De doorgestuurd ringvormige lichtstraal vormt een donut-vormig met een donker centrum op het weefsel oppervlak.
    7. Gebruik maken van een klein waterreservoir om akoestische koppeling stimuleren. Het waterreservoir heeft een onderste opening omwikkeld met een heldere dunne polyethyleen film die optisch en akoestisch transparant is. Kleine dieren worden gepositioneerd onder het waterreservoir.
    8. De gegenereerde PA golven worden gedetecteerd door een sferisch focused ultrasound transducer (V308;Olympus NDT, 5 MHz middenfrequentie), die in het midden van de optische condensor gemonteerd. De diameter element en de brandpuntsafstand van de transductor 1,9 en 2,5 cm, respectievelijk. Aldus het f-getal van de transducer ~ 1.3.
    9. De transversale en axiale resoluties zijn 590 en 144 micrometer, respectievelijk.
    10. De gedetecteerde PA golven worden eerst versterkt door een breedband ultrasone pulser / receiver (5072PR; Olympus NDT; 35 MHz bandbreedte en 59 dB rf gain), en vervolgens overgenomen door een oscilloscoop (TDS5054; Tektronix).
    11. Verkrijgen eendimensionale tijdsopgeloste afbeeldingen (genoemd als A-lijn) door het meten van de tijd van aankomst van de PA golven. Momenteel wordt de snelheid van de PA golven aangenomen op 1480 m / sec over de gehele beeldopname. Twee-(genoemd als B-scans) en driedimensionale PA beelden kunnen worden verkregen door het mechanisch bewegen van de lineaire raster podium scanning (XY6060; Danaher Dover).
    12. De beeldvorming is ~ 25 min een volumetrische afbeelding single-golflengte PA met een voorgezichtsveld (FOV) van 2,5 x 2,4 x 1,5 cm 3 in de xyz vlakken. We verworven 125 monsters langs de x-richting met een stapgrootte van 0,2 mm, 60 monsters langs de y-richting met een stapgrootte van 0,4 mm. 500 datapunten met een 50-MHz sampling rate werden verkregen langs de z-richting. De mechanische scannen wordt bestuurd door een zelfgemaakte NI LabVIEW software systeem.
    13. De volumetrische data wordt voorgesteld door de maximale amplitude uitsteeksel (MAP) met een MathWorks Matlab software systeem.
  2. Systeem uitlijning
    1. Na de sferische conische lens, zorg ervoor dat de lichtbundel is een perfecte ring vorm. Als de donut-vormige lichtbundel niet goed gegenereerd, de PA signalen afkomstig van het huidoppervlak dominant. Derhalve is het moeilijk om deep tissue imaging bereiken.
    2. De lijnvormige licht focus op water moet coaxiaal worden afgestemd op de echografie focale zone. Als die niet coaxiaal uitgelijnd, het systeem lijdt aan lage signaal-naar-ruisverhouding.
    3. De bestraalde laserpulsenergie op het huidoppervlak wordt gevarieerd van ~ 1-2 mJ / cm 2 als de golflengte wordt afgestemd van 680 tot 1000 nm, respectievelijk. Deze laserpuls energie veel lager dan het American National Standards Institute veiligheidsgrens, variërend van 20 tot 80 mJ / cm 2 in het spectraalgebied, respectievelijk.

