Cystografia fotoakustyczna
11 czerwca 2013
Cystografia fotoakustyczna (PAC) ma ogromny potencjał do mapowania pęcherzy moczowych, wrażliwego na promieniowanie narządu wewnętrznego u pacjentów pediatrycznych, bez użycia promieniowania jonizującego lub toksycznego środka kontrastowego. Tutaj demonstrujemy zastosowanie PAC do mapowania pęcherzy moczowych z wstrzyknięciem nieprzezroczystych optycznie znaczników u szczurów in vivo.
Ogólnym celem tej procedury jest zademonstrowanie niejonizującej fotoakustycznej cystografii in vivo z wykorzystaniem bliskiej podczerwieni oraz absorpcji optycznej nietoksycznych mętnych znaczników optycznych. Jest to realizowane poprzez uprzednie znieczulenie zwierzęcia doświadczalnego. Drugim krokiem jest przygotowanie zwierzęcia do obrazowania poprzez usunięcie sierści z okolic brzucha, umieszczenie szczura na specjalnie wykonanym uchwycie dla zwierząt, wprowadzenie cewnika oraz nałożenie żelu ultradźwiękowego na obszar obrazowania.
Kolejne obrazy obszaru brzusznego są pozyskiwane za pomocą systemu fotoakustycznej cystografii przed i po wstrzyknięciu czynnika o określonej absorbancji optycznej do pęcherza moczowego. Ostatecznie proces ten umożliwia obrazowanie pęcherza szczura z wykorzystaniem niejonizującego i nieinwazyjnego systemu fotoakustycznej cystografii, co eliminuje ekspozycję na promieniowanie oraz długotrwałe gromadzenie się ciężkich środków kontrastowych. Tomografia akustyczna stała się wiodącą metodą obrazowania biomedycznego dzięki silnemu kontrastowi absorpcji optycznej oraz wysokiej rozdzielczości przestrzennej ultradźwięków w tkankach biologicznych. Kluczową zaletą foto-tomografii jest całkowity brak promieniowania jonizującego, brak akumulacji wstrzykniętego środka w pęcherzu oraz szybkość i efektywność kosztowa badania.
W tej procedurze należy użyć laseru Nd:YAG z przełącznikiem Q, którego częstotliwość została podwojona w celu generowania światła o długości fali 532 nanometrów. Wiązka laserowa przechodzi przez oscylator parametryczny (OPO) z zakresem strojenia długości fali od 680 do 2 500 nanometrów. Należy rozpocząć od ustawienia czasu trwania impulsu OPO na pięć nanosekund dla każdego wystrzału laserowego oraz ustawienia częstotliwości repetycji na 10 herców.
Następnie ustaw długość fali optycznej na 667 nanometrów do zastosowania z błękitem metylenowym jako środkiem kontrastowym. Długość ta może wymagać modyfikacji w przypadku użycia innego środka kontrastowego. Poprowadź światło wychodzące z OPO przez pryzmat prostokątny do wykonanej własnoręcznie sferyczno-stożkowej soczewki.
Soczewka stożkowa została wykonana z soczewki BK7 o średnicy 2,5 centymetra i kącie stożka wynoszącym 152 stopnie. Następnie rozbieżna wiązka światła w kształcie pierścienia jest kierowana przez optymalny kondensator o grubości 2,5 centymetra, wykonany z przezroczystego akrylu. Średnice górnej i dolnej powierzchni wynoszą odpowiednio 6,1 i 4,8 centymetra.
Upewnij się, że profil wiązki ma kształt idealnego pierścienia. Jeśli profil wiązki w kształcie donut nie zostanie prawidłowo wygenerowany, dominujące będą sygnały fotoakustyczne pochodzące z powierzchni skóry. W konsekwencji utrudnione zostanie obrazowanie głębokich tkanek.