2. In vivo en ex vivo Imaging Procedures

  1. Voorbereiding dier
    1. Gebruik vrouwelijke Spraque-Dawley ratten met een gewicht van 200 - 250 g in alle PA imaging experimenten.
    2. Om te beginnen, verdoven de rat door intraperitoneale injectie van een mengsel van ketamine (85 mg / kg lichaamsgewicht) en xylazine (15 mg / kg).
    3. Ontharen de haren in de buikstreek.
    4. Plaats de rat boven op van een op maat gemaakte dierlijke houder.
    5. Coat een 22-gauge katheter met glijmiddel om het inbrengen van de katheter te verbeteren.
    6. Houd de katheter Vertically over de urethrale opening. Steek het distale uiteinde van de katheter, horizontaal, in de urethra tot de naaf van de katheter uiteindelijk de opening bereikt.
    7. Urine in de blaas vervalt via de catheter.
  2. In vivo beeldvorming PAC
    1. Plaats de rat, bovenop het dier houder onder het waterreservoir in de PAC systeem.
    2. Solliciteer ultrasound gel (Sonotech) tussen het dier oppervlakte huid en kunststof membraan naar akoestische koppeling te verbeteren.
    3. Volledig verdoven van de rat met behulp van verdampte isofluraan (1 L / min zuurstof en 0,75% isofluraan) tijdens de in vivo PA imaging experimenten.
    4. Verkrijgen van een controle-afbeelding PA voorafgaand aan de injectie van contrastmiddelen.
    5. Algemeen gebruik van een waterige oplossing van methyleenblauw (0,8 ul / g lichaamsgewicht met een concentratie van 30 mM), goud nanocages (1,2 ul / g lichaamsgewicht met een concentratie van 2 nM) of enkelwandige koolstofnanobuizen (0,8 ul / g lichaamsgewicht gewicht meteen concentratie van 0,3 uM) aan de blaas via de catheter. Gebruik van een 1-ml-spuit met een 22 gauge katheter.
    6. Verwerven van een reeks van PA afbeeldingen.
  3. Ex vivo PAC beeldvorming
    1. Offer de rat na in vivo PAC beeldvorming, door het injecteren van een overdosis pentobarbital.
    2. Verwijder de twee belangrijkste organen, blaas en nieren, biodistributie te onderzoeken en op een glasplaat.
    3. Plaats de glasplaat onder het waterreservoir in het PAC-systeem.
    4. Solliciteer ultrasound gel (Sonotech) tussen de weggesneden organen en kunststof membraan naar akoestische koppeling te verbeteren.
    5. Acquire PA afbeeldingen.
    6. Photoacoustically afbeelding het verwijderd uit een gezonde rat als een controle-organen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Figuur 1 toont de in vivo niet ioniserende en niet-invasieve PAC gebruik van optisch troebele methyleenblauw (MB). De afbeelding bediening PA werd verkregen bij 667 nm, bij de piek optische absorptie voor MB (Figuur 1A). Hoewel de bloedvaten in de FOV duidelijk zichtbaar, de blaas onzichtbaar aangezien het optisch transparant bij deze golflengte. Zoals getoond in figuur 1B, wordt de blaas wordt duidelijk op PA beeld verkregen bij 0,2 uur na injectie van MB. Om ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Tot slot, hebben we laten zien de mogelijkheid van NONIONISERENDE PAC gebruik toxisch optische dempers in een rat-model in vivo. We hebben met succes belicht een rat blaas gevuld met optische absorberende gebruik van onze niet ioniserende en niet-invasieve PAC systeem. Twee kritieke veiligheidsproblemen zijn opgelost in onze aanpak: (1) het gebruik van niet ioniserende straling voor cystographic applicaties en (2) geen accumulatie van contrastmiddelen in het lichaam.

Onze klinische ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

Alle dierproeven in overeenstemming waren met de State University van New York in Buffalo Institutional Animal Care en gebruik Comite.
De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd mede ondersteund door een subsidie ​​van de pilotstudies-programma van de Universiteit van Buffalo klinisch en translationeel Research Center en de Buffalo Translationeel Consortium, een subsidie ​​van Roswell Park Alliance Foundation, opstarten fondsen van de Universiteit van Buffalo, IT Consilience Creative Program van MKE en NIPA (C1515-1121-0003) en NRF toekenning van MEST (2012-0009249).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Q-switched Nd:YAG laserContinuumSLII-10pomplaser
OPO laserContinuumSurelite OPO PLUSafstelbare laser
PrismenThorlabsPS908lichtlevering
Ultrasone transducerOlympus NDTV3085 MHz
Ultrasound pulser/ontvangerOlympus NDT5072PRversterker
OscilloscoopTektronixTDS5054gegevensverzameling
Scanning stageDanaher DoverXY6060rasterscannen
MethyleenblauwSigma-AldrichM9140-25Gcontrastmiddel
RattenHarlanSpague-Dawleydierproef
Isoflourane verdamperEuthanexEZ-155anesthesie
Ultrasound gelSonotechClear Image singlesakoestische koppeling

Referenties

  1. Riccabona, M. Cystography in infants and children: a critical appraisal of the many forms with special regard to voiding cystourethrography. Eur. Radiol. 12 (12), 2910-2918 (2002).
  2. Khattar, N., Dorairajan, L. N., Kumar, S., Pal, B. C., Elangovan, S., Nayak, P. Giant obstructive megaureter causing contralateral ureteral obstruction and hydronephrosis: a first-time report. Urology. 74 (6), 1306-1308 (2009).
  3. Lim, R. Vesicoureteral reflux and urinary tract infection: evolving practices and current controversies in pediatric imaging. AJR Am. J. Roentgenol. 192 (5), 1197-1208 (2009).
  4. Scardapane, A., Pagliarulo, V., Ianora, A. A., Pagliarulo, A., Angelelli, G. Contrast-enhanced multislice pneumo-CT-cystography in the evaluation of urinary bladder neoplasms. Eur. J. Radiol. 66 (2), 246-252 (2008).
  5. Verpoorten, C., Buyse, G. M. The neurogenic bladder: medical treatment. Pediatr. Nephrol. 23 (5), 717-725 (2008).
  6. Ron, E. Let's not relive the past: a review of cancer risk after diagnostic or therapeutic irradiation. Pediatr. Radiol. 32 (10), 739-744 (2002).
  7. Berrington De Gonzalez, A., Darby, S. Risk of cancer from diagnostic X-rays: estimates for the UK and 14 other countries. Lancet. 363 (9406), 345-351 (2004).
  8. Kim, C., Favazza, C., Wang, L. V. In vivo photoacoustic tomography of chemicals: high-resolution functional and molecular optical imaging at new depths. Chem. Rev. 110 (5), 2756-2782 (2010).
  9. Ke, H., Erpelding, T. N., Jankovic, L., Liu, C., Wang, L. V. Performance characterization of an integrated ultrasound, photoacoustic, and thermoacoustic imaging system. J. Biomed. Opt. 17 (5), 056010(2012).
  10. Akers, W. J., Kim, C., Berezin,, et al. Noninvasive Photoacoustic and Fluorescence Sentinel Lymph Node Identification using Dye-Loaded Perfluorocarbon Nanoparticles. Acs Nano. 5 (1), 173-182 (2011).
  11. Jiao, S. L., Jiang, M. S., Hu, J., et al. Photoacoustic ophthalmoscopy for in vivo retinal imaging. Opt. Express. 18 (4), 3967-3972 (2010).
  12. Kim, C., Cho, E. C., Chen, J., et al. In vivo molecular photoacoustic tomography of melanomas targeted by bioconjugated gold nanocages. Acs Nano. 4 (8), 4559-4564 (2010).
  13. Kim, C., Song, H. M., Cai, X., Yao, J., Wei, A., Wang, L. V. In vivo photoacoustic mapping of lymphatic systems with plasmon-resonant nanostars. J. Mater. Chem. 21 (9), 2841-2844 (2011).
  14. Wang, X., Pang, Y., Ku, G., Xie, X., Stoica, G., Wang, L. V. Noninvasive laser-induced photoacoustic tomography for structural and functional in vivo imaging of the brain. Nat. Biotechnol. 21 (7), 803-806 (2003).
  15. Xie, Z., Roberts, W., Carson, P., Liu, X., Tao, C., Wang, X. Evaluation of bladder microvasculature with high-resolution photoacoustic imaging. Opt. Lett. 36 (24), 4815-4817 (2011).
  16. Zhang, H. F., Maslov, K., Stoica, G., Wang, L. V. Functional photoacoustic microscopy for high-resolution and noninvasive in vivo imaging. Nat. Biotechnol. 24 (7), 848-851 (2006).
  17. Kim, C., Jeon, M., Wang, L. V. Nonionizing photoacoustic cystography in vivo. Opt. Lett. 36 (18), 3599-3601 (2011).
  18. Homan, K., Kim, S., Chen, Y. S., Wang, B., Mallidi, S., Emelianov, S. Prospects of molecular photoacoustic imaging at 1064 nm wavelength. Opt. Lett. 35 (15), 2663-2665 (2010).
  19. Chang, S. L., Shortliffe, L. D. Pediatric urinary tract infections. Pediatr. Clin. N. Am. 53 (3), 379(2006).
  20. Stratton, K. L., Pope, J. C., Adams, M. C., Brock, J. W., Thomas, J. C. Implications of Ionizing Radiation in the Pediatric Urology. 183 (6), 2137-2142 (2010).
  21. Ermilov, S. A., Khamapirad, T., Conjusteau, A., et al. Laser optoacoustic imaging system for detection of breast cancer. J. Biomed. Opt. 14 (2), 024007(2009).
  22. Erpelding, T. N., Kim, C., Pramanik, M., et al. Sentinel lymph nodes in the rat: noninvasive photoacoustic and US imaging with a clinical US system. Radiology. 256 (1), 102-110 (2010).
  23. Kim, C., Erpelding, T. N., Jankovic, L., Wang, L. V. Performance benchmarks of an array-based hand-held photoacoustic probe adapted from a clinical ultrasound system for non-invasive sentinel lymph node imaging. Philos. Transact. A. Math Phys. Eng. Sci. 369 (1955), 4644-4650 (1955).
  24. Kim, C., Song, K. H., Gao, F., Wang, L. V. 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. Radiology. 255 (2), 442-450 (2010).
  25. Kruger, R. A., Kiser, W. L., Reinecke, D. R., Kruger, G. A. Thermoacoustic computed tomography using a conventional linear transducer array. Medical Physics. 30 (5), 856-860 (2003).
  26. Kruger, R. A., Lam, R. B., Reinecke, D. R., Del Rio, S. P., Doyle, R. P. Photoacoustic angiography of the breast. Med. Phys. 37 (11), 6096-6100 (2010).
  27. Manohar, S., Kharine, A., Van Hespen, J. C., Steenbergen, W., Van Leeuwen, T. G. The Twente Photoacoustic Mammoscope: system overview and performance. Phys. Med. Biol. 50 (11), 2543-2557 (2005).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Nabij infraroodbeeldvormingmethyleenblauwcontrastoptisch parametrische oscillatorultrasone transducerbeeldvorming van de ratblaasniet invasieve beeldvorminglaserpulsergiespectroscopische PA beeldvormingex vivo beeldvorming

Gerelateerde artikelen