Następnie należy przygotować niewielki pojemnik z wodą, aby zwiększyć sprzężenie akustyczne między zwierzęciem a laserem. Dolny otwór owijamy przezroczystą, cienką folią polietylenową, która jest przejrzysta optycznie i akustycznie. Za pomocą kawałka czarnej taśmy izolacyjnej należy współosiowo wyrównać liniową wiązkę światła z obszarem ogniskowania ultradźwięków.
Jeśli nie są one dobrze wyrównane, system będzie charakteryzował się niskim stosunkiem sygnału do szumu. Następnie zamontuj sferycznie ogniskowany przetwornik ultradźwiękowy do detekcji fal fotoakustycznych. W tym celu stosowany jest przetwornik zanurzeniowy Olympus NDT V 3 0 8.
Urządzenie zbiera dane z częstotliwością 5 MHz i posiada rozdzielczość poprzeczną oraz osiową wynoszącą odpowiednio 590 i 144 µm. Następnie należy podłączyć przetwornik do szerokopasmowego wzmacniacza lub odbiornika impulsów ultradźwiękowych, który wzmocni fale fotoakustyczne, a następnie podłączyć go do oscyloskopu. Po skonfigurowaniu systemu należy uzyskać jednowymiarowe obrazy z rozdzielczością czasową, zwane obrazami ALINE, mierząc czasy dotarcia fal fotoakustycznych za pomocą oscyloskopu.
Następnie za pomocą programu LabVIEW steruj mechanicznie liniowym stołem rastrowym w celu pozyskania dwuwymiarowych skanów B oraz trójwymiarowych obrazów fotoakustycznych. Obrazowanie trójwymiarowe pola o wymiarach 2,5 centimeters na 2,4 centimeters na 1,5 centimeter trwa około 25 minut na jedną próbkę. Skonfiguruj program LabVIEW do sterowania stołem.
Zebierz 125 próbek w kierunku X z krokiem 0,2 millimeters, 60 próbek w kierunku Y z krokiem 0,4 millimeters oraz 500 punktów danych z częstotliwością próbkowania 50 megahertz w kierunku Z. Następnie skonfiguruj system oprogramowania MathWorks MATLAB w celu pozyskania, konwersji i przetworzenia surowych danych w sekwencję przekrojowych obrazów bcan reprezentujących dane wolumetryczne. Nagrane obrazy są następnie wyświetlane jako 2D obrazy maksymalnej projekcji amplitudy.
Aby przygotować szczury do obrazowania, znieczul samicę szczura rasy Sprague-Dawley o masie od 200 do 250 g poprzez dokonać doprzystronnego wstrzyknięcia mieszaniny ketaminy i ksylazyny. Następnie usuń owłosienie z obszaru o boku pięciu centymetrów wokół brzucha, używając kremu do depilacji. Następnie umieść szczura na specjalnie wykonanym uchwycie dla zwierząt.
Następnie przygotuj cewnik o rozmiarze 22 G do wprowadzenia, pokrywając go lubrykantem, i wprowadź dystalny koniec cewnika poziomo do cewki moczowej, aż nasada cewnika dotrze do otworu, a przez cewnik zacznie odpływać mocz. Na koniec umieść szczura na uchwycie dla zwierząt, poniżej pojemnika z wodą w systemie fotoakustycznej cystografii. Aby rozpocząć obrazowanie, w pełni znieczul szczura za pomocą odparowanego izofluranu podczas eksperymentów z obrazowaniem fotoakustycznym in vivo.
Następnie nałóż żel do badań USG pomiędzy powierzchnię skóry zwierzęcia a membranę plastikową, aby poprawić sprzężenie akustyczne. Dalej, uruchom przygotowany program MathWorks MATLAB, aby uzyskać kontrolny trójwymiarowy obraz fotoakustyczny przed wstrzyknięciem środków kontrastowych. Po uzyskaniu obrazu kontrolnego użyj strzykawki o pojemności 1 mL, aby wprowadzić wodny roztwór błękitu metylenowego do pęcherza za pomocą cewnika po wstrzyknięciu błękitu metylenowego.
Należy wykonać serię obrazów fotoakustycznych in vivo co 12 godzin aż do 48 godzin po iniekcji. Następnie szczura należy uśmiercić poprzez podanie przedawkowanej dawki pentobarbitalu w ilości 150 mg/kg. Po tym czasie należy usunąć pęcherz moczowy oraz nerkę i umieścić je na szklanej płytce.
W ramach kontroli dla obrazowania ex vivo należy wykorzystać pęcherz moczowy i nerkę zwierzęcia, któremu nie podano wstrzykniętego preparatu. Umieść płytkę szklaną pod pojemnikiem z wodą w systemie cystografii fotoakustycznej i nałóż żel ultradźwiękowy pomiędzy wycięte organy a membranę plastikową, aby poprawić sprzężenie akustyczne podczas obrazowania. Przedstawiony tutaj obraz to dwuwymiarowy skan XY brzucha szczura, wykonany za pomocą światła laserowego o długości fali 667 nanometrów przed wstrzyknięciem błękitu metylenowego.
W tym przypadku naczynia krwionośne są łatwo widoczne, ponieważ krew pochłania światło, generując sygnał fotoakustyczny, natomiast pęcherz nie jest widoczny ze względu na brak środka kontrastowego. Po wykonaniu obrazowania 12 godzin po wstrzyknięciu błękitu metylenowego jako środka kontrastowego, pęcherz staje się łatwo widoczny z bardzo wysoką amplitudą w całym jego obszarze. Podczas ponownych pomiarów po 24 i 48 godzinach środek kontrastowy opuścił organizm i nie jest już widoczny; poprzez zmianę długości fali optycznej na 850 nanometrów za pomocą oscylatora parametrycznego, błękit metylenowy przestaje pochłaniać energię i staje się niewidoczny.
Dzięki temu pęcherz staje się efektywnie niewidoczny, co stanowi kolejną kontrolę negatywną dla układu. Obrazy z rozdzielczością głębokości uzyskiwane z płaszczyzny Z wzdłuż pokazanych tutaj linii przerywanych dostarczają dodatkowych danych o głębokości w obszarach zainteresowania, jak przedstawiono tutaj, lub mogą być wykonywane dla całego obrazu w celu opisania obszaru w trzech wymiarach. W tym filmie zademonstrowaliśmy możliwości obrazowania pęcherza in vivo za pomocą procesu niejonizującego zwanego obrazowaniem fotoakustycznym.
Wykorzystując nasz system obrazowania fotoakustycznego, pomyślnie obrazowaliśmy lewy pęcherz wypełniony wstrzykniętym znacznikiem efektu optycznego w ołowiu. W przyszłości technika ta może zostać zastosowana do monitorowania problemów urologicznych, takich jak refluks pęcherzowo-moczowodowodowy u pacjentów pediatrycznych, przy niskiej dawce promieniowania. Przenośność i niski koszt tej procedury są optymalne dla tego typu zastosowań.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie demonstruje zastosowanie fotoakustycznej cystografii (PAC) do mapowania pęcherzy moczowych u szczurów, z wykorzystaniem promieniowania niejonizującego oraz nietoksycznych znaczników optycznych. Metoda ta ma na celu zapewnienie bezpiecznej alternatywy obrazowej dla pacjentów pediatrycznych, pozwalającej uniknąć promieniowania jonizującego i toksycznych środków kontrastowych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Obrazowanie biomedyczne
- Technologia fotoakustyczna
- Procedury nieinwazyjne
Wstęp
- Fotoakustyczna cystografia jest nowatorską techniką obrazowania.
- Jest ona szczególnie korzystna dla populacji wrażliwych na promieniowanie, takich jak dzieci.
- Metoda ta wykorzystuje znaczniki nieprzezroczyste optycznie do mapowania pęcherza moczowego.
- Pozwala ona uniknąć stosowania promieniowania jonizującego oraz czynników toksycznych.
Cel badania
- Wykazanie niejonizującej cystografii fotoakustycznej in vivo.
- Ocena skuteczności absorbancji optycznej w roli znaczników.
- Zapewnienie bezpiecznej metody obrazowania pęcherzy moczowych u szczurów.
Zastosowane metody
- Znieczulenie zwierzęcia doświadczalnego.
- Przygotowanie miejsca obrazowania poprzez usunięcie włosów z brzucha.
- Upozycjonowanie szczura i wprowadzenie cewnika.
- Nałożenie żelu ultradźwiękowego i obrazowanie za pomocą systemu PAC.
Główne wyniki
- Pomyślne obrazowanie pęcherza moczowego szczura z wykorzystaniem PAC.
- Brak ekspozycji na promieniowanie lub długotrwałej akumulacji czynników.
- Osiągnięto wysoką rozdzielczość przestrzenną i silny kontrast absorpcji optycznej.
- Wykazano szybki i kosztowo efektywny proces obrazowania.
Wnioski
- Cystografia fotoakustyczna jest obiecującą metodą obrazowania.
- Stanowi ona nieinwazyjną i bezpieczną alternatywę dla mapowania pęcherza moczowego.
- Technika ta może być korzystna dla pacjentów pediatrycznych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Cystografia fotoakustyczna (PAC) stanowi niejonizującą i nieinwazyjną alternatywę obrazowania w wizualizacji pęcherza moczowego, odpowiadając na krytyczną, niezaspokojoną potrzebę w urologii pediatrycznej, gdzie ekspozycja na promieniowanie podczas konwencjonalnej cystografii wiąże się ze znacznym ryzykiem kancerogennym. Dzięki wykorzystaniu biokompatybilnych znaczników optycznych, takich jak błękit metylenowy, nanostruktury złota lub nanorurki węglowe, PAC umożliwia obrazowanie tkanek głębokich powyżej 1 cm przy energiach laserowych znacznie poniżej progów bezpieczeństwa, co wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego w przedklinicznych potokach walidacji celów terapeutycznych. Podejście to zwiększa pewność predykcyjną w modelach chorób, zapewniając powtarzalny, wolny od promieniowania monitoring podłużny fizjologii i patologii pęcherza moczowego.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych związanych z funkcją i patologią pęcherza moczowego bez zakłóceń wynikających z promieniowania jonizującego.
- Wartość operacyjna: Wspiera ograniczanie ryzyka biologicznego poprzez podłużne, niedestrukcyjne monitorowanie wydalania znacznika i dynamiki pęcherza moczowego in vivo.
- Wartość prognostyczna: Ułatwia ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez walidację klirensu środka kontrastowego drogą naturalnego oddawania moczu, co zmniejsza obawy dotyczące długoterminowej kumulacji toksycznej w modelach przedklinicznych.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Gotowość do analizy: Przygotowuje zwalidowane systemy biologiczne do dalszych etapów procesu poprzez ustalenie powtarzalnych, ilościowych odczytów sygnału fotoakustycznego powiązanych ze stężeniem znacznika i stopniem wypełnienia pęcherza.
- Powtarzalność: Umożliwia standaryzację protokołów obrazowania poprzez kontrolę długości fali lasera (np. 667 nm dla błękitu metylenowego), energii impulsu (<1 mJ/cm²) oraz ustawień przetwornika (częstotliwość środkowa 5 MHz).
- Ilościowe wyniki: Generuje mierzalne dane spektralne i amplitudę fotoakustyczną, które umożliwiają porównania między różnymi warunkami, punktami czasowymi i rodzajami znaczników.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Znaczenie dla chorób: Modeluje refluks moczowodzowy oraz inne pediatryczne schorzenia urologiczne, umożliwiając nieinwazyjne obrazowanie pęcherza moczowego przez 48 godzin po podaniu znacznika.
- Ciągłość translacyjna: Łączy etap odkryć z walidacją przedkliniczną poprzez wykazanie kinetyki wydalania znacznika, co wspiera decyzje o postępie badań w oparciu o analizę ryzyka związaną z profilami biokompatybilności i klirensu.
- Zgodność z biomarkerami: Stanowi platformę do oceny biodystrybucji i retencji znacznika jako potencjalnych translacyjnych biomarkerów funkcji nerek lub pęcherza moczowego.
Integracja potoku i przepływu pracy
PAC wpisuje się w kontinuum odkryć, od wczesnej walidacji celu po przedkliniczne testy skuteczności, szczególnie w przypadku celów urologicznych, gdzie fizjologia pęcherza jest kluczowym parametrem odczytu, umożliwiając nieinwazyjną, podłużną ocenę bez skumulowanego obciążenia promieniowaniem.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez, umożliwiając wizualizację zmian strukturalnych i funkcjonalnych w pęcherzu moczowym w odpowiedzi na interwencje farmakologiczne lub genetyczne.
- Przesiewanie: Zapewnia gotowe do analizy, powtarzalne obrazy o wysokiej rozdzielczości przestrzennej (590 µm w przekroju poprzecznym, 144 µm w osi podłużnej) i silnym kontraście absorpcji optycznej, co pozwala na wiarygodną ewaluację związków lub znaczników.
- Analityka: Generuje dane rozdzielone w czasie, głębokości oraz dane wolumetryczne (poprzez skany B i rekonstrukcję 3D), umożliwiając ilościowe porównanie napełniania pęcherza, retencji znacznika oraz dynamiki klirensu.
- Badania translacyjne: Łączy się z ciągłością przedkliniczną poprzez walidację faktu, że znaczniki optyczne są naturalnie wydalane z moczem, co wspiera profilowanie bezpieczeństwa w badaniach umożliwiających złożenie wniosku o IND.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Stanowi wielorazową platformę obrazowania, którą można zastosować w wielu badaniach i systemach modelowych ze względu na jej niejonizujący charakter, niski koszt eksploatacji oraz kompatybilność z różnymi znacznikami absorbującymi w zakresie NIR.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej w badaniach ukierunkowanych na pęcherz moczowy dzięki powtarzalnemu obrazowaniu bez użycia promieniowania.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację i skalowalność dzięki zdefiniowanym parametrom lasera, specyfikacjom przetwornika oraz protokołom obrazowania.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji typu go/no-go, umożliwiając wczesne wykrycie retencji znacznika poza celem lub toksyczności pęcherza bez narażania na promieniowanie jonizujące.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko, dostarczając danych o klirensie i biodystrybucji, które informują decyzje o dalszym rozwoju w ramach programów opracowywania leków urologicznych.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie obrazowania fotoakustycznego, bezpieczeństwa laserowego oraz chirurgicznych procedur u małych zwierząt, w tym kaniulacji i anestezji.
- Wymagane jest strojowane źródło laserowe (OPO), sferycznie skupiony przetwornik ultradźwiękowy (5 MHz), system akwizycji danych (oscyloskop, LabVIEW) oraz potok przetwarzania danych oparty na programie MATLAB.
- Wymagana jest międzyzespołowa standaryzacja parametrów obrazowania (długość fali, energia impulsu, wielkość kroku) oraz protokołów przygotowania znaczników pomiędzy zespołami badawczymi i przedklinicznymi.
- Wymaga uwzględnienia modyfikacji przy zmianie znaczników (np. z błękitu metylenowego na nanostruktury złota), co wiąże się z koniecznością ponownej optymalizacji długości fali i walidacji sprzężenia akustycznego.
- Ograniczone przez głębokość penetracji (wykazano >1 cm) oraz zależność od właściwości absorpcji optycznej znacznika przy wybranych długościach fali.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:05
Title
1:48
Configuration of the Deep Reflection Mode Photoacoustic Cystography System
5:22
Animal Preparation for Imaging Procedures
8:46
Conclusion
7:30
Results: Photoacoustic Cystography Imaging of Rat Bladders
6:13
In vivo and Ex vivo Photoacoustic Cystography Imaging Procedures